馮靜閣， 黃曉津

（1. 華能山東石島灣核電有限公司，山東　榮成　264312；2. 清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京　100084）

高溫氣冷堆數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的總體設(shè)計

馮靜閣1， 黃曉津2

（1. 華能山東石島灣核電有限公司，山東榮成264312；2. 清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京100084）

文章分析了國內(nèi)外核電站數(shù)字化規(guī)程研究現(xiàn)狀，結(jié)合高溫氣冷堆示范工程（HTR-PM）的自身特點，綜合運用數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）技術(shù)、人因工程理論、計算機技術(shù)等多學(xué)科知識，對示范工程數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的總體設(shè)計進(jìn)行了研究，為該系統(tǒng)的進(jìn)一步研發(fā)提供了基礎(chǔ)。

HTR-PM；核電站；數(shù)字化規(guī)程；操縱員

1　概述

高溫氣冷堆核電站是列入國家十二五科技發(fā)展中長期規(guī)劃重大專項的自主研發(fā)項目，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（清華核研院）是該重大專項的牽頭單位。高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）設(shè)計有兩座250 MW熱功率的球床模塊化高溫氣冷反應(yīng)堆，帶一臺200 MW汽輪發(fā)電機組，為“兩堆帶一機”設(shè)計，是一種全新的核電站模式［1］。HTR-PM的球床模塊化高溫氣冷堆是一種新的堆型，采用球形燃料元件，連續(xù)循環(huán)不停堆換料，一回路采用氦氣作為冷卻劑，一回路壓力7 MPa，氦氣熱端溫度750 ℃，冷端溫度250 ℃，二回路采用過熱蒸汽（566 ℃，13.24 MPa）作為介質(zhì)驅(qū)動機組汽輪發(fā)電機發(fā)電。該項目于2012年12月9日進(jìn)行了 FCD（第一罐混凝土澆注）工作，當(dāng)前項目正在著重進(jìn)行土建工作。

1.1高溫氣冷堆與壓水堆的技術(shù)特點比較

HTR-PM具有固有安全性，保證反應(yīng)堆在任何事故下，不借助能動的安全系統(tǒng)，反應(yīng)堆燃料元件的溫度不超過設(shè)計限值1 620 ℃，不會發(fā)生堆芯熔化和放射性大量釋放的嚴(yán)重后果。

結(jié)合HTR-PM與我國當(dāng)前運行和在建的壓水堆核電站的系統(tǒng)工藝系統(tǒng)設(shè)計，在主要系統(tǒng)方面進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示。

1.2數(shù)字化運行規(guī)程的研究現(xiàn)狀

示范工程的“兩堆帶一機”設(shè)計特點決定了值長在熟悉機組整體狀況同時需要關(guān)注兩個反應(yīng)堆的安全運行，操縱員在操作一座反應(yīng)堆的同時也需要考慮到另一座反應(yīng)堆的運行狀態(tài)，這就決定了高溫氣冷堆示范工程的運行規(guī)程有其獨有的特點。核電站運行規(guī)程一般可分為正常運行規(guī)程、應(yīng)急或事故操作規(guī)程兩大類。較為詳細(xì)的類別劃分，其一般包含系統(tǒng)運行規(guī)程、總體運行規(guī)程、異常處理規(guī)程、應(yīng)急運行規(guī)程、定期試驗規(guī)程、報警響應(yīng)規(guī)程等6類［2］。

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，近年來數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）在新建核電站中的成功應(yīng)用，使得數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的開發(fā)得到了越來越多的重視。DCS強大的數(shù)據(jù)處理能力和很快的數(shù)據(jù)處理速度，為減輕操縱員的工作負(fù)荷起了很大的作用。數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)（Digital Procedure System，DPS）的研究也逐漸在各個擁有核電站的國家展開，如美國西屋公司開發(fā)的計算機化規(guī)程系統(tǒng)、韓國斗山重工開發(fā)的計算機化事故規(guī)程、日本三菱公司開發(fā)的計算機化運行規(guī)程、國內(nèi)核動力運行研究所正在研發(fā)的核電廠數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)等。

