AP1000仪表与控制系统

仪表与控制2023/1/12生产准备部技术准备处目录一、名词解释二、AP1000仪控系统简介三、AP1000仪控系统的组成四、AP1000仪控系统安全分析五、AP1000仪控系统自主化和国产化探讨一、名词解释保护功能

对缓解设计基准事故必需的任何功能。保护功能由PMS逻辑触发，由停堆或驱动子系统结束。保护功能的例子有反应堆停堆和专设安全设施（例如阀门调整和安全壳隔离）。一、名词解释驱动设备（ActuationEquipment）

用来完成一项保护功能的主要原动力设施和设备（例如螺线管，停堆棒和阀门）。驱动装置（ActuationDevice）

直接控制用来驱动设备的原动力的部件（例如电路断路器，继电器）。一、名词解释通道（channel）这通常是反应堆紧急停堆系统和专设安全设施系统所用的术语，定义如下：在核电厂工况需要时，为产生一个单一保护动作信号所需要的元器件和组件的一种配置。一个通道在各单一保护动作信号汇合处就丧失其独立性（见下图）。一、名词解释一、名词解释序列（train）

定义：某一组给定系统或设备组的名称，它们能与

其他冗余设备在实体、电气和功能上保持独

立。

这个术语运用范围较广，在核电厂中，它用于：

a.在反应堆保护系统和安全驱动系统中代替“通道”；

b.在专设安全设施系统（如一般核电厂中高压安注、低压安注、安全壳喷淋、应急给水等系统）中命名相同的、相互独立的可各自独立起作用的子系统，即序列只对工艺系统而言。二、AP1000仪控系统简介2.1Ovation和CommonQ平台2.2AP1000仪控系统发展历史2.3数字化仪控系统优点2.4AP1000仪控系统主要特点2.5核电厂仪控系统的功能

2.1Ovation和CommonQ平台CommonQ平台

CommonQualified（简称CommonQ）安全级仪表与控制系统平台组成AP1000安全级的仪表与控制系统，即AP1000保护和安全监测系统(PMS)。由经过IE级合格鉴定的、专用于核电厂的商业级硬件和核电厂专用软件组成的计算机系统。2.1Ovation和CommonQ平台Ovation平台Ovation平台用于实现AP1000核电厂的非安全系统的运行、数据显示和控制监测系统，将基于和不基于Ovation平台的非安全系统和设备集成一个体系。2.2AP1000仪控系统发展历史80年代：西屋公司的过程控制部研发了数字化的Eagle系统。由于当时计算机技术的局限（特别是数据通讯网络技术尚不完善），因此Eagle计算机系统还算不上是一个真正的DCS系统，计算机之间的相互通讯还是采用数据链（Datalink）方式工作。90年代：开发了WDPF系统，这是个典型的DCS系统，也适用于常规电厂的数字化，其中安全级系统（反应堆保护与安全系统）仍继承了Eagle系统的基本原则90年代中：在WDPF的基础上又经改进成为现在的Ovation系统，它在常规电厂及核电站非1E级的仪控系统中得到相当广泛的应用。对1E级(安全级)系统则又开发了CommonQ系统（是Eagle的改进）。这一系统也是西屋向NRC申请AP1000许可证时所申报的方案。2.3数字化仪控系统优点具有很好高的控制精确性和很强大的逻辑运算处理、计算能力，能显著提高仪控系统的综合性能，完成以往模拟仪控系统无法实现的复杂逻辑运算处理和计算功能；以通信网络连接各系统设备，大大减少连接电缆的数量，提高了数据传输可靠性；能方便有效地实现多重冗余、故障安全和容错等功能，提高了系统可用性和可靠性；2.3数字化仪控系统优点能方便、有效的实现具有系统在线检查和自诊断功能，有助于故障分析和判断；系统扩展灵活性好、可组态性强，便于维护；具有强大的数据处理、数据和存储能力，改善了人机接口。2.4AP1000仪控系统主要特点（1）采用非能动的专设安全系统，专设安全设施驱动系统的设计有很大的变化和改进；（2）人机接口系统设计采用先进的人因工程学原理，改善了人机接口和运行环境，降低了操纵员的人因错误和负荷强度；（3）采用灰棒控制组件，负荷跟踪时不需要调硼，不仅增强了核电厂的负荷跟踪能力，也减少了放射性废水量；2.4AP1000仪控系统主要特点（4）采用轴向偏移（AO）控制棒组件，使轴向功率分布控制达到完全自动化；（5）采用固定式堆芯自给能探测器，它与BEACON系统数据处理器相结合能生成完整的反应堆堆芯核功率分布的三维图形，可以实时监测堆芯核功率分布情况；（6）采用快速降功率系统，降低了对蒸汽排放能力的要求(AP1000核电厂的蒸汽排放总量仅为40%）；2.4AP1000仪控系统主要特点（7）AP1000设置的多样化驱动系统（DAS），其功能不仅针对不能停堆预期瞬态事件（ATWS），而且扩大到了不能执行专设安全系统的情况，增大了核电厂的安全性；（8）采用大的稳压器容积，在正常的瞬态工况（包括负荷跟踪、变负荷和调频等）情况下有较好的自稳定性能力。2.5核电厂仪控系统的功能仪表系统就如人体感觉器官，它存在于核电厂所有系统的各个角落，用来把系统或设备的物理参数(如温度、压力、流量、电压、电流等模拟量)或状态参数(开、关等)告知运行人员。仪表系统通常包括传感器、放大器、指示器、记录仪、限位开关、指示灯、继电设备、计算机、打印机及其屏幕等。控制系统即是用来改变系统和设备运行状态以执行电厂所要求的功能的手段，它既可以改变系统和设备的状态，也可以维持系统和设备的运行参数在某一指定范围之内。它通常由控制按钮、选择开关、继电设备、接触器或断路器、定值器、放大器、驱动器、控制台(屏)等设备组成。2.5核电厂仪控系统的功能2.5核电厂仪控系统的功能核电厂仪表和控制系统主要有三种功能：信息功能控制功能保护功能2.5核电厂仪控系统的功能信息功能

