探究核電廠儀控的總體安裝設(shè)計

方耿森

【摘要】本文通過以三代壓水堆核電廠儀控總體設(shè)計的內(nèi)容及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為例，來重點(diǎn)對儀控總體設(shè)計的各個組成部分及在三代壓水堆核電廠實(shí)踐的情況，各個階段的具體考慮及具體實(shí)施進(jìn)行研究分析，以供參考。

【關(guān)鍵詞】核電廠；儀控；總體；安裝設(shè)計

儀控總體設(shè)計是核電廠設(shè)計的組成部分，可以細(xì)分為6個步驟：①確定儀控設(shè)計原則；②人機(jī)交互接口的要求；③功能分析與分配；④功能要求；⑤儀控技術(shù)規(guī)范；⑥項目的實(shí)施。前5個步驟一般在核電廠的概念設(shè)計、初步設(shè)計時完成，步驟之間并無嚴(yán)格的分界或先后關(guān)系，但相互之間存在輸入和輸出，儀控總體設(shè)計從時間上來說橫跨核電廠的設(shè)計、采購、安裝、調(diào)試的全過程，開始于確定儀控設(shè)計原則，結(jié)束于儀控總體調(diào)試試驗(yàn)，與儀控的生命周期一致。

一、三代壓水堆核電廠儀控基本概述

（一）核電廠儀控總體結(jié)構(gòu)

三代壓水堆核電廠的儀控總體結(jié)構(gòu)分3層，0層為工藝接口層；1層為系統(tǒng)自動化層；2層機(jī)組監(jiān)視與控制層。各儀控功能子系統(tǒng)執(zhí)行電廠正常運(yùn)行管理功能、安全保護(hù)功能、自動調(diào)節(jié)功能提供人機(jī)界面功能。儀控功能的實(shí)現(xiàn)平臺主要基于TXS、SPPA-T2000，各功能子系統(tǒng)之間通過硬接線或網(wǎng)絡(luò)連接，按照安全等級進(jìn)行嚴(yán)格的功能分配，并實(shí)施充分的隔離措施，各子系統(tǒng)相互協(xié)作，完成其負(fù)責(zé)的保護(hù)、控制和監(jiān)視功能。

（二）儀控總體設(shè)計的流程

（1）確定與核電廠其它部分的設(shè)計接口，明確需求。（2）明確儀控設(shè)計需執(zhí)行的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，并負(fù)責(zé)解釋及落實(shí)執(zhí)行。（3）確保設(shè)計過程的可控，負(fù)責(zé)總體驗(yàn)證和確認(rèn)（V&V）的制定及落實(shí)。（4）設(shè)計方法、工具、設(shè)計程序的策劃、組織與實(shí)施。三代壓水堆核電廠儀控總體結(jié)構(gòu)宜在步驟①就結(jié)合潛在的平臺的特點(diǎn)開展設(shè)計，在步驟⑤時考慮具體的平臺完成結(jié)構(gòu)的固化。

二、核電廠儀控的總體安裝設(shè)計

（一）儀控設(shè)計原則

遵從核電廠總體設(shè)計關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的選擇原則，儀控設(shè)計所應(yīng)遵守或參照的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或選用的原則很明確，如：三代壓水堆核電廠儀控總體設(shè)計的頂層標(biāo)準(zhǔn)為IEC61513。對于安全要求的分解：三代壓水堆核電廠對于承擔(dān)不同級別的系統(tǒng)和/或設(shè)備，在單一故障準(zhǔn)則（能動或非能動）、物理和電氣隔離、應(yīng)急供電、定期試驗(yàn)、質(zhì)量保證、抗震等級等方面體現(xiàn)不同的設(shè)計要求，同時對于功能分級F1B強(qiáng)調(diào)功能的多樣性來滿足單一故障準(zhǔn)則。對于可靠性的分解：三代壓水堆核電廠的設(shè)計采用確定論為主、概率論為輔的結(jié)合方式，概率論的工具作為設(shè)計的平衡手段在設(shè)計中使用，二者之間通過將功能/系統(tǒng)/設(shè)備的安全分級與概率安全評估（PSA）的目標(biāo)要求對應(yīng)來建立關(guān)聯(lián)。在三代壓水堆核電廠數(shù)字化儀控的實(shí)施過程中，經(jīng)驗(yàn)表明合適的PSA模型和方法有助于設(shè)計的實(shí)施。為達(dá)成從電廠層面分解的可靠性的要求，必須考慮到電廠本身設(shè)計的限制。儀控平臺種類的最大數(shù)量、平臺技術(shù)選擇的原則（微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列）、多樣化原則、縱深防御線的設(shè)置原則等應(yīng)當(dāng)明確，以形成初步的儀控總體功能結(jié)構(gòu)。儀控總體功能結(jié)構(gòu)將初步確定結(jié)構(gòu)的層次、儀控功能子系統(tǒng)的設(shè)置及信號流的初步情況。設(shè)計程序、設(shè)計文檔/過程的規(guī)范的策劃是儀控設(shè)計原則的另一項重要內(nèi)容，需綜合考慮后續(xù)設(shè)計過程中協(xié)調(diào)設(shè)計資料互提的內(nèi)容、格式規(guī)范、實(shí)施過程的控制以及所應(yīng)遵守的詳細(xì)規(guī)定等的策劃等。

