核電站儀控全數(shù)字化改造項目規(guī)劃和對策分析

□文 朗 白會賢 郝慶福

在20世紀建成的國內(nèi)外核電站中，儀控系統(tǒng)基本依賴于模擬控制原理和技術(shù)，具體應(yīng)用的是繼電器與低密度集成的模擬電路。因此在新世紀數(shù)字化控制技術(shù)日益成熟之后，因其應(yīng)用高度集成的數(shù)字化控制裝置，系統(tǒng)體積和元器件的數(shù)目大幅減小，性能與運行的可靠性卻顯著提高，所以在很多生產(chǎn)和科研領(lǐng)域?qū)@些模擬儀控系統(tǒng)進行了數(shù)字化改造和升級。

一、核電站模擬儀控系統(tǒng)的運維現(xiàn)狀及實施全數(shù)字化改造的必要性

儀控系統(tǒng)是維持核電站正常運轉(zhuǎn)的核心，其運行狀況決定了核電生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟效益。在20世紀末控制技術(shù)全面實現(xiàn)數(shù)字化的背景下，始建于20世紀80年代之前的核電站儀控系統(tǒng)在運維方面遇到了瓶頸。因設(shè)備壽命問題導(dǎo)致其可靠性下降，并且由于儀控設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)的更新?lián)Q代，專業(yè)維修技術(shù)服務(wù)和設(shè)備的更換日益得不到保障。

(一)核電站模擬儀控系統(tǒng)的運維困境。核電站的儀控系統(tǒng)包括多個子系統(tǒng)，其中的控制元件和系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)量龐大，而且基于邏輯電路和模擬元件的系統(tǒng)故障分析和維修十分復(fù)雜，因此相比目前的數(shù)字化儀控系統(tǒng)，模擬儀控系統(tǒng)本身的運維工作就需要耗費很多時間與精力。而運行了幾十年的核電站模擬儀控系統(tǒng)，其運維工作不僅耗時耗力，還不可避免的需要面對設(shè)備與系統(tǒng)日益陳舊老化、故障發(fā)生的概率逐年提高等困難局面。第一，基于核電設(shè)施對安全運行的高要求，老化的儀控系統(tǒng)運維工作壓力越來越大，為保障系統(tǒng)運行的可靠性需要更加頻繁的進行預(yù)防性運維，更換存在安全隱患的相關(guān)設(shè)備等。第二，在儀控系統(tǒng)各種設(shè)備的供應(yīng)商方面，由于科技的進步和市場需求的變化，逐漸淘汰了模擬設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)。因此核電站的儀控系統(tǒng)運維面臨備用設(shè)備和相關(guān)元器件斷供的風(fēng)險[1]。

(二)模擬儀控系統(tǒng)的功能亟需升級。除了運維工作面臨的問題，相比于數(shù)字化控制系統(tǒng)，核電站模擬儀控系統(tǒng)的控制功能也存在很多不足。第一，數(shù)字化儀控系統(tǒng)可以依托人工智能、自動控制以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)運維的智能化和自動化。通過具有自學(xué)習(xí)功能的專家系統(tǒng)進行故障自檢、自診和預(yù)警，提高系統(tǒng)的運行可靠性并大幅減少運維工作量，維修人員根據(jù)系統(tǒng)提供的信息迅速鎖定故障地點并將其排除。第二，數(shù)字化儀控系統(tǒng)在操作方面更加簡便高效，基于數(shù)字化的控制設(shè)備和裝置具有強大的自我調(diào)適和自動控制功能。第三，基于數(shù)字化儀控系統(tǒng)的信息采集、存儲和處理功能，可以對核電設(shè)施各部分的運行狀態(tài)進行實時或離線分析，對于提高設(shè)施的運行和管理效率行之有效，因此應(yīng)當(dāng)對核電站的模擬儀控系統(tǒng)進行改造，使之全面實現(xiàn)數(shù)字化控制。

二、實施核電站儀控系統(tǒng)全數(shù)字化改造的技術(shù)特點與難點

雖然數(shù)字化儀控系統(tǒng)功能的優(yōu)越性有目共睹，但是國內(nèi)外使用模擬儀控系統(tǒng)的大部分核電站依然沒有啟動升級改造，這是由核電站安全運行的特殊要求和其運行維護特點決定的。

