馬賽克控制盤臺(tái)在核電廠主控制室的應(yīng)用

竇 穎，郭毅飛，曾 剛，劉志賓，孟慶軍

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

核電廠主控制室是集中監(jiān)視和操縱核電設(shè)備的控制中樞，其整體設(shè)計(jì)大致可劃分為3 個(gè)類型：以模擬技術(shù)為核心的常規(guī)模擬主控制室（即全硬盤控制室）；將核島常規(guī)控制以及常規(guī)島數(shù)字化控制相結(jié)合的主控制室（即硬盤和數(shù)字化兼有的控制室）；及以數(shù)字化儀表和控制技術(shù)為基礎(chǔ)的先進(jìn)主控制室（即除后備盤以外全數(shù)字化控制室）[1,2]。主控制室內(nèi)的主要設(shè)施——控制盤臺(tái)，是核電儀控系統(tǒng)人機(jī)接口的主要載體，肩負(fù)著日常信息收集處理，核電廠運(yùn)行情況監(jiān)控，以及儀表設(shè)備操控等重要工作。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，盤臺(tái)設(shè)計(jì)也不再局限于整體面板開孔并放置儀表設(shè)備的傳統(tǒng)控制盤臺(tái)。

表1 馬賽克后備盤與傳統(tǒng)后備盤差異對(duì)比Table 1 Comparison of mosaic reserve disks with traditional back-up discs

馬賽克控制盤臺(tái)因其設(shè)計(jì)工藝新穎、簡(jiǎn)約，且更符合現(xiàn)代化控制室的整體風(fēng)格，近年來受到越來越多客戶的青睞，一些核電項(xiàng)目正逐步將馬賽克控制盤臺(tái)應(yīng)用于核電廠主控制室。

1 核電廠控制盤臺(tái)類型及功能

核電廠典型的先進(jìn)主控制室一般包含以下幾種盤臺(tái)[3,4]：

1）操作員工作站（OWP，Operator Work Place），該盤臺(tái)為操作員的主要控制手段，通常配置為全數(shù)字化設(shè)備，包括多個(gè)顯示模塊、主機(jī)以及鍵盤鼠標(biāo)等設(shè)備?；跀?shù)字化人機(jī)接口，操作員可對(duì)核電廠運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

2）后備盤（BUP，Backup Panel），該盤臺(tái)為OWP 的后備盤，通常盤面布有核電廠工藝流程的概覽圖，在相應(yīng)位置嵌有參數(shù)儀表，實(shí)時(shí)顯示核電廠各個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)值。同時(shí)盤面還嵌有多個(gè)控制按鈕及手操器等設(shè)備，以便OWP盤臺(tái)失效時(shí)，操作員可利用該盤臺(tái)監(jiān)視或操控核電廠，使其保持在安全狀態(tài)[5]。

3）緊急操作盤（ECP，Emergency Control Panel），當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，操作員可通過此盤臺(tái)上的緊急操作按鈕進(jìn)行手動(dòng)停堆和專用安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)，以保證核電廠的安全。

4）多樣性驅(qū)動(dòng)盤（DHP，Diversity HSI Panel），當(dāng)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生共因故障喪失控制功能時(shí)，可操作該盤臺(tái)觸發(fā)停堆和安全設(shè)施。

5）嚴(yán)重事故盤（SAP，Severe Accident Panel），當(dāng)發(fā)生故障導(dǎo)致電源切斷時(shí)，該盤臺(tái)可提供安全信息監(jiān)控。

6）大屏顯示盤（LDP，Large Display Panel）

隨著主控制室設(shè)計(jì)需求不斷提升，控制盤臺(tái)設(shè)計(jì)也更加人性化、模塊化。不僅在盤臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中結(jié)合了人因工程、人體工程學(xué)[6,7]，使得操作員操縱和監(jiān)視活動(dòng)更加合理，一定程度上減輕操作員工作強(qiáng)度及精神壓力；同時(shí)主控室盤臺(tái)趨于多樣化，其單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于小型化[8,9]。