（二）功能分析與分配

功能分析與分配是一個自上向下的分析，主要可分為功能分析、任務(wù)分析及分析結(jié)果的V&V。（1）確定目標(biāo)：明確電廠的總體運(yùn)行目標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)。在后續(xù)設(shè)計中分解為更為細(xì)化和準(zhǔn)確的子目標(biāo)。（2）識別功能：細(xì)化支持實(shí)現(xiàn)子目標(biāo)所需要的功能并將其文檔化，盡可能細(xì)化并結(jié)合考慮人機(jī)交互方的貢獻(xiàn)。（3）分析信號流：確定信息的要求，完成電廠功能的儀控平臺的信號流和處理能力。此時應(yīng)當(dāng)考慮儀控的設(shè)計原則和限制。（4）任務(wù)分析：進(jìn)行任務(wù)的分配、控制的集中或就地、自動化水平、儀控系統(tǒng)和操作員的有效性分析。任務(wù)分析在功能分析建立的總目標(biāo)及其分解的目標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，開始于對運(yùn)行活動的識別，如：啟堆、停堆、事件的緩解等。每個運(yùn)行活動應(yīng)分解為單個的任務(wù)，對于每個任務(wù)的完成，儀控系統(tǒng)和操作員的分工應(yīng)當(dāng)識別并明確。（5）每項任務(wù)均需要判定就地控制與集中控制的分配。每項任務(wù)均需要判定自動化的水平，判定需綜合考慮系統(tǒng)的響應(yīng)時間要求、操作的負(fù)載程度、人的負(fù)荷等，同時自動的失效也應(yīng)當(dāng)在考慮范圍內(nèi)。（6）有效性分析：確定儀控系統(tǒng)能否完成給定的任務(wù)的有效性，是否滿足預(yù)期的要求。（7）分析結(jié)果的V&V：分析是否符合設(shè)計的原則和期望，同時證明控制室的功能符合預(yù)期。

（三）功能要求

作為儀控功能，其相應(yīng)的基本要求將明確，如：功能分級、功能要求、性能、獨(dú)立性的要求、所要求的功能的可靠性。（1）功能分級和設(shè)備分類，細(xì)化安全分級和系統(tǒng)、設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，細(xì)化不同安全分級的系統(tǒng)所應(yīng)遵守的設(shè)計要求的。。（2）在儀控功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)由若干設(shè)備完成的功能的集合與分隔，并保證儀控功能相應(yīng)的要求得到實(shí)現(xiàn)。此外。設(shè)備的保護(hù)、優(yōu)先級的管理、定期試驗(yàn)、降級模式時的性能要求、過程監(jiān)視的要求（如：報警的處理、規(guī)程輔助的要求等）、設(shè)計過程等分解、細(xì)化的要求也應(yīng)當(dāng)明確。在儀控功能的集合和分隔的過程中，作為基本的要求，縱深防御的評估必須實(shí)施。作為從電廠總體目標(biāo)的分解項，必須進(jìn)行儀控功能的可信性評估，以評價儀控功能的可靠性、可維護(hù)性、完整性和安全要求得到滿足。（3）人機(jī)界面的要求應(yīng)滿足人機(jī)界面的設(shè)計原則、人因工程的要求、控制室的設(shè)計要求。（4）與工藝過程不直接相關(guān)的功能要求：主要有與場外支持中心的鏈接、與電網(wǎng)調(diào)度的鏈接、長期數(shù)據(jù)的歸檔、監(jiān)視和診斷、運(yùn)行和維護(hù)相關(guān)的功能要求等。

三、結(jié)語

三代壓水堆核電廠建造過程中可以供參考的經(jīng)驗(yàn)如下：（1）重視安全分級對于儀控結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，采取適當(dāng)?shù)拇胧┖喕O(shè)計。（2）重視需求的規(guī)范化要求，盡可能早地策劃規(guī)范性的工作，不要輕視文檔的標(biāo)準(zhǔn)化對項目順利推進(jìn)的作用。（3）重視對潛在平臺的預(yù)研工作，盡可能早地確定平臺，以期使儀控結(jié)構(gòu)的盡早固化。（4）重視儀控總體設(shè)計在項目前期對于設(shè)計方法、工具、過程控制的策劃，并在執(zhí)行中落實(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]周海翔，徐瑋瑛.三代核電機(jī)組數(shù)字化儀控系統(tǒng)及其國產(chǎn)化分析[J].自動化儀表，2010，08：61-63+66.

[2]張淑慧，任永忠.AP1000核電廠儀控系統(tǒng)介紹[J].自動化儀表，2010，10：48-51+56.

[3]馬欣.核電儀控設(shè)備輻射抗擾度試驗(yàn)技術(shù)研究[D].天津大學(xué)，2012.