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1、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: 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: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；TE
2、LEPERM XS（TXS）；浴盆曲线1.0. 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
3、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。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
4、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； 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
5、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. 项目的规划2.1. 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
6、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
7、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。2.2 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
8、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，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
9、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19992002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
10、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。2.3 总体规划秦山核电有限公司从2001
11、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
12、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
13、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，
14、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23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
15、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. 项目的实施3.1. 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
16、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。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
