核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

劉曉龍 湯利專 王彤臣

（海南核電有限公司， 海南 昌江縣 572700）

1 核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)意義

熱交換器的熱量交換與傳遞能力決定其在核電廠生產(chǎn)系統(tǒng)占據(jù)重要地位?；诮?jīng)驗(yàn)歸納總結(jié)可知，核電廠設(shè)備大致可分為核島設(shè)備（承擔(dān)熱核反應(yīng)職責(zé)，主要將核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，是核電廠核心設(shè)備）、常規(guī)島設(shè)備（主要將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、電能，涉及汽輪發(fā)電機(jī)組、輔助冷卻系統(tǒng)、輔助配電系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)等眾多設(shè)備）與輔助系統(tǒng)設(shè)備（輔助生產(chǎn)與管理，涉及視頻監(jiān)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等眾多設(shè)備）[1]。在此三類設(shè)備中熱交換器均有分布。因此，核電廠熱交換器數(shù)量眾多并在運(yùn)行期間產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)信息管理已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需求，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、混淆等問(wèn)題，不利于熱交換器數(shù)據(jù)信息在熱交換器性能監(jiān)測(cè)與管理中的運(yùn)用。

與此同時(shí)，核電廠熱交換器運(yùn)行過(guò)程中，隨時(shí)間延長(zhǎng)，容易產(chǎn)生各種各樣問(wèn)題，導(dǎo)致核電廠熱交換器性能降低，從而對(duì)核電廠安全產(chǎn)生不利影響。例如1980年美國(guó)一座海生物核電廠熱交換器出現(xiàn)結(jié)垢問(wèn)題，導(dǎo)致核電廠用水流量不達(dá)標(biāo)，造成生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)停；2005年美國(guó)一座核電廠因?yàn)槌Ｒ?guī)島設(shè)備中某熱交換器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致含放射性物質(zhì)的廠用水泄露，造成嚴(yán)重污染問(wèn)題[2]。因此，做好核電廠熱交換器管理工作，減少熱交換器故障發(fā)生率，減少熱交換器故障損害現(xiàn)實(shí)意義顯著。

核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，能夠提高核電廠熱交換器信息管理信息化水平，實(shí)現(xiàn)熱交換器信息科學(xué)整合與高效利用，為熱交換器安裝、調(diào)試、維修、保養(yǎng)等工作開展提供充足信息依據(jù)。與此同時(shí)，核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，能夠?qū)穗姀S熱交換器性能進(jìn)行全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，幫助工作人員掌握熱交換器性能變化，制定設(shè)備維修保養(yǎng)策略，從而提高熱交換器管理智能化水平。

2 核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)需求分析

核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)建立的關(guān)鍵在于信息整合、分析與利用。因此，在對(duì)核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)時(shí)，應(yīng)保證系統(tǒng)滿足如下功能需求：1）收集核電廠所有熱交換器設(shè)計(jì)信息、制造信息、安裝信息、調(diào)試信息、維修信息、保養(yǎng)信息等，保證熱交換器信息管理系統(tǒng)基礎(chǔ)信息充足、真實(shí)、全面、準(zhǔn)確。2）通過(guò)核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)可了解不同熱交換器類型、制造商、制造材料、基本性能（溫度、壓力、電流、工作介質(zhì)、使用方式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)圖紙等）、所屬機(jī)組、所屬系統(tǒng)等信息。3）核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)能夠管理熱交換器運(yùn)行記錄、故障記錄、維修記錄、養(yǎng)護(hù)記錄等。4）核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)能夠根據(jù)相關(guān)要求結(jié)合熱交換器運(yùn)行情況制定維修養(yǎng)護(hù)方案，識(shí)別熱交換器運(yùn)行安全隱患，提出整改意見(jiàn)等，實(shí)現(xiàn)核電廠熱交換器信息化、智能化管控。

