核電廠BOP 集控系統研究

聶洪權 ,鹿書恩 ,汪 勇

(1.中國核電工程有限公司,北京 100840;2.中國核電工程有限公司鄭州分公司,河南 鄭州 450052)

0 引言

目前,國內運行的壓水堆核電站大部分采用M310堆型。M310 堆型是20 世紀70 年代的產物。在電廠自動化、智能化程度不高的情況下,該堆型存在現場值班室眾多、分散管理的情況,需要大量的現場巡檢人員。AP1000 堆型是來自美國的三代堆型。其設計之初并未考慮電廠配套設施(balance of plant,BOP)集控。目前,某核電廠正在進行BOP 集控改造。CAP1400 是基于AP1000 的國產化堆型,在設計之初就考慮了BOP 集控,采用了非安全級DCS 平臺實現集控功能。華龍一號堆型為我國的國產堆型,BOP 部分基本沿用了M310 的設計,并未考慮集控問題。水-水高能反應堆(vodo-vodyanoi energetichesky reactor,VVER)堆型設置有總值長室,將原本沒有送入主控的BOP 信號送入總值長室,以監控BOP 子項的運行狀況,但不包括操作功能。據現場反饋,目前VVER 的總值長室基本處于空置狀態,并無人值守。

在火電領域,設計規范《小型火力發電廠設計規范》16.2.4 明確規定了“輔助車間應根據車間相臨或性質相近、本著減少控制點的原則,進行合并控制室,以便按區域集中控制”;《大中型火力發電廠設計規范》15.3.4 部分也有類似的規定。此外,在近年建成的大型火電站中,均設置有集控室,從設計到施工到運行均非常成熟[1-2]。

1 BOP 集控的優勢

1.1 先進性和成熟性

采用BOP 集控對各子項集中監控,可大量減少現場操作人員及巡檢人員,實現現場無人值守,使自動化水平大幅提高。BOP 集控可靈活結合遠程I/O 及現場總線技術,并可結合視頻識別方案,進一步提高監控、巡檢的智能化水平。優化后BOP 控制系統的先進性大幅提高[3]。

根據在役核電站運行情況,采用現場人員集中值班的模式,不影響現場人員對現場操作的響應?！胺稚⒖刂?集中管理”是控制系統的基本設計理念?！皽p少控制點,合并控制室,按區域集中管理”是控制系統的通用設計要求,在火電行業有成熟的應用,并已寫入設計標準。所采用的先進技術在其他行業也有應用先例,可靠性有充分保障,能滿足核電廠的安全性要求[4]。

1.2 經濟性

設置BOP 綜合控制室,將制氯站、放射性機修及去污車間、核島/常規島廢液排放廠房、公用氣體貯存區、氫氣站、空壓站、聯合泵房(廠區消防泵房區域)、含油生產廢水油水分離池以及全廠污水排放系統的就地控制系統全部取消,納入BOP 集控平臺。雙機組每年可減少運行2 人。人力成本合48 萬元/年。按BOP控制系統設計壽命10 年考慮,共可節省成本480萬元。

擬優化各BOP 子項I/O 點數如表1 所示,合計3 234 點。該I/O 點數統計是基于國內某核電站擴建項目統計的。對于新建核電站,子項數量會更多。優化后,此部分經濟效益將會更高[5]

表1 各BOP 子項I/O 點數Tab.1 I/O amount of each BOP item

。

結合總線儀表及總線控制系統,還可節約大約三分之一的電纜采購及敷設成本。原設計方案采用硬接線方式,按每個信號平均25 m 電纜估算,共需電纜約7.5 km,采用現場總線后可節省25 km。

1.3 減輕主控室操縱員工作量

BOP 中原本在主控室報警的信號,或來自主控室的遠程操作信號大部分移到BOP 綜合控制室,減輕了操縱員的工作負擔。主控操縱員可以將更多精力放在核島、常規島等主工藝系統的監控上,有助于提高核電廠運行的整體安全性[6-7]。

