核电厂先进主控制室的发展

第21卷第6期 上海铁道大学学报 V ol.21,N o.6 2000年6月 JOURNA L OF SH ANG H AI TIE DAO UNIVERSITY Jun.,2000 文章编号:1008Ο0392(2000)06Ο0099Ο06

核电厂先进主控制室的发展3

郑明光1,张琴舜1,徐济均金1,宁忠和2,林志坚2Ξ

(1.上海交通大学动力与能源工程学院,上海200030;2.上海核工业研究设计院,上海200233)

摘　要:简述了当今世界核电厂(主要是压水堆核电厂)先进主控制室的发展概况,分析了我国新一代核电

厂在采用全数字控制、保护、显示和操作后控制室的设计研究方向。

关键词:核电厂,控制室

中图分类号:T M623.1 文献标识码:A

90年代以来,为了进一步提高核电厂的安全性和可用性,国内外陆续制定和发布了一系列新的法规、标准和用户要求文件(URD及E UR),这就迫切要求在新的核电厂建设中,采用建立在数字化仪表和控制技术基础上的先进控制室来代替建立在传统空间操作概念上、以模拟技术为基础的常规控制室。

随着计算机硬件与软件技术的飞速发展,尤其是用于工业生产应用软件的不断开发,人因工程原则的研究实施,人机界面的进一步改善,智能型操纵人员支持系统的问世,这一切使核电厂设计人员有可能开发和设计出全数字控制、保护、显示和操作的先进主控制室。

世界上近期建成的或将要建造的核电厂都广泛采用了计算机控制、保护、实时显示和操作,这不但提高了核电系统的可靠性、可用性和安全性,而且由于人机界面的根本性变化,减轻了操纵员的工作强度和精神负担,减少了判断与操作失误的概率,使核电厂控制技术向前迈了一大步。

本文简述了国外各主要核电供应商开发的先进主控制室的概况,阐述了我国下一代压水堆核电厂主控制室设计研究的方向,以及如何借鉴国外成功的设计技术和设计经验来完成我国先进主控制室的设计。

1　国外先进主控制室的概况

国外已经完成先进主控制室设计的核电厂及其供应商主要有:N4(法国E DF);APWR—1000(美国西屋公司、日本三菱公司);ABWR(美国GE公司、日本东芝与日立公司);系统80+(ABB—CE公司)。南朝鲜通过技术引进消化也在开发南韩标准型压水堆核电厂设计,其先进主控制室的(类似于系统80+)设计与验证也正在进行中。目前已经完成样机制作并完成设计功能、操作功能验证的有:N4(法国E DF);APWR(日本三菱,西屋公司);ABWR(美国GE公司、日本东芝与日立公司);系统80+(ABB—CE公司)。已投入实际核电厂使用的有N4(法国E DF),ABWR(美国GE、日本东芝与日立公司)。表1为各先进主控室的情况比较。

1.1　N4核电厂的先进主控制室

在核电国产化自主化的发展历史上,法国电力公司堪称先驱。在三哩岛事故发生后,他们在P4等级130万kW核电厂中的余热排出系统率先采用了数字化保护系统SPI N—1,为以后全数字化保护与控制的

Ξ收稿日期:2000-03-05

作者简介:郑明光(1962-),男,研究员级高级工程师,博士研究生

实现积累了工程经验。而后在80年代初着手N4　140万kW先进主控制室的设计开发。

表1　各先进主控制室情况比较

项　目APWR N4系统80+ABWR

操纵员121—62

值长111

操作(安全)主要软操软+后备硬操常规软+后备硬操(控制)全软全软全软全软

运行支持基于知识的操

纵员支持系统

部分没有基于规则

一体化是部分部分部分

报警分级+分类分级+分类分级+分类(窗多)分级+分类(窗多)

保护4,2/44,2/44,2/44,2/4

专设2243

控制2(硬件同保护)2(硬件不同于保护)2(硬件不同于保护)2(硬件同保护)简化软件

操作系统少多多多

语言PO L PO L

尽管受当时计算机硬件与软件技术的限制以及核电保守心理的束缚,法国电力公司还是创造性地开发出了先进控制室的原理样机,并用模拟机进行了动态操作验证。这个计算机化控制室不但能响应操纵人员的控制命令,而且能进行故障诊断、报警分级以及向操纵员提供合适的操作规程。该控制室的主要组成部分如下(见图1(a))

