核电厂BOP 集控系统研究

聂洪权 ,鹿书恩 ,汪 勇

(1.中国核电工程有限公司,北京 100840;2.中国核电工程有限公司郑州分公司,河南 郑州 450052)

0 引言

目前,国内运行的压水堆核电站大部分采用M310堆型。M310 堆型是20 世纪70 年代的产物。在电厂自动化、智能化程度不高的情况下,该堆型存在现场值班室众多、分散管理的情况,需要大量的现场巡检人员。AP1000 堆型是来自美国的三代堆型。其设计之初并未考虑电厂配套设施(balance of plant,BOP)集控。目前,某核电厂正在进行BOP 集控改造。CAP1400 是基于AP1000 的国产化堆型,在设计之初就考虑了BOP 集控,采用了非安全级DCS 平台实现集控功能。华龙一号堆型为我国的国产堆型,BOP 部分基本沿用了M310 的设计,并未考虑集控问题。水-水高能反应堆(vodo-vodyanoi energetichesky reactor,VVER)堆型设置有总值长室,将原本没有送入主控的BOP 信号送入总值长室,以监控BOP 子项的运行状况,但不包括操作功能。据现场反馈,目前VVER 的总值长室基本处于空置状态,并无人值守。

在火电领域,设计规范《小型火力发电厂设计规范》16.2.4 明确规定了“辅助车间应根据车间相临或性质相近、本着减少控制点的原则,进行合并控制室,以便按区域集中控制”;《大中型火力发电厂设计规范》15.3.4 部分也有类似的规定。此外,在近年建成的大型火电站中,均设置有集控室,从设计到施工到运行均非常成熟[1-2]。

1 BOP 集控的优势

1.1 先进性和成熟性

采用BOP 集控对各子项集中监控,可大量减少现场操作人员及巡检人员,实现现场无人值守,使自动化水平大幅提高。BOP 集控可灵活结合远程I/O 及现场总线技术,并可结合视频识别方案,进一步提高监控、巡检的智能化水平。优化后BOP 控制系统的先进性大幅提高[3]。

根据在役核电站运行情况,采用现场人员集中值班的模式,不影响现场人员对现场操作的响应。“分散控制,集中管理”是控制系统的基本设计理念。“减少控制点,合并控制室,按区域集中管理”是控制系统的通用设计要求,在火电行业有成熟的应用,并已写入设计标准。所采用的先进技术在其他行业也有应用先例,可靠性有充分保障,能满足核电厂的安全性要求[4]。

1.2 经济性

设置BOP 综合控制室,将制氯站、放射性机修及去污车间、核岛/常规岛废液排放厂房、公用气体贮存区、氢气站、空压站、联合泵房(厂区消防泵房区域)、含油生产废水油水分离池以及全厂污水排放系统的就地控制系统全部取消,纳入BOP 集控平台。双机组每年可减少运行2 人。人力成本合48 万元/年。按BOP控制系统设计寿命10 年考虑,共可节省成本480万元。

拟优化各BOP 子项I/O 点数如表1 所示,合计3 234 点。该I/O 点数统计是基于国内某核电站扩建项目统计的。对于新建核电站,子项数量会更多。优化后,此部分经济效益将会更高[5]

表1 各BOP 子项I/O 点数Tab.1 I/O amount of each BOP item

。

结合总线仪表及总线控制系统,还可节约大约三分之一的电缆采购及敷设成本。原设计方案采用硬接线方式,按每个信号平均25 m 电缆估算,共需电缆约7.5 km,采用现场总线后可节省25 km。

1.3 减轻主控室操纵员工作量

BOP 中原本在主控室报警的信号,或来自主控室的远程操作信号大部分移到BOP 综合控制室,减轻了操纵员的工作负担。主控操纵员可以将更多精力放在核岛、常规岛等主工艺系统的监控上,有助于提高核电厂运行的整体安全性[6-7]。

