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EPR核電機組DCS控制系統探討

 論文欄目:控制系統論文     更新時間:2020/4/6 9:32:34   

【摘要】采用EPR三代核電技術的臺山核電廠數字化儀控系統采用了安全級TXS和非安全級SPPA-T2000兩種平臺組合的方式,設計中考慮了人因工程、安全功能準則、縱深防御原則、安全分級的思想,設備布置中考慮了可能的外部威脅、實體隔離及縱深防御的思想。主控室操縱人員可通過各種人機接口全面了解核電廠各個系統的運行狀態,通過各個工藝系統過程變量的控制系統,實現對這些參數的顯示、控制、限制、報警和保護,確保核電機組的安全穩定運行。

【關鍵字】EPR;分布式控制系統;TXS平臺

SPPA-T2000平臺過程信息和控制系統安全信息和控制系統作為一個復雜的現代化的大型工業設施,核電站必須要保證安全和可靠地運行,因此對控制系統提出了更高的要求。典型的核電站控制系統有如下特點:①控制對象的工藝流程復雜,監測和控制的參數數量龐大,而且各種過程參數之間聯系密切;②系統安全性和可靠性要求高,運行質量直接與控制系統性能相關;③反應堆工作期間,大部分設備工作區域人員無法接近;④大量的核物理、熱工、水力及其它重要參數無法直接測量,需要通過運算間接獲得,且精確性和實時性要求很高。這些特性使得核電站的控制變得十分復雜和具有挑戰,必須采用恰當的控制算法和策略才能滿足生產工藝過程的需要和實現對過程設備運行的有效監督和控制,通過對單一故障準則、縱深防御、多樣化技術手段等設計理念的應用,提高控制系統的安全性和可靠性,確保核電站的運行質量與控制系統的性能。

一、儀控系統的組成及框架

EPR機組采用數字化儀控系統(DCS:DistributedControlSystem),考慮了人因設計、安全功能準則、縱深防御原則、安全分級的思想。基于技術、設備及安全的多樣性原則,全球首臺EPR三代核電技術的臺山核電廠數字化儀控系統主要由法國阿海琺(AREVA)供貨適用于安全相關儀控系統的TXS和由德國西門子(SIEMENS)供貨用于正常儀控系統的SPPA-T2000兩個平臺組成,如圖1所示。TXS平臺[1]主要包括反應堆保護系統、反應堆控制系統和嚴重事故儀控系統,SPPA-T2000則承擔剩余其它系統的控制功能。人機接口方面,在主控室除了計算機化的控制平臺還有以硬接線為主的后備盤臺。另外,考慮到主控室不可用的情況,還設置了遠程停堆站作為后備的控制室以確保操縱員對機組的控制。

二、儀控系統的功能分層

臺山EPR機組的儀控系統根據不同功能自上而下可分為四個結構層次:現場接口層、系統自動化層、機組監督控制層和廠級管理層(見圖2)。四個結構層次組成及各自功能詳細如下:①現場接口層(Level0層):本層為與工藝設備的接口設備,主要包括各種傳感器、限位開關和執行機構等;②系統自動化層(Level1層):本層由過程自動化系統(PAS)、安全自動化系統(SAS)、反應堆控制、監督和限制系統(RCSL)、嚴重事故儀控系統(SAI&C)、保護系統(PS)、優先級與驅動控制系統(PACS)及其它就地控制裝置以及它們各自的通信網絡設備組成,本層主要完成現場設備的數據采集與處理、邏輯運算、產生自動控制命令、通訊等功能;③機組監督控制層(Level2層):本層是一個人機接口層,由電站過程信息和控制系統(PICS)、安全信息和控制系統(SICS)、技術支持中心(TSC)、遠程停堆站(RSS)、與Level3相連的廠級接口設備等設施組成,其功能是在電廠各種運行工況下,處理機組監督控制層的所有數據,執行機組的監測、控制和信息顯示功能;④廠級管理層(Level3層):這一層是實現更高層的電廠信息管理功能,其通過接口與Level2相連,以獲取電站的實時數據,并能將應急數據和其它需要的信息傳給廠內、廠外有關單位或部門。在本層將建立全廠過程和歷史數據庫平臺,以便為全廠生產過程提供綜合優化服務及實時的監視信息。鑒于核反應堆嚴苛的安全要求,EPR儀控系統依照核島電氣設備設計與建造規則(RCC-E)的規定進行安全分級。核電廠的安全功能按其重要性被分為三級[2](F1A,F1B,F2),其余則為非安全級(NC),儀控系統設備分級相應分為E1A、E1B、E2和NC,儀控系統的安全分級見表1。

三、儀控系統的地理布置

EPR儀控系統主要包括核島儀控系統和常規島儀控系統,核島儀控系統主要布置在核島周圍的安全電氣廠房,主要完成核島工藝系統的監測、控制功能以及反應堆的保護功能。常規島儀控系統單獨布置在常規島電氣廠房中,主要完成汽機及輔機的控制,其監測功能仍在安全電氣廠房主控制室完成。EPR儀控系統的設備布置設計很好的考慮了可能的外部威脅、實體隔離及縱深防御的思想,大部分核島儀控系統設備按不同通道被分別布置于環繞在反應堆周圍四個不同的安全電氣廠房當中,其中,主控制室相關設備布置在反應堆廠房與汽機廠房之間的安全電氣廠房內。考慮到內部災害的影響,在第三分區安全電氣廠房設置了遠程停堆站,在主控室不可用時,操作人員可轉移到屬于不同防火分區的遠程停堆站進行控制。保護系統(PS)的四重冗余要求在四個分區中進行空間隔離,而安全自動化系統(SAS)和優先級與驅動控制系統(PACS)系統與分布在四個安全機械廠房中的執行系統相對應,也分布在了四個不同分區中,如圖3所示。同時為適應系統的要求,要求在運行工況或事故工況期間任何時候都可供使用的安全有關儀表和控制系統,儀控系統的電源也須具有與工藝系統相應的冗余度[3]。核島不間斷電源系統四個系列LVW、LVX、LVY、LVZ,用于保護系統四個保護組的相互獨立的不間斷電源系統;常規島不間斷電源系統兩個系列LVK、LVL,用于常規島儀控設備和BOP的儀表控制設備供電。

四、結束語

鑒于核反應堆嚴苛的安全要求,核電站控制必須采用成熟可靠的技術。EPR作為三代壓水堆核電機組的代表堆型,儀控系統以數字化控制系統為基礎,并結合緊急操作設備及后備盤臺,同時采用TXS和SPPA-T2000不同的技術,PICS中采用SPPA-T2000的計算機化平臺和工業以太網、SICS采用傳統硬盤臺的硬接線技術多種通信方式以保證人機接口的多樣化,以防止共模失效,為核電廠各組成部分系統及工藝設備提供各類控制、保護手段及監測信息。操縱人員可通過各種人機接口全面了解核電廠各個系統的運行狀態,觀察系統參數和設備是否正常;根據電廠的運行狀態、電網的要求等實際情況實現對一回路、二回路和外圍各個系統的各種不同參數的調節和控制;當運行參數的值達到安全閾值時,立即觸發反應堆保護系統動作,停閉反應堆,必要時還會觸發專設安全設施動作,緩解事故的后果,確保核電廠能安全、可靠和經濟地運行。

作者:黃輝明 單位:臺山核電合營有限公司

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