表1　HTR-PM與壓水堆的比較表Table 1　Comparison of pressurized water reactor and HTR-PM

2　系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1系統(tǒng)的總體目標(biāo)

數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)能夠作為紙質(zhì)版運行規(guī)程的改進(jìn)和取代方式，除了必須與發(fā)布的紙質(zhì)版規(guī)程保持嚴(yán)格一致和具備紙質(zhì)版運行規(guī)程的功能外，數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)至少還要滿足以下幾點要求：1）系統(tǒng)運行安全、可靠；2）數(shù)據(jù)采集、實時的狀態(tài)檢測；3）友好的人機界面實現(xiàn)規(guī)程的恰當(dāng)顯示；4）根據(jù)需求快速的調(diào)用出所要的運行規(guī)程；5）幫助操縱員檢查規(guī)程的執(zhí)行情況。

2.2系統(tǒng)總體設(shè)計方案

充分利用DCS的強大數(shù)據(jù)處理功能及其與操縱員的親和性，將數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)作為DCS的一個子功能模塊進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的本質(zhì)是利用DCS系統(tǒng)的強大數(shù)據(jù)處理、信息通訊等功能，將運行規(guī)程的信息進(jìn)行數(shù)字化處理，從而為電站操縱員、值長工作提供便利。

根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，將數(shù)字化規(guī)程劃分為規(guī)程數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)采集、人機界面、信息通訊、系統(tǒng)功能模塊等模塊。操縱員通過操縱員站的人機界面，根據(jù)需要調(diào)用所需要的相關(guān)規(guī)程。

數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示［3］。系統(tǒng)通過數(shù)字化儀控系統(tǒng)LEVEL1（DCS系統(tǒng)控制層）的數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)字化儀控系統(tǒng)LEVEL2（DCS人機界面層）的人機界面顯示、信息通訊、功能模塊和規(guī)程數(shù)據(jù)庫的處理，實現(xiàn)為操縱員提供信息索引、信息顯示、操作、報警等功能。

2.2.1各功能單元及模塊作用

（1）數(shù)據(jù)采集及處理單元

數(shù)據(jù)采集是DCS系統(tǒng)的一項基本功能，該功能單元有時被稱為DAS（Data Acquisition System）系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)將生產(chǎn)過程信息（如溫度、壓力、流量等）按照一定的掃描周期定期采集及處理，送往DCS系統(tǒng)的其他功能模塊進(jìn)行使用。數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集及處理單元直接調(diào)用DCS系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理發(fā)送給系統(tǒng)中其他模塊使用。

主要功能有：1）生產(chǎn)過程參數(shù)測量；2）關(guān)于控制對象的信息顯示，包括操縱員的信息支持功能；3）被監(jiān)視參數(shù)的記錄；4）工藝設(shè)備和電氣設(shè)備的狀態(tài)、位置和運行工況的信息記錄；5）被檢測參數(shù)偏離正常值的自動記錄；6）事故前、事故、事故后事件和工況的識別和記錄，識別事故原始原因和保護動作；7）顯示堆外核測數(shù)據(jù)的計算結(jié)果；8）檔案和文件；9）自動控制和自動調(diào)節(jié)；10）邏輯程序、順序程序控制。

（2）規(guī)程數(shù)據(jù)管理及顯示單元

規(guī)程數(shù)據(jù)管理及顯示單元通過規(guī)程數(shù)據(jù)庫和人機界面等模塊實現(xiàn)。

圖1　高溫氣冷堆數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The overall structure of the digital procedure system of HTR-PM

規(guī)程數(shù)據(jù)庫，規(guī)程數(shù)據(jù)庫利用數(shù)據(jù)庫語言完成各項管理功能。規(guī)程數(shù)據(jù)庫是整個數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它由示范工程發(fā)布的運行規(guī)程知識組成。其主要實現(xiàn)如下功能：