2 BOP 集控范围选取原则

BOP 集控范围选取原则如下。

①BOP 各子项原就地控制系统融入BOP 集控平台。

②原送入主控的报警信号根据重要性确定是否改送BOP 综合控制室。

③原随工艺设备成套供货的控制系统融入BOP集控平台。

结合以上几条原则,初步考虑将YA 厂房、制氯站、放射性机修及去污车间、核岛/常规岛废液排放厂房、公用气体贮存区、氢气站、空压站、厂区消防泵房、含油生产废水油水分离池以及全厂污水排放系统的就地控制系统全部取消,通过BOP 集控系统实现集中管理。机组现场人员在BOP 综合控制室现操值班室值班,不在控制区留人,只在需要时进入厂房。

3 总体方案

BOP 集控的目的是通过BOP 综合控制室实现对各子项的远程监视及操作,实现现场无人值守。运行人员在BOP 综合控制室,以操作员站为监控中心,在少量就地巡检人员的检查和配合下,实现对各子项工艺设备的控制、对工艺过程状态的监视,以及异常状态的处理。为方便安装调试、运行维护,BOP 仍保留少量必要的就地控制和显示功能。就地控制和显示一般采用常规的按钮和指示灯实现[6]。

图1 BOP 集控系统总体结构示意图Fig.1 Structure diagram of BOP centralized control system

电站污水排放系统(系统代码WSS)在各子项内的部分(PM、AC),信号进入所在子项的远程I/O 柜。GB 沟内只有WSS 系统,且地坑较多,设置3 台远程I/O 柜。GH、00 子项也只有WSS 系统,但地坑较少,信号送入就近子项的远程I/O 柜内。各子项需送主控室的信号在就地箱内通过继电器或隔离分配器拆分后,以硬接线形式送BOP 控制系统和两台机组的主控室。ZB、ZC 子项的控制系统随工艺设备供货。控制系统应预留接口和BOP 集控系统通信[7]。

为降低电缆敷设成本、提高数据传输效率、降低维护成本,BOP 集控针对所涉及子项,采用总线型仪表代替部分常规仪表。总线仪表可为仪控系统的智能化发展奠定基础[8]。

除此之外,QA/QB 厂房试行采用视频/图像识别和智能巡检系统,进一步降低现场巡检工作量、减少巡检人员配置。

4 综合控制室方案

4.1 控制室环境需求

BOP 综合控制室的方案除应根据相关控制室设计标准考虑空调通风、照明、消防、通信以及人因等通用解决方案之外,还需重点考虑以下内容。

①计算机化工作站:为电厂运行人员提供电厂状态的信息及操作指导。同时,作为电厂重要的操作手段之一,它接收操作员的命令,并把命令传递到过程控制网络,从而实现对电厂的操作。

②大屏幕:主要用于显示机组BOP 集成各系统与设备的关键状态和参数,以及团队成员之间的信息共享与协调。特别在交接班或事件/事故情况下,是迅速掌握重要参数的一种极为有效的手段。

