核电厂国产非安全级DCS应用建议_马成喜.pdf

核电厂国产非安全级 DCS 应用建议Application Suggestions of Domestic Non-safety DCS in Nuclear Power Plant马成喜（华东电力设计院有限公司，上海200063）在全球气候变暖的大环境下，如何减少碳排放已经成为全球关注的大事。以往依靠燃烧化石燃料获取能源的传统发展模式必须逐步转向低碳经济，核能以其成熟的技术、相对较低的成本以及能够持续稳定地提供大规模的电力，成为世界各国优先发展的技术。电站控制系统是核电站的重要组成部分，是核电站运行操作与监控的中枢，是确保核电站安全可靠运行的重要装备，对核电站安全、高效、经济运行起着关键性作用。然而，长期以来核电站控制设备一直为国外供应商所垄断，直到近年来国产控制系统才开始应用于核电站。新建核电工程加大力度推进控制系统的国产化，符合国家加紧推进核电关键设备国产化的战略要求，有利于全面提升我国的核电装备技术水平。由此，本文针对核电站非安全级DCS系统的国产化应用进行探讨，旨在为后续核电工程的建设及我国核电技术的出口提供参考和借鉴。1核电站控制系统的组成参照压水堆核电厂物项分级GB/T17569-2013，核电厂的物项应该按照构筑物、系统和部件是否执行安全功能及此种功能的重要性而划分等级。凡执行安全功能的物项均属核安全级，不执行安全功能的则属非核安全级。对电气、仪表和控制设备，按其所在系统功能对电厂安全的重要性分为三类：安全级（1E）设备、安全有关的（NC+）设备和非安全重要（NC）设备。对于不同安全等级的设备，核电站在设计、制造、试验和检查等方面都有特定的要求，如图1所示。（1）安全级（1E）执行电厂设计总的安全要求相关功能以及事故后工况下参与保护功能的仪控系统及设备为安全级（1E），主要包括：反应堆紧急停堆、专设安全设施驱动、事故后监测系统、专设安全设施支持系统驱动、反应堆紧急停堆及专设安全设施的系统级手动驱动、部分部件级手动驱动等。（2）非安全级（NC）不属于安全级（1E）的系统和设备被定义为非安全级（NC）。除安全级系统外，核岛其它非专用系统、全部的常规岛、绝大部分的BOP系统属于非安全级仪控系统范畴。在非安全级仪控系统和设备中，有一些是对安全重要的，如多样化保护系统、严重事故专用仪控系统、火灾探测、消防系统等，这些有特殊要求的非安全级设备定义为NC+。这些系统和设备需要满足一些特殊的要求，如抗震性能要求、定期试验要求等。图1核电仪控系统安全分级示意2国产核电非安全级控制系统发展国内的核电机组控制系统的研究与开发始于上世纪90年代初期，当时我国开始自行设计建造秦山一期30万kW核电机组，同时准备为巴基斯坦建造一座同样的核电机组。为巴基斯坦建造的核电机组由于受到国外公司的禁运抵制，在控制系统方面无法采用国外产品，只能由国内厂家自行研制。经过多年的攻关，由我国自主研制的用于核电站的计算机数据采集系统及核电机组运行状态监视系统，通过验收并发运到巴基斯坦进行安装、运行。但受当时技术水平的限制，系统的体系结构仍然是集摘要：首先对核电站全厂控制系统的组成进行了介绍；接着结合近年来我国的大型核电建设工程，总结了国产非安全级DCS的发展路径及现状。在此基础上，从常规工业领域DCS的国产化应用、国产DCS的可靠性、国产DCS面向核电站功能需求的二次开发、核电站自主化设计以及建设进度控制等多个维度，较为全面地分析了核电站非安全级DCS全面国产化的可行性及其带来的积极的影响。关键词：核电厂；非安全级；DCS；国产化Abstract:Firstly,this paper introduces the composition of nuclear power plant control system.Then,combined with thelarge-scale nuclear power construction projects in China in recent years,this paper summarizes the development path andcurrent situation of domestic non-safety DCS.On this basis,this paper comprehensively analyzes the feasibility and positiveimpact of the localization of non-safety DCS in nuclear power plants.The analysis is mainly from the aspects of the local-ization application of DCS in the conventional industrial field,the reliability of domestic DCS,the secondary development ofdomestic DCS for the functional requirements of nuclear power plants,the independent design and the construction progresscontrol of nuclear power plants.Keywords:nuclear power plant,non-safety,DCS,localization核电厂国产非安全级DCS应用建议20工业控制计算机2023年第36卷第1期中式的，这对系统的适应性和可扩充性形成了较大的限制。在此系统的基础上，国内又开展了秦山二期的两台60万kW核电机组控制系统的研制。秦山二期计算机监视系统和常规岛控制系统首次采用了国产的和利时DCS系统，这是核电控制系统国产化的一次成功尝试，秦山二期的DCS设备是我国第一套自主设计、自主开发的核电国产化DCS系统（常规岛部分）。