“華龍一號”數字化核電廠建設與研究

蔡正皓,安金濤

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

2007年,中國引進了AP1000第三代先進壓水堆技術,其設計簡練,易于操作,讓中國核工業首次近距離接觸了模塊化施工、非能動安全體系等新理念。2011年4月發生日本福島核事故后,對核電站的安全要求達到了新的高度,在這樣的背景下通過技術創新、理念創新,融合數字化設計技術,我國在三年內成功設計出具有完全自主知識產權的國產第三代核電站技術 “華龍一號”,并于2015年5月澆筑了首堆第一罐混凝土。同年出口到海外。

“華龍一號”核電技術的設計異常復雜,涉及近70個專業。專業間的數據交互數以萬計,同時還要兼顧采購、施工、調試、運行、維護,其難度可想而知。發展數字化設計,形成數字化 “華龍一號”核電技術,是成功的關鍵,是核電廠全壽期數據共享、利用提高安全行、經濟性的重要手段。

同時,國家 “一帶一路”倡議、“核電走出去”戰略也對自主核電提出了更高的要求。當前核電要走出去面臨多個國家、多個公司、多種成熟堆型的激烈競爭,也面臨其他新型能源的競爭。發展智能化、數字化是提升 “華龍一號”自主核電技術競爭力的必由之路。

1 數字化核電廠研究

1.1 數字化核電廠概念

“數字核電廠”是指以數字化方式表示工廠中的系統、設備、構筑物中的各類對象,具有核電廠運行邏輯。涵蓋核島、常規島、BOP、環境,形成基于數字化的虛擬工廠,能夠實現核電廠運行主要狀態的實時響應模擬跟蹤,預測與評估,并建立全廠、全壽期、全燃料循環包括廢物鏈的數據集成,以滿足核電廠設計、運行維護、老化管理直至退役與環境治理的多方位綜合需求。

“數字核電”以滿足核電全產業鏈、全產品周期、全業務過程的信息利用為目標,以相關領域數字化交付成果為驅動,同步提高各領域的價值創造與管理創效能力,逐步提升數字核電產業鏈智能化水平,促進產業協同發展。各環節即是信息的利用者也是信息的貢獻者,數字核電是產業鏈共同努力的結果。圖1給出了數字核電的概念模型。

圖1 數字核電概念模型Fig.1 Concept model of digital nuclear power

1.2 “華龍一號”數字化核電廠的意義

“華龍一號”數字化核電廠的建設和應用,對核電的全壽期產生變革式影響,具體表現在:

1)核電大數據促發設計改進和設計優化,帶來設計水平及經濟性的大幅度提升;

2)設計復用帶來的周期縮短、質量提高、人員減少。設計能力提升帶來的設計效率與水平提高;

3)有助于優化施工方案、減少返工。運行工況的實時驗證,提高設計部門現場事故處置支持能力;

4)縮短新堆型研發設計周期,有助于核電廠延壽與退役管理;

5)基于數據和信息的項目管理,使得計劃和資源配置更為精準,可大幅度節省管理人員投入,保障按期交付工程;

6)核電工程大數據的形成,將使得費用控制更為有效,批量化建設的整體效益更為突出;

7)數字化核電廠交付增加核電產品的附加值,提升市場競爭力;

8)核電廠配置信息由結構化數據代替文件形式,將改變電廠變更管理過程與核電廠配置管理模式,基于數字化的電廠配置管理,有利于對核電廠運行的分析和預警,使核電廠運行更準確、更安全;

9)核電廠三維模型可增強核電廠運維可視化能力,如優化維修方案、不可達區域的維修模擬、員工可視化培訓。基于三維模型,可進一步開發事故處置方案,對嚴重事故、應急方案進行演練,提升事故處置能力等等,三維的信息展現更直觀、更高效;

10)核電廠工藝原理數據與模型,可以用于電廠工藝模擬,結合電廠運行實際參數進行智能預警;

11)核電廠運行的經驗反饋數據、智能分析數據,可以反向移交給設計院,有利于核電廠完善與改進和科研創新。

2 “華龍一號”數字化核電廠建設及應用現狀

當前 “華龍一號”數字化核電廠以數據為核心,以高精度三維模型為載體,以全專業結構化數據為支撐,包含全領域、全壽期核電工程數據,可用于設計、運行的電站運行模擬服務、關鍵系統的仿真驗證。同時構建以EPCS總承包項目管理平臺為核心的貫穿核電設計、采購、施工、調試四大板塊的信息系統,形成 “華龍一號”數字化核電廠的基礎支撐。

