核电厂主控室一体化安全控制盘台技术改进研究

邹 杰，周毅超，程 波，张学刚，张建波，徐晓梅，毛 婷

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

我国提出“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的大背景下，当前国家环境压力日益严峻，能源需求不断增长，核能作为目前唯一可大规模应用的成熟清洁能源，国家曾提出“在确保安全的前提下积极有序发展核电”，未来在我国能源结构中核能比例将不断增大。核安全作为国家安全的重要组成部分，也越来越受到社会各界的重视，特别是对美国三哩岛核事故影响反思，以及近年日本福岛核事故发生以后，对核电厂安全可靠监控和运行提出了更高要求。本文技术改进方案提出的目的就是要在保证满足高标准严要求核安全法规的前提下，提高核电厂主控室(核电厂运行监控中心)在发生事故后对核电厂安全监控的水平，打造一体化混合式安全监控盘台系统，降低核电厂运行人因失误风险，提升人员可靠性，促进核电厂安全生产，以实现保障国家核安全的目标。

1 超设计基准事故应对新要求

日本福岛核事故后，为满足国家核安全规划中要求的堆芯损坏频率(CDF)和大量放射性释放频率(LRF)概率安全目标[1]，达到我国最新核安全法规HAF102要求的安全水平，增强应对类似福岛核事故的超设计基准事故能力，在30多年来我国核电设计、建设、运营及研发所积累的经验、技术和人才基础上，研发了具有自主知识产权的先进百万千瓦级压水堆核电技术——ACPR1000技术。ACPR1000技术方案进行了大胆的创新和突破，核电厂纵深防御策略为了应对超设计基准事故，提出在主控室单独设置多样性人机接口盘和严重事故盘的新要求，分别用于核电厂纵深防御第三道防御线(多样性防御线)和第四道防御线(严重事故防御线)。高标准严要求下的方案设计与主控室有限的空间和降低建造成本产生了矛盾，因此本文通过研究将后备盘(BUP)/大屏幕(LDP)/多样性人机接口盘(DHP)/严重事故处理盘(SAP)等整合为一体化混合式安全控制盘的技术改进方案，既完成了功能设计融合减少盘台规模，压缩空间节约成本；又实现了所有安全控制手段集中配置，便于对事故发展演变过程实施连续不间断监控。

2 总体技术改进研究思路

主控室各盘台组成及功能简述：

1)后备盘(BUP)：用于主监控手段失效时，执行2～4 h监控以及事故处理；

2)大屏幕(LDP)：主要用于电厂概貌的显示；

3)多样性人机接口盘(DHP)：主要用于保护系统因软件共因故障失效时，减少堆芯熔融的概率；

4)严重事故处理盘(SAP)：主要用于实现电厂确定的严重事故的缓解功能。

由于主控室内单独设置DHP和SAP，在原来主控室的有限空间内已经无法再布置下独立的DHP和SAP盘台。为了从根本上解决了控制室布置空间限制的难题，提出将BUP/LDP/DHP/SAP一体化集中布置方案，并优化设备规模，便于操作员有效监控，有效降低工作负荷。

改进后一体化安全控制盘台集成性较高，可极大地优化主控室布置设计，盘台总长度从前期项目15.6 m缩减到11.8 m，可节省25%的盘台空间和节约15%主控室空间面积，从而减少核电厂建造成本。

3 独立DHP/SAP盘台设计研究

在早期的核电厂主控室设计[3]中，反应堆保护系统失效或者严重事故工况下的监视和操作是靠分散在后备盘(BUP)上的部分监视和操作设备来完成的。操作员需要频繁地在各个盘面来回移动位置，从而大大增加了操作员的工作负荷，降低了操作员在事故处理中的效率，不利于核事故及时处理。首次设置功能独立的DHP和SAP盘台，在主监控手段失效的应急情况下，为核电厂操作员提供充足的超设计基准事故应对手段。解决了核电厂反应堆保护系统软件共因故障的技术难题，将核电厂堆芯熔化的概率降低到10-6(堆·年)-1，可达到国际三代核电先进水平。在反应堆保护系统失效或严重事故工况下，可保障核电厂“极端外部环境条件下安全监控”，提升核电厂安全运行的纵深防御水平。