2 馬賽克控制盤臺(tái)優(yōu)劣勢(shì)分析

傳統(tǒng)控制盤臺(tái)通常采用整塊面板切割制造，加工人員參照概覽圖，在面板相應(yīng)位置開孔并放置手操器和儀表等設(shè)備，如CPR1000 的陽(yáng)江3、4 號(hào)機(jī)組采用的就是日本三菱公司設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)后備盤。該類型后備盤由于面板切割工作在項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)前期就已完成，盤面設(shè)備類型和位置被固化，一旦后期設(shè)計(jì)優(yōu)化升版，如新增設(shè)備，則需要在原有面板上再加工，不僅容易損傷現(xiàn)有設(shè)備，同時(shí)還可能會(huì)影響盤面概覽圖布局；如若調(diào)整部分設(shè)備位置或刪減部分設(shè)備，則需要填充盤臺(tái)面板開孔，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而應(yīng)用馬賽克控制盤臺(tái)的后備盤則可有效解決上述問題。

馬賽克控制盤臺(tái)與傳統(tǒng)控制盤臺(tái)相較，主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

馬賽克盤臺(tái)的盤面由不同規(guī)格的設(shè)備及瓦片填充，可依據(jù)實(shí)際使用需求靈活配置。

在盤臺(tái)設(shè)計(jì)固化后，仍具有調(diào)整和新增盤面設(shè)備的能力，更有利于核電廠后續(xù)改造等需求。

馬賽克盤臺(tái)的支撐骨架可通過專業(yè)固定件進(jìn)行擴(kuò)展以滿足不同規(guī)格的盤面需求。

馬賽克盤臺(tái)的設(shè)備及儀表采用預(yù)制電纜插頭插拔的安裝方式。因此，接線簡(jiǎn)潔，成套性強(qiáng)，維護(hù)方便。既提升了盤內(nèi)可利用空間和日常維護(hù)空間，也提高了設(shè)備更換及日常維護(hù)的效率。

馬賽克盤臺(tái)的設(shè)備及儀表相較傳統(tǒng)盤臺(tái)的設(shè)備及儀表更小型化，增加了后備盤對(duì)設(shè)備的容納能力，可滿足核電廠業(yè)主對(duì)于主控制室盤臺(tái)更多樣化的要求。

為更直觀表明馬賽克控制盤臺(tái)的特點(diǎn)，表1 詳細(xì)列出了其與傳統(tǒng)后備盤的差異。

當(dāng)然，馬賽克控制盤臺(tái)也有待優(yōu)化的方面：

首先，馬賽克盤臺(tái)設(shè)備相對(duì)較小，限制了設(shè)備文字打印空間。針對(duì)此類問題，可以考慮在設(shè)備周邊馬賽克瓦片增加文字描述或從盤臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度改進(jìn)，以滿足人因工程中可視要求；其次，馬賽克盤臺(tái)盤面操作范圍減小，雖然提升操作員工作效率但也增加了誤操作的可能。針對(duì)此類型問題，通過兩步操作，增加確認(rèn)按鈕來防止誤操作。

3 馬賽克控制盤臺(tái)功能及應(yīng)用

馬賽克控制盤臺(tái)主要由柜體、馬賽克設(shè)備及瓦片、配套骨架及其安裝附件組成。配套骨架為網(wǎng)格狀合金面板，作為馬賽克設(shè)備及瓦片的基礎(chǔ)支撐。馬賽克設(shè)備及瓦片依據(jù)設(shè)計(jì)需求卡在骨架相應(yīng)位置上，組合成完整的操縱盤面，并安裝于柜體上；也可對(duì)骨架進(jìn)行切割用來放置顯示器或其他除馬賽克設(shè)備以外的設(shè)備。

3.1 馬賽克控制盤臺(tái)設(shè)備類型及功能

馬賽克控制盤臺(tái)有多種不同類型及規(guī)格的設(shè)備。以主控制室后備盤的設(shè)備需求為例，馬賽克設(shè)備通常有報(bào)警指示燈、信號(hào)指示燈、旋鈕開關(guān)、按鈕開關(guān)、控制瓦片、模擬量指針儀表以及數(shù)碼顯示管儀表等7 種類型。

1）報(bào)警指示燈

后備盤報(bào)警燈一般分布在盤臺(tái)上方，其主要功能是核電廠運(yùn)行過程中的故障信息反饋。依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求確定故障信息報(bào)警級(jí)別，繼而確定相應(yīng)報(bào)警指示燈顏色及對(duì)應(yīng)馬賽克設(shè)備型號(hào)。