(一)核電站儀控系統(tǒng)改造項目的難點。根據(jù)核電站運行安全相關(guān)規(guī)范的要求，核電設(shè)施無論是在正常運行還是大修期間，部分系統(tǒng)和設(shè)備必需保持運行，以維持核安全保障功能。因此核電站儀控系統(tǒng)的全面改造天然具有復(fù)雜性，在更換儀控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備時需要采取合理的措施，確保遵循上述安全規(guī)范的要求。另外，根據(jù)類似儀控系統(tǒng)升級的經(jīng)驗，對核電站的模擬儀控系統(tǒng)進行全面數(shù)字化改造累計需要至少三個月時間，而實施改造應(yīng)當(dāng)在相關(guān)設(shè)施大修的時間段進行，才能最大程度的規(guī)避風(fēng)險。但是核電站的大修時間相對較短，要想完成全部系統(tǒng)的改造需要分步驟實施項目規(guī)劃[2]。

(二)實施核電站儀控系統(tǒng)改造應(yīng)遵循的原則。鑒于核設(shè)施運行安全的重要性，實施核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造應(yīng)將確保核安全做為前提。第一，要針對設(shè)施運行安全的要求，進行周密的規(guī)劃和前期技術(shù)準(zhǔn)備工作，對項目的實施計劃和系統(tǒng)的運行安全性等進行反復(fù)分析和論證，確保其在技術(shù)上完全可行。第二，新系統(tǒng)的設(shè)計方案和實施步驟要滿足改造期間的運維要求，由于改造期間部分設(shè)施會存在兩套儀控系統(tǒng)并存的時間段，這一特殊時期的操作和維護規(guī)程等必需審慎設(shè)計。第三，要評估系統(tǒng)改造的綜合成本，對相對較長的改造期間的運維成本以及今后面臨的形勢進行評價，確保設(shè)備的兼容性與可維護性，在硬件設(shè)施的配置和軟件系統(tǒng)的設(shè)計方面選擇風(fēng)險系數(shù)最小的解決方案。

(三)核電站儀控系統(tǒng)改造項目的特點。核電站儀控系統(tǒng)改造項目具有周期長、對籌劃準(zhǔn)備工作要求高和需要模塊化實施的特點。第一，由于核電站的大修持續(xù)時間較短，而儀控系統(tǒng)規(guī)模龐大、接口多且功能復(fù)雜，因此改造計劃的實施需要在多個大修周期之后才能完成。根據(jù)國外核電站的改造經(jīng)驗，從項目籌備到改造完成需要六年甚至更長的時間。第二，由于核電設(shè)施安全運行規(guī)范的要求，加之核電站自身生產(chǎn)管理的復(fù)雜性，在籌備規(guī)劃其儀控系統(tǒng)改造工程時，對前期籌劃工作的質(zhì)量有著非常高的要求，其中的任何一個細節(jié)考慮不周，都有可能影響核電生產(chǎn)安全[3]。因此需要進行全面的風(fēng)險評價，對新舊系統(tǒng)更替過程中潛在的風(fēng)險因素進行分析和評估，論證和選擇技術(shù)上可行且安全系數(shù)較高的技術(shù)方案。并且針對改造工程對核電站的正常運行和管理的影響，設(shè)計好臨時管理措施和相關(guān)規(guī)制。

三、核電站儀控系統(tǒng)改造的軟硬件與改造流程規(guī)劃設(shè)計

(一)基于生產(chǎn)設(shè)備和儀控系統(tǒng)狀況分析設(shè)計改造流程。由于核電站的儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造需要分期完成，要通過對各子系統(tǒng)的核安全等級、升級需求以及維修能力和備件可用率等因素進行分析評價，完成模塊的劃分和確定系統(tǒng)的改造流程。因此在進行改造項目的規(guī)劃時，要先對在用模擬儀控系統(tǒng)的設(shè)備以及系統(tǒng)整體運行狀態(tài)進行分析和調(diào)研，收集整理系統(tǒng)的設(shè)計、安裝以及運維資料，通過一線操作和運維人員了解相關(guān)設(shè)備狀態(tài)以及對系統(tǒng)功能的評價。從而一方面分析系統(tǒng)正常運行所需控制功能，進行相關(guān)的升級改造風(fēng)險評價和模塊劃分；另一方面針對核電生產(chǎn)的需要規(guī)劃新系統(tǒng)的功能升級，讓改造后的數(shù)字化儀控系統(tǒng)功能更加完善。

