美国核电站准备实现数字化
美国核电站准备实现数字化
2011年05月31日 09:37:39 来源：新华网【字号大小】【收藏】【打印】【关闭】
美国南卡罗来纳州一座核电站在未来数周内将实现数字化。其实，这不是什么新技术，因为欧洲和亚洲许多核电厂早已实现数字化监控，但对于美国所有核电站而言，这确实是初尝数码滋味。
美联社２９日撰文说，在如今的美国，一台数字式食品搅拌机在沃尔玛超市的售价大约３０美元，但全美１０４座核电反应堆的监控与操作却仍为人工机械模式。
美国超过半数的核电站都已服役超过３０年，最年轻的一座于１９９６年投入生产。那一年，ＤＶＤ光碟刚刚正式在日本批量生产。美国所有核电站都没能赶上数码时代。
而这些年来没有对核电站实施数字化改造的重要原因是，官方质疑非人工操作模式的可靠性。
不过，美国电力研究所２９日宣布，南卡罗来纳州核电站数字化改造已接近尾声，未来数周内便将“换装上阵”。
核电专家说，数字化改造核电站的最重要目的是为了“省钱”。
美国现有核电站采取传感器监控模式，一座核电站通常装备４个传感器，如果４个传感器中有两个传感器读数异常，工程师便不得不关闭核电站，人工进入排查故障。一座中等规模核电站关闭一天的经济损失在２００万美元左右。
而实现数字化监控后，数字系统可实时监控核电站各部位运行情况，并在异常读数出现后
即刻分析出故障部位，工程师可以此判定是否需要关闭核电站。
美联社说，眼下所有核电站正注视南卡罗来纳州核电站的“数字化革命”，一旦成功，其余核电站会掀起“数字化革命潮”。（新华社专电）
何为数字化仪控系统
据北京广利核系统工程有限公司总工程师朱毅明介绍，核电仪控系统是核电站“神经中枢”，体现了工业控制领域的前沿技术，可分为模拟、模拟加数字、全数字三种类型，经历了三代的发展过程。
最早是上世纪60年代，核电站是完全基于模拟组合仪表和继电器的设计，这种设计还是比较可靠的，状况良好,尽管功能比较简单，维修起来比较费劲，但运行效果还是不错的。
目前在国内的核电站基本上都是第二代，控制系统基本沿用了模拟单元组合式仪表，加入了计算机数据采集系统(DAS)，包括数据的采集、显示、报警和日志记录、趋势的记录等，与国内上世纪80年代火电厂的技术水平差不多。
全数字化的核电站仪控系统是第三代产品，它的控制层、监控层完全计算机化，实现先进主控室的设计，控制回路也根据计算机化的特点进行了改进，而不是把原来模拟系统的逻辑图、原理图直接拿过来用计算机实现。计算机系统是有其特点的，所以必须改进之后才能应用于DCS(分散式控制系统)，田湾核电站是世界第一家使用全数字化控制系统的新建核电站。
在大亚湾和秦山核电站,反应堆保护系统是组合式模拟仪表加继电器逻辑；到上世纪90年代，岭澳等核电站加入了采集系统，在主控室有几个终端来显示采集的数据和报警，模拟操作盘台加上数字化采集系统，常规岛与一般的火电厂基本相同，采用DCS，核岛控制系统比较重要，沿用了组合式仪表。2000年以来，田湾等在建的核电站都用到了全数字化的控制系统,主控室模拟盘大大缩小，甚至只剩下一个紧急操作盘，保护系统也升级为基于核安全级的DCS。
朱毅明把核电仪控系统分为三个层次：
一是仪表和执行器层次。核电站仪控系统的最基础层次是仪表和执行器层,无论是火电、核电、轻工、化工、石化，与主设备打交道的主要是传统的变送器、传感器和执行器等。目前在核电站中大部分都是采用模拟技术，数字化技术很少采用，在信号传输方面也没有采用
现场总线技术。
二是控制层次。控制层基于数据采集单元、DCS控制站和PLC产品，完成现场信号输入输出、自动控制和保护功能。
三是监控层次。传统的主控室基于老式的模拟盘，有点像上世纪70年代火电厂的大型模拟操作盘，上面有一些计算机化的数据采集系统。新型的主控室已经取消了模拟盘，完全采用计算机化的操作界面，每个操作员面前会有5~6台操作终端，但会保留有少量的后备手动操作手段，作为计算机系统的后备。
