海上浮式核電平臺集成監測系統

張 浩，李翌陽，秦旭陽，王午陽

(1.湖北省工程咨詢股份有限公司，湖北 武漢 430071；2.武漢第二船舶設計研究院，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著人類對核能技術的利用，利用核動力發電的技術日臻成熟[1]，清潔、安全的陸上大型核電已逐漸成為能源供給的重要組成，在各國以資源為核心，推進海洋經濟發展[2]，在國家大力發展海洋強國的戰略背景下，核電發展趨勢將由陸上核電轉向海洋核電，海上浮式核電平臺為搭載有核動力裝置的焊接結構鋼質非自航船式平臺/船，長期系泊于指定作業海域，具有一定的自主移位功能，可根據用戶需要提供電能和淡水，是“海、核、堆、船”四位一體的全新領域，系統復雜，還要適應海洋的特殊環境條件。

在發展海洋核能的同時，海上浮式核電平臺集成監測系統必不可少，海上浮式核電平臺集成監測系統作為海上浮式核電平臺安全運行的重要保障，海上浮式核電平臺的外圍輻射環境監測實行雙軌監測[3]，但目前沒有適用的海上浮式核電平臺集成監測系統的設計規范。《核動力廠設計安全規定》[4]偏重于陸上核電廠輻射監測工作，《近岸海域環境監測技術規范》[5]側重于水文氣象等方面的監測工作。而海上浮式核電平臺類似于船舶，對浮體姿態和系泊系統有要求，這也類似于陸上核電廠的地震，因此海上浮式核電平臺集成監測系統是海上浮式核電平臺安全運行的重要基礎。

1 海上浮式核電平臺監測目的

海上浮式核電平臺集成監測系統的目的是：

1）為了評估正常運行和事故條件下環境中出現的放射性物質或輻射場對關鍵人群組和居民造成的真實的或潛在的劑量[6]；

2）對照批準的限值和法律要求，衡量浮式核電平臺的環境狀況是否符合法規的要求；

3）核查流出物控制的有效性，以便對異常的或未預見的工況提出警告，并為異常釋放提供快速評估，為應急事故期間制定應急方案提供決策的依據；

4）為了向公眾提供信息；

5）預測和監測海洋環境條件，如風速、風向[7]以及浮式核電平臺自身浮體姿態[8]和系泊情況，確保船體的安全；

6）收集關于放射性物質在當地環境中行為的資料，以供事故后果評價之需；

7）跟蹤浮式核電平臺周邊環境放射性水平短期變化，并評估其長期的變化趨勢。

2 設計參考標準規范分析

目前沒有適用的海上浮式核電平臺集成監測系統的設計規范，需結合海上船舶和陸上核電站相關規定及設計規范，研究滿足海上浮式核電平臺監測需求的監測系統。

2.1 核動力廠設計安全規定（HAF102-2016）

必須設置相應的輻射監測設備，以保證在運行狀態下和設計基準事故工況下提供充分的輻射監測，以及在設計擴展工況下提供實際可行的輻射監測。

必須根據核動力廠周圍區域劑量率或放射性濃度的環境監測，對照射和其他輻射影響的評價做出安排。

HAF102-2016 對核動力廠環境監測系統包括輻射監測、放射性濃度監測、周圍區域劑量率、放射性流出物監測提出了具體的要求，海上浮式核電平臺環境監測系統也應滿足。

2.2 近岸海域環境監測技術規范

對近岸海域的水文氣象的監測方案提出了要求，規范近岸海域環境監測工作。

2.3 2014 海上浮式裝置入級規范[9]

為了保證海上浮式裝置的安全性，規范對船體的橫搖、縱搖、橫蕩、縱蕩角度有要求，確保浮式裝置在運行期間的安全。

3 浮式核電平臺集成監測系統設計

海上浮式核電平臺集成監測系統既包括陸上核電廠的輻射監測，也包括海洋環境條件、浮體姿態以及系泊系統信息監測，是整個海上浮式核電平臺安全運行的重要基礎，監測信息又是浮式核電平臺集成監測系統的基礎，監測系統需要完整獲取浮式核電平臺所受的輻射情況、環境情況、浮體姿態以及系泊系統情況，通過對浮式核電平臺的監測數據分析，結果比模型試驗更接近真實情況，也更能反映浮式核電平臺的輻照情況和運動情況，監測數據可以為以后的設計、運 行提供依據。

