海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張 浩，李翌陽，秦旭陽，王午陽

(1.湖北省工程咨詢股份有限公司，湖北 武漢 430071；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著人類對(duì)核能技術(shù)的利用，利用核動(dòng)力發(fā)電的技術(shù)日臻成熟[1]，清潔、安全的陸上大型核電已逐漸成為能源供給的重要組成，在各國(guó)以資源為核心，推進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]，在國(guó)家大力發(fā)展海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略背景下，核電發(fā)展趨勢(shì)將由陸上核電轉(zhuǎn)向海洋核電，海上浮式核電平臺(tái)為搭載有核動(dòng)力裝置的焊接結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)非自航船式平臺(tái)/船，長(zhǎng)期系泊于指定作業(yè)海域，具有一定的自主移位功能，可根據(jù)用戶需要提供電能和淡水，是“海、核、堆、船”四位一體的全新領(lǐng)域，系統(tǒng)復(fù)雜，還要適應(yīng)海洋的特殊環(huán)境條件。

在發(fā)展海洋核能的同時(shí)，海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必不可少，海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為海上浮式核電平臺(tái)安全運(yùn)行的重要保障，海上浮式核電平臺(tái)的外圍輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)行雙軌監(jiān)測(cè)[3]，但目前沒有適用的海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范?！逗藙?dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》[4]偏重于陸上核電廠輻射監(jiān)測(cè)工作，《近岸海域環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[5]側(cè)重于水文氣象等方面的監(jiān)測(cè)工作。而海上浮式核電平臺(tái)類似于船舶，對(duì)浮體姿態(tài)和系泊系統(tǒng)有要求，這也類似于陸上核電廠的地震，因此海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是海上浮式核電平臺(tái)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。

1 海上浮式核電平臺(tái)監(jiān)測(cè)目的

海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的是：

1）為了評(píng)估正常運(yùn)行和事故條件下環(huán)境中出現(xiàn)的放射性物質(zhì)或輻射場(chǎng)對(duì)關(guān)鍵人群組和居民造成的真實(shí)的或潛在的劑量[6]；

2）對(duì)照批準(zhǔn)的限值和法律要求，衡量浮式核電平臺(tái)的環(huán)境狀況是否符合法規(guī)的要求；

3）核查流出物控制的有效性，以便對(duì)異常的或未預(yù)見的工況提出警告，并為異常釋放提供快速評(píng)估，為應(yīng)急事故期間制定應(yīng)急方案提供決策的依據(jù)；

4）為了向公眾提供信息；

5）預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境條件，如風(fēng)速、風(fēng)向[7]以及浮式核電平臺(tái)自身浮體姿態(tài)[8]和系泊情況，確保船體的安全；

6）收集關(guān)于放射性物質(zhì)在當(dāng)?shù)丨h(huán)境中行為的資料，以供事故后果評(píng)價(jià)之需；

7）跟蹤浮式核電平臺(tái)周邊環(huán)境放射性水平短期變化，并評(píng)估其長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)。

2 設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范分析

目前沒有適用的海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，需結(jié)合海上船舶和陸上核電站相關(guān)規(guī)定及設(shè)計(jì)規(guī)范，研究滿足海上浮式核電平臺(tái)監(jiān)測(cè)需求的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1 核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定（HAF102-2016）

必須設(shè)置相應(yīng)的輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備，以保證在運(yùn)行狀態(tài)下和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下提供充分的輻射監(jiān)測(cè)，以及在設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況下提供實(shí)際可行的輻射監(jiān)測(cè)。

必須根據(jù)核動(dòng)力廠周圍區(qū)域劑量率或放射性濃度的環(huán)境監(jiān)測(cè)，對(duì)照射和其他輻射影響的評(píng)價(jià)做出安排。

HAF102-2016 對(duì)核動(dòng)力廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括輻射監(jiān)測(cè)、放射性濃度監(jiān)測(cè)、周圍區(qū)域劑量率、放射性流出物監(jiān)測(cè)提出了具體的要求，海上浮式核電平臺(tái)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也應(yīng)滿足。

2.2 近岸海域環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范

對(duì)近岸海域的水文氣象的監(jiān)測(cè)方案提出了要求，規(guī)范近岸海域環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

2.3 2014 海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范[9]

為了保證海上浮式裝置的安全性，規(guī)范對(duì)船體的橫搖、縱搖、橫蕩、縱蕩角度有要求，確保浮式裝置在運(yùn)行期間的安全。

3 浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既包括陸上核電廠的輻射監(jiān)測(cè)，也包括海洋環(huán)境條件、浮體姿態(tài)以及系泊系統(tǒng)信息監(jiān)測(cè)，是整個(gè)海上浮式核電平臺(tái)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，監(jiān)測(cè)信息又是浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要完整獲取浮式核電平臺(tái)所受的輻射情況、環(huán)境情況、浮體姿態(tài)以及系泊系統(tǒng)情況，通過對(duì)浮式核電平臺(tái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果比模型試驗(yàn)更接近真實(shí)情況，也更能反映浮式核電平臺(tái)的輻照情況和運(yùn)動(dòng)情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以為以后的設(shè)計(jì)、運(yùn) 行提供依據(jù)。

