核電廠數(shù)字化儀表與控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

劉中明 陸荊 李紅英

摘 要：核能發(fā)電是一項(xiàng)新型技術(shù)，利用核能發(fā)電需要對核反應(yīng)堆進(jìn)行合理有效控制，防止核輻射對人們身體以及周圍環(huán)境產(chǎn)生破壞，需要借助于科學(xué)技術(shù)手段對核反應(yīng)堆進(jìn)行有效控制，核電廠中應(yīng)用數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)恰恰方便實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。本文對核電廠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，旨在促進(jìn)核電廠健康穩(wěn)定發(fā)展。

關(guān)鍵詞：核電廠；數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

過去核電廠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)是單機(jī)測控系統(tǒng)，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其已經(jīng)發(fā)展成為集散控制系統(tǒng)，并且在通信技術(shù)飛速發(fā)展的背景下出現(xiàn)了全數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)。全數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)以及可編程控制器中融入了常規(guī)電廠集散控制系統(tǒng)，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，比如應(yīng)用在常規(guī)島、BOP以及核島的全過程控制，確保核電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 核電廠數(shù)字化儀表與控制系統(tǒng)概述

基于數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)完成自動控制與保護(hù)、信息顯示以及網(wǎng)絡(luò)通信來實(shí)現(xiàn)核電廠的監(jiān)測與控制功能，履行該功能的所有硬件設(shè)備和軟件就被稱為核電廠數(shù)字化儀表與控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的主要功能分為信息處理與顯示功能和控制功能。其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)全廠信息管理和過程控制以及復(fù)雜的控制規(guī)律的綜合控制。核電廠數(shù)字化儀表與控制系統(tǒng)提供了一個集成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其信息、控制和監(jiān)測功能覆蓋了核電廠的所有過程系統(tǒng)。核電廠數(shù)字化儀表與控制系統(tǒng)的類型主要分為集中型和集散型。集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有能集中顯示操作、利用率高等特點(diǎn)。但是集中型控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制、分散控制的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)不出來，還需使用大量的控制電纜，靈活性、擴(kuò)展性較差。另外，系統(tǒng)可靠性也是一個主要的問題，即所謂的危險(xiǎn)集中，通常是采用多重冗余計(jì)算機(jī)的方式提高系統(tǒng)的可靠性。

2 核電廠數(shù)字化儀表和控制系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 必要性

數(shù)字化是改善核電廠性能的需要，進(jìn)一步提高安全性、改善經(jīng)濟(jì)性是世界核電發(fā)展必須解決的課題。為此，除了反應(yīng)堆本體設(shè)計(jì)采取各種改進(jìn)或革新措施外，需要儀表和控制系統(tǒng)作出重大變革，主要是：

2.1.1 巨大改進(jìn)的人機(jī)界面 過去幾十年核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在發(fā)生的各種事故中60%以上主要是由人的失誤引起的。對美國三哩島事故和，蘇聯(lián)的切爾諾貝里事故的調(diào)查也表明，人的失誤是造成事故的主要原因。因此必須對人機(jī)界面進(jìn)行重大改進(jìn)，要求改變信號的顯示方式和顯示內(nèi)容，克服控制室顯示信號過多、過于分散、工作面過大的狀況；要求減輕操縱員觀察、分析、判斷的負(fù)擔(dān)，特別是事故工況下，減輕對操縱員正確決策的依賴；要求提供更加智能化的人機(jī)界面，給操縱員提供更多的決策支持和操作引導(dǎo)功能等。

2.1.2 高度的自動化 現(xiàn)代的核電廠需要實(shí)現(xiàn)高度的自動化運(yùn)行。一方面為了進(jìn)行負(fù)荷跟蹤發(fā)電和全廠綜合協(xié)調(diào)控制運(yùn)行，使核電廠運(yùn)行在最佳狀態(tài)，以達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)性；另一方面，使各種操作盡可能自動執(zhí)行，所有保護(hù)動作都自動觸發(fā)自動完成，在預(yù)計(jì)運(yùn)行事件或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故開始后30min時間內(nèi)，不需要操縱員的干預(yù)，使核電廠的運(yùn)行性能和安全不直接依賴于操縱員的立即響應(yīng)，也使操縱員有比較充裕的時間進(jìn)行冷靜、全面的分析和判斷，從而可以大大減少誤判和盲目處置的概率。