2）信號(hào)指示燈

后備盤除報(bào)警指示燈以外，還會(huì)在盤面上布置指示燈來顯示工藝參數(shù)信息等。同樣，信號(hào)指示燈需根據(jù)設(shè)計(jì)需求，確認(rèn)馬賽克設(shè)備顏色以及外觀尺寸規(guī)格。

3）旋轉(zhuǎn)開關(guān)

后備盤通常需要給DCS 發(fā)送模式切換指令或控制指令，如KIC 系統(tǒng)和BUP 系統(tǒng)間的切換等指令。旋轉(zhuǎn)開關(guān)的選擇需根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，如是否需要自復(fù)位或非自復(fù)位功能，兩相還是三相的切換需求來確認(rèn)。對(duì)于個(gè)別需具有雙步確認(rèn)功能的特殊設(shè)備或需要保障系統(tǒng)功能不受未經(jīng)授權(quán)人員操縱的設(shè)備，可選擇旋轉(zhuǎn)手柄帶鑰匙的開關(guān)類型。

4）按鈕開關(guān)

當(dāng)啟動(dòng)、停止某些設(shè)備或確定設(shè)備狀態(tài)時(shí)，后備盤需發(fā)出執(zhí)行指令，如報(bào)警喇叭和消音喇叭的確認(rèn)等。按鈕開關(guān)的選擇需根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，如控制指令的重要程度是否需加裝按鈕保護(hù)措施，亦或是否需要指示燈狀態(tài)反饋等來確認(rèn)馬賽克設(shè)備型號(hào)。

5）控制瓦片

后備盤通常會(huì)發(fā)出控制指令給DCS，且需要接收其反饋信號(hào)，如控制某些設(shè)備開（運(yùn)行）、關(guān)（停止）的指令及接收其相應(yīng)的狀態(tài)反饋指示或故障狀態(tài)指示，不同的狀態(tài)分別用不同的顏色指示。控制瓦片的指示燈和按鈕數(shù)量需根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求來確定。

6）模擬量指針儀表

操作員需要實(shí)時(shí)監(jiān)控核電廠工藝流程中關(guān)鍵設(shè)備的參數(shù)值，以便確保其安全穩(wěn)定地運(yùn)行。因此，后備盤嵌有接收DCS 送來4mA ～20mA 模擬量信號(hào)的指針儀表來完成指示功能。儀表類型需根據(jù)所反映的工藝流程，來確定指示量程及儀表的外觀規(guī)格。

7）數(shù)碼顯示管儀表

后備盤除模擬量指針儀表外，通常還會(huì)嵌入數(shù)碼顯示管儀表，以便通過數(shù)字的形式更為精確直觀地顯示出工藝參數(shù)數(shù)值。儀表類型需根據(jù)所反映的工藝流程，來確定顯示位數(shù)及儀表顯示量程。

3.2 馬賽克控制盤臺(tái)在核電廠主控制室的應(yīng)用

目前，馬賽克控制盤臺(tái)已應(yīng)用于多個(gè)核電項(xiàng)目。

陽(yáng)江5、6 核電項(xiàng)目是中國(guó)首個(gè)具備“三代”核電主要技術(shù)特征，滿足最新安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的自主品牌核電機(jī)組。其主控制室后備盤應(yīng)用了國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主設(shè)計(jì)并制造的安全級(jí)馬賽克控制盤臺(tái)，通過了基準(zhǔn)試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、電磁兼容性試驗(yàn)、地震試驗(yàn)等多項(xiàng)鑒定試驗(yàn)，完全滿足核電廠主控制室對(duì)硬件設(shè)備的技術(shù)要求。2018 年5 月，陽(yáng)江5 號(hào)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，順利完成168h 示范運(yùn)行，宣布具備商運(yùn)條件。陽(yáng)江6 號(hào)機(jī)組也順利完成冷試并按計(jì)劃推進(jìn)后續(xù)調(diào)試工作，預(yù)計(jì)在2019 年具備商運(yùn)條件。同時(shí)，該項(xiàng)目緊急控制盤臺(tái)、多樣性驅(qū)動(dòng)盤及嚴(yán)重事故盤也應(yīng)用了馬賽克控制盤臺(tái)，無(wú)論從外觀還是實(shí)際操作體驗(yàn)都取得了良好的效果。

