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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司高德民

關鍵詞：儀控系統(tǒng)；模擬系統(tǒng)；數(shù)字化改造；策略；風險

1　引言

我國在建以及在役的核電站目前已居于世界前列，隨著時間的推移以及技術的進步，在役的電站陸續(xù)都面臨改造問題，尤其是上世紀九十年代運營至今的核電站，其儀控系統(tǒng)多采用模擬技術設計，更面臨整體技術的更新?lián)Q代，即進行數(shù)字化改造。NB/Z20250指出更新改造的動因主要出于經(jīng)濟性和安全性兩個方面的考慮。用更先進的設備替代原有的儀控設備，通常可增加系統(tǒng)的功能和改進系統(tǒng)的性能，但多數(shù)情況下，進行設備升級的主要原因是由于舊設備存在問題而不是出于新設備可帶來的收益^[1]。儀控系統(tǒng)的主要問題多集中在儀控設備老化和面臨設備停產(chǎn)。另外，基于模擬技術的儀控系統(tǒng)也限制了進一步提高儀控系統(tǒng)性能和提升電站自動化水平。與模擬技術相比，數(shù)字化技術具有明顯的優(yōu)勢，其應用不僅有利于改善核電站的安全狀況及穩(wěn)定運行水平，對于解決備件問題、優(yōu)化人機接口，以及減少人因事故也具有重要意義。因此，當前模擬儀控系統(tǒng)的數(shù)字化整體改造也都逐步在執(zhí)行，但該類改造因涉及范圍較大，會面臨更多的改造風險，需要提前考慮應對。本文對模擬儀控系統(tǒng)的數(shù)字化改造實施策略提出了建議，并對存在的風險進行了分析和給出了應對措施。

2　模擬儀控系統(tǒng)改造實施策略

作為核電站的“神經(jīng)中樞”的儀控系統(tǒng)，其控制著數(shù)百個系統(tǒng)和近萬個設備的運行。根據(jù)對核電站這些系統(tǒng)或設備改造的調(diào)研結果，模擬儀控系統(tǒng)改造實施的策略基本可分類為如表1所示的5種具體情況。

表1 改造實施策略

注：備品備件指原物項，全新物項指非原物項但可替代原物項，單元整體指機箱不見組合，機柜整體指成套整體單機柜，系統(tǒng)整體指完整系統(tǒng)設備（一般包含多機柜）。

其中，（1）、（2）不涉及I&C系統(tǒng)整體架構的變化，可保持當前功能分配和設計基準（縱深防御和多樣性等）不變。其他幾類可能需要升版整個I&C系統(tǒng)架構，并進行可靠性、故障和危險分析。對于（3）、（4）、（5）則還需要區(qū)分，是對一個單一I&C系統(tǒng)的改造，還是將多個分散的I&C系統(tǒng)集成到一個新的I&C系統(tǒng)中（這可能會對安全原則提出挑戰(zhàn)，如縱深防御和多樣性）。

2.1　備品備件替換

備品備件即應用原物項（原設備供應商提供的相同型號的物項）進行替換，通常用于應對設備發(fā)生單一隨機故障。

對于暫未停產(chǎn)設備可通過老化更換進行預防性維修以降低故障率，對于已經(jīng)停產(chǎn)或者即將停產(chǎn)設備，可通過物項替代、反向設計或者老化翻新維修暫時解決備件問題。但該措施只能維持原系統(tǒng)的性能，長期來看，只能通過數(shù)字化改造才能徹底解決。

2.2　全新物項替代

為了解決備品備件短缺或價格過于昂貴的問題，一般也會采用相同功能的全新部件進行等效替代^[2]。基于不同應用場景，通常可采用如表2所示的方式。

表2 全新物項替代執(zhí)行方式

為保證可實現(xiàn)替代，采購物項需要與原部件進行關鍵參數(shù)分析對比，并對安裝該部件的原設備的鑒定性能（環(huán)境、抗震、EMC）進行影響評估，必要時需搭建環(huán)境與相關設備連接后執(zhí)行功能、性能、接口驗證。

2.3　單元整體替代

如果涉及對多模塊進行功能改造，可能會應用到儀控單元替換，例如機籠整體替換。基于不同應用場景，通常可采用如表3所示的方式。

表3 單元整體替代執(zhí)行方式

替換單元需要與原功能模塊進行功能分析對比，并與未執(zhí)行改造的關聯(lián)單元進行匹配性評估，還需要對安裝該儀控單元的原設備的鑒定性能（環(huán)境、抗震、EMC）進行影響評估，必要時需搭建環(huán)境與相關設備連接后執(zhí)行功能、性能、接口驗證。如果涉及軟件開發(fā)，應按照安全級設計流程開展軟件開發(fā)工作。

2.4　機柜整體改造

在更多的改造項目中，通常會對一個或幾個機柜整體進行更新改造，此時應嚴格按照設計流程開展改造設計工作，并需評估改造后機柜對相鄰或相關設備，以及電廠環(huán)境的影響，包括用電負荷、散熱量、樓板承載等。