核电厂的I&C系统监测核电厂的有关参数，并实时地提供给操纵员，以便操纵员全面了解核电厂的运行状态，以利于最佳控制核电厂的运行，同时对数据进行处理和存贮，支持核电厂的最佳运行。信息功能主要包括：1)监测反应堆的中子通量水平及其变化率：2)监测堆内中子通量分布及温度场分布；3)监测核电厂的区域辐射剂量和工艺过程辐射剂量；4)监测核电厂的工艺过程参数(核岛和常规岛的各工艺回路的温度、压力、流量、液位)；5)监测设备的状态、位置、运动速度(例如控制棒驱动机构、汽机等的状态、位置、转速等)；2.5核电厂仪控系统的功能

6)监测燃料元件包壳的破损；

7)监测冷却剂的纯度；

8)监测反应堆及设备的事故状态(如冷却剂的泄漏)；

9)设备潜在故障的诊断及报警：

10)供电的监测与报警：

11)火灾的监测与报警

12)异常、故障或事故的声光报警：

13)系统间的信息传输；

14)计算机的信息处理及存贮：

15)环境监测。2.5核电厂仪控系统的功能控制功能核电厂控制可分为两个部分：反应堆控制是通过控制冷却剂中硼的浓度和控制棒的抽出或插入堆芯从而控制反应堆的启动、功率调节、停堆和紧急安全停堆。过程控制主要是指对热传输的压力、装量等控制以及二次冷却剂和汽轮机及旁排等的控制。电力输出的频率和电压是通过汽轮机负荷控制器控制汽轮机的蒸汽流量实现的。2.5核电厂仪控系统的功能为了完成控制功能，核电厂设置了很多必要的控制系统，主要的控制系统有：

——反应堆功率控制系统；——一次冷却剂过程参数监测及控制系统；——二次冷却剂过程参数监测及控制系统；——汽轮机控制及保护系统；——发电机控制及保护系统；——换料控制系统；——核电厂信息处理系统等。2.5核电厂仪控系统的功能保护功能仪控系统的保护功能主要用于保护核电厂、环境及人员的安全。并且当核电厂出现事故时，保护核电厂的主要设备、人员的安全，控制放射性对环境的影响。

它主要包括：1)当核电厂出现异常瞬态事件时，依靠保护系统立即触发安全停堆，停止反应堆的链式反应，并迅速把反应堆引入深的次临界状态，防止瞬态事件的进一步发展；2)当核电厂出现事故时，除立即触发停堆外，还触发有关的专用安全设施动作，来中止或缓解事故的后果；3)设置安全连锁，防止因操纵员误操作而造成事故工况；4)对执行安全功能的设备进行故障诊断，保证它们的安全功能不受影响。三、AP1000仪控系统的组成3.1电厂接口层处理层仪控网络层人机接口层AP1000仪控系统主要包括如下子系统：*运行和控制中心系统（OCS）*数据显示和处理系统（DDS）*保护和安全监视系统（PMS）*电厂控制系统（PLS）*汽轮机控制和诊断系统（TOS）*堆内仪表系统（IIS）*特殊监测系统（SMS）*多样化驱动系统（DAS）*辐射监测系统（RMS）*地震监测系统（SJS）