紅沿河5、6 核電項(xiàng)目及田灣5、6 核電項(xiàng)目[10]，主控制室后備盤、緊急控制盤等同樣應(yīng)用馬賽克控制盤臺(tái)。田灣5、6 項(xiàng)目后備盤除大量馬賽克設(shè)備外還集成多個(gè)無(wú)紙記錄儀，應(yīng)用效果良好?，F(xiàn)紅沿河5 號(hào)機(jī)組及田灣5 號(hào)機(jī)組主控制室馬賽克盤臺(tái)均以已全部安裝就位，正在開展后續(xù)調(diào)試工作。

防城港3、4 核電項(xiàng)目是中國(guó)自主研發(fā)核電技術(shù)——“華龍一號(hào)”的依托項(xiàng)目，全面貫徹“縱深防御”的設(shè)計(jì)理念，安全指標(biāo)和技術(shù)性能均達(dá)到國(guó)際三代核電技術(shù)的先進(jìn)水平。該項(xiàng)目主控制室內(nèi)布置的核島輔助控制盤、常規(guī)島輔助控制盤、多樣化系統(tǒng)人機(jī)接口盤及嚴(yán)重事故處理盤等均采用馬賽克控制盤臺(tái)。馬賽克盤臺(tái)的應(yīng)用既滿足不同盤臺(tái)多樣化設(shè)計(jì)需求，同時(shí)主控制室整體風(fēng)格更彰顯簡(jiǎn)潔現(xiàn)代化。目前，防城港3 號(hào)機(jī)組正在工程建設(shè)階段。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過馬賽克控制盤臺(tái)與傳統(tǒng)盤臺(tái)對(duì)比所展現(xiàn)的特點(diǎn)，分析了該技術(shù)用于核電廠主控制室的優(yōu)勢(shì)及不足。馬賽克控制盤臺(tái)在實(shí)際核電項(xiàng)目的成功應(yīng)用，既肯定了該技術(shù)在核電領(lǐng)域的趨勢(shì)及地位，也顯示了其在核電國(guó)產(chǎn)化道路上的成果和貢獻(xiàn)。

1）在核電廠安全級(jí)盤臺(tái)設(shè)計(jì)和制造方面，因需充分考慮盤臺(tái)的抗震、安全通道隔離、人因工程學(xué)等多重因素，使得設(shè)計(jì)人員面臨諸多難點(diǎn)。因此，該技術(shù)長(zhǎng)久以來都被國(guó)外廠商所壟斷。隨著陽(yáng)江5、6 號(hào)機(jī)組項(xiàng)目馬賽克盤臺(tái)在核安全局的見證下，順利通過嚴(yán)格的鑒定試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了核電廠安全級(jí)盤臺(tái)“中國(guó)造”的目標(biāo)。國(guó)內(nèi)首套自主設(shè)計(jì)和制造的安全級(jí)馬賽克盤臺(tái)的成功應(yīng)用，不僅提升了中國(guó)核電站國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，更填補(bǔ)了中國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域的空白。

2）在核電廠儀控系統(tǒng)的制造成本方面，馬賽克盤臺(tái)的應(yīng)用一定程度上減少了盤臺(tái)制造成本。同時(shí)，馬賽克盤臺(tái)最大限度地降低了單個(gè)設(shè)備對(duì)整體盤臺(tái)的影響，直接減少了盤面設(shè)計(jì)優(yōu)化和改造可能帶來的附加成本，也間接減少了核電廠后續(xù)的維護(hù)成本。

3）國(guó)產(chǎn)安全級(jí)馬賽克盤臺(tái)在陽(yáng)江5、6 號(hào)機(jī)組項(xiàng)目的應(yīng)用，打破了先前國(guó)外制造廠商對(duì)中國(guó)整體安全級(jí)盤臺(tái)進(jìn)口的價(jià)格壁壘，隨著國(guó)產(chǎn)化的推進(jìn)，后續(xù)單機(jī)組后備盤的造價(jià)成本相比整體進(jìn)口馬賽克安全級(jí)盤臺(tái)將進(jìn)一步降低。