2.1 數字化設計體系建設

2.1.1 設計信息管理

設計領域已經建立覆蓋核電工程設計全過程、全專業的設計信息管理系統。實現了設計計劃的統一管理,從任務下發至設計者,到進度跟蹤管理,實現了設計進度一體化管理;實現了從設計提資、設計輸入、設計驗證到設計輸出、設計審查、設計變更的設計全過程管理流程化,同時,實現了表單信息的充分關聯,便于信息利用。實現設計數據管理集中化。實現設計過程文件、成品文件單一數據源的統一管理,可基本滿足多種維度設計數據利用需要。通過設計信息管理系統也可滿足工程建設對設計進度跟蹤需要。

2.1.2 全專業協同設計

在專業設計領域,廣泛使用各種設計、計算與分析工具軟件或系統。建立跨地域的三維協同設計平臺,基本實現跨區域的數字化協同設計。

核電設計各主要專業在同一設計平臺上完成布置設計,等同于完成一次核電廠的數字化虛擬建造,可以實時反應各專業設計成果,避免設計沖突,極大提高了設計質量和效率,避免設計變更,大幅降低建造成本。數字化核電廠協同設計平臺還可以實時獲取智能流程設計系統提供的設計結果和工藝參數,實現二三維設計校驗,保障設計數據源的唯一性。通過增加相應設備及軟件,把協同設計平臺從原來的只有數據傳遞,擴展到包含數據、視頻、聲音的綜合可視化協同設計平臺,可使多地用戶同時進行可視化設計交流,極大的提高了設計效率與質量,已全面應用“華龍一號”作為首堆設計,涉及多地域、多部門、巨大工作量的協同設計,以互聯網為基礎構建 “互聯網＋3D”的設計模式,在北京、成都、鄭州和石家莊等多個地區展開設計協同。

2.1.3 驗證仿真模擬平臺建設

依托模擬仿真平臺,可實現核電廠各類運行和事故工況下結構、工藝和控制系統的模擬仿真。利用數字化仿真技術建立設計仿真驗證平臺,驗證相關規程和系統設計的可靠性、合理性,并在2011年至今所有核電項目設計中采用該平臺,對正在進行的設計進行優化,對已完成的設計進行驗證,并可為核電運行提供服務。

2.2 數字化工程體系建設

實現了設備采購業務全過程的信息化管理,建立較為完善的設備采購內外部協同協作環境,初步實現了設備采購數字化管理。采購信息系統對采購管理的規范化、標準化、精細化起了重要的支撐作用。實現了從采購計劃、上游技術文件、招投標、合同執行、設備設計接口、監造管理、竣工文件、運輸檢驗到現場服務以及供應商履約評價等采購全過程的信息化管理,為有效實現采購精益化管理創造了有利條件,體現了管理標準化、決策數據化的信息化管理目標。同時,供應商互聯網門戶平臺全面用于 “華龍一號”及后續核電工程項目的設備供應商管理協作。目前,國內150余家設備供應商、近300個合同的履約過程信息、設備制造的實時信息、設計接口交換信息以及設備制造經驗反饋、供應商履約評價等均通過該門戶平臺實現在線式交互。

施工管理系統形成了覆蓋工程建設全過程的信息化管理系統,可較好的支持以施工作業為依托的計劃、費用、質量、安全、變更、文檔、風險及經驗反饋等的一體化管理。系統覆蓋工程各參建方,用戶達10 000余人,“施工管理系統”已歷經福清、方家山、昌江、田灣和徐大堡等多個核電工程項目,“施工管理系統”3.0支持移動終端操作,在 “華龍一號”示范工程的現場安全巡檢、質量計劃消點等作業中得到廣泛應用。利用移動終端和條碼技術,實現了工程物資到達現場后至交付業主的物資全鏈條條碼管理與應用,大大提升了施工管理工作的便捷性。同時,將設計三維模型推送到施工現場,廣泛應用于施工方案模擬等場合,有助于各項建設工作的開展。

調試管理系統可滿足調試計劃、過程與調試數據管理和移交的基本管理需求。調試系統以調試計劃為驅動,以問題管理為導向,以調試準備、實施、移交為主要業務流程,實現調試業務流程電子化,操作規程結構化;建立與設計、采購、施工及運行的信息集成與數據共享,實現調試業務的全生命周期管理;建立標準化調試技術體系,形成調試標準化技術數據庫,建立完備的調試成本數據庫;健全經驗反饋體系,建立經驗反饋數據庫,為后續項目提供借鑒與參考;實現過程數據信息化,為電廠數字化移交提供保障。