除了OCS和DDS系统，这些系统都是独立运行的，所有系统，通过各种方法，与控制室通讯并产生数据，多数能接受操纵员的命令。三、AP1000仪控系统的组成1.运行和控制中心系统（OCS）

运行与控制中心（OCS）系统提供了可以用于访问人机接口资源的物理设备，提供了人机系统的各种操作界面。OCS系统包括主控室、技术支持中心、远程停堆工作站、应急运行设备、本地控制站以及与这些相关联的工作站。人机界面提供了电厂监视和操作的资源，其主要内容包括：

*大屏幕信息系统

*报警系统

*电厂信息系统

*信息化运行规程系统

*软件控制和专用控制

*核级数据处理系统显示

在仪控系统结构内，大屏幕信息系统，运行显示，报警系统，电厂信息系统，信息化运行规程系统都是使用DDS系统来实现。软件控制和专用控制功能由PLS系统和PMS系统来实现。核级数据处理系统显示由PMS系统实现。三、AP1000仪控系统的组成2.数据显示和处理系统（DDS）

数据显示和处理系统（DDS）提供必要的处理数据的功能，包括在电厂各个运行模式下的操作显示、报警、报告。DDS系统包括数据日志、存贮、计算以及其他的诊断和监视功能。DDS系统还提供与BOP监视和仪控控制设备之间的接口网关，一个企业数据服务器提供了对外部系统的接口，例如现场管理系统（level3）。

DDS系统采用了称为工程工作站的微型计算机，来支持操作显示、电厂报警，分布式计算机，人机交互的程序，以及实时数据库管理功能。DDS系统还包括实时数据网络，能够实现数据和文件交换功能。三、AP1000仪控系统的组成3.保护和安全监视系统（PMS）保护和安全监视系统（PMS）的功能包括在正常运行时的保护功能、停堆功能，以及维持安全停堆状态。PMS系统提供了在主控制室和远程停堆工作站手动操作的功能。按美国核能管理委员会（U.S.NRC）的管理导则要求，组成PMS系统的设备都是安全级的设备，以在事故期间以及事故后监控电厂安全。

PMS系统有如下功能：*当电厂的工况达到安全限值时提供反应堆自动停堆功能*提供专设安全设施驱动功能，以缓解设计基准事故的后果。*提供指示功能，帮助操纵员评估和维持电厂的安全和周边环境的安全*发送信息到DDS系统，使得操纵员能够提防任何异常工况

PMS系统由四个互相冗余的通道组成，分别为A、B、C、D四个部分，并且分别由四个电源通道供电。所有的安全系统各通道之间在物理上、功能上、电气连接上隔离，并且和非1E级系统也完全隔离。三、AP1000仪控系统的组成4.电厂控制系统（PLS）

电厂控制系统（PLS）控制核反应过程，核能转换为热能，以及把热能从反应堆送到汽轮机等过程。PLS系统也为别的过程控制提供接口，这些接口系统定义了一个详细的由PLS执行的功能。在一个公共的软件和硬件平台上实现这些系统接口需求，就组成了整个集成化的PLS系统。常规岛和BOP供应商的系统将由PLS系统进行控制，以保持整个电厂系统的一致性。

PLS系统一部分由Ovation组成的，也有一部分不是由Ovation系统组成的，例如棒控系统，由Ovation控制逻辑控制器（含本地I/O柜）以及与非Ovation的棒控电源机柜组成。三、AP1000仪控系统的组成5.汽轮机控制和诊断系统（TOS）

主汽轮机控制和诊断系统（TOS）提供了各种方法来控制和保护汽轮发电机组。TOS系统接收伺服阀的反馈和命令，控制主汽阀的开度。通过在整个速度/负荷范围内设置速度/负荷和升速率/升负荷率，TOS系统能够自动控制汽机转速和负荷。当自动控制移除，自动切换到备用的手动控制器。汽机控制和诊断系统包括：*在保护停堆、自动紧急停堆、汽机超速时切断通往高压和低压缸体的蒸汽流量；*向PLS系统传送数据，使得其余系统能够获得TOS系统的状态；*PLS系统与TOS系统的直接接口，以便控制汽机来响应其他系统的状态，比如给水泵停泵，润滑油泵故障以及其他类似故障；*汽机转速、负荷的自动和手动控制。三、AP1000仪控系统的组成6.堆内仪表系统（IIS）堆内仪表系统（IIS）提供了在线的反应堆堆芯三维通量图，用以优化堆芯的性能以及校准PMS系统的中子探测器。另外，堆内仪表系统还为PMS系统和DAS系统提供了堆芯出口的热电偶信号。堆内仪表系统包括：*堆芯仪表套管组件，用以放置堆芯探测器和堆芯出口热电偶组件。*相关信号处理和数据处理设备。