2.1.3 高度的可靠性 儀表和控制系統(tǒng)的問題，如控制特性不好、信號傳輸過程中的干擾、重要設(shè)備故障是引起堆處、不安全狀態(tài)或計(jì)劃外停堆的重要原因，因此需要儀表和控制系統(tǒng)達(dá)到高度的可靠性。

2.1.4 高度的可維護(hù)性 核電廠的儀表和控制系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)，如何保證它自身長期、連續(xù)地處于可靠的工作狀態(tài)，直接影響到核電廠的連續(xù)運(yùn)行能力和安全性；同時儀表和控制系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)是一項(xiàng)工作量很大、技術(shù)性很強(qiáng)的工作，對核電廠營運(yùn)來說是一項(xiàng)很大的負(fù)擔(dān)。因此，需要儀表和控制系統(tǒng)具有高度的可維護(hù)性。

2.2 數(shù)字化是技術(shù)發(fā)展的必然

在過去的幾十年里，電子、儀表及控制設(shè)備領(lǐng)域發(fā)生了根本性的技術(shù)變化：①數(shù)字化技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，如火電廠、石油化工廠及加工工業(yè)等得到日益廣泛的運(yùn)用，并表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，已經(jīng)完全處于主導(dǎo)地位。②電子器件及電子設(shè)備制造工業(yè)已經(jīng)轉(zhuǎn)向數(shù)字化系統(tǒng)。核工業(yè)領(lǐng)域的需求是無法獨(dú)立支撐模擬儀表和控制設(shè)備的制造工業(yè)體系的。模擬器件和儀表的備品備件及技術(shù)支持的獲取已經(jīng)越來越困難。③目前的教育培養(yǎng)主要面向數(shù)字技術(shù)，年輕一代對模擬技術(shù)了解很少，制造單位、設(shè)計(jì)單位和營運(yùn)單位越來越缺少熟悉模擬技術(shù)的人員。

因此，核電廠儀表和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化是技術(shù)發(fā)展的必然。

3 發(fā)展趨勢

核電廠儀表和控制系統(tǒng)正在向全面數(shù)字化方向迅速發(fā)展。

①世界核發(fā)達(dá)國家近年發(fā)展的新一代核電廠無一不是采用全數(shù)字化的儀表和控制系統(tǒng)，這包括已經(jīng)建造并投入運(yùn)行的法國的1450MW N4系列壓水堆核電廠（1996年）和日本的1350MW ABWR沸水堆核電廠（1997年），以及已設(shè)計(jì)完畢尚未建造的美國APl000、System80+等。②老一代核電廠設(shè)計(jì)在建造新廠時改用數(shù)字化的儀表和控制系統(tǒng)，如俄羅斯的WER核電廠在連云港建造時采用了數(shù)字化儀表和控制系統(tǒng)。我國在建的嶺澳二期核電廠也對法國原900MW壓水堆核電廠設(shè)計(jì)在儀表和控制系統(tǒng)方面做了重大改進(jìn)，采用數(shù)字化儀表和控制系統(tǒng)。③許多老一代的在役核電廠已經(jīng)進(jìn)行或正在進(jìn)行儀表和控制系統(tǒng)數(shù)字化改造。

所以，核電廠儀表和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化是大勢所趨。

4 總結(jié)

總而言之，在核電廠中應(yīng)用數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)意義重大，也是未來發(fā)展的必然趨勢，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)將會不斷升級換代，在確保核電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時能夠提高核電廠的供電質(zhì)量。核電廠的運(yùn)行有利有弊，我們需要格外注意核電廠運(yùn)行過程中引發(fā)的輻射問題，依靠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)進(jìn)行合理有效控制，同時需要不斷培養(yǎng)核電廠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)操作專業(yè)人才，確保有足夠的人員儲備，促使核電廠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)更加完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]王家勝.核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)改造中的幾種控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用分析[J].核科學(xué)與工程，2005（09）：231-238.

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