(1)模拟盘

模拟盘上布置有固定的电厂工艺系统流程概貌图。工艺流程概貌图上嵌有参数动态显示条框,实时显示电厂各关键参数值。模拟盘下部设有多个控制按钮与操作器作为计算机化系统的后备,以便在计算机保护系统共模失效后能使反应堆停堆或专设保护系统级驱动,使电厂保持在安全状态。

(2)操作站

每个操作站设有4台显示电厂报警状态的CRT,3台用于核电厂运行信息显示与操作的CRT,3台用于命令等选择运行方式与报警界面与命令确认的CRT以及其他设备等。控制室共有4个操作站以及较多数量的硬接线控制。这也体现了当时设计人员对计算机化的操作控制担忧心理。

1.2　APWR的先进主控制室[1]

美国西屋公司的APWR先进主控制室与三菱公司的APWR先进主控制室从整体设计思路上是一致的。西屋公司是压水堆核电厂的创始者,在各种核设计中技术上一直走在世界的前列,并且很早就开始了先进压水堆核电厂与非能动核电厂的设计。但由于缺乏新的全面的核电站项目,近20年内一直只能致力于局部核电厂的系统改造。先进主控制室的原理设计、功能设计很早就完成了,但控制室样机至今还未正式出台。三菱公司采用美国西屋公司的系统设计技术,从90年代初开始了原理样机而后又进行工程样机的开发。目前已完成了诊断系统、智能报警系统的开发,操纵人员支持系统的开发,设计功能验证与确认,操作规程的验证,全面完成了模拟主控制室至先进的一体化控制室的升级换代。

APWR先进主控制室的样机(见图1(b)),其主组成如下。

(1)电厂概貌显示盘

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显示盘采用了三菱公司自己研制的背投式大屏幕显示器(每台显示面积2m×1.6m),显示分辨率高而清晰,可根据功能分析设计改变背景画面。共有4台显示器,其中3台显示核电厂的安全设施、主系统和二回路系统。这3台显示器的背景幅面是固定画面,一般不变。其主要工艺参数实现动态刷新,在达到报警值与危险值时会自动改变成黄色与红色,既提供了量值指示,又给出了安全状态指示。第4台大屏幕显示器用于电厂主变量及参数趋势的显示与报警信息显示处理。

在大屏幕显示器的下方设有每个序列5～10台系统级的操作器,用于安全计算机系统出现共模故障情况下专设安全设施的调节与控制。这些操作器满足1E级要求,且采用硬接线方式。操作器的设置依据概率风险分析(PRA)结果确定。

(2)控制台

在控制台上设有正常运行操作用的CRT,安全显示功能用的1E级TFT显示器(或称平板显示器),报警CRT,A、B序列各5只1E级控制开关(用于反应堆直接停堆、安注等)。其功能简述见表1。

1.3　ABWR的先进主控制室

美国GE公司与日本的东芝、日立公司联合开发与建造了先进的沸水堆及相应的先进主控制室,并于1996年投入了商业运行。其主控制室的设计格局、显示方式基本上与三菱公司雷同,体现一个国家在核安全管理当局的指导下,博采众长的技术特点以及技术与配置的一致性。具体表现在一样的大屏幕信息显示器,一样的1E级TFT安全显示器、显示控制操作器;软件开发工具都是面向图示逻辑的PO L语言,应用开发简便,易于验证,减少了软件上综合验证与确认所化费的时间。

ABWR与三菱APWR主控制室的主要差别是前者仍使用较多的实体报警灯窗(布置在大屏幕显示器的上方),报警系统的分级分类能力亦低于后得的水平。ABWR先进主控制室示意图如图1(c)所示。

1.4　系统80+主控制室[2]

ABB—CE公司在系统80的基础上依据计算机技术的发展,开发了全数字化的系统80+先进主控制室系统。ABB—CE设计的总原则是逐渐改进提高。即对现有运行核电站包括操纵人员的作用与关键支持仅作最小的改变。认为现有的人机界面功能都是经过运行验证的。系统80+在满足改进轻水堆设计要求(URD)方面偏于保守。但其主控制室设计与样机已得到了NRC的认可。主控制室所包含的主要设备和系统如一(见图1(d))。

(1)分散式数字指示和报警系统(DI AS)