2 BOP 集控范圍選取原則

BOP 集控范圍選取原則如下。

①BOP 各子項原就地控制系統融入BOP 集控平臺。

②原送入主控的報警信號根據重要性確定是否改送BOP 綜合控制室。

③原隨工藝設備成套供貨的控制系統融入BOP集控平臺。

結合以上幾條原則,初步考慮將YA 廠房、制氯站、放射性機修及去污車間、核島/常規島廢液排放廠房、公用氣體貯存區、氫氣站、空壓站、廠區消防泵房、含油生產廢水油水分離池以及全廠污水排放系統的就地控制系統全部取消,通過BOP 集控系統實現集中管理。機組現場人員在BOP 綜合控制室現操值班室值班,不在控制區留人,只在需要時進入廠房。

3 總體方案

BOP 集控的目的是通過BOP 綜合控制室實現對各子項的遠程監視及操作,實現現場無人值守。運行人員在BOP 綜合控制室,以操作員站為監控中心,在少量就地巡檢人員的檢查和配合下,實現對各子項工藝設備的控制、對工藝過程狀態的監視,以及異常狀態的處理。為方便安裝調試、運行維護,BOP 仍保留少量必要的就地控制和顯示功能。就地控制和顯示一般采用常規的按鈕和指示燈實現[6]。

圖1 BOP 集控系統總體結構示意圖Fig.1 Structure diagram of BOP centralized control system

電站污水排放系統(系統代碼WSS)在各子項內的部分(PM、AC),信號進入所在子項的遠程I/O 柜。GB 溝內只有WSS 系統,且地坑較多,設置3 臺遠程I/O 柜。GH、00 子項也只有WSS 系統,但地坑較少,信號送入就近子項的遠程I/O 柜內。各子項需送主控室的信號在就地箱內通過繼電器或隔離分配器拆分后,以硬接線形式送BOP 控制系統和兩臺機組的主控室。ZB、ZC 子項的控制系統隨工藝設備供貨?？刂葡到y應預留接口和BOP 集控系統通信[7]。

為降低電纜敷設成本、提高數據傳輸效率、降低維護成本,BOP 集控針對所涉及子項,采用總線型儀表代替部分常規儀表。總線儀表可為儀控系統的智能化發展奠定基礎[8]。

除此之外,QA/QB 廠房試行采用視頻/圖像識別和智能巡檢系統,進一步降低現場巡檢工作量、減少巡檢人員配置。

4 綜合控制室方案

4.1 控制室環境需求

BOP 綜合控制室的方案除應根據相關控制室設計標準考慮空調通風、照明、消防、通信以及人因等通用解決方案之外,還需重點考慮以下內容。

①計算機化工作站:為電廠運行人員提供電廠狀態的信息及操作指導。同時,作為電廠重要的操作手段之一,它接收操作員的命令,并把命令傳遞到過程控制網絡,從而實現對電廠的操作。

②大屏幕:主要用于顯示機組BOP 集成各系統與設備的關鍵狀態和參數,以及團隊成員之間的信息共享與協調。特別在交接班或事件/事故情況下,是迅速掌握重要參數的一種極為有效的手段。