(二)基于核電機組的運行分析設(shè)計和優(yōu)化新系統(tǒng)的軟硬件。

1.分析儀控系統(tǒng)中各子系統(tǒng)功能并設(shè)計數(shù)字化軟硬件系統(tǒng)。在完成儀控系統(tǒng)改造的模塊劃分和流程規(guī)劃之后，要依次對待升級模塊相對應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備進行分析，針對機組的運行原理、設(shè)備狀態(tài)以及既往維修改造記錄，規(guī)劃設(shè)計其儀控子系統(tǒng)的功能。第一，根據(jù)分析評價結(jié)果設(shè)計硬件系統(tǒng)，對系統(tǒng)的硬件進行選型和電力、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方案設(shè)計。第二，基于對儀控子系統(tǒng)功能的分析，初步設(shè)計其軟件系統(tǒng)的邏輯組態(tài)[4]。根據(jù)國外核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造的經(jīng)驗，這一環(huán)節(jié)對改造項目的成敗具有決定性作用，只有確保對系統(tǒng)功能需求的分析沒有疏漏，才能使其在改造實施的過程中和正式投入運行后完全滿足設(shè)備的儀控需要，而不會因細節(jié)的疏忽導(dǎo)致系統(tǒng)更替出現(xiàn)問題。

2.對數(shù)字化儀控系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)進行優(yōu)化。為確保項目實施的過程順利和數(shù)字化儀控系統(tǒng)的質(zhì)量，應(yīng)對系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計方案進行優(yōu)化。第一，基于確保系統(tǒng)運行可靠性，要對相應(yīng)模塊的系統(tǒng)邊界接口信息進行匯總，分析在模擬與數(shù)字化儀控系統(tǒng)并存的情況下，信號流的合理性和安全性。第二，在硬件系統(tǒng)的設(shè)計方面，設(shè)備的選型需要針對整體儀控系統(tǒng)進行統(tǒng)籌規(guī)劃，確保所有設(shè)備在數(shù)字化系統(tǒng)全面投入運行后具有良好的兼容性和可維護性[5]。此外借鑒已有的相關(guān)項目實施經(jīng)驗，掌握系統(tǒng)和設(shè)備易發(fā)故障信息。

三、核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造的實施與臨時管理策略分析

(一)對操作與運維人員進行新系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)。由于核電站的儀控系統(tǒng)改造需要持續(xù)相當(dāng)長一段時間，而項目實施階段兩個儀控系統(tǒng)會出現(xiàn)并存的狀態(tài)，在此期間核電站需要維持正常運轉(zhuǎn)，因此需要操作、運維以及相關(guān)技術(shù)部門人員參加相應(yīng)的技術(shù)培訓(xùn)，使其了解數(shù)字化儀控系統(tǒng)的原理和特點，確保其做好本職工作。第一，對系統(tǒng)操作人員的培訓(xùn)要重點使其掌握數(shù)字化儀控系統(tǒng)的操作規(guī)程，理解新系統(tǒng)所應(yīng)用的技術(shù)特點。第二，要充分發(fā)揮運維及技術(shù)部門人員的經(jīng)驗優(yōu)勢，讓其參與到數(shù)字化系統(tǒng)的功能設(shè)計與調(diào)試過程中[6]。一方面讓相關(guān)人員有充足時間掌握新的運維和管理技術(shù)，深刻理解新系統(tǒng)的運行原理和特點，為修訂操作和運維規(guī)程做好技術(shù)準(zhǔn)備；另一方面在參與項目的規(guī)劃與實施過程中，基于對相關(guān)機組設(shè)備運行原理的了解和工作經(jīng)驗，可以給數(shù)字化儀控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計提供有價值的建議，避免因?qū)I(yè)差異導(dǎo)致相關(guān)功能出現(xiàn)設(shè)計缺陷。

(二)編制實施臨時管理規(guī)定并適時更新系統(tǒng)維修規(guī)程與運行程序。對核電站的儀控系統(tǒng)全數(shù)字化改造項目而言，需要規(guī)劃設(shè)計的不僅是新系統(tǒng)的軟硬件，還包括項目實施階段的臨時管理規(guī)定以及系統(tǒng)運維規(guī)程等文件，以便指導(dǎo)改造期間核電站正常運維并有效控制改造帶來的風(fēng)險。此外針對數(shù)字化系統(tǒng)的技術(shù)特點，還要在兩個系統(tǒng)并存期間適時更新相關(guān)維修規(guī)程和運行程序，保障系統(tǒng)得到科學(xué)的使用和維護。

四、結(jié)語

由于核電站儀控系統(tǒng)自身的邏輯結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加之核設(shè)施獨特的安全技術(shù)規(guī)范，因此核電站儀控系統(tǒng)全數(shù)字化改造項目的成敗，取決于其規(guī)劃工作是否足夠周密。所以需要對實施數(shù)字化改造持保守和謹慎的態(tài)度，對項目的前期規(guī)劃給予足夠的重視，經(jīng)過充分的分析論證再進入實施階段。