3.1 功能

1）信息綜合采集及傳輸功能

對整個浮式核電平臺的狀態信息進行數據采集，通過冗余的光纖網進行信息的傳輸，通過不同層次、不同種類的信息網絡，實現核電廠實時、高可靠性的信息綜合傳輸功能。

2）信息處理功能

對整個集成監測系統的監測數據進行電制轉換、量程變換、非線性補償、物理量計算、狀態量聯鎖等的狀態信息的處理功能。浮式核電平臺最重要的是輻射監測，輻射監測系統能夠快速、靈敏、可靠地反映輻射情況的變化，預示早期的輻射事故狀態，監測事故后的輻射水平，通過對各種能直接評價輻射安全性能的輻射量的監測，給出測量值的實時顯示和歷史曲線顯示等，為事故處理、追查事故原因、評價事故影響提供依據。

3）顯示功能

主要提供各種儀表顯示、系統狀態模擬顯示和數字顯示、實時監測狀態顯示，使操縱人員全面了解浮式核電平臺各系統的運行狀況，包括參數是否正常，浮式核電平臺是否安全等。當參數發生異常時，能夠發出聲、光報警信號，提醒操縱人員采取相應措施。輻射監測的重要參數，包括模擬量和數字量均能以一定的周期采集和記錄，完成數據的處理、顯示和報警。

4）安全預測及報警功能

預測監測系統的整體安全，通過設置在各人機交互設備上的專用報警器、顯示屏幕等設備，通過顏色的變化、光線的閃爍、聲音等多種提醒手段，向操作員通告系統工況變化超出允許范圍及設備故障等信息。

5）運行信息存儲功能

數據存儲裝置能夠通過通信網絡收集監測傳感器采集到的數據，并將這些數據按時間順序保存在專用保護存儲器內，為運行安全分析、事故分析及事故處理提供數據支持。

3.2 組成

海上浮式核電平臺集成監測系統分為：監測系統、數據采集系統和監測系統軟件，而監測系統分為輻射監測系統、環境條件監測系統、浮體姿態監測系統和系泊信息監測系統，監測系統軟件為模塊化設計，分為系統功能模塊、串口通信模塊、數據處理模塊和界面顯示模塊。

1）輻射監測系統

輻射監測系統用于核電廠正常運行、換料、正常維修和事故工況期間的廠內及周邊環境輻射監測，為控制各區域的輻射水平提供依據，為人員輻射安全、核動力裝置運行安全、周邊環境及公眾輻射安全提供一定保障，輻射監測系統包括工藝輻射監測、艙室輻射監測、流出物輻射監測、控制區進出輻射監測、個人劑量監測管理和放化分析室及便攜式儀表等系統和平臺周邊環境輻射監測系統。輻射監測信息包括X 射線、β 射線、γ 射線、α 活度、β 活度和中子輻射等。

2）環境條件監測系統

環境條件監測系統屬于浮式核電平臺水上監測，海上船體的搖擺均是由風、海浪、海流三者聯合作用的結果，獨立考慮任何一項造成船體的搖擺與實際海洋環境情況不符，一般船舶的運動特性尤其是最大搖擺角的確定，均同時考慮風浪流的聯合作用，根據實際可能風浪流方向，通過多種組合確定最危險的工況，而低壓可能會發生熱帶氣旋或溫帶氣旋引起的風。因此環境條件監測信息包括風向、風速、浪高、周期、流向、流速和氣壓。

3）浮體姿態監測系統

浮體姿態監測系統屬于浮式核電平臺水上監測，包括浮體的6 個自由度監測，監測信息包括橫搖、縱搖、橫蕩、縱蕩、首搖和垂蕩。海上浮式核電平臺作業工況下，設備傾斜搖擺限定值要求：橫搖角度為±22.5°，周期為3～14 s；縱搖角度為±10°，周期為4～10 s；橫蕩角度為±22.5°，縱蕩角度為±10°，只有滿足傾斜搖擺限定值要求，浮式核電平臺才能夠安全運行。