3 核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

架構(gòu)設(shè)計(jì)是核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)重點(diǎn)內(nèi)容，其設(shè)計(jì)質(zhì)量與整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量存在直接影響。結(jié)合設(shè)備信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)運(yùn)用mockplus、PowerDesigner、SpringMVC、瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)、JavaWeb-LayUI框架等工具與技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)基于瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，進(jìn)行了“表示層——領(lǐng)域?qū)印獢?shù)據(jù)層”三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。表示層主要用于展示系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的關(guān)鍵所在，位于核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)最外層，改成主要利用JSP技術(shù)、HTML技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)展示，其設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。領(lǐng)域?qū)又饕糜谕瓿上到y(tǒng)業(yè)務(wù)功能、業(yè)務(wù)流程操作，位于系統(tǒng)中間位置。數(shù)據(jù)層主要用于數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)，可在數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)核電廠熱交換器相關(guān)數(shù)據(jù)查詢、刪除、更新、修改等操作。

圖1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)中的表示層設(shè)計(jì)圖

3.1.2 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能離不開基礎(chǔ)設(shè)施支持，為滿足核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)運(yùn)行需求，需要做好機(jī)房設(shè)計(jì)（包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、主機(jī)服務(wù)器配置）與專家咨詢/綜合調(diào)度平臺(tái)設(shè)計(jì)（包括存儲(chǔ)備份系統(tǒng)配備、系統(tǒng)軟件配備）。就本次設(shè)計(jì)的核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)服務(wù)器而言，應(yīng)用服務(wù)器、備份服務(wù)器等均采用Intel Xeon Silver 4116 12C 85W 2.1GHz 處理器，Windows Server 2008操作系統(tǒng)，見(jiàn)表1。

表 1 核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)服務(wù)器配置

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)主要操作系統(tǒng)為Windows Server 2008操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)靈活性、穩(wěn)定性較強(qiáng)，可滿足核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)運(yùn)行需求。同時(shí)核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)兼容其他系統(tǒng)，便于操作者使用。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)引入了以太網(wǎng)技術(shù)，傳輸協(xié)議以傳輸控制/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為主，同時(shí)為保障系統(tǒng)運(yùn)行安全，在系統(tǒng)中配備了防火墻。

3.2 系統(tǒng)功能總體設(shè)計(jì)

根據(jù)核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)需求，提出如下設(shè)計(jì)思路。

其一，核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用3層瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)模式，該模式可見(jiàn)客戶端集約化處理，即將核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)絕大部分功能集中到服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)事務(wù)邏輯和計(jì)算；核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)與用戶交互可通過(guò)Web瀏覽器來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)與利用更具簡(jiǎn)便性、可操作性。以核電廠熱交換器信息查詢?yōu)槔?，可通過(guò)系統(tǒng)功能菜單，通過(guò)字段輸入、按鈕操作找到所需查詢數(shù)據(jù)信息，核電廠熱交換器信息管理效率提高。

其二，核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能模塊化設(shè)計(jì)，該方法功能分區(qū)明確且具備可視化顯示特征，對(duì)使用者專業(yè)水平要求不高，提高了系統(tǒng)適應(yīng)性，企業(yè)員工可通過(guò)可視化查詢了解熱交換器及其相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并針對(duì)性利用信息完成相應(yīng)工作。

其三，核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)集數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)測(cè)、分析功能于一體，以滿足核電廠熱交換器管理需求。

通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢功能，相關(guān)人員能夠全面掌握熱交換器各方面信息。該功能的實(shí)現(xiàn)主要以數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)建立技術(shù)為支持，在各項(xiàng)技術(shù)合理運(yùn)用下實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱交換器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等采集、整理、保存。

通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能，相關(guān)人員能夠全面掌握熱交換器及其檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，及時(shí)處理預(yù)警、報(bào)警反饋，提高熱交換器及其檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性。該功能的實(shí)現(xiàn)主要是以熱交換器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、熱交換器及其檢測(cè)設(shè)備巡檢為支持，核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)可通過(guò)其所所記錄的信息，進(jìn)行故障診斷、維修決策。核電廠熱交換器數(shù)量與種類眾多，對(duì)一些重要熱交換器應(yīng)給予重點(diǎn)監(jiān)測(cè)（表2），以免熱交換器故障發(fā)生對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。與此同時(shí)，能夠反映熱交換器運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)較多，為保證系統(tǒng)運(yùn)行流暢穩(wěn)定，需要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行分析，從中選擇代表性強(qiáng)的特征參數(shù)進(jìn)行整理分析，如溫度、液位等。此外，設(shè)計(jì)建立在線數(shù)據(jù)包與離線數(shù)據(jù)包，前者于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接，從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中獲取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，后者由工作人員根據(jù)巡檢記錄錄入，兩者集中存儲(chǔ)到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

