Q01 安全级仪控系统数字化改造及维护(陆炜伟)VIP

1 18 安全级仪控系统数字化改造及维护安全级仪控系统数字化改造及维护 秦山核电有限公司 蒋祖跃 陆炜伟 摘要摘要 秦山核电厂是我国第一个采用数字化技术来改造基于模拟技术的反应堆保护系统的核电厂 本文即是以秦 山核电厂反应堆保护系统及其相关设备改造项目作为事实基础 分别从项目规划 前期准备 项目招标 系统设 计 工厂试验 设备安装 设备调试以及系统维护等方面阐述了安全及仪控系统数字化改造项目涉及的全过程的 情况 力求从实践总结的角度归纳和总结在役核电站安全级仪控系统改造的计划控制和实施控制方面的经验和教 训 以供国内其他在役电站的安全仪控系统数字化改造项目参考和借鉴 关键词关键词 反应堆保护系统 数字化改造 工厂试验 FT 安装 调试 系统维护 TELEPERM XS TXS 浴盆曲线 1 0 1 0 概述概述 秦山核电有限公司 300MW 机组原有模拟反应堆保护系统采用的是国内 70 年代的固态电路技 术 主要采用分离元件 设备自 1991 年投运于以来 由于设计 设备制造工艺水平等因素 可靠 性日趋下降 虽然后期经过了一些更新改造 但是无法从根本上解决系统与现行的核电法规 标 准的相冲突之处 如通道间没有实体分割 不满足电气隔离要求等 秦山核电公司在 2000 年决定 开始研究系统全面更新改造的问题 并且开始成立了仪控综合改造 反应堆保护系统及其相关设 备 项目组 仪控综合改造 反应堆保护系统及其相关设备 项目的主要任务是使用国际上成熟 的数字化计算机技术将秦山核电厂原有的基于上个世纪 70 年代模拟技术的反应堆保护系统 专设 安全设施逻辑驱动系统和堆外核测量系统进行全面改造 下图为改造前的反应堆保护系统原貌 可以看到反应堆保护系统的 4 个冗余通道被放置在同一个区域内 相互之间没有任何的实体分割 机柜内部的工艺技术水平较低 线路凌乱 检修空间狭窄 2 18 整个项目从 2001 年开始启动 经历了 4 年多的国内外调研工作 经过广泛的讨论和研究 并 由中核集团核电部专门组织召开了核电专家会议 最终确立了使用数字化技术全面取代模拟技术 来实施此次改造 这一项目在国内在役核电站的安全级 1E 仪控系统改造项目中是第一个全面采 用数字化技术实施的项目 并且改造必须利用电站换料大修的时间实施 面对的压力和挑战是非 常大的 只能成功不能失败 项目于 2005 年 9 月签订了主设备采购合同 主设备供货商为法国的 Framatome ANP 现改为 AREVA NP 采用的是 TELEPERM XS 安全仪控平台 该平台在世界上其他 新建电站和在役电站改造中均使用过 国内的田湾核电站就是采用 TELEPERM XS 平台和常规岛仪 控平台 TELEPERM XP 作为全数字化仪控的平台 根据项目的执行计划 先后经过了以下主要阶段 初步设计阶段 详细设计阶段 设备制造阶段 系统和设备的工厂调试阶段 系统和设备出厂验收 系统和设备的安装和现场调试 3 18 系统和设备投用 整个项目的执行周期为 28 个月 是国际上采用同种平台技术的改造项目中执行周期最短的 作为秦山核电有限公司特大技术改造项目 总体执行情况良好 2 0 2 0 项目的规划项目的规划 2 1 2 1 技术路线技术路线 二十多年来 仪控技术从模拟控制 基于 CPU 的模拟控制技术向基于网络的全数字化控制转 变 特别是近年来 经过产业化 工业化和标准化 数字化技术的可靠性有了明显的提高 仪控 系统的数字化有了飞速的发展 各核电发达国家纷纷推出了用于核电厂安全仪控系统的数字化平 台 经过持续的改进 已逐步走向成熟 近年来 新建的百万千瓦级以上核电机组已无一例外地 都采用了数字化技术 以提高机组的安全性和可运行性 对于运行了几十年 现在面临着技术升 级和改造的在役核电厂来说 究竟该选择哪种技术去完成它们的使命 是传统的模拟技术还是数 字化技术 各个核电厂依其自身的条件 有不同的选择 但是有一点是肯定的 即越来越多的核 电厂选择数字化技术来改造它们的仪控系统 利用数字化技术的综合优势提高整个系统的可靠性 其主要的原因有以下两个方面 1 数字化技术本身的优点 如 在线诊断 故障定位 信息显示与信息处理 试验范围广 完整 2 经过严格的设备合格鉴定的数字化平台的可靠性 特别是软件的可靠性有了很大的提高 