3.1 功能

1）信息綜合采集及傳輸功能

對(duì)整個(gè)浮式核電平臺(tái)的狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過冗余的光纖網(wǎng)進(jìn)行信息的傳輸，通過不同層次、不同種類的信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)核電廠實(shí)時(shí)、高可靠性的信息綜合傳輸功能。

2）信息處理功能

對(duì)整個(gè)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行電制轉(zhuǎn)換、量程變換、非線性補(bǔ)償、物理量計(jì)算、狀態(tài)量聯(lián)鎖等的狀態(tài)信息的處理功能。浮式核電平臺(tái)最重要的是輻射監(jiān)測(cè)，輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠快速、靈敏、可靠地反映輻射情況的變化，預(yù)示早期的輻射事故狀態(tài)，監(jiān)測(cè)事故后的輻射水平，通過對(duì)各種能直接評(píng)價(jià)輻射安全性能的輻射量的監(jiān)測(cè)，給出測(cè)量值的實(shí)時(shí)顯示和歷史曲線顯示等，為事故處理、追查事故原因、評(píng)價(jià)事故影響提供依據(jù)。

3）顯示功能

主要提供各種儀表顯示、系統(tǒng)狀態(tài)模擬顯示和數(shù)字顯示、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)顯示，使操縱人員全面了解浮式核電平臺(tái)各系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，包括參數(shù)是否正常，浮式核電平臺(tái)是否安全等。當(dāng)參數(shù)發(fā)生異常時(shí)，能夠發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，提醒操縱人員采取相應(yīng)措施。輻射監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)，包括模擬量和數(shù)字量均能以一定的周期采集和記錄，完成數(shù)據(jù)的處理、顯示和報(bào)警。

4）安全預(yù)測(cè)及報(bào)警功能

預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體安全，通過設(shè)置在各人機(jī)交互設(shè)備上的專用報(bào)警器、顯示屏幕等設(shè)備，通過顏色的變化、光線的閃爍、聲音等多種提醒手段，向操作員通告系統(tǒng)工況變化超出允許范圍及設(shè)備故障等信息。

5）運(yùn)行信息存儲(chǔ)功能

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置能夠通過通信網(wǎng)絡(luò)收集監(jiān)測(cè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)按時(shí)間順序保存在專用保護(hù)存儲(chǔ)器內(nèi)，為運(yùn)行安全分析、事故分析及事故處理提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 組成

海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境條件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、浮體姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和系泊信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件為模塊化設(shè)計(jì)，分為系統(tǒng)功能模塊、串口通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和界面顯示模塊。

1）輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于核電廠正常運(yùn)行、換料、正常維修和事故工況期間的廠內(nèi)及周邊環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)，為控制各區(qū)域的輻射水平提供依據(jù)，為人員輻射安全、核動(dòng)力裝置運(yùn)行安全、周邊環(huán)境及公眾輻射安全提供一定保障，輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括工藝輻射監(jiān)測(cè)、艙室輻射監(jiān)測(cè)、流出物輻射監(jiān)測(cè)、控制區(qū)進(jìn)出輻射監(jiān)測(cè)、個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)管理和放化分析室及便攜式儀表等系統(tǒng)和平臺(tái)周邊環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。輻射監(jiān)測(cè)信息包括X 射線、β 射線、γ 射線、α 活度、β 活度和中子輻射等。

2）環(huán)境條件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

環(huán)境條件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于浮式核電平臺(tái)水上監(jiān)測(cè)，海上船體的搖擺均是由風(fēng)、海浪、海流三者聯(lián)合作用的結(jié)果，獨(dú)立考慮任何一項(xiàng)造成船體的搖擺與實(shí)際海洋環(huán)境情況不符，一般船舶的運(yùn)動(dòng)特性尤其是最大搖擺角的確定，均同時(shí)考慮風(fēng)浪流的聯(lián)合作用，根據(jù)實(shí)際可能風(fēng)浪流方向，通過多種組合確定最危險(xiǎn)的工況，而低壓可能會(huì)發(fā)生熱帶氣旋或溫帶氣旋引起的風(fēng)。因此環(huán)境條件監(jiān)測(cè)信息包括風(fēng)向、風(fēng)速、浪高、周期、流向、流速和氣壓。

3）浮體姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

浮體姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于浮式核電平臺(tái)水上監(jiān)測(cè)，包括浮體的6 個(gè)自由度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)信息包括橫搖、縱搖、橫蕩、縱蕩、首搖和垂蕩。海上浮式核電平臺(tái)作業(yè)工況下，設(shè)備傾斜搖擺限定值要求：橫搖角度為±22.5°，周期為3～14 s；縱搖角度為±10°，周期為4～10 s；橫蕩角度為±22.5°，縱蕩角度為±10°，只有滿足傾斜搖擺限定值要求，浮式核電平臺(tái)才能夠安全運(yùn)行。