1）查詢相關(guān)規(guī)程，提供方便查詢的通道及頁面，能較快地查到所需的規(guī)程；2）規(guī)程信息顯示，能夠顯示操作規(guī)程的主要因素、檢查信息和條目、結(jié)果；3）規(guī)程升版，升版包括操作前提條件、操作項目、關(guān)聯(lián)畫面的內(nèi)部通訊等；4）一致性及完整性檢查，數(shù)據(jù)庫的一致性指內(nèi)部信息需要通過唯一編碼進(jìn)行通訊，不允許有相互矛盾，如利用我國核電站使用的KKS編碼（電廠編碼系統(tǒng)）。

人機界面模塊，操縱員和本系統(tǒng)之間的交互信息界面由人機界面模塊（Human Machine Interface Module，HMI）來完成，其主要在DCS系統(tǒng)的LEVEL2層面下開發(fā)，用于完成輸入輸出工作。

數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)通過DCS系統(tǒng)中的操縱員站顯示器來顯示運行規(guī)程，操縱員通過調(diào)用相關(guān)畫面上的“規(guī)程”界面，可以快速調(diào)用或查詢所需要的規(guī)程。操縱員接收運行信息的主要通道由人機界面模塊提供［4］。系統(tǒng)的人機界面設(shè)計考慮了通用性使用功能，通過較為友好的操作鍵、菜單選項、功能鍵選項、自動報警處理等功能，實現(xiàn)人性化設(shè)計，滿足操縱員的需求。

2.2.2系統(tǒng)運行狀態(tài)及流程

數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能從示范工程DCS系統(tǒng)的LEVEL1層獲取數(shù)據(jù)，通過人機界面顯示所調(diào)用的運行規(guī)程界面，顯示系統(tǒng)及設(shè)備的狀態(tài)信息。

數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的運行狀態(tài)及流程如圖2所示。依據(jù)數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其功能要求，建立此系統(tǒng)的工作流程。

系統(tǒng)的運行狀態(tài)及流程主要包含以下3個方面：

1）機組實時運行參數(shù)由系統(tǒng)從D C S的LEVEL2中獲取，用于操縱員在當(dāng)前畫面上對機組的運行狀況進(jìn)行診斷。操縱員的診斷依據(jù)主要是根據(jù)機組當(dāng)前運行的主要參數(shù)，如主系統(tǒng)、設(shè)備的壓力、溫度狀態(tài)等。

2）若機組從正常運行狀態(tài)演變到偏離正常運行狀態(tài)，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入異常處理規(guī)程或事故處理規(guī)程進(jìn)行處理。

3）若機組處于正常運行狀態(tài)，則系統(tǒng)調(diào)用運行規(guī)程數(shù)據(jù)庫，通過規(guī)程目錄或檢索查找，快速找到相應(yīng)的規(guī)程，操縱員按照規(guī)程進(jìn)行操作。

2.3系統(tǒng)硬件和軟件平臺

數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)主要由硬件平臺（服務(wù)器等高性能計算機）和運行在其上的軟件平臺構(gòu)成。要求系統(tǒng)以每天24 h不停機方式安全穩(wěn)定的運行，系統(tǒng)的可靠性要求很高。在運行期間需避免發(fā)生畫面調(diào)用時間過長、信息更新慢、數(shù)據(jù)庫紊亂、系統(tǒng)死機等不穩(wěn)定運行工況情況，所以系統(tǒng)設(shè)計時必須選擇高性能的硬件和軟件系統(tǒng)。

圖2　數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的運行狀態(tài)及流程Fig.2　The operating state and process of the digital procedure system

2.3.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案

數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)作為操縱員的運行支持知識系統(tǒng)，需要實時的提供運行規(guī)程信息，并且由于核電廠在運行期間設(shè)備多，系統(tǒng)復(fù)雜，工藝系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)較多，數(shù)量較大，對系統(tǒng)的硬件可靠性、運算速度和存儲量要求很高，在硬件設(shè)計時需全面進(jìn)行考慮，所以數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)硬件選型的基本要求是具備系統(tǒng)穩(wěn)定、運行快速和海量存儲等特性。