對于安全級改造，機柜內(nèi)數(shù)字化設備通常應采用成熟的安全級DCS平臺實現(xiàn)，而相關的電氣部件（如電源、斷路器、繼電器等）通常需采購商品級部件，通過執(zhí)行適用性確認（CGD）驗證。

2.5　系統(tǒng)整體改造

對于執(zhí)行規(guī)模更大的系統(tǒng)整體改造，例如保護系統(tǒng)（RPS）整體改造，應嚴格按照安全級設計流程開展改造設計工作，并應完成縱深防御和多樣性（DiD）分析，以及對電站整體安全分析（PSA）的影響。

對于安全級改造，系統(tǒng)內(nèi)數(shù)字化設備通常應采用成熟的安全級DCS平臺實現(xiàn)，而相關的電氣部件（如電源、斷路器、繼電器等）通常需采購商品級部件，通過執(zhí)行適用性確認（CGD）驗證。

3　數(shù)字化改造考慮因素

當前我國核電站進行儀控系統(tǒng)設計或改造時主要遵照《核動力廠設計安全規(guī)定》（HAF102）《核動力廠運行安全規(guī)定》（HAF103）等相關法規(guī)要求開展相關工作，所以進行核電站模擬儀控系統(tǒng)改造時，需對以下因素重點考慮：

3.1　設計要求

對于運行時間很長的電站，例如使用模擬儀控系統(tǒng)運行超過30年的核電站，其當初施工的工程方法和當前工程方法會存在很大不同，且期間發(fā)生了很多技術革新以及相關法規(guī)標準的升版。因此原設計要求可能很多不再適用，必須考慮與當前最新的法規(guī)標準結合。

儀控系統(tǒng)的安全分級是更新改造面臨的首要問題，系統(tǒng)的安全分級規(guī)定了儀控系統(tǒng)生命周期要求的資質(zhì)和質(zhì)量保證。近年發(fā)布的SSG-30、IEC61226等對安全分級要求有了很大調(diào)整，考慮了功能與預期運行事件（PIE）之間的關系，以及功能未執(zhí)行的后果嚴重程度。首先，所有的儀控系統(tǒng)或設備功能（準備改造的）都必須要識別、說明并分類。這樣具體的儀控系統(tǒng)或設備功能規(guī)格要求通常不同于舊電站，但監(jiān)管機構可能期望形成一套完整的現(xiàn)代化設計體系。

除安全分級外，縱深防御和多樣性的設計也是需要面對的一大問題。福島事故后，核安全法規(guī)已對縱深防御要求進行了修訂。更新改造時，必須要考慮縱深防御和多樣性的要求，可能需要增配獨立的多樣性系統(tǒng)。

3.2　設計文檔

早期建成電站的生命周期過程要求的文件范圍與當前可能存在較大差異，之前整體架構設計文檔和規(guī)范可能普遍不再適用。原有竣工文件的不完整也會對更新改造的實施帶來很大的挑戰(zhàn)，具體的影響還取決于更新改造的范圍和類別。另外，在運行期間，可能執(zhí)行了很多修改或優(yōu)化，而相應的文檔可能沒有全部對應升版。變更文檔的缺失可能導致更新改造基于不正確的設計輸入。

3.3　物理配置

應識別電站中安裝的所有部件，要求對電站中安裝的所有安全級和非安全級部件全覆蓋，包括相關系統(tǒng)的標識、位置、部件類型、版本、模塊編號等。如果準備執(zhí)行整體改造，則需重點對線纜及端接相關信息勘察清楚，因為經(jīng)驗表明，線纜及端接是影響改造實施的關鍵因素。

3.4　改造過程

HAD103/14要求，修改應當滿足核動力廠質(zhì)量保證大綱和程序、工作管理體系等要求；應當全面評價修改的后果，并確定出修改的邊界和影響（包括實體、系統(tǒng)和控制的邊界，以及修改實施的環(huán)境條件）；應當適當?shù)貙彶樾薷膶藙恿S安全造成的所有影響并完成必要的安全分析，確保修改滿足安全基準^[4]。質(zhì)量保證工作過程是用戶和供應商必須開發(fā)和遵循的。確定設計要求和工程的生命周期過程至關重要，包括質(zhì)保大綱、質(zhì)量計劃、配置管理和工程管理要求。

在充分考慮效益產(chǎn)出比預算滿足的情況下，儀控系統(tǒng)更新改造的范圍和類型是整體工作過程復雜性的重要因素。對于新儀控系統(tǒng)的實施（機柜、系統(tǒng)替換），需要用戶評估改造范圍相關的所有SSC（系統(tǒng)、構筑物、部件）和專業(yè)的影響，通常包括如下方面的重新評估：

