核电厂数字化I&C系统关键技术研究[论文]

核电厂数字化I&C系统关键技术研究

【摘要】仪表和控制(i&c)系统是核电厂的重要组成部分,数字化对核电厂i&c系统提出了新的要求。本文对核电厂数字化i&c系统进行介绍,并重点研究了数字化i&c系统的关键技术。

【关键词】核电厂数字化i&c系统关键技术

仪表和控制系统(简称仪控系统,i&c系统)具有对核电厂进行监测、显示、控制和保护的功能,是核电厂安全可靠运行的重要组成。随着计算机技术和控制技术的迅猛发展,核电厂i&c系统已经在逐步实现数字化。核电厂数字化i&c系统较之前的模拟i&c系统、部分数字化i&c系统的安全性和可靠性具有显著提高。

由于核电厂具有其特殊的安全保障需求,因此对于数字化i&c系统的研究具有重要意义。

2 数字化i&c系统概述

数字化i&c系统一般设计为分层结构,根据i&c系统的不同,分层方式有所差异,比较具有代表性的分层方法为:自底层到高层可以

分为工艺系统接口层、自动控制和保护层、操作和管理信息层、全厂技术管理层。采用分层结构可以将功能分散,减少信息在传输、控制过程中丢失的风险,提高i&c系统可靠性。分层结构中的工艺系统接口层以及自动控制和保护层相对比较重要,因为对工艺系统实际控制工作都完成于这两层,而i&c系统的更新升级也多集中于这两层。

一对一功能分散和并行性是数字化i&c系统建设的两大基本原则。数字化i&c的分层结构保证了一对一功能分散;数字化i&c系统的技术基础是二进制数码的串行传输,为了保证数字化i&c系统的并行性以及传输效率,一般采用多cpu技术,依靠分时运行技术的应用以及cpu处理速度的大幅提高,使得时间分片串行运算像是并行动作,从而保证了信息集中监控的并行性实现。

从数字化i&c系统的网络结构分析,其主要经历了集散控制系统(dcs)和现场总线控制系统(fcs)两个阶段。dcs将模拟仪表和计算机技术相融合,即保留了模拟量一对一的特点,又利用计算机信息处理技术将i&c系统进行信息管理和集中显示控制,属于半数字化的i&c系统。fcs则是数字化i&c系统的典型代表,将分散的模拟仪表按系统功能的划分进行集中布置,即有效继承了一对一功能,又实现了利用计算机进行信息化管理。对于数字化i&c系统的网络传输也随着网络的发展由现场对象的控制到整个电厂或系统的管理,甚至是向全球化网络控制发展。

综上所示,数字化i&c系统是向着由局部模拟仪表自动化到整体数字仪表自动化再到全局信息网络自动化的方向进行发展的。

3 数字化i&c系统关键技术

3.1 数字化反应堆保护系统

反应堆保护系统的功能是对反应堆现场的工作状况信号进行接收,并经过计算机处理后控制停堆断路器的状态。其中停堆断路器是用来控制棒控系统所有停堆棒组的电源,令全部停堆棒和控制棒

快速进入堆芯地步,终止核反应,限制或防止堆芯及压力容器的损坏。

以某m310核电厂为例,数字化反应堆保护系统由反应堆停堆系统(rts)和安全专设驱动系统(esfas)两个部分组成。rts采用四通道冗余设计,并且每个通道均独立于其它通道进行工作。数字化i&c 系统通过模拟采集卡对反应堆现场的工作状况信号进行采集,并输入cpu处理单元,经过阈值比较后参与本通道的表决逻辑处理。同时把阈值比较结果传输到其他通道参与表决逻辑处理;各个保护通道接收到与之判决结果后经四取二表决逻辑把结果传输给本通道对应的停堆断路器,从而达到控制停堆断路器状态的目的。esfas采用a、b列二重冗余设计,两列彼此隔离,分别采集来自4个rts通道的表决信号,再进行一次四取二表决逻辑把结果传输给现场执行机构,从而完成安全壳隔离、堆芯冷却、余热排出等安全功能。

由于保护系统执行安全功能,因此其采用的数字化平台必须是通过1e级鉴定的,且响应时间和可靠性都有很高要求。

3.2 核电厂控制系统

核电厂控制系统的主要功能是在电厂正常运行工况下执行自动控制和监督任务。核电厂控制系统采用非安全级数字化平台。以某m310核电厂为例,其电厂控制系统为倒挂树型mesh网结构。各个工艺系统的控制逻辑按照合理的功能分组原则分配的不同的cpu上,各个机柜的cpu通过该mesh网的交换机进行数据通讯。

3.3 运行和控制中心系统

运行和控制中心系统包括操作和控制核电厂的所有设施,如主控制室、远距离停堆室、运行支持中心、技术支持中心、就地控制站和应急指挥中心等。

为了保证安全功能的分配,在设计反应堆运行和控制系统时需要充分考虑人和机器的特性以及局限性,对核电厂进行安全功能要求分析和功能分配,并进行评估,使得人机接口的设计能够完全支持核电厂任务的执行。在设计过程中要使人因工程系统性的结合到控制室和人机接口的设计中,确保操作人员能够安全有效的对核电厂进行管理和控制。

3.4 特殊监测系统

特殊检测系统是数字化i&c系统中一个独立的诊断系统并在单独平台上实施,把传感器的数据进行预处理并进行诊断,包括用于检测反应堆冷却剂系统内金属碎片的松动部件检测系统、冷却剂泵震动检测系统、堆芯吊篮震动检测系统等。

3.5 堆芯仪表系统

堆芯仪表系统是为其他系统提供堆芯仪表信号。该系统能够测得堆芯中的三维中子注量率分布图,对保护和安全检测系统的中子注量率探测器进行标定并优化堆芯性能。

4 结语

本文介绍了核电厂数字化i&c系统,该系统凭借其自身在技术上的优势对提高核电厂的经济效益、工作效率以及安全性方面均有巨大的贡献。因此,对其关键技术的研究具有重大的科研意义、经济

意义与安全意义。

参考文献:

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