DI AS分成DI AS—P(1E级)与DI AS—N(非1E级)。DI AS—P接收来自安全有关的模拟和数字信号,处理后在1E级显示器上显示(满足RG1.97要求)。DI AS—N与DI AS—P之间相互隔离,接收安全与非安全的信号,处理后作非1E级显示。

(2)操纵员控制盘与控制台

主控制室中设有主操作台、安全有关操作与辅助操作盘,通过控制开关或系统操作器组件执行控制动作。

(3)大屏幕显示器

大屏幕显示器位于主操台的正前方,由数据处理系统(DPS)或分散式数字指示和报警系统(DI AS)驱动。在DPS不可用时由DI AS驱动工作。大屏幕主要显示核电厂工艺系统、发电系统、支持系统和安全系统的总貌图,其中包括RG1.47要求的系统可用性监测。

(4)数据处理系统(DPS)

类拟于电厂计算机系统的DPS独立于DI AS系统。DPS可对电厂设备和系统的状态、可用性、参数的趋势和设定值偏差控制等进行处理。

1.5　SIZ WE LL B 的主控制室[3]

SIZEWE LL B 是英国的第一个压水堆核电站,而且较早地采用了先进的控制与保护系统。由于设计思想与供货商的不断变更以及设计上的保守心理与技术储备不足,尽管由西屋公司提供了先进的一体化保护系统(PPS )、一体化控制系统(HICS )和集中数据显示处理系统(DCS )

,但主控制室的整体设计思想偏保守与滞后。主控制室内设有较多的控制盘、台,保留了各种数字操作显示器与控制设备,只是在各控制台上设置了多达23台的较大尺寸的CRT 显示器,用于提供该控制台所属系统的各种状态显示。所以在外观上该控制室与带电厂计算机CRT 显示的模拟主控制室几乎一样。另外,该电厂还设置了独立于PPS 但功能上大同小异的磁芯逻辑继电保护系统(SPS )。

1.6　韩国的标准型核电厂的主控制室

韩国正着手于新的标准型韩国核电厂的设计,预计在2007年左右投入运行。在该核电厂中将采用先进的主控制室系统,其结构形式基本上参照了ABB —CE 的系统80+先进控制室系统。

图1　当前典型的先进主控制室概貌图

2　中国先进核电厂主控制室的设计研究

2.1　技术背景

我国已自主地完成了秦山一期核电厂主控制室的设计与建造,完成了秦山二期核电厂主控制室的设上海铁道大学学报 第21卷

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计,并在秦山一期设计、施工、调试和运行经验反馈的基础上,完成了出口巴基斯坦30万kW核电厂主控制室的设计与建造。尽管各种新型的控制与显示仪表、计算机以及基于微处理机的仪表得到了广泛的使用,提高了局部的控制与显示能力,但总体上这些主控制室的设计思想和操作规程都基于模拟式仪表的主控制室,因而与先进的主控制室有相当的差距。这些差距不仅仅只是硬件本身的升级,而主要在于人机操作界面的根本性变化。由此提出了需要开发基于计算机的辅助操作系统、状态诊断系统、智能报警系统和面向状态的操作规程。只有电厂操纵人员、电厂主控制室设计人员、系统工程人员等不断地将已有的核电开发与运行经验纳入到基于知识的专家系统中去通过配有全范围的电厂分析器作为实时信息来源的开发样机,只有不断地与机器对话,与电厂对话,才会形成新的主控制室功能设计,才能进行各种工况下的功能分配和作业分析,才能确定最终的人机界面条件。这些是新型核电厂设计所必须的。为此,在国际原子能机构、国防科工委和中核集团公司的支持和资助下,我国有关核电设计院展开了对先进控制室的设计研究。

2.2　技术路线

纵横世界核电强国现有的及将要建成的先进主控制室,都采用了以核电厂系统流程图为显示背景的大型信息显示器、1E级的安全显示屏(TFT)、用于正常控制与保护操作的CRT、电厂状态与报警信息显示的CRT及少量的硬接线后备开关和操作器。主控制室通过光纤串行接口和网络接口与保护系统、控制系统、信息显示网络相接。这是一个世界性的趋势。主控制室成为总体网络框架的中心后,核电厂保护系统的硬件、各种控制系统的硬件及控制室设备应满足一致性,并易于升级。各个系统采用的软件开发工具务必简单、实用,易于验证,且有良好的一致性。

