核電廠輔助車間集中監控技術研究

李 力

(國核電力規劃設計研究院有限公司,北京 100095)

0 引言

隨著數字化儀控技術的發展,目前在運和在建的三代核電機組均采用了數字化儀控系統。機組采用堆、機、電集中控制方式,在主控制室(main control room,MCR)進行集中監控。但與機組相配套的外圍輔助車間(balance of plant,BOP)仍采用分散、獨立的可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制系統[1-2],并各自配有獨立的控制室及操作人員。與機組集中監控系統相比,采用分散獨立的PLC控制系統會導致運行人員偏多、生產效率偏低。

針對核電廠設置BOP集中監控系統[3-4],國內的研究比較少,還沒有形成系統性研究。本文依托“國和一號”示范工程,從核電廠BOP系統設置、BOP集中監控系統架構、BOP集中控制室、經濟效益分析等方面對核電廠BOP集中監控系統進行研究。將各外圍BOP進行集中監控,可實現BOP少人或無人值班、提高BOP控制水平,從而達到減員增效的目的。

1 核電廠BOP監控系統現狀

核電廠各BOP子項系統一般包括凝結水精處理系統、常規島化學藥劑供給系統、二回路取樣系統、常規島主廠房采暖通風空調系統、海水淡化系統、除鹽水處理系統、循環水加藥系統、非放射性生產廢水系統、低壓制氫站、供熱聯合泵站、生活污水處理系統、生活水分配系統、生產水分配系統、綜合管廊集水井、廠區10 kV開關站、輔助鍋爐房換熱站等。

目前,國內核電廠各BOP子項系統的監控大多采用分散監控方式,即在各BOP控制室進行監控。這種分散監控方式存在以下問題。

①各BOP總的運行人員偏多,費用較大。

②各控制室分散,不僅增加投資和運行維護費用,還不易于管理。

③各BOP系統之間的信息無法共享。

鑒于分散監控方式帶來的弊端和集中監控技術的逐步發展,本文設計了核電廠BOP集中監控系統。該系統實現了BOP的集中監控,提高了核電廠BOP的自動化水平;減少了運行人員,提高了BOP的運行效率。

2 BOP集中監控系統設計方案

2.1 BOP集中監控系統總體架構

BOP集中監控系統由現場設備層、控制層、通信網絡層和運行監控層構成。

BOP集中監控系統總體架構如圖1所示。

圖1 BOP集中監控系統總體架構

①現場設備層。

現場設備層主要包括儀表、閥門、泵、風機、電氣開關柜、打包設備等。

②控制層。

控制層主要包括控制機柜等。控制層的功能是完成系統級和設備級的數據采集和處理、過程控制,將現場數據發送到數據網絡,并通過數據網絡接收來自操作員站的操作指令,從而向現場接口層的執行機構發出驅動信號。控制功能應進行合理分割,從而對功能分組進行合理的組合分配。

③網絡通信層[5]。

網絡通信層主要包括網絡機柜、服務器機柜、網絡交換機、時間服務器(冗余)、歷史數據服務器(冗余)、應用服務器(冗余)、日志采集服務器、防病毒服務器、安全管理平臺服務器、安全儀表系統(safety instrumented system,SIS)接口服務器、工控漏掃系統、工業入侵檢測系統(intrusion detetion system,IDS)、防火墻等。

④運行監控層。

運行監控層主要包括操作員站、工程師站、大屏幕、打印機等。

2.2 BOP集中監控系統網絡拓撲

2.2.1 冗余環形網絡結構

BOP集中監控系統的數據網絡與控制系統、工作站、服務器等進行連接,提供數據與文件的交換功能,以實現信息與命令的傳輸。

數據網絡由監控環網A、監控環網B、信息環網C和信息環網D組成。監控環網是控制器與工作站、服務器之間進行實時數據傳輸的網絡。監控環網采用冗余環網拓撲結構。信息環網是內部請求非周期性數據或非實時文件訪問的網絡。信息環網采用冗余環網拓撲結構[6]。冗余環網均采用基于1 000 Mbit/s的工業高速以太網。

