FCS在核电站仪控系统中的应用浅析

FCS在核电站仪控系统中的应用浅析

张高林

中国核电工程有限公司郑州分公司，河南省郑州市 450000

摘要：近年来，社会进步迅速，我国的核电厂建设的发展也有了改善。核电厂数字化仪控设备是核电厂中重要的组成部分之一，该仪控设备的稳定和寿命决定了核电厂是否安全、可靠、稳定。因此准确评估核电厂数字化仪控设备的寿命对核电厂的安全运行有着重要的现实意义。

关键词：FCS；核电站仪控系统；应用浅析

引言

采用模拟技术的核电厂老旧仪控系统存在较高的故障发生率，这与老化带来的性能降级、维护成本提高、备品备件采购困难存在直接联系，核电厂经济与安全生产之间的矛盾也会随之激化。为解决核电厂老旧仪控系统带来的一系列问题，核电厂仪控系统数字化改造必须科学开展。

1仪控设备失效和老化机理

仪控设备老化。随着使用寿命的增加，电子产品将不可避免地开始老化。1994年大亚湾核电站投入运营，2003年开始部分仪控设备故障增多，设备出现老化现象。为应对仪器和控制设备的老化，核电站通常采用基于产品生命周期的备件战略，这增加了仪控设备部件的采购价格。因此，准确验证仪控设备各个部件的使用寿命既可以节省成本，又可以满足设计寿命的要求、确保核电厂仪器的安全性。仪控设备失效控制。通过对仪表和控制设备的研究，可以分析仪表和控制设备的老化情况，进一步确认仪控设备的剩余寿命，减少或者避免老化导致的设备故障。通常仪控设备在设计、制造和安装阶段的都能达到基本性能要求，虽然在调试和厂家试验阶段不会出现问题，但并不能避免内藏的隐形问题。在使用的初期仪控设备都能符合设计要求，其具有低效率和良好稳定性的特性和良好的稳定性。随着时间的推移，寿命失效阶段由于环境温度、湿度、尘埃等因素造成仪控设备性能急剧下降。为了确保仪器和控制设备可以满足设计要求，仪器和控制设备的设计寿命中不出现直接损失故障。

2核电厂仪控系统数字化改造策略

为做好核电厂仪控系统数字化改造，改造策略的优选极为关键。具体可从4方面入手，包括基本改造思路、生命周期管理策略、项目设计和实施导则、科学控制改造风险。

2.1基本改造思路

数字化技术相较于模拟技术具备显著优势，这种优势源于数字化技术的技术先进性，数字化仪控系统在新建核电厂的全面应用也能够证明这一认知。近年来，各国在数字化改造核电厂老旧仪控系统领域均投入大量资源，其中的成功案例也为业界提供了宝贵经验。在现场条件、改造窗口影响下，如仪表及驱动机构、仪控系统配电、仪控系统电缆等因素，相较于新建核电厂项目，核电厂仪控系统数字化改造项目存在更为复杂的接口和更高实施难度，在组织、技术、安全评审、具体实施方面也存在多种难题，管理也属于改造的重点。在核电厂仪控系统数字化改造的准备阶段，管理人员必须高度支持和重视数字化改造项目，并提供充足的资源，开展规范的运作和增强型改造属于现阶段核电厂仪控系统数字化改造主流。这种改造能够通过对先进技术的充分利用，进一步提升仪控系统的可靠性、可用性和安全性。基于DCS的改造属于典型的增强型改造，由此对工艺系统参数进行调节和控制，优化功能分配，增加报警管理等功能，机组自动化运行水平可大幅提升。基于核电厂停机与现场改造的时间关系，核电厂仪控系统数字化改造存在2种实施策略，包括：多步改造和一次性改造。2种改造均需要采用生命周期管理方式。

2.2生命周期管理策略

在生命周期管理策略应用过程中，需建立全面的管理计划，为核电厂仪控系统数字化改造提供依据。该计划需要贯穿整个运行周期，并设法在改造和维修间获取平衡。应在筹划阶段从全局出发，完成生命周期管理计划的制订，规避各子系统改造孤立进行的问题。在预先评估各子系统后，保证最终目标的科学确立。具体可按照11个阶段划分核电厂仪控系统数字化改造的生命周期：（1）战略规划；（2）可行性研究；（3）明确基本需求并完成整体结构建设；（4）进行子系统需求详细编制并进行招标；（5）子系统施工设计；（6）实现系统；（7）验收测试；（8）文件移交和培训服务；（9）安装子系统设备；（10）现场验收和针对性调试；（11）运行和维修[2]。基于责任划分和活动阶段，核电厂业主应负责核电厂仪控系统数字化改造的起始和完工阶段的工作，设备供应商负责相关的设计、开发、制造工作，同时期的整体改造规划制订需结合财务情况、中长期大修计划、中长期运营计划、已有承诺和运行目标。为保证生命周期管理策略的应用取得预期效果，需全面调查和评估系统实际情况，以此确定潜在需求，并分析系统改造的代价和利益，确定改造的时间和范围，战略规划也需要给出改造的初步预算、时间表及完工后的详细蓝图。