表 2 幾種重要熱交換器性能監(jiān)測(cè)對(duì)象

通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析功能，相關(guān)人員能夠全面掌握熱交換器及其監(jiān)測(cè)設(shè)備性能變化情況，實(shí)現(xiàn)核電廠各類熱交換器傳熱性能變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)；核電廠各類熱交換器故障診斷；核電廠各類熱交換器整改意見(jiàn)提出等。該功能的實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)計(jì)算、預(yù)測(cè)算法等為支持，通過(guò)計(jì)算比較運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)變化、變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析等，識(shí)別與判斷熱交換器可能存在的故障，并進(jìn)行預(yù)警，提出維修建議。

3.3 系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計(jì)

基于功能模塊化設(shè)計(jì)，核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)將其功能進(jìn)行科學(xué)區(qū)分，利用各功能模塊來(lái)完成系統(tǒng)應(yīng)用某一項(xiàng)或某一組功能：1）核電廠熱交換器基礎(chǔ)信息采集與管理，由系統(tǒng)中基礎(chǔ)信息模塊完成?；A(chǔ)信息模塊具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)字段定義、數(shù)據(jù)組織等功能。涉及的管理內(nèi)容主要包括設(shè)備技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、設(shè)計(jì)功能說(shuō)明、安裝使用說(shuō)明、性能實(shí)驗(yàn)程序、制造資料、相關(guān)材料與儀表信息等。通過(guò)系統(tǒng)能夠完成上述內(nèi)容查詢、修改、增加、刪除等任務(wù)。2）核電廠熱交換器運(yùn)行數(shù)據(jù)分析與利用，由系統(tǒng)中數(shù)據(jù)管理模塊完成。該模塊側(cè)重于設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)的錄入、整理、分析和利用。涉及的管理內(nèi)容主要包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、性能試驗(yàn)信息、數(shù)據(jù)完整性檢查數(shù)據(jù)、日常檢修日志等。例如管理中通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)篩查能夠全面掌握核電廠重要系統(tǒng)中的熱交換器某時(shí)間溫度、壓力、水位、流量等性能數(shù)據(jù)，并生產(chǎn)曲線圖便于工作人員直觀評(píng)價(jià)熱交換器運(yùn)行狀況；管理中通過(guò)完整性數(shù)據(jù)分析（表3）對(duì)核電廠熱交換運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行判斷，如故障、老化、缺損、腐蝕、堵塞等，并根據(jù)判斷結(jié)果針對(duì)性制定維修養(yǎng)護(hù)方案。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為滿足系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)了很多數(shù)據(jù)庫(kù)表，如用戶信息表、設(shè)備表、故障信息表、設(shè)備巡檢任務(wù)表等。以設(shè)備巡檢任務(wù)表為例（表4），對(duì)巡檢任務(wù)編碼、設(shè)備名稱、聯(lián)系方式、巡檢任務(wù)發(fā)起時(shí)間、巡檢內(nèi)容、巡檢狀態(tài)等進(jìn)行了描述，id為設(shè)備巡檢任務(wù)表主鍵，設(shè)計(jì)字符類型有int類型、varchar類型、datetime類型。核電廠熱交換器信息檢索式與可視化查詢，由信息系統(tǒng)查詢模塊完成。