2.3 數字化運營體系建設

確立了以統一經營管理系統ERP、生產管理系統EA M、企業內容管理系統ECM、和商業智能系統BI四大系統為核心的信息化體系。運營板塊的ERP、ECM、BI系統初步建成,并取得了階段性的應用成果;EA M系統完成了試點,初步形成了運行管理數字化能力;ERP系統已在運營單位應用,構建了統一、集成的經營系統,整體應用效果良好;ECM系統建立了集中與分布式結合的一體化企業內容管理系統,實現了文檔電子化傳遞和共享;基于ERP系統建立了初步的生產決策指標體系和分析報表。通過信息化的推進,促進了各電廠業務規范與數據標準的統一,為提升核電運營數字化能力,為 “數字電廠”建設提供了基本條件。依托EAM項目,啟動了企業級數據中心建設。

3 后續工作及未來展望

數字化是趨勢,數字化轉型勢在必行。數字化核電廠建設是系統工程,持久工程,涉及管理模式轉變、業務轉型,目前已制定了數字化核電廠總體功能框架。“華龍一號”數字化核電廠建設是數字核電建設的開始,以此為契機,形成“華龍一號”數字化核電型譜化,不斷提升核電的安全性、經濟性、可靠性。

3.1 “華龍一號”數字化核電廠后續工作

“華龍一號”首堆形成完整的核電工程配置數據庫,數據庫包含完整的設計、設備和工程建造過程配置數據,實現工程側向運營側的數字化移交,實現核電工程配置數據庫與核電廠運營配置數據庫的有效銜接,有效支持 “華龍一號”首堆的數字化運營。初步建成數字核電大數據體系。完成核電產業鏈各領域數字化轉型,數字化能力初步形成、價值創造與管理創效初步顯現。具體表現為:

3.1.1 數字化設計

完成設計數字化業務轉型,初步實現以核電廠系統和設備參數化為依托的設計過程管理和一體化數據管理。設計標準化得到推廣、集成設計管理系統初步成型。專業設計軟件覆蓋率得到提高,啟動重要系統數字化設計試點,實現全領域三維設計覆蓋,啟動設計領域大數據試點,具備核電廠設計配置數據交付能力。

3.1.2 數字化工程

建立工程建造各業務環節通用的核電站數據模型,形成各方適用的數據標準;完成各業務信息系統基于核電站數據模型的改造升級,建立業務信息關聯關系,推進依據數據模型開展工作及交付成果數據的業務模式轉變;打通工程建設各系統間的數據通路,實現工程建造各業務環節高效的信息協作。以項目管理平臺為中心,整合集成采購、施工和調試系統中的交付成果數據,具備核電廠工程配置數據交付能力,啟動核電工程大數據試點。

3.1.3 數字化運營

基于核電工程數字化交付成果,構建核電廠運營配置數據庫。推進基于運行監控實時數據的故障預測、診斷分析試點。推進設備可靠性與維護檢修精準化技術支持體系試點,為設備可靠、高效運行提供保障。推進電廠安全分析數字化、高風險作業三維模擬化,應急演練仿真化,提升電站運行的安全管控能力。開展機組運營績效對標,支持機組運行績效改進,為核電運營標準化、數字化和可視化奠定基礎。

3.1.4 核電大數據

總體目標是建立覆蓋核電全產業鏈、全生命周期的核電工程設計、設備采購、工程建設、系統調試、核電站運營到核設施退役的大數據體系,充分發揮核電大數據對核動力科研、設計、采購、建設、調試、運行和核設施退役等各業務領域業務與技術創新和價值創造的支撐價值,促進核電行業發展與社會進步 (見圖2)。

3.2 未來展望

圖2 數字核電目標展望Fig.2 Prospect of digital nuclear power targets

以智能化設計為龍頭,搭建數字化設計環境、氛圍和機制,提高協同效率、充分發揮設計人才主觀能動性,創新研發,形成數字化積累,為智能化設計奠定基礎,不斷提升設計水平。以數字化工程為依托,實現基于數據和模型的項目管理,精細計劃、精準資源配置;按需按時的高效采購與有效的成本管控的敏捷化采購:集約化施工過程管理和一體化施工;基于數字化、模型化、系統化調試,打造精益核電工程。為數字化運維奠定數據基礎、模型基礎、服務基礎,滿足核電廠運行維護、技術改進、管理優化和核設施退役的需要,打造模擬仿真智慧運營的目標。最終實現核電產業鏈數字化轉型,聯動核電設備制造行業供應鏈 “互聯網＋”信息化建設與應用,自主核電科研、設計、裝備制造、建安、調試、運維產業鏈升級。服務于國家 “核電走出去”戰略、“一帶一路”倡議。