就此而论,由于N4核电厂保护系统采用MG公司的SPI N,控制系统中核蒸汽供应系统采用H B公司的C ONTRONIC—E控制设备,汽机保护与控制采用μREC,主控制室控制器是DEC公司的专用硬件与软件,显示操作是SE M A集团公司提供的,因而无论是彼此间的接口还是硬件、硬件验证都较困难。而且由于品种较多,将来在软、硬件的升级方面也会遇到不少问题。而日本几家公司都有独立的硬件、软件开发与制作技术,加上以美国的技术作后盾,从而软、硬件的一致性达到了很高的程度。

鉴于国际上开发先进控制室的经验和教训,我国在设计技术上应立足于自主开发,争取国际合作。在硬件选用上应避免品种多、规格杂的问题。

2.3　技术内容

2.3.1　先进主控制室的总体设计研究[4,5]

总体设计研究主要包括以下内容:①控制室功能要求与人机工程、人类工效学等原则的实施;②主控制室的总体配置静态设计;③安全显示器上显示的信息要求;④控制室内部各通道的实体分隔要求,特别是采用多路控制器,应满足电气设备实体分隔要求;⑤有安全显示与操作设备盘台的抗震设计要求;⑥与系统设计人员、PS A分析人员一起联合确定安全操作后备控制器件的用途与数量;⑦控制室的报警音响;

⑧工作环境的可居留性;⑨主控制室硬件与软件总的验证与确认要求。

2.3.2　人机界面的设计研究[4,5]

人机界面在的设计研究主要包括以下内容:①确定大屏幕显示器上的核电厂安全设施、一回路系统和二回路系统的工艺流程背景图;②确定必须在工艺流程背景图上的信息框中显示的工艺参数,并用参数框不同的颜色表示参数所表示系统所处的状态;③确定安全有关系统的参数显示与操作的简单幅面;④在控制室功能分析、功能分配基础上确定各种工况下的显示与操作幅面,并不断进行作业分析(这是一个不断深入的过程,需要不断地验证、不断地听取有实践经验的操纵人员的建议,同时还必须参考国际上成熟的经验);⑤在原来电厂计算机系统、信息显示与处理系统的基础上确定控制、保护计算机与电厂计算机的相互关系,确定一致性好的电厂实时显示、处理与控制数据库;⑥研制并形成用于支持操纵人员的抗老诊断

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系统、智能报警系统、辅助操纵人员的操作规程系统。

2.3.3　网络设计研究

采用计算机显示控制的先进控制后,原则上整个核电保护和控制系统设计都须按主控制室的总体网络结构布置展开。这样便于整体的接口配合、信息的合理传输与交换。通过网络的设计研究应确定核电厂不同等级的通信网络。网络设计研究主要包括以下内容:

①确定安全网的结构安全,通道序列间的信息交换方式,安全网与串行接口最低的性能指标,包括每个序列内的网络冗余性要求、速度、容量、抗干扰能力,安全网用于设备控制的方式,安全网与电厂信息显示网之间的接口安全性;

②确定实时控制网络的结构,网络的性能指标,控制网与安全网和信息显示网之间的接口要求;

③确定核电厂信息显示网结构,信息显示网满足大容量、高速度、灵活和可扩充之要求。

3　结论

先进主控制室的设计研究结合了核电厂成功与失败的运行经验、工程设计与安全分析、人机工程与功能分析以及计算机软件与硬件的技术。设计的成功可提高核电厂运行的安全性与经济性,减轻操纵员的精神负担和劳动强度,减少操纵员的误操作。先进主控制室是E UR和URD的要求,也是核电厂发展与计算机发展的必然产物。中国为了在下一个世纪初期进一步发展核电,提高核电运行的可靠性,有必要也有可能进行自主化的先进主控制室的设计和研究。

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Development of NPP Advanced Main Control R oom

ZHE NG MingΟguang1,ZH ANG QinΟshen1,X U JiΟjun1,NI NG ZhongΟhe2,LI N ZhiΟjian2

(1.School of P ower&Energy Eng.,Shanghai Jiaotong Univ.,Shanghai200030,China;

2.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Insti.,Shanghai200233,China)

Abstract:This paper briefly describes the overview of advanced main control rooms of the nuclear power plant (m ostly for PWR)in the w orld,such as N4,system80+,APWR and ABWR.Then analyzes the design research of advanced Main C ontrol R oom to be incorporated in the new generation of Chinese nuclear power plant with com puterized reactor protection system,control system,CRT display and operation.

K ey w ords:nuclear power plant,control room