甚至超过了模拟技术构建的平台 赢得了业界的信赖 但是 对在役运行的老电厂来说 安全仪控系统的改造并不容易 何况要将基于模拟技术的 安全仪控系统改为基于数字化技术的安全仪控系统 需要解决很多认识 管理和技术问题 首先 需要克服认识上的障碍 虽然数字化技术有许多模拟技术不可比拟的优点 但组织内 部对此认识并不一致 这需要结合本电厂的实际情况进行客观的分析和比较 对技术改造风险的 可控性进行评估 而组织内高层管理者对数字化安全仪控系统的支持是非常必要的 其次 管理 上要建立和完善一套严格的管理流程和问题处理机制 以降低技术改造带来的风险 秦山核电厂 经过多年的技术改造实践 已经建立了一套基本完善和有效的管理体系 并处于持续的改进之中 最后 从技术上要对多种方案进行可行性分析 确定改造的范围 总体技术方案 系统之间的信 号接口原则 2 22 2 国外核电厂的改造经验国外核电厂的改造经验 数字化技术除了本身具备许多优点以外 在工程实施方面也有它的许多优势 能帮助解决许 多工程实际问题 在役运行核电厂的改造受到诸多因素的制约 其中最主要的有 一是空间环境 的限制 通常设备空间环境的大小与原系统的设计是匹配的 新系统的设备数量和体积受原设计 空间环境的限制 秦山核电厂原保护系统各通道之间没有实现有效的通道分隔 四个通道的设备 安装在一个设备间中 改造后需要将设备按通道进行实体分隔 原设备间不可用 需要找新的设 备间 数字化系统集成度高 占用空间小 二是施工时间的限制 为了不影响核电厂的正常发电 4 18 技术改造工程一般安排在换料大修期间进行 允许的施工时间受主线计划严格控制 数字化系统 大多数信号采用通讯方式 安装工作量相对较少 施工时间相对较短 数字化系统的在线诊断 故障定位 信息显示等优点可以缩短系统调试时间 国外核电厂的改造工程也充分考虑了上述两个因素 匈牙利 Paks 核电厂拥有前苏联建造的 4 个 VVER 440MW 压水堆机组 分别于 1999 2002 年期间完成了 4 个机组的反应堆保护系统数字化 改造 该电厂旧的保护系统有 2 个停堆保护通道 3 个专设安全设施驱动通道 改造后将停堆保 护扩展为 3 个通道并与专设安全设施驱动通道合并 电缆和机柜利用专设安全设施驱动原有的 3 个通道敷设 其设备空间相对较大 瑞士 Beznau 核电厂拥有西屋公司设计的 2 个双回路 380 MW 压水堆机组 分别于 2000 年和 2001 年完成对 1 号和 2 号机组的反应堆控制 保护系统的数字化 改造 该电厂最后在电气设备间中找到了一席空间用于安装新的保护系统 设备间分布相对分散 原先 41 个机柜分布在两个设备间中 改造后为共 20 个机柜分布在 4 个设备间中 瑞典 Ringhals 核电厂则从多样性和节省投资角度考虑 打算保留原有的模拟保护系统 新增一个数字化保护通 道 也有的核电厂 如芬兰的 Loviisa 核电厂 专门新建一个仪控厂房 用于安装新的数字化保 护系统 待新系统安装和调试成功以后再与老系统切换 上面所述的各种方案并没有优劣之分 都是各核电厂根据自身的实际情况选择的最优布置方 案 布置方案虽然不同 但是改造后的新系统基本都采用了数字化技术 2 32 3 总体规划总体规划 秦山核电有限公司从 2001 年开始启动仪控综合改造计划 通过市场调研和与原设计单位上海 核工院合作 编写了 仪控综合改造 反应堆保护系统及其相关设备 项目可行性研究报告 在 该报告中 首次提出了分 3 个阶段对秦山核电厂仪控系统进行必要的技术改造 以提高电厂仪控 系统的可靠性 这 3 个阶段分别为 前期规划 完成反应堆保护系统和堆外核测系统的改造 提高可靠性 解决通道实体分隔 信号通道隔离等问题 但保持主控室的人机界面基本不变 只对主控室 应急控制室涉及反应堆 保护系统和堆外核测系统的相关信号显示进行局部的适应性改进 前提是电厂计算机系统和辐射 监测系统需先行实施改造 为反应堆保护系统和堆外核测系统改造创造条件 堆外核测系统和反应堆保护系统安排在同一时间进行改造 主要考虑 4 个原因 一是堆外核 测系统与保护系统的设备平台和制造工艺相同 二是系统设计中存在的缺陷 如 通道分隔 与 保护系统类似 三是与保护系统的信号接口数量繁多且复杂 四是核测量参数响应时间受事故分 析的限制 采用同一个设备平台可以减少不必要的中间转换接口或环节 