4）系泊信息監測系統

系泊信息監測系統屬于浮式核電平臺水下監測，系泊系統是保證浮式核電平臺安全的關鍵，因此采用自容式加速度和自容式傾角傳感器來監測系泊系統。監測信息包括系泊系統受力、姿態。

集成監測系統通過監測傳感器來采集信息，監測傳感器是浮式核電平臺不可或缺的輸入，因此集成監測系統中的監測傳感器選擇和監測信息如表1 所示。

表1 海上浮式核電平臺監測信息Tab.1 Monitoring Information for offshore floating nuclear power plants

5）系統功能模塊

系統功能模塊是監測軟件根據傳輸過來的數據，發出指令至串口通信模塊、輸出參數至數據處理模塊和視圖切換至界面顯示模塊的模塊。

6）串口通信模塊

串口通信模塊是軟件與數據采集系統的通信接口，負責數據接收和接收系統功能模塊發出的指令，并將數據傳輸至數據處理模塊，起到承上啟下的連接作用。

7）數據處理模塊

數據處理模塊是根據串口通信模塊傳輸的數據和系統功能模塊發出的參數進行計算和處理的模塊，并將數據傳輸至界面顯示模塊。

8）界面顯示模塊

界面顯示模塊是根據數據處理模塊處理后的數據和系統功能模塊的視圖切換功能進行圖像化處理，并將結果通過圖像形式顯示給操作人員。

3.3 監測方案

輻射監測傳感器、環境條件監測傳感器、浮體姿態傳感器和系泊信息傳感器對整個浮式核電平臺的狀態信息進行數據采集，并通過冗余的光纖網，集成監測系統將信息傳輸至數據采集系統。由于核安全要求，浮式核電平臺對監測數據安全存儲性要求高，為了保障數據的安全性，需要進行數據冗余備份，當集成監測系統將信息傳輸至數據采集系統時，完成監測數據的第一次存儲。

與此同時，數據采集系統將傳感器的有效數據通過串口通信模塊發送給監測系統軟件，數據處理模塊對串口通信模塊接收的數據進行計算和處理，并根據系統功能模塊提供的參數對部分數據進行修正，保證數據的準確性，界面顯示模塊接收數據處理模塊傳輸過來的數據，在界面顯示模塊上顯示數據。

監測系統軟件將這些數據按時間順序保存在專用保護存儲器內，為運行安全分析、事故分析及事故處理提供數據支持，在監測系統軟件進行第二次存儲，以保證在極端惡劣條件的數據存儲的安全性。

當監測系統軟件收到監測數據后，監測數據不再局限于海上浮式核電平臺工作人員，可通過動中通衛星發送給陸上營運單位和環境保護部門，擴大了監測系統的作用及影響力，不僅僅是海上浮式核電平臺工作人員，陸上的營運單位和環境保護部門可以同時收到浮式核電平臺的監測數據，為營運單位開展的輻射環境監測和環境保護部門的雙軌監測提供支持。通過集成監測系統可以預測浮式核電平臺的整體安全，當出現事故或者惡劣環境條件時，可以第一時間開展核應急預案，將損失降低到最小程度。

集成監測系統原理圖如圖1 所示，軟件架構如圖2所示。

圖1 浮式核電平臺集成監測系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of integrated monitoring system for floating nuclear power plant

圖2 浮式核電平臺監測系統軟件架構Fig.2 Software Architecture of monitoring system for floating nuclear power plant

4 結 語

由于目前沒有海上浮式核電平臺集成監測系統設計規范，本文以海上浮式核電平臺監測需求的基礎上，分析《核動力廠設計安全規定》對輻射監測的要求和《近岸海域環境監測技術規范》《鋼質海船入級規范》對海洋環境、浮體姿態和系泊系統的要求，設計海上浮式核電平臺集成監測系統。海上浮式核電平臺通過輻射、海洋環境條件、浮體姿態以及系泊系統信息監測系統以及數據采集系統和監測系統軟件可以實現營運單位和環境保護部門的雙軌監測，擴大了監測系統的作用及影響力。隨著集成監測系統的發展，海上浮式核電平臺集成監測系統的設計將逐步規范化，在不久的將來，可以實現無人智能化海上浮式核電平臺，工作人員無需登上浮式核電平臺，在陸地上就可以對核電廠進行遠程操控，顯著提升安全性和舒適性。