4.2 工作站需求

BOP 综合控制室计算机工作站是运行人员对BOP 区域监控的主要手段,可提供运行所需的所有监视信息、所需设备级手动控制功能。

考虑上述各子项的功能分配,需配置3 台BOP 综合控制室内的工作站。

②测PH值法：取等浓度的二种溶液各少许，分别测其PH值，PH值大者N a2CO3，PH值小者 N aH CO3；

①YA 子项长期监视与运行,需1 台工作站。

②正常运行期间其他子项监视和操作需1 台工作站。

③设置1 台备用工作站,以满足工作负荷高峰或其他工作站出现问题时的人机接口需求。

4.3 大屏幕需求

大屏幕主要用于显示机组BOP 子项系统与设备的状态和参数,以及团队成员之间的信息共享与协调。特别在交接班或事件、事故情况下,大屏幕是迅速掌握重要参数的有效手段。

大屏幕的选用主要受到大屏幕尺寸、大屏幕技术及结构、大屏幕与人眼间距(大屏幕与操纵员工作站的布置间距)这三大条件的影响。

根据集控范围内各系统总体情况,设置1～2 块大屏幕。

5 报警信号分析

原来送主控室的报警和显示信号改送BOP 综合控制室的可行性,分析总原则如下。

(1)红色报警不能从主控室移出。

(2)报警操作中是否有需主控室完成的操作。如有,该报警不能从主控移出。

(3)报警导致的后果分析如下。

①后果是否会导致本系统功能丧失。如果会导致系统功能丧失,则不能移出。

②后果是否会导致其他系统功能丧失。如果会导致其他系统功能丧失,则不能移出。

③后果是否会导致电厂后撤。如果会导致电厂后撤,则不能移出。

④查询运行技术规范(operation technical specification,OTS),判断报警导致的后果是否会导致机组后撤。如果会导致机组后撤,则不能移出。

⑤报警是否会产生放射性影响。如有核安全/人身安全风险,则报警信号不能移出主控室。

(4)送主控室的报警、显示信号同时在BOP 综合控制室进行报警和显示;但同一控制信号只能由主控室或BOP 综合控制室一方发出。

6 视频/图像识别与智能巡检方案

视频识别系统结构如图2 所示[9-10]。

图2 视频识别系统结构图Fig.2 Structure diagram of video recognition system

视频/图像识别系统主要完成对某厂房仪表及设备的实时视频监控,实时了解各仪表及设备的运行工况,并对视频图像进行智能分析、向运行人员展现需要关注的工况,从而减少运行人员日常运行及巡检的劳动强度。其主要功能如下。

①实时监视某厂房仪表及设备的运行情况。如有异常情况,系统可以及时发现并了解现场的情况。

②对视频进行图像及音频分析,自动识别现场仪表及设备的运行工况,如设备的故障信息、就地仪表的参数指示、地坑的液位高低等。

③根据视频信息,识别现场辐射控制区的人员及物品的进出情况,以及辐射控制区人员的辐射防护用品的穿戴情况。

④识别厂房的人员进出情况,如人进入或离开某厂房、人员徘徊、人员聚焦、人员快速移动、物品遗留、物品拿取等。

⑤识别危险品、化学物品存放情况,如房间是否干净、整齐,以及是否有液体流动等。

⑥系统能够对视频图像及声音进行智能分析,并对异常情况发出报警。

⑦支持智能搜索、回放及备份功能,有效提高录像检索与回放效率。

⑧支持路径巡航功能,可以根据运行巡检的要求,配置相应的巡航路径;能够根据巡航路径自动的展现巡检点的情况,实现智能巡检,降低运行人员的工作强度。

⑨支持人机对话功能,主控室人员与现场人员可以通过摄像机进行沟通对话,实时解决现场出现的问题。

视频识别系统由关键区域布置的网络高清摄像机(采集层)和远端的交换机(网络接入层)、网线(网络传输层)、服务器、客户终端(存储和处理层)组成。

7 结论

核电厂BOP 的集控运行有助于提高核电厂的运行效率、降低建设成本,目前已在新建核电厂进行推广。同时,集控运行方案也存在如下难点。

①工艺设备成套供货控制系统的拆分。

随工艺设备成套供货控制系统的拆分是BOP 集控的最大难点。控制系统的拆分意味着设计人员需要从工艺控制层面了解上游的知识体系,此外还将带来合同执行过程中的各种配合难题和风险。因此,在BOP 集控实施过程中,需要将此问题列在首位。

②报警转移分析。

报警转移的难点主要是来自于各方的需求冲突。作为电站运行人员,希望既能够降低巡检频度,又不能带来巡检死角,更不能降低安全性。因此,在分析报警转移过程中,需要对每个报警信号进行彻底的分析。此部分工作量非常大。

③综合控制室定位问题。

BOP 综合控制室定位要低于主控室,但是又高于目前核电BOP 中的值班室。这主要给业主运行人员带来困扰,需要进一步探索,给BOP 综合控制室及综合控制室中的值班人员以明确的定位[11]。