表 3 熱交換器完整性判斷項(xiàng)（部分）

表 4 設(shè)備巡檢任務(wù)表（部分）

該模塊為核電廠熱交換器信息獲取提供了多種方式，可滿足管理人員不同數(shù)據(jù)不同查詢需求。就檢索式查詢而言，管理人員主要通過(guò)關(guān)鍵詞詞輸入、二維碼掃描等方式查詢所需數(shù)據(jù)。在基礎(chǔ)信息管理、維修信息管理中該方法較為常用。就可視化查詢而言，管理人員通過(guò)移動(dòng)系統(tǒng)界面中的鼠標(biāo)位置，觀看熱交換器及其相關(guān)管路、儀器儀表、閥門等設(shè)備信息，點(diǎn)擊鼠標(biāo)后能夠進(jìn)一步獲取設(shè)備內(nèi)容。該方法在設(shè)備內(nèi)外結(jié)構(gòu)信息管理、設(shè)備所在系統(tǒng)位置信息管理等中較為常用。為滿足可視化查詢功能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，利用SolidWork軟件構(gòu)建了交換器三維模型。具體操作：統(tǒng)計(jì)核電廠熱交換器信息（主要由設(shè)備供應(yīng)商提供）；利用SketchUp軟件（3D設(shè)計(jì)軟件，可滿足多數(shù)三維模型構(gòu)建需求）將SolidWork文件轉(zhuǎn)換為dae文件，以便WebGL對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理；待文件完成解析、渲染之后形成熱交換器三維數(shù)據(jù)模型，并于瀏覽器顯示；基于前端框架技術(shù)、數(shù)據(jù)交互技術(shù)等運(yùn)用實(shí)現(xiàn)對(duì)熱交換器三維模型放大、移動(dòng)、縮小等操作，便于用戶全面掌握與了解熱交換器基礎(chǔ)信息。以下是3D渲染部分代碼：

//用戶交互插件 鼠標(biāo)左鍵按住旋轉(zhuǎn)，右鍵按住平移，滾輪縮放

核電廠熱交換器信息輸出與系統(tǒng)運(yùn)行安全維護(hù)，即核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)能夠根據(jù)工作人員相關(guān)需求將其所需信息輸出，便于工作人員隨時(shí)隨地利用信息進(jìn)行設(shè)備管理。同時(shí)系統(tǒng)本身具備安全防護(hù)能力，可通過(guò)數(shù)據(jù)備份、權(quán)限訪問(wèn)保障數(shù)據(jù)安全。

3.4 軟件功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)平臺(tái)框架依托Spring+SpringMVC+MyBatis框架構(gòu)建；運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，模式、目錄信息存儲(chǔ)模式存儲(chǔ)系統(tǒng)文件資料；以列表方式進(jìn)行各級(jí)模塊顯示，列表中涉及編號(hào)、名稱、備注、地址等信息。

4 核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)日常運(yùn)行和管理分析

在應(yīng)用核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備管理時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)嚴(yán)格遵循系統(tǒng)操作要求，進(jìn)行規(guī)范化操作，以免操作不當(dāng)引發(fā)系統(tǒng)故障，降低核電廠熱交換器管理效率。同時(shí)基于核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)管理制度，加強(qiáng)系統(tǒng)日常維護(hù)，減少外界因素對(duì)系統(tǒng)正常使用的干擾。此外，樹立數(shù)據(jù)安全意識(shí)、系統(tǒng)創(chuàng)新意識(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)安全技術(shù)合理使用強(qiáng)化系統(tǒng)性能，使其更好地服務(wù)核電廠熱交換器信息管理。

5 結(jié)論

核電廠熱交換器分布廣泛，做好熱交換器管理工作現(xiàn)實(shí)意義顯著。由于熱交換器信息廣泛分布在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)安全、系統(tǒng)維修保養(yǎng)等眾多環(huán)節(jié)，故障熱交換器管理中如何做好其信息管理，提高熱交換器信息利用價(jià)值成為人們關(guān)注與思考重點(diǎn)問(wèn)題。該研究根據(jù)核電廠熱交換器信息管理需求建立了操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用可靠、界面友好的核電廠熱交換器信息管理系統(tǒng)，科學(xué)地運(yùn)用熱交換器信息數(shù)據(jù)，為熱交換器管理、監(jiān)督、維護(hù)等工作開展提供了信息，有利于提升熱交換器管理質(zhì)量和效率。