3FCS在核电站仪控系统中的应用分析

3.1核电站仪控系统的基本要求

与一般工业领域的仪控系统相比，核电站仪控系统特别显著的特点是其总体结构设计应满足相关核电标准和法规要求，与此同时还应该满足核电站安全性、可用率、可靠性等方面的要求。根据反应堆安全功能分级原则，反应堆仪控系统又分为安全级系统（1E）和非安全级系统（N1E），安全级系统主要是指反应堆安全保护系统。核电站安全级仪控系统应满足以下重要原则和要求：（1）单一故障准则，即单一故障或单次事件引起的多故障不会导致仪控系统的保护功能丧失；（2）采用冗余序列的结构和多样性设计要求，设置多样化平台的多样性保护系统，以防止安全功能相关系统的共模故障（特别是由软件引起的）；（3）隔离设计原则，即安全级功能应在相应的安全级设备中实现，安全级功能的分配应服从于系统性能如响应时间、CPU负荷等，安全级设备与非安全级设备应实现物理隔离和电气隔离，避免低安全等级的设备故障影响到高安全等级的设备故障；（4）控制优先性要求，安全级功能应具有最高优先级，非安全级功能优先级次之。

3.2基于DCS架构的核电站仪控系统

目前国内核电站中大范围使用的DCS仪控系统从20世纪70年代发展至今，核电站仪控系统也逐渐向DCS仪控系统过渡。接近50年的发展过程，DCS仪控系统在技术组成与构成体系上并未发生较为重大的转变。但是经过不断的完善和技术改进，基于DCS架构仪控系统的性能已经趋于完善，系统可靠性不断提高，其应用非常成熟。基于DCS架构的核电站仪控系统总体结构一般可分为3层：0层为现场层；1层为控制保护层；2层为操纵管理层。各仪控功能子系统执行核电站正常运行管理功能、安全保护功能、控制功能，并提供人机界面功能。各功能子系统按照安全等级进行严格的功能分配，并采取必要的隔离措施，然后通过硬接线或网络进行连接，互相协作配合，完成相应的保护、控制和监视等功能。

3.3FCS在核电站中应用的思考

（1）FCS的应用范围。随着现场总线技术的不断进步，其实时性和安全性也达到了一定成熟度，根据目前工业领域特别是火电厂仪控系统的应用经验，采用FCS技术对核电站仪控系统中的非安全级DCS进行优化是完全可行的。另一方面，在与核安全密切相关的安全级DCS以及具有某些特殊要求的专用仪控系统（如堆外核仪表系统）中，由于需要严格遵守单一故障、冗余、独立、故障安全、可靠性等设计准则，且其响应时间、测量精度等也需要满足安全分析的要求，现阶段采用FCS技术对其进行结构优化还不是很成熟。（2）现场总线标准的确定。现场总线标准（现场总线协议）是FCS的核心。根据IEC61158现场总线国际标准规定的总线标准有20余种，比如FFH1、ControlNet、Profibus、P-Net和Worldfip等，在火力发电厂应用较广的主要是基金会现场总线FF和过程现场总线Profibus这两种。基金会现场总线FF包含低速H1和高速H2两种速率标准，常适用于模拟量控制；Profibus总线包含Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS，常适用于开关量控制。这两种总线形式可以满足核动力装置非安全级DCS部分安全性和实时性的要求。

结语

为可以解决其中存在的问题应当对仪控设备的寿命数据进行精准的评估，处在特殊环境中的设备应当依据实际情况采用到相关措施，才能够真实反映实际情况，确保其寿期能精确获取。

参考文献

[1]陈明虎,赵阳,等.基于双活冗余技术的核电厂非安全级数字化仪控系统组网方式研究[J].科技视界,2020,5.

[2]黄奇,张庆,等.核电厂数字化仪控系统软件可靠性定量评估研究[J].核科学与工程,2020,3.