这表明国内DCS厂家已初步具备设计、制造核电站数字化控制系统的技术能力，所欠缺的是核电站控制系统总体设计方面的经验。在和利时系统经过秦山核电二期的验证后，广核集团开始跟和利时公司进行深入的技术合作。和利时公司依靠其在核电及其它行业广泛应用而获得的经验，对DCS系统进行了大量的再次研发工作，实现了系统的逐步完善，并逐步完成了核电控制系统与核电站工艺流程的紧密结合。广核集团后续陆续建设的CPR1000机组（红沿河、宁德、阳江、防城港等项目），非安全级DCS均采用了和利时的产品。在中核集团主导的华龙一号出口工程卡拉奇核电项目中，非安全级控制系统也采用了国产的和利时HOLLIAS-N系统。除和利时之外，国能智深控制技术有限公司、浙江中控技术有限公司、北京中核控制系统工程有限公司等也积极地投入到核电站数字仪表控制系统的自主化和国产化的相关工作中。从表1可以看出，近年来国产控制系统在核电厂中的应用已经逐渐增多。目前除了和利时的HOLLIAS-N非安全级系统已经较多地应用于核电项目以外，其它国产品牌控制该系统也陆续在核电项目非安全级系统上开始了首次应用，但目前都在工程实施阶段，尚未投产运行。表1部分已运及在建核电工程DCS系统应用情况3非安全级DCS国产化应用分析3.1国产DCS在常规工业领域应用广泛在火力发电、石油化工、轨道交通等常规工业领域，DCS系统的国产化应用已经全面铺开，国产DCS产品在技术、工程实施、客户接受程度等方面与进口DCS品牌相比毫不逊色。在大型火力发电机组工程中，国产DCS的应用情况大致如下：国能智深EDPF系统、和利时HOLLYSYS系统、西安热工院华能睿渥系统已经成功应用于多台套1000 MW级超超临界机组和600 MW级超临界机组；国电南自TCS3000系统、西安热工 院FCS165系 统 等 应 用 于600 MW级 机 组；南 京 科 远NT6000系统、浙江中控ECS系统、上海新华XDC800系统、上海自动化仪表SUPMAX800在300 MW级机组及600 MW级机组的辅控系统上得到应用1。3.2国产DCS产品可靠性提升国产DCS厂商经过多年来众多工程实践的磨练，积累了丰富的工程和技术经验。国产DCS厂商在不断消化吸收进口DCS系统的技术的同时，也加大了自身研发力度，这使得国产DCS的性能、可靠性不断提高。在常规火力发电领域，各大发电集团公司均大力扶持集团内的国产DCS系统的发展，通过有效的技术和管理措施，国产DCS的性能、功能和质量可靠性得到了很大提升。例如国能智深EDPF系统在1000 MW机组上成功应用后，机组的自动和保护投入率及动作正确率均达到与进口控制系统同等的档次1，系统的硬、软件均能长期稳定运行，这说明部分国产DCS已取得了质的飞跃，结束了高端自动控制系统完全依赖进口的历史，打破了进口DCS在超临界机组上的垄断地位。3.3非安全级DCS特殊功能需求的二次开发核电站非安全级DCS不执行核安全相关的功能，从某种程度上其比较接近于常规火电DCS系统的功能需求。核电站非安全级DCS系统主要完成核岛非安全级系统及设备、常规岛系统及设备、BOP部分的系统及设备的监控。核电站非安全级控制系统区别于常规工业DCS控制系统，主要体现在以下几个方面的特殊功能需求：（1）硬件方面1）核电服务器需要配置服务器双机监控卡，其功能是处理二层冗余服务器监控及切换，用于心跳检测、作为服务器切换的判据条件；2）核电站DCS区别于常规DCS操作员站单机对应单屏幕，终端主机需要配置多屏幕切换器KVM装置，以完成鼠标、键盘在多个操作员终端上的漫游切换；3）优选模块，用于后备盘BUP、远程停堆站RSS、DCS系统信号输出的优选。优选模块功能重要，需结合项目需求进行设计，对其可靠性的要求较高。（2）软件方面1）核电专用控制算法模块，用于完成核电特定设备的一、二层控制逻辑，常规工业用DCS固有算法库中没有包含这部分核电的特殊功能模块，属核电用户自定义的扩展库；2）核电专用二层功能，如数字化规程、安全参数计算、特殊报警处理、多终端OWP等；3）核电专用图形库、动态图符等；针对以上所述核电非安全级DCS系统的特殊功能需求，部分国产DCS供货商已经开展了二次开发工作。例如浙江中控、和利时等DCS供货商，在近年来参与的部分核电项目过程，开始对核电的工艺及控制系统有了较为深入的了解，在工程实施中积累了一定的经验，并且已经针对核电行业的需求进行了上述的二次开发工作。无论是欧洲还是美国的核电控制设备供应商，也都是在常规工业控制系统基础之上，针对核电用户的特殊要求进行了二次开发和再认证鉴定工作，进而作为核电控制系统的非安全部分进行应用。值得一提的是，广核集团跟和利时公司进行深入的技术合作，基于已广泛应用于常规工业领域的DCS产品，依靠和利时公司在核电及其它行业获得的宝贵经验，针对核电行业的特殊需求进行了DCS系统的二次研发工作，实现了DCS系统的逐步完善并最终发展为核电非安全级DCS专用平台。广核集团的非安全级DCS国产化的做法值得个借鉴和深思，也充分说明了基于经过常规工业行业充分考验的DCS系统平台，利用其广泛积累的工程使用经验，完成以上所述核电特需功能的二次开发是可行的。3.4工程设计自主化是DCS国产化的有力保障近年来随着国内核电的蓬勃发展，我国在核电设计领域已（下转第24页）21（上接第21页）经积累了更为丰富的经验，各设计单位已经摆脱了依靠国外技术进行DCS系统设计的束缚。各设计单位经过多年的与国外供应商的技术合作，不断汲取供应商的先进理念并在工程设计中进行应用，已经建立了比较完善的工程设计体系，培养了经验丰富的设计团队，这为非安全级DCS设备国产化应用垫定了雄厚的技术保证。核电站非安全级DCS的重要设计工作均由设计单位进行承担，设备供应商仅是按照设计的详细要求进行工程化实施及应用。从工程前期的DCS基本技术要求、总体功能需求的提出，到执行阶段DCS一层的功能图、SAMA图的设计，再到DCS二层系统画面、报警规程等人机接口功能的设计，均由设计单