4.2 工作站需求

BOP 綜合控制室計算機工作站是運行人員對BOP 區域監控的主要手段,可提供運行所需的所有監視信息、所需設備級手動控制功能。

考慮上述各子項的功能分配,需配置3 臺BOP 綜合控制室內的工作站。

②測PH值法：取等濃度的二種溶液各少許，分別測其PH值，PH值大者N a2CO3，PH值小者 N aH CO3；

①YA 子項長期監視與運行,需1 臺工作站。

②正常運行期間其他子項監視和操作需1 臺工作站。

③設置1 臺備用工作站,以滿足工作負荷高峰或其他工作站出現問題時的人機接口需求。

4.3 大屏幕需求

大屏幕主要用于顯示機組BOP 子項系統與設備的狀態和參數,以及團隊成員之間的信息共享與協調。特別在交接班或事件、事故情況下,大屏幕是迅速掌握重要參數的有效手段。

大屏幕的選用主要受到大屏幕尺寸、大屏幕技術及結構、大屏幕與人眼間距(大屏幕與操縱員工作站的布置間距)這三大條件的影響。

根據集控范圍內各系統總體情況,設置1～2 塊大屏幕。

5 報警信號分析

原來送主控室的報警和顯示信號改送BOP 綜合控制室的可行性,分析總原則如下。

(1)紅色報警不能從主控室移出。

(2)報警操作中是否有需主控室完成的操作。如有,該報警不能從主控移出。

(3)報警導致的后果分析如下。

①后果是否會導致本系統功能喪失。如果會導致系統功能喪失,則不能移出。

②后果是否會導致其他系統功能喪失。如果會導致其他系統功能喪失,則不能移出。

③后果是否會導致電廠后撤。如果會導致電廠后撤,則不能移出。

④查詢運行技術規范(operation technical specification,OTS),判斷報警導致的后果是否會導致機組后撤。如果會導致機組后撤,則不能移出。

⑤報警是否會產生放射性影響。如有核安全/人身安全風險,則報警信號不能移出主控室。

(4)送主控室的報警、顯示信號同時在BOP 綜合控制室進行報警和顯示;但同一控制信號只能由主控室或BOP 綜合控制室一方發出。

6 視頻/圖像識別與智能巡檢方案

視頻識別系統結構如圖2 所示[9-10]。

圖2 視頻識別系統結構圖Fig.2 Structure diagram of video recognition system

視頻/圖像識別系統主要完成對某廠房儀表及設備的實時視頻監控,實時了解各儀表及設備的運行工況,并對視頻圖像進行智能分析、向運行人員展現需要關注的工況,從而減少運行人員日常運行及巡檢的勞動強度。其主要功能如下。

①實時監視某廠房儀表及設備的運行情況。如有異常情況,系統可以及時發現并了解現場的情況。

②對視頻進行圖像及音頻分析,自動識別現場儀表及設備的運行工況,如設備的故障信息、就地儀表的參數指示、地坑的液位高低等。

③根據視頻信息,識別現場輻射控制區的人員及物品的進出情況,以及輻射控制區人員的輻射防護用品的穿戴情況。

④識別廠房的人員進出情況,如人進入或離開某廠房、人員徘徊、人員聚焦、人員快速移動、物品遺留、物品拿取等。

⑤識別危險品、化學物品存放情況,如房間是否干凈、整齊,以及是否有液體流動等。

⑥系統能夠對視頻圖像及聲音進行智能分析,并對異常情況發出報警。

⑦支持智能搜索、回放及備份功能,有效提高錄像檢索與回放效率。

⑧支持路徑巡航功能,可以根據運行巡檢的要求,配置相應的巡航路徑;能夠根據巡航路徑自動的展現巡檢點的情況,實現智能巡檢,降低運行人員的工作強度。

⑨支持人機對話功能,主控室人員與現場人員可以通過攝像機進行溝通對話,實時解決現場出現的問題。

視頻識別系統由關鍵區域布置的網絡高清攝像機(采集層)和遠端的交換機(網絡接入層)、網線(網絡傳輸層)、服務器、客戶終端(存儲和處理層)組成。

7 結論

核電廠BOP 的集控運行有助于提高核電廠的運行效率、降低建設成本,目前已在新建核電廠進行推廣。同時,集控運行方案也存在如下難點。

①工藝設備成套供貨控制系統的拆分。

隨工藝設備成套供貨控制系統的拆分是BOP 集控的最大難點。控制系統的拆分意味著設計人員需要從工藝控制層面了解上游的知識體系,此外還將帶來合同執行過程中的各種配合難題和風險。因此,在BOP 集控實施過程中,需要將此問題列在首位。

②報警轉移分析。

報警轉移的難點主要是來自于各方的需求沖突。作為電站運行人員,希望既能夠降低巡檢頻度,又不能帶來巡檢死角,更不能降低安全性。因此,在分析報警轉移過程中,需要對每個報警信號進行徹底的分析。此部分工作量非常大。

③綜合控制室定位問題。

BOP 綜合控制室定位要低于主控室,但是又高于目前核電BOP 中的值班室。這主要給業主運行人員帶來困擾,需要進一步探索,給BOP 綜合控制室及綜合控制室中的值班人員以明確的定位[11]。