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浅谈核电站仪控系统数字化改造方案

2019-10-25 11:42    核电仪表  核电数字化  核电仪控  中广核  仪控与电气  智慧核电  运营维护

  大亚湾 、岭澳、秦山等在役核电站的主要仪控系统采用的是常规仪表系统,核电站仪控系统采用数字化技术是核电仪控技术发展的必然。与模拟控制技术相比,数字化控制技术具有明显的先进性及优势,而模拟控制技术是落后的技术。数字化技术的应用将有利于改善核电厂的安全状况及稳定运行水平,降低设备的维修成本。因此,为了提高核电站运行的安全性、可靠性、可用性以及经济性,国际原子能机构法规及国家核安全法规已经明确规定新一代核电站采...


  大亚湾 、岭澳、秦山等在役核电站的主要仪控系统采用的是常规仪表系统,核电站仪控系统采用数字化技术是核电仪控技术发展的必然。与模拟控制技术相比,数字化控制技术具有明显的先进性及优势,而模拟控制技术是落后的技术。数字化技术的应用将有利于改善核电厂的安全状况及稳定运行水平,降低设备的维修成本。因此,为了提高核电站运行的安全性、可靠性、可用性以及经济性,国际原子能机构法规及国家核安全法规已经明确规定新一代核电站采用数字化仪控技术。而国内在役的采用模拟或模拟加数字的仪控技术核电站,也将面临仪控系统的数字化改造问题。

  目前我国核电站用的高端核级仪表和控制系统等绝大部分使用进口产品。在即将建设的第三代核电站中,在数字化控制系统方面,法国的 EPR 使用的是西门子公司的 TXP 和 TXS(安全保护)系统,美国的西屋公司采用的是爱默生公司的 OVATION 和 ABB 公司的 COMMON Q(AC160),国内尚无厂家和产品能够替代;在仪表方面,也大量采用的国外公司的产品,如 ROSEMOUNT1154、3151 等变送器、美国 MASONELAN 调节阀、英国 ROTOK1400 电动执行机构等,国内厂家只有很少的仪表能够选用,而且大都集中在常规岛和公用系统。

  1 改造的目标

  进行核电站仪控系统数字化改造首先需要明确通过改造所要达到的目标。

  1.1 解决备件淘汰和短缺问题

  电子技术的发展日新月异,旧的技术和设备将很快被淘汰。目前在役核电站中大量采用的如单元组合仪表、核级变送器等仪控设备已经被淘汰,厂家已经停产,备件短缺成为运行维护过程中日益突出的问题,过仪控系统数字化改造可以在一段较长的时间内彻底解决备件淘汰和短缺问题,但是改造后的系统在经历了一段时间后同样会面临备件问题,因此需要在确定改造方案时就充分考虑今后的备件问题。

  1.2 解决仪控设备老化问题

  对仪控系统来说,系统故障率在设备寿期内遵循由高到低再到高的规律。在运行初期由于设备中存在的一些隐藏缺陷以及系统设计中未曾考虑周全的小缺陷会在使用初期暴露出来,使系统故障率较高,这一过程通常有一、二年的时间;经过适当的维护及修正后系统便进人一段较长的相对平稳的低故障率区(中期), 这段时期的长短与设备的寿命、质量相关,有几年至十几年左右;随着国家经济的快速发展,能源的需求与日俱增,核能作为确保我国经济发展的战略性能源,在国民经济中扮演着越来越重要的角色为了进一步提高核电的经济效益,核电国产化变得越来越紧迫,其中数字化仪表和控制系统的国产化又是其中重要组成部分。

  1.3 进一步提高仪控系统的性能

  经过十多年的核电站运营,我国核电运行技术得到快速发展,但目前的仪控系统在部分性能上难以很好地满足运行技术的要求,例如数据精度、定期在线试验、在线参数修改、运行优化、信息共享等。

  1.4 进一步完善仪控系统的功能

  数字化仪控系统除了完成其自身的测量、数采、控制等功能外,为预防性维修提供了有效手段。数字化仪控系统依靠大量数字化的信息,能够有效地实现电站主体设备的实时状态监督、热力优化、机组性能在线评估、机组经济性分析等。

  1.5 进一步提高核电站的安全性和可靠性

  具备高容错性、高冗余度是目前的数字化仪控系统的一项重要要求,通过数字化仪控改造,进一步提高了核电站的安全性和可靠性。

  仪表、智能开关、智能执行器等;FCS以统一的总线协议为核心,所有设备遵循同样的总线协议,以保证其可互 操作性和开放性;FCS的本质是信息处理现场化,以此获得更多的现场信息,同时在现场完成控制任务。不难看出 ,FCS对于来自现场的开关量信号并没有新技术新设备,因此FCS仍需要处理开关量信号十分成熟和完善的PLC,PLC可以作为一个站挂在高速总线上,充分发挥其在处理开关量方面的优势。PLC = Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器,一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC),它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展,这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆,所以将可编程序控制器简称PLC。

  2 数字化仪控方案

  目前的数字化仪控系统主要包括:分散控制系统 (DCS)、可编程序控制器(PLC)和现场总线控制系统(FCS)三种,但能称为全数字化仪控系统的只有FCS 一种。全数字化仪控系统降低了人因失效引起非计划停堆停机的概率,并从软件和硬件上确保了电站安全系统的高可靠性;全数字化仪控系统自投入临时运行至今一直稳定运行,从未发生由于全数字仪控系统软件或硬件原因造成的非计划停堆;与传统的模拟仪控系统相比,数字化仪控系统大大提高了核电厂运行的效率、安全性和可靠性。

  目前在火电站,DCS主要应用于以模拟量控制为主的包括机、炉、电等在内的所谓主系统,PLC主要应用于以开关量控制为主的包括水、煤、灰等在内的所谓辅助系统,FCS应用于火电站尚处初级阶段。Dcs 在火电站的应用经历了二三十年,它的设计思想、组态配置、功能匹配均已达较完善的程度,新型的DCS也具备了很强的顺序控制功能,因此DCS已渗透到火电厂控制系统的各个领域。

  借鉴数字化仪控系统在火电站的应用经验,将DCS和PLC引人核电站仪控系统,作为其数字化仪控的方案是可行的。DCS,即所谓的分布式控制系统,或在有些资料中称之为集散系统,是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。在系统功能方面,DCS和集中式控制系统的区别不大,但在系统功能的实现方法上却完全不同。DCS的骨架——系统网络,它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性,起着决定性的作用,因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说,它必须满足实时性的要求,即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度,是指在无论何种情况下,信息传送都能在这个时间限度内完成,而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此,衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率,即通常所说的每秒比特数(bps),而是系统网络的实时性,即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠,无论在任何情况下,网络通信都不能中断,因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。

  另一种可选方案是FCS系统,即多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统;全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置;互联、双向、开放的系统取代单向、封闭的系统;

  大量分散的虚拟控制站取代集中的控制站。FCS以数字智能现场装置为基础,数字智能现场装置包括:智能仪表、智能开关、智能执行器等。



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