4）系泊信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

系泊信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于浮式核電平臺(tái)水下監(jiān)測(cè)，系泊系統(tǒng)是保證浮式核電平臺(tái)安全的關(guān)鍵，因此采用自容式加速度和自容式傾角傳感器來監(jiān)測(cè)系泊系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)信息包括系泊系統(tǒng)受力、姿態(tài)。

集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)傳感器來采集信息，監(jiān)測(cè)傳感器是浮式核電平臺(tái)不可或缺的輸入，因此集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)傳感器選擇和監(jiān)測(cè)信息如表1 所示。

表1 海上浮式核電平臺(tái)監(jiān)測(cè)信息Tab.1 Monitoring Information for offshore floating nuclear power plants

5）系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊是監(jiān)測(cè)軟件根據(jù)傳輸過來的數(shù)據(jù)，發(fā)出指令至串口通信模塊、輸出參數(shù)至數(shù)據(jù)處理模塊和視圖切換至界面顯示模塊的模塊。

6）串口通信模塊

串口通信模塊是軟件與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信接口，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和接收系統(tǒng)功能模塊發(fā)出的指令，并將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊，起到承上啟下的連接作用。

7）數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是根據(jù)串口通信模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和系統(tǒng)功能模塊發(fā)出的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和處理的模塊，并將數(shù)據(jù)傳輸至界面顯示模塊。

8）界面顯示模塊

界面顯示模塊是根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)功能模塊的視圖切換功能進(jìn)行圖像化處理，并將結(jié)果通過圖像形式顯示給操作人員。

3.3 監(jiān)測(cè)方案

輻射監(jiān)測(cè)傳感器、環(huán)境條件監(jiān)測(cè)傳感器、浮體姿態(tài)傳感器和系泊信息傳感器對(duì)整個(gè)浮式核電平臺(tái)的狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過冗余的光纖網(wǎng)，集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將信息傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于核安全要求，浮式核電平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)性要求高，為了保障數(shù)據(jù)的安全性，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)冗余備份，當(dāng)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將信息傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的第一次存儲(chǔ)。

與此同時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將傳感器的有效數(shù)據(jù)通過串口通信模塊發(fā)送給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)串口通信模塊接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，并根據(jù)系統(tǒng)功能模塊提供的參數(shù)對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行修正，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，界面顯示模塊接收數(shù)據(jù)處理模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)，在界面顯示模塊上顯示數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件將這些數(shù)據(jù)按時(shí)間順序保存在專用保護(hù)存儲(chǔ)器內(nèi)，為運(yùn)行安全分析、事故分析及事故處理提供數(shù)據(jù)支持，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件進(jìn)行第二次存儲(chǔ)，以保證在極端惡劣條件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。

當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件收到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不再局限于海上浮式核電平臺(tái)工作人員，可通過動(dòng)中通衛(wèi)星發(fā)送給陸上營(yíng)運(yùn)單位和環(huán)境保護(hù)部門，擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用及影響力，不僅僅是海上浮式核電平臺(tái)工作人員，陸上的營(yíng)運(yùn)單位和環(huán)境保護(hù)部門可以同時(shí)收到浮式核電平臺(tái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為營(yíng)運(yùn)單位開展的輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境保護(hù)部門的雙軌監(jiān)測(cè)提供支持。通過集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)浮式核電平臺(tái)的整體安全，當(dāng)出現(xiàn)事故或者惡劣環(huán)境條件時(shí)，可以第一時(shí)間開展核應(yīng)急預(yù)案，將損失降低到最小程度。

集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖1 所示，軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖1 浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of integrated monitoring system for floating nuclear power plant

圖2 浮式核電平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.2 Software Architecture of monitoring system for floating nuclear power plant

4 結(jié) 語

由于目前沒有海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，本文以海上浮式核電平臺(tái)監(jiān)測(cè)需求的基礎(chǔ)上，分析《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》對(duì)輻射監(jiān)測(cè)的要求和《近岸海域環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》對(duì)海洋環(huán)境、浮體姿態(tài)和系泊系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。海上浮式核電平臺(tái)通過輻射、海洋環(huán)境條件、浮體姿態(tài)以及系泊系統(tǒng)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件可以實(shí)現(xiàn)營(yíng)運(yùn)單位和環(huán)境保護(hù)部門的雙軌監(jiān)測(cè)，擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用及影響力。隨著集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，海上浮式核電平臺(tái)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將逐步規(guī)范化，在不久的將來，可以實(shí)現(xiàn)無人智能化海上浮式核電平臺(tái)，工作人員無需登上浮式核電平臺(tái)，在陸地上就可以對(duì)核電廠進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，顯著提升安全性和舒適性。