探究核電廠儀控的總體安裝設計

方耿森

【摘要】本文通過以三代壓水堆核電廠儀控總體設計的內容及實踐經驗為例，來重點對儀控總體設計的各個組成部分及在三代壓水堆核電廠實踐的情況，各個階段的具體考慮及具體實施進行研究分析，以供參考。

【關鍵詞】核電廠；儀控；總體；安裝設計

儀控總體設計是核電廠設計的組成部分，可以細分為6個步驟：①確定儀控設計原則；②人機交互接口的要求；③功能分析與分配；④功能要求；⑤儀控技術規范；⑥項目的實施。前5個步驟一般在核電廠的概念設計、初步設計時完成，步驟之間并無嚴格的分界或先后關系，但相互之間存在輸入和輸出，儀控總體設計從時間上來說橫跨核電廠的設計、采購、安裝、調試的全過程，開始于確定儀控設計原則，結束于儀控總體調試試驗，與儀控的生命周期一致。

一、三代壓水堆核電廠儀控基本概述

（一）核電廠儀控總體結構

三代壓水堆核電廠的儀控總體結構分3層，0層為工藝接口層；1層為系統自動化層；2層機組監視與控制層。各儀控功能子系統執行電廠正常運行管理功能、安全保護功能、自動調節功能提供人機界面功能。儀控功能的實現平臺主要基于TXS、SPPA-T2000，各功能子系統之間通過硬接線或網絡連接，按照安全等級進行嚴格的功能分配，并實施充分的隔離措施，各子系統相互協作，完成其負責的保護、控制和監視功能。

（二）儀控總體設計的流程

（1）確定與核電廠其它部分的設計接口，明確需求。（2）明確儀控設計需執行的法規、標準，并負責解釋及落實執行。（3）確保設計過程的可控，負責總體驗證和確認（V&V）的制定及落實。（4）設計方法、工具、設計程序的策劃、組織與實施。三代壓水堆核電廠儀控總體結構宜在步驟①就結合潛在的平臺的特點開展設計，在步驟⑤時考慮具體的平臺完成結構的固化。

二、核電廠儀控的總體安裝設計

（一）儀控設計原則

遵從核電廠總體設計關于標準的選擇原則，儀控設計所應遵守或參照的技術標準或選用的原則很明確，如：三代壓水堆核電廠儀控總體設計的頂層標準為IEC61513。對于安全要求的分解：三代壓水堆核電廠對于承擔不同級別的系統和/或設備，在單一故障準則（能動或非能動）、物理和電氣隔離、應急供電、定期試驗、質量保證、抗震等級等方面體現不同的設計要求，同時對于功能分級F1B強調功能的多樣性來滿足單一故障準則。對于可靠性的分解：三代壓水堆核電廠的設計采用確定論為主、概率論為輔的結合方式，概率論的工具作為設計的平衡手段在設計中使用，二者之間通過將功能/系統/設備的安全分級與概率安全評估（PSA）的目標要求對應來建立關聯。在三代壓水堆核電廠數字化儀控的實施過程中，經驗表明合適的PSA模型和方法有助于設計的實施。為達成從電廠層面分解的可靠性的要求，必須考慮到電廠本身設計的限制。儀控平臺種類的最大數量、平臺技術選擇的原則（微處理器、現場可編程門陣列）、多樣化原則、縱深防御線的設置原則等應當明確，以形成初步的儀控總體功能結構。儀控總體功能結構將初步確定結構的層次、儀控功能子系統的設置及信號流的初步情況。設計程序、設計文檔/過程的規范的策劃是儀控設計原則的另一項重要內容，需綜合考慮后續設計過程中協調設計資料互提的內容、格式規范、實施過程的控制以及所應遵守的詳細規定等的策劃等。

（二）功能分析與分配

功能分析與分配是一個自上向下的分析，主要可分為功能分析、任務分析及分析結果的V&V。（1）確定目標：明確電廠的總體運行目標的層次結構。在后續設計中分解為更為細化和準確的子目標。（2）識別功能：細化支持實現子目標所需要的功能并將其文檔化，盡可能細化并結合考慮人機交互方的貢獻。（3）分析信號流：確定信息的要求，完成電廠功能的儀控平臺的信號流和處理能力。此時應當考慮儀控的設計原則和限制。（4）任務分析：進行任務的分配、控制的集中或就地、自動化水平、儀控系統和操作員的有效性分析。任務分析在功能分析建立的總目標及其分解的目標的基礎上進行，開始于對運行活動的識別，如：啟堆、停堆、事件的緩解等。每個運行活動應分解為單個的任務，對于每個任務的完成，儀控系統和操作員的分工應當識別并明確。（5）每項任務均需要判定就地控制與集中控制的分配。每項任務均需要判定自動化的水平，判定需綜合考慮系統的響應時間要求、操作的負載程度、人的負荷等，同時自動的失效也應當在考慮范圍內。（6）有效性分析：確定儀控系統能否完成給定的任務的有效性，是否滿足預期的要求。（7）分析結果的V&V：分析是否符合設計的原則和期望，同時證明控制室的功能符合預期。

（三）功能要求

作為儀控功能，其相應的基本要求將明確，如：功能分級、功能要求、性能、獨立性的要求、所要求的功能的可靠性。（1）功能分級和設備分類，細化安全分級和系統、設備的對應關系，細化不同安全分級的系統所應遵守的設計要求的。。（2）在儀控功能結構的基礎上實現由若干設備完成的功能的集合與分隔，并保證儀控功能相應的要求得到實現。此外。設備的保護、優先級的管理、定期試驗、降級模式時的性能要求、過程監視的要求（如：報警的處理、規程輔助的要求等）、設計過程等分解、細化的要求也應當明確。在儀控功能的集合和分隔的過程中，作為基本的要求，縱深防御的評估必須實施。作為從電廠總體目標的分解項，必須進行儀控功能的可信性評估，以評價儀控功能的可靠性、可維護性、完整性和安全要求得到滿足。（3）人機界面的要求應滿足人機界面的設計原則、人因工程的要求、控制室的設計要求。（4）與工藝過程不直接相關的功能要求：主要有與場外支持中心的鏈接、與電網調度的鏈接、長期數據的歸檔、監視和診斷、運行和維護相關的功能要求等。

三、結語

三代壓水堆核電廠建造過程中可以供參考的經驗如下：（1）重視安全分級對于儀控結構設計的影響，采取適當的措施簡化設計。（2）重視需求的規范化要求，盡可能早地策劃規范性的工作，不要輕視文檔的標準化對項目順利推進的作用。（3）重視對潛在平臺的預研工作，盡可能早地確定平臺，以期使儀控結構的盡早固化。（4）重視儀控總體設計在項目前期對于設計方法、工具、過程控制的策劃，并在執行中落實。

參考文獻

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