仪控系统安全分级
据朱毅明介绍，各国对核电仪控系统设备的安全分级有很多种方式。比如，欧洲和美国的分类方法就不相同。美国只有核安全级(lE)和非安全级(NC)，欧洲的分类方式比较复杂，在欧洲主导的IEC61226标程中，将安全性重要的仪控系统分为A、B、C三个等级。
在美国，仪表和执行器层次由安全级和非安全级设备组成，安全级设备中包括一些核专用的核测仪表，如中子通量的测量和与反应堆相关的特殊的变送器、传感器。除此之外，还要用到很多核级的常规仪表。这种核级设备的设计制造，需要取得国家颁发的许可证。在非核级的设备中，除了一些核电站、反应堆专用的仪器仪表，大多是压力、流量、温度传感器和变送器，与普通发电设备应用的没有太大的差异，这部分设备的量也是很大的。
在控制层，分为核岛、常规岛、BOP等部分。核岛的运行控制要归到核安全级系统，因为其保证电厂处于正常稳定的运行工况。核安全级系统包括反应堆保护系统、专设安全设施控制(安注、安喷、辅助给水、安全壳隔离等)，还有一些相关的测量系统。如棒控棒位系统、堆芯测量系统。常规岛部分基本全是非安全级的；BOP部分也基本上是非安全设备,如放射性废物处理、压缩空气、除盐水、制氢、辐射监测、安防系统等。在监控层，除了主控室外，还有远程停堆操作站，当主控室不可用时，操作人员可以在远程停堆操作站停止反应堆反应。
数字化仪控系统安全分级
据朱毅明介绍，核电数字化仪控系统也分为非安全级(NC)、安全级(1E)二类。非安全级主要完成机组在运行状态下的自动控制和监控操作，也叫做运行仪控系统；安全级主要完成在事故工况下的保护和事故缓解功能，主要包括反应堆跳堆、专设安全设施控制、事故后监视等功能。
一、非安全级DCS。从核电站方面讲，核电站不愿意采用数字化控制系统有二个顾虑。一是因为数字化控制系统都是采用冯诺依曼计算机基本结构，这种结构的计算机会不会在某种特定情况下导致全部失效?比如2000年世界范围内曾经爆发过“千年虫”。二是软件的可靠性问题。软件的可靠性问题是一个世界级的难题，很难对软件的可靠性进行量化评估。国外对于硬件的可靠性已经研究了几十年，是可以应用概率论的方法进行量化的。复杂软件的缺陷是不可避免的,如果要求将数字化仪控系统软件的所有条件组合进行全覆盖测试，将是一个天文数字，没有任何人任何国家能够做到。所以，造成了核电场对使用基于软件的数字化仪控系统是非常谨慎的。一般情况下安全级、非安全级采用不同厂家的设备或不同设计技术的设备，这是一种多样化的措施，可以避免控制系统和安全系统同时出现问题的情况。
核电站非安全级DCS与火电厂DCS的差异主要在于可靠性和可维护性的不同。核电站出于运营的需要，要求产品至少能够在现场运行10~15年，维护期20~25年，这对厂家来说是非常困难的。很多芯片、显示器、计算机等零部件和装置都已经停产，而DCS厂家却还要维护下去。在一些核电站，对于DCS还有抗地震要求，要求在SLl/SL2地震条件下保持系统功能的完整性。
二、核安全级DCS。这部分是与火电厂不同的，反应堆保护系统是核安全级DCS重要的应用,基本是按照独立多通道设计。目前运行的大亚湾、岭澳一期核电站均采用模拟组合仪表、继电器和磁逻辑的反应堆保护系统,田湾核电站在国内首先采用基于数字化技术的反应堆保护系统,岭澳二期和秦山一期保护系统改造也采用了类似的系统。
目前，核安全级DCS研发最大的问题是软件的可靠性。目前，软件可靠性无法量化。
核安全级DCS对于实时性要求很高，在DCS系统中，实时性一方面意味运算周期短，但更主要的是确定性。核安全级DCS对于信息安全有很高的要求，程序和数据受到保护，