仪控系统DCS一层纵深防御改进如下：

1)预防线：当非安全级自动化系统(PSAS)可用时，通过PSAS完成对核电厂的监视和控制；

2)主防御线：当PSAS不可用时，通过反应堆保护系统(RPS)和安全自动化系统(SAS)完成事故的处理；

3)多样性防御线：当反应堆保护系统(RPS)和安全自动化系统(SAS)共因失效后，通过多样性驱动系统(DAS)完成对机组的监视和控制；

4)严重事故缓解线：当核电厂发生严重事故时，通过严重事故仪控系统(SA I&C)实现严重事故的预防和缓解功能。

仪控系统DCS二层纵深防御改进如下：

1)预防线：当主监控手段(OWP)可用时，通过OWP完成对核电厂的监视和控制；

2)主防御线：当OWP不可用时，通过BUP完成对机组的安全监视和控制；

3)多样性防御线：当反应堆保护系统(RPS)和安全自动化系统(SAS)共因失效导致OWP和BUP安全级控制功能均丧失后，通过多样化人机接口盘(DHP)完成对机组的监视和控制；

4)严重事故缓解线：当核电厂发生严重事故时，通过严重事故盘(SAP)实现严重事故的预防和缓解功能。

仪控系统DCS一层和二层纵深防御和故障降级运行策略示意图如图1所示。

图1 仪控系统纵深防御和故障降级运行策略Fig.1 Defense-in-depth and failure mode of I&C system

4 盘台外形改进研究

为了满足高标准严要求核安全法规，对一体化安全控制盘台的人因符合性进行了详细分析如图2所示，左图为手功能范围示意图，图中BUP 盘垂直面板控制器和控制台的深度都在第5 百分比女性手功能范围内；右图为显示器视角范围示意图，图中BUP 上部倾角位置显示信息的视角度为64°(大于45°)，其他显示仪表布置在第5 百分比女性和第95 百分比男性的可视视角45°范围内[2]，满足核安全法规严格要求。

图2 一体化安全控制盘台外形人因符合性分析Fig.2 HFE suitability analysis for safety control panel

5 事故安全处理路径改进研究

一体化安全控制盘台采用一回路和二回路系统独立分区的方式，并设定一回路主操作区和二回路主操作区。其他盘台按照与主操作盘台的功能关联性和重要性进行布置。针对核电厂典型事故工况，如失水事故(LOCA)、蒸汽发生器传热管断裂(SGTR)、主给水系统管道破裂(FWLB)和蒸汽系统管道破裂(MSLB)事故工况，通过操作员动态模拟事故场景的方法，来确定最佳的事故安全操作路径，并攻克防人因误操作[4]等技术难点，改进后的一体化安全控制盘台操作员事故处理时间整体可缩短约20%。

6 采用安全级仪控系统实现重要报警功能

如图3所示，一体化安全控制盘台通过核安全级数字化仪控系统实现重要报警功能，将安全级功能的报警和非安全级功能的报警独立处理，通过提升报警处理设备鉴定等级，以及报警动态优先级和智能报警管理功能，提高核电厂运行的可靠性和智能化水平，减少非计划停堆次数。

图3 安全级仪控系统实现重要报警功能示意图Fig.3 Key alarm function realized by safety I&C system

7 采用抗安全停堆地震的液晶大屏幕

核电厂主控室大屏幕显示器用于显示电站主要参数、主要设备状态和安全保护系统状态。通过采用抗安全停堆地震的液晶大屏幕，可解决在役二代核电厂主控室背投大屏幕不可抗安全停堆地震、维护周期短，维护成本高，长期运行后存在严重色差(太阳效应)等缺点，而一体化安全控制盘台所采用的液晶大屏幕[5]，其具有运行时间长、单位能耗低、维护成本低等优势[6]，应用将降低核电厂运维成本、提升核电厂运维水平。并且通过设计专用的抗安全停堆地震支架，对液晶大屏幕抗震性能进行了鉴定试验，保证其在安全停堆地震情况下整体结构完整性，通过核能行业产品应用可达到带动大屏幕显示器产业的技术改进和快速发展的目的。

8 结论

主控室一体化安全控制盘台设计改进方案是核电厂主控室设计的关键技术之一，与国内外同类技术相比，核电厂主控室一体化混合式安全控制盘设计改进方案优化了主控室布置，可节省25%的盘台空间和节约15%主控室空间面积，发挥盘台设备占用空间小、信息集中、事故操作路径和时间短的特点和优势，减少核电厂建造成本，降低操作员工作负荷，提升其工作效率，进一步保证了核电厂的安全运行，并可降低操作员人为误动作的概率，从而降低了非计划停堆的概率。

随着“华龙一号”技术在国内的投产应用以及中国核能“走出去”的国家战略部署，主控室一体化安全控制盘台设计改进方案在保证满足高标准严要求核安全法规的前提下，降低核电厂运行人因失误风险，提升人因效能，促进核电厂安全生产，从而保障国家核安全，并将为2030年碳达峰和2060年碳中和做出关键贡献。