BOP集中監控系統網絡拓撲如圖2所示。

圖2 BOP集中監控系統網絡拓撲圖

2.2.2 下掛設備的連接

BOP集中監控系統網絡的下掛設備主要有數據處理器(data processing unit,DPU)、服務器、工作站、打印機等。

①每個DPU需要與監控環網A和監控環網B進行連接。

②服務器和工作站需要與監控環網A和監控環網B、信息環網C和信息環網D進行連接。

③打印機需要與信息環網C或信息環網D進行連接。

對于某些相對獨立且比較大的BOP集中監控系統,例如常規島主廠房采暖通風空調系統,可在該BOP設置冗余星型子網,用于將冗余DPU、工作站、打印機等連接至冗余星型子網,并將星型子網連接至BOP集中監控系統的冗余環網中。

主干冗余環網與星型子網連接如圖3所示。

圖3 主干冗余環網與星型子網連接圖

2.3 BOP集中監控系統功能配置

2.3.1 控制平臺

各BOP的控制系統平臺采用同一型號的產品,可以是分散控制系統,也可以是同一品牌的PLC。控制系統的DPU采用冗余配置(2個DPU)。其中,每個DPU配置2個冗余的以太網通信端口,以分別與冗余監控環網進行通信。

各BOP采用集中控制方式,在BOP集中控制室進行監控。BOP集中監控系統利用先進的計算機、通信和網絡技術,將相互獨立的各輔助外圍系統集中監控,以實現外圍控制系統少人或無人值班。這可以提高外圍設備控制水平、減少設備故障率,從而達到減員增效的目的。

BOP能在就地人員的巡回檢查和少量操作的配合下,在BOP集中控制室內實現設備和系統的啟停、運行工況監視和調整、事故處理等。

2.3.2 服務器配置

BOP集中監控系統配置的服務器類型有時間服務器、歷史數據服務器、應用服務器、信息安全相關服務器、SIS接口服務器等。

歷史數據服務器采用冗余配置方式,用于存儲輔控系統產生的電廠運行數據和信息,供操作員在任意1臺具有權限的操作站上進行查詢、顯示以及打印。

應用服務器采用冗余配置方式,用于執行計算機化規程系統、報警顯示系統等功能[7-8]。

2.3.3 時鐘同步功能

BOP集中監控系統設置2個時間服務器[9]。2個時間服務器互為冗余,分別通過光纖通道接收1路來自時鐘系統的跨范圍儀表組(inter-range insturmentation group,IRIG)-B格式時鐘信號。時間服務器通過以太網授時給下級節點。下級節點包括服務器、工作站和控制器等。其均采用網絡時間協議(network time protocol,NTP)。2個時間服務器之間有信號線互連,以實現互備。當處于主用狀態的時間服務器失效時,冗余的時間服務器將繼續為下級節點進行授時,且無切換延遲。當喪失時鐘信號時,時間服務器將使用內部時鐘作為時鐘源,向網絡中的節點進行授時。時鐘同步信號精度應達到微秒級別。

時鐘同步架構如圖4所示。

圖4 時鐘同步架構圖

2.3.4 信息安全

BOP集中監控系統的信息安全設防等級規范為《信息安全技術網絡安全等級保護基本要求》(GB/T 22239)中的第二級。

通過在輔控系統中配置日志采集服務器、防病毒服務器、安全管理平臺服務器、工業漏洞掃描裝置、工業入侵檢測裝置等,可以確保輔控系統數據信息和控制權的安全[10-12]。

2.3.5 與電廠局域網的接口

BOP集中監控系統與電廠局域網(如SIS)之間的數據傳輸采用冗余通信方式,采用傳輸控制協議/網際協議(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)。輔控系統通過SIS接口服務器向電廠局域網傳輸輔控系統數據。SIS接口服務器不執行除了與電廠局域網進行數據交換的其他功能。輔控系統與電廠局域網之間設置了單向網關,以確保數據只能從輔控系統傳送至電廠局域網,而不能反向傳送。