數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)由兩臺數(shù)據(jù)處理服務(wù)器（Process Unit， PU）以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器作為DCS系統(tǒng)的LEVEL2層核心設(shè)備，內(nèi)部進(jìn)行了功能分配，分配若干個程序模塊（Program Block， PB）對DCS系統(tǒng)的LEVEL1層的DPU進(jìn)行實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，其中分配一個程序模塊給數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)使用。內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊連接通過在系統(tǒng)組態(tài)時實現(xiàn)。規(guī)程中所涉及的設(shè)備信息和參數(shù)信息在系統(tǒng)組態(tài)時來完成。系統(tǒng)組態(tài)時涉及該規(guī)程頁面上設(shè)備的信息及參數(shù)信息，在工程師站對人機界面組態(tài)時進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接，生成人機界面文件。工程師站通過網(wǎng)絡(luò)將文件數(shù)據(jù)塊傳送給PU和操縱員站。

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器采用冗余配置設(shè)計，由兩臺互為冗余的十六核處理器工業(yè)計算機服務(wù)器組成。系統(tǒng)通過兩臺服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、同步、信息的備份，即兩臺服務(wù)器能對數(shù)據(jù)進(jìn)行同時保存。正常運行狀態(tài)下，其中一臺服務(wù)器為主服務(wù)器，另一臺為從服務(wù)器，從服務(wù)器對主服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行熱備份，當(dāng)主服務(wù)器故障時，自動切換到其冗余服務(wù)器（從服務(wù)器）進(jìn)行工作。系統(tǒng)的硬件配置如圖3所示。

2.3.2系統(tǒng)軟件平臺

隨著近年來核電廠對計算機系統(tǒng)的安防能力要求不斷提高，系統(tǒng)對軟件的抗干擾性、穩(wěn)定性和安全性要求很高。由于數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的高安全性需求，系統(tǒng)在運行過程中需滿足連續(xù)安全工作，運行負(fù)荷在機組的任何工況下均不能超過40%等高指標(biāo)要求。在系統(tǒng)軟件設(shè)計時需采用性能穩(wěn)定、運算速度極快、抗病毒能力高的軟件平臺，提高系統(tǒng)的安防等級。

本系統(tǒng)作為核電站D C S系統(tǒng)L E V E L2層一個子系統(tǒng)，其設(shè)計建立在成熟的DCS系統(tǒng)LEVEL2層數(shù)據(jù)處理服務(wù)器上，使用其所選用的WINDOWS操作系統(tǒng)。

2.4系統(tǒng)的供電設(shè)計

作為核電站主控室操縱員的支持系統(tǒng)，為了保證其7×24 h工作，該系統(tǒng)的供電設(shè)計也較為關(guān)鍵。

數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)按照質(zhì)保等級和安全性能分級，根據(jù)其屬于DCS系統(tǒng)的LEVEL2層的計算機設(shè)備，設(shè)備安裝在主控室、工程師站、DCS電子設(shè)備間區(qū)域，安全分級為非安全級（NS級）；質(zhì)保等級為QA3級。其對抗震要求不是很高，但是因其要求7×24 h連續(xù)運轉(zhuǎn)，因此對供電要求較高。系統(tǒng)的冗余設(shè)計要求其電源來自不同的供電母線，上游配置有柴油發(fā)電機、UPS設(shè)備。

圖3　數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的硬件配置Fig.3　The hardware configuration of the digital procedure system

3　數(shù)字化規(guī)程顯示畫面設(shè)計要求

數(shù)字化規(guī)程的顯示是該系統(tǒng)面向用戶的集中體現(xiàn)，符合人因工程的操作畫面將較好地展現(xiàn)在操縱員面前，使操縱員高效率地使用規(guī)程，正確執(zhí)行相關(guān)步驟，關(guān)注重要和有效的核電廠工藝系統(tǒng)信息，為降低人因失誤或誤操作概率作出貢獻(xiàn)。