中期规划 对核岛和常规岛过程控制和热工测量仪表进行改造 对主控室 应急控制室涉 及热工测量仪表的相关显示信号进行局部的适应性改进 后期规划 改进主控室人机界面 进一步增强电厂计算机的功能 反应堆保护系统及其相关设备的改造是秦山核电有限公司 300MW 机组仪控综合改造规划中的 一部分 这里我们主要讨论这部分改造工作的规划 按照现行核安全法规的要求 安全仪控系统各通道之间应实体分隔 秦山核电有限公司 300MW 机组反应堆保护系统 堆外核测系统在原设计中全部置于一个控制室区域中 不具备实体 分隔的条件 设备布置和系统设计与上述国外核电厂相比有很大不同 没有现成的改造方案可以 5 18 照搬 必须应地制宜 选择合适的改造时机和制定改造方案 制定改造规划时应考虑以下因素 1 核电厂十年换料大修规划 2 核电厂中长期技术改造规划 3 现场实际环境状况 4 企业资金状况 考虑电厂十年换料大修规划的主要目的是选择合适的实施时机 核电厂的换料大修按照持续 时间的长短一般分为三种类型 十年度换料大修 包含许多大型重要设备解体检查和在役检查工 作 工期最长 年度换料大修则以堆芯换料为主 外加少量的预防性维修工作 工期最短 五年 度换料大修的工作量和工期则介于十年度换料大修和年度换料大修之间 由于改造工程伴随着大 量的设备安装和调试工作 最好安排在工期较长的十年度换料大修期间完成最后的实施工作 实 际执行过程中 按照工程实际进展状况分成 2 3 次大修来实施较为现实 为了获得足够的设备空 间环境 还必须结合电厂中长期技术改造规划将相关设备的改造计划和进程纳入到改造规划中 秦山核电有限公司 300MW 机组第 10 次换料大修属于十年度换料大修 因此 结合电厂计算机 和辐射监测系统的运行状况和改造需求 在第 7 次换料大修前开始对电厂中长期技术改造规划进 行调整 并对反应堆保护系统及其相关设备的改造工作作具体规划 1 第 8 次换料大修期间对电厂计算机和辐射监测系统进行改造 并将这两个系统移到其它 设备间中 腾出原有的设备间用于反应堆保护系统 堆外核测系统的改造 2 第 9 次换料大修期间和第 10 燃料循环期间完成土建结构修改施工 为设备现场安装做 好准备 3 第 10 次换料大修期间实施新设备的安装和系统调试 按照以上规划安排改造计划 既不影响电厂的正常发电 也不需要额外新建设备厂房 降低 了改造成本 3 0 3 0 项目的实施项目的实施 3 1 3 1 实施策略实施策略 制定实施策略应与技术改造的目的相结合 秦山核电厂反应堆保护系统及其相关设备改造的 主要目的有以下 4 个方面 1 提高安全系统的可靠性和安全性 满足了核安全法规的要求 2 理清和规范与其它控制系统的接口 为后续的仪控系统改造创造条件 3 在安全仪控系统中引进数字化理念 通过实践培养技术骨干 更新知识 扩展知识面 4 在数字化安全系统改造的项目管理方面摸索和积累经验 为扩建机组全面采用数字化仪 控系统作管理 技术和人才方面的准备 6 18 鉴于以上目的和国内外数字化安全仪控技术发展的现状 秦山核电厂结合具体国情和电厂的 实际情况采取 以我为主 中外合作 充分利用国内技术力量 的实施策略 以此达到既改造设 备 又培养技术人才的目的 反应堆保护系统 堆外核测系统的改造涉及与其它控制 测量系统众多复杂的接口 因此 改造工作必须以秦山核电厂为主 按照电厂现行的技术改造项目管理制度进行管理 从设备供货 合同签订开始 就为自主承担现场系统调试做准备 参与系统功能需求的编制 系统初步设计 详细设计过程和设计审查 参与工厂试验 接受相关的技术培训 通过这些活动深入理解系统知 识 熟练掌握操作和维护的基本技能 及时澄清设备接口 反馈运行经验 确保系统功能的改进 和优化符合功能设计需求 为按计划完成现场调试作技术准备 通过设备招标 选择具有丰富工程经验的供货商和他们成熟的有良好应用业绩的数字化安全 仪控平台构建反应堆保护系统 堆外核测系统 原设计单位作为技术支持单位编写技术规范书和系统功能需求 提供事故分析验算 负责初 步设计和施工设计 参与对供货商的设计审查 系统调试 3 23 2 供货商选择供货商选择 改造的实施策略定下来后 为了完成改造项目 选择合适的主设备供货商就显得尤为重要 这是项目成功的一个重要环节 通过项目前期的调研和分析 要完成安全级仪控系统的数字化改 造 供货商除了