（1）儀控系統(tǒng)功能規(guī)格（包括儀控系統(tǒng)功能分配到不同的縱深防御層次、安全分類）；

（2）隔離準則（關于房間/電纜橋架的實體分隔、電氣隔離、功能獨立性和通信獨立性）；

（3）多樣性準則（設備、設計、功能、人因等）；

（4）人機接口（報警、電廠運行等）；

（5）信息安全（訪問、網(wǎng)絡控制等）；

（6）運行和維護（定期試驗等）；

（7）供電系統(tǒng)（電源、環(huán)境條件等）；

（8）內(nèi)部和外部危害（地震、火災、導彈等）；

（9）接口匹配（改造需要盡量匹配已有設備的控制接口和信號類型）；

（10）安裝空間（改造后的儀控設備布置需盡量適應已有土建結構）；

（11）現(xiàn)場改造時間窗口（改造時間需滿足在役電站預留時間窗口）。

根據(jù)當前電廠文檔的質(zhì)量和范圍，可能需要進行全面的重新設計。范圍越復雜，相關方的互動就需要越多，尤其是用戶和供應商的密切合作，聯(lián)合執(zhí)行工作，并明確各自的職責任務。

配置管理（CM）是每個更新改造的必備條件，包括已安裝的SSC的信息和有效的系統(tǒng)文件的修訂版。CM還將進一步監(jiān)督配置變更控制、狀態(tài)記錄和發(fā)布管理。所有相關方必須在整個工程生命周期內(nèi)支持CM的工作過程，相關方的協(xié)調(diào)至關重要。

3.5　人員技能

當前主要相關方（監(jiān)管機構、用戶、供應商）面臨人員技能方面的挑戰(zhàn)。對技能的挑戰(zhàn)不僅與新技術或工程方法的應用有關，事實上，最關鍵的方面在于對幾十年前的電站設計知識的丟失，包括整個與I&C相關的活動相關知識。例如對某個模塊的實際技術應用的相關知識，基于模塊特性可以實施專用的設計支持應用，而這些特性可能不會記錄在模塊的產(chǎn)品手冊中，但只有原始設計人員知道，而缺失或錯誤的理解可能會導致改造錯誤。

另外由于核電行業(yè)的特殊性以及福島核事故等影響，核電從業(yè)者可能被迫數(shù)量減少。退休或離開的專家可能沒有得到充分的補充，知識技能沒有得到繼承便會造成重大的風險。而且專家通常了解各個專業(yè)領域（例如設計、分析、安裝、調(diào)試），而當前員工可能只關注自己的專項工作領域，而沒有獲得自己工作外的知識。而對于復雜度高的改造，要求工程師涵蓋整個工程范圍。因此缺少專家的支持，項目執(zhí)行過程中會面臨很多挑戰(zhàn)。

4　改造風險分析及應對措施

為確保核電站改造的高效、順利完成，保障核電站的安全運行，在改造過程中將風險分析和規(guī)劃應對列為實施的關鍵，以下是主要的風險分析及應對措施：

（1）技術風險。受限于電廠建設時期已有的設計基準與系統(tǒng)配置，存在與當前數(shù)字化的一些標準法規(guī)和設計準則不符合因素導致的技術風險，例如儀控的安全分級原則、儀控縱深防御層次、各儀控系統(tǒng)接口關系等，必須在已有電站設計基礎上，滿足當前數(shù)字化的一些標準法規(guī)和設計準則，進行數(shù)字化改造的儀控總體結構設計；另外，存在通訊接口風險，改造需要盡量匹配已有設備的控制接口和信號類型。而且改造的儀控系統(tǒng)與其他儀控系統(tǒng)改造窗口和實施設備平臺可能不同，兩者之間的通信接口兼容性要提前考慮，并應留有后續(xù)適應全廠數(shù)字化改造的接口，以避免這些系統(tǒng)多次改造。

（2）安裝空間風險。當前已有房間的預埋、橋架布置難以改造，存在無法滿足改造后的設備布置，需提前調(diào)研現(xiàn)有土建、橋架等已有結構定制開發(fā)部分產(chǎn)品。

（3）現(xiàn)場改造工期風險。在役電站改造為現(xiàn)場調(diào)試預留的時間很短，而改造工作密度極高，存在工期不足風險，因此需提前對改造后設備進行充分的功能、性能及接口驗證，搭建原型系統(tǒng)及測試工作，同時安排精兵強將，合理安排工序，對各類工況進行模擬試驗驗證，可有效應對工期帶來的風險。

5　結束語

模擬儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造通常首先考慮采用最小代價解決現(xiàn)場問題。在機組投入運行的初期階段，各設備狀態(tài)相對穩(wěn)定，對于隨機故障只需執(zhí)行替代工作。隨著時間的推移，其面臨監(jiān)管要求提升、停產(chǎn)停服等情況，則不得不執(zhí)行系統(tǒng)級改造。系統(tǒng)級改造因涉及范圍較大，需要考慮各種影響因素，以應對人員、技術、設備等方面可能存在的各種風險，在實際執(zhí)行改造時還需提前調(diào)研結合現(xiàn)場情況有針對性地制定更為具體的應對措施。

作者簡介：

高德民（1977-），男，山東濟南人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事于核電DCS項目管理工作。

參考文獻：

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[4] HAD103/14-2023, 核動力廠修改的管理[S].

摘自《自動化博覽》2024年6月刊