AP1000共有42组堆芯仪表测量通道（套管组件）。每个通道包含多个堆芯探测器和一个热电偶。堆芯探测器的输出信号在安全壳内完成数字化，安全壳外实行多路传输。三、AP1000仪控系统的组成7.特殊监测系统（SMS）

特殊监测系统（SMS）是一个非安全相关的系统，其子系统包含与其他仪控系统的接口，提供专门诊断和长期监控的功能。SMS系统包含以下部分：*振动监测系统（检测反应堆冷却剂系统的金属碎片）*堆芯吊篮振动监测系统*反应堆冷却剂泵振动监测系统三、AP1000仪控系统的组成8.多样化驱动系统（DAS）

多样化驱动系统（DAS）在假定PMS系统出现共模故障时，用以降低反应堆的风险。可能的共模故障包括软件设计错误、硬件设计错误、测试和检修错误等。

DAS有以下三个主要功能：*在电厂参数超过设定值时，产生多样化的、后备的、自动驱动信号来保证反应堆停堆和相关专设驱动；*为反应堆手动停堆和专设安全设施手动驱动提供一个多样化的、后备的独立功能；*为选定的运行参数提供专用的独立显示功能三、AP1000仪控系统的组成9.辐射监测系统（RMS）

RMS系统的主要功能是对电厂进行排出流的监测、工艺过程的流质监测、气载监测，同时对电站区域内的辐射环境进行不间断显示。

RMS按功能分成两个子系统，分别是：工艺过程、气载放射性和排出流辐射监测子系统；场所辐射监测子系统。三、AP1000仪控系统的组成10.地震监测系统（SJS）设计地震仪表系统实现下述功能：*收集地震资料；*地震事件后分析地震数据；*向操纵员报警，发生了一起超出定值的地震事件；*（经数据分析后）向操作员报警，累计的绝对速度超出定值；

三、AP1000仪控系统的组成四、AP1000仪控系统安全分析4.1AP1000仪控系统要求4.2AP1000仪控系统功能设计原则4.3AP1000仪控系统值得关注的焦点问题4.1AP1000仪控系统要求不但必须在核电站正常运行工况下，完成自动化控制系统的功能，还必须在预期瞬态工况、设计基准事故工况下保证核电站的安全性，并在超设计基准事故下提供合理可行的预防或缓解措施。不同于常规工业，核安全级仪控系统必须保证一定的鉴定寿命／设计寿命。许多仪控系统设备，如安全壳内测量变送装置、执行装置等必须在有辐射、失水事故LOCA、地震等极限环境中使用。数字化技术的引入，对于仪控系统软件的验证和确认、质量保证等带来了新的挑战。4.1AP1000仪控系统要求

《核动力厂设计安全规定》中有关“仪表和控制”系统设计要求有:(1)必须设置能在正常运行、预计运行事故、设计基准事故和严重事故下对核动力厂变量和系统进行全程监测的仪表，以保证获取核动力厂状态的充分信息。(2)仪表和记录装置必须足以为严重事故期间确定核动力厂状态和为事故管理期间作出决策提供实际可能的信息。4.1AP1000仪控系统要求AP1000对此的响应:

一个与过程信息和控制系统关联的大屏幕显示，以显示电站的总体状态和主要参数;一个基于安全信息和控制系统常规显示设备或计算机显示屏的安全控制区，在安全信息和控制系统不可用的情况下作为后备。4.2AP1000仪控系统功能设计原则故障安全原则；单一故障原则；多样性原则；独立性原则；冗余性原则；共模故障最小原则；节能降耗原则；经济性原则。4.3AP1000仪控系统值得关注的焦点问题计算机安全数字化技术应用于核电站安全系统中，其计算机安全问题能否保证是关系这一技术能否广泛被接受和应用的重大问题，是业界的关注焦点。4.3AP1000仪控系统值得关注的焦点问题多样性和纵深防御针对潜在的共因失效，NRC的法规中要求在核电设施设计中考虑多样性和纵深防御，以保证异常运行事件和设计基准事件时不会影响公众和设施的安全。4.3AP1000仪控系统值得关注的焦点问题如何保持通道的独立性通信主要包括：1.序列间的通信(包括不同的安全序列之间或安全序列与非安全序列之间的通信)；2.从一个操作员工作站上对多个序列的安全级设备进行控制；3.从非安全级工作站上对安全级设备进行控制；4.3AP1000仪控系统值得关注的焦点问题高度集成的控制室对设备的控制也是自动进行或操作员通过基于计算机的触摸屏／键盘等计算机设施进行的。操作员只是监视和旁路自动化动作。电站人员可能需要不同的