SIS接口服務器通過硬件形式的防火墻、路由器或網關與電廠局域網相連,以防止電廠局域網向輔控系統傳送數據、防止電廠局域網上的終端對輔控系統進行任何操作和修改、防止有意或無意的入侵和破壞以及計算機病毒的侵害。

輔控系統向電廠局域網傳輸的數據主要包括輸入/輸出(input/output,I/O)信號、重要的中間計算過程量、操作員操作記錄、重要的系統故障診斷信息、性能計算數據等。

2.4 控制室

2.4.1 BOP集中控制室

BOP集中監控系統配置1個BOP集中控制室。該集控室一般布置在比較大的BOP廠房,如海水淡化廠房。集控室附近配置工程師室、交接班室、會議室、更衣室等必要的功能房間。

2.4.2 就地控制點

各BOP均設置1個電子設備間。相應系統的控制機柜布置在相應車間的電子設備間。同時,在該電子設備間設置就地監控上位機終端,供系統調試、運行初期、故障和巡檢時使用。BOP按無人值守設計。這些就地控制點包括精處理控制點、汽機房空調控制點、制氯廠房控制點、非放廠房控制點、制氫廠房控制點、供熱廠房控制點、輔助鍋爐房控制點等。

3 經濟效益分析

BOP集中監控系統有關的運行人員可配置如下。每值設值長1人、操作員2人、巡操工4人,實行5值4運轉,共計35人。人員由值長統一指揮。值長和操作員主要負責BOP設備監視及操作、工作票辦理、現場設備隔離措施等工作。巡操工主要負責對各BOP的現場巡檢和簡單操作工作,通過就地監控站了解設備運轉情況。

當采用分散監控模式時,每個BOP至少需要操作員1人、巡操工1人,實行5值4運轉,共計10人。

BOP共7個,分別為1#機汽房控制室、2#機汽房控制室、海淡廠房控制室、制氯廠房控制室、非放廠房控制室、制氫廠房控制室、供熱廠房控制室。

汽機房控制室負責監控凝結水精處理系統、常規島化學藥劑供給系統、二回路取樣系統、常規島主廠房采暖通風空調系統。海淡廠房控制室負責監控海水淡化系統、除鹽水處理系統、生活污水處理系統、生活水分配系統、生產水分配系統、綜合管廊集水井、廠區10 kV開關站、輔助鍋爐房換熱站等。制氯廠房控制室負責監控循環水加藥系統。非放廠房控制室負責監控非放射性生產廢水系統。制氫廠房控制室負責監控低壓制氫站。供熱廠房控制室負責監控供熱聯合泵站。

在運行人員方面,采用集中監控模式比分散監控模式少35人。按照人均年成本30萬元計算,每年可節約成本1 050萬元。

4 結論

本文為核電廠設計了BOP集中監控系統,并設置了BOP集中控制室,提高了BOP自動化控制水平,實現了BOP無人值守,達到了減員增效的目的。通過設置BOP集中監控系統,統一了BOP控制系統平臺、人機接口畫面風格,降低了控制系統軟硬件的備件種類和數量,減少了設備管理費用。通過應用服務器中設計的計算機化規程系統、報警顯示系統,降低了操作員工作強度,增強了人機交互的友好性。

針對BOP集中監控系統大規模的數據通信和文件交換特點,本文采用冗余監控環網和冗余信息環網的網絡拓撲結構,從物理層面將傳輸實時數據的監控網絡與傳輸非周期性數據的信息網絡分開。這分流了監控數據與信息數據,提高了網絡傳輸的可靠性。通過在BOP集中監控系統中設置信息安全裝置,可以確保輔控系統數據信息和控制權的安全。通過SIS接口服務器將輔控系統的生產數據傳送至電廠局域網,可供管理人員查看電廠生產情況。