目前在核電廠的運行過程中，操縱員依然在大多數(shù)情況下使用紙質(zhì)版運行規(guī)程，通過操縱員終端、控制盤臺或后備盤，對設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，維護核電廠在安全運行狀態(tài)［5］。

規(guī)程畫面的設(shè)計是數(shù)字化規(guī)程技術(shù)的人機界面設(shè)計的首要環(huán)節(jié)，可以稱為數(shù)字化規(guī)程顯示（Digital Procedures Presentation）。數(shù)字化規(guī)程畫面設(shè)計應(yīng)滿足以下幾點［6］：

1）運行規(guī)程內(nèi)容應(yīng)與經(jīng)批準(zhǔn)的文本規(guī)程保持一致。

2）畫面應(yīng)以統(tǒng)一的方式顯示信息，包括操作步驟、使用控件、導(dǎo)航。

3）提供在規(guī)程中向前和向后瀏覽的能力。

4）畫面可按保護動作信息顯示區(qū)、導(dǎo)航顯示區(qū)、趨勢顯示區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)、合成信息顯示區(qū)進(jìn)行功能區(qū)劃分，各個功能區(qū)在不同畫面的位置宜相對固定。

5）同一個或同一類參數(shù)在不同畫面的顯示位置宜相對固定。

6）畫面的字體、顏色、控件、編碼應(yīng)遵守相同規(guī)范。

7）畫面設(shè)計的編碼應(yīng)方便記憶、檢索。

8）示范工程是“兩堆帶一機”設(shè)計，需使用一個特定的標(biāo)記標(biāo)明規(guī)程適用的反應(yīng)堆。

9）當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)可支持對規(guī)程前提條件或初始工況的確認(rèn)時，系統(tǒng)會提供確認(rèn)信息。

10）在正在使用的規(guī)程中，系統(tǒng)顯示哪些步驟在當(dāng)前是活動的。在操縱員的操作下，“活動”狀態(tài)在步驟中推進(jìn)。

11）對于保持活動狀態(tài)的擴展步驟或連續(xù)步驟，系統(tǒng)提供該步驟的監(jiān)視和狀態(tài)指示功能。

12）系統(tǒng)支持規(guī)程的并行執(zhí)行。系統(tǒng)允許同時打開多份規(guī)程。系統(tǒng)允許在同時打開使用的所有規(guī)程中，存在并行的活動步驟。

4　結(jié)束語

本文以高溫氣冷堆示范工程的數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)（DPS）為研究對象。對DPS系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和顯示畫面的設(shè)計要求進(jìn)行了總體設(shè)計和研究分析，為示范工程數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)的進(jìn)一步研發(fā)提供了基礎(chǔ)。

［1］ 馮靜閣. 高溫氣冷堆核電站示范工程控制室和備用停堆點設(shè)計分析［J］. 中國核電，2011（12）：293.（FENG Jing-ge. Design and Analysis for the Control Room and Standby Shutdown Point of HTGR Demonstration Project［J］. China Nuclear Power，2011（12）：293.）

［2］ 文芳. 計算機化規(guī)程技術(shù)在AP1000中的應(yīng)用［J］. 核電技術(shù)，2012（1）：69.（WEN Fang. The Application of Computerized Instructions and Techniques in AP1000［J］. Nuclear Power Technology，2012（1）：69.）

［3］ 馮靜閣. 高溫氣冷堆示范工程數(shù)字化運行規(guī)程系統(tǒng)的設(shè)計研究［D］. 工程碩士學(xué)位論文. 北京：清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，2014（6）：239.（FENG Jing-ge. Design and Study on Digitized Operation Instruction System of the HTGR Demonstration Project［D］. Academic thesis of master of engineering. Beijing： Institute of Nuclear and New Energy Technology， Tsinghua University， 2014（6）：239.）

［4］ Robert A. Dudics. Standard Computerized Procedures System Functional Reqirements［R］，2008， Rev1：6.

［5］ 趙勇. 核電站故障支持系統(tǒng)人機界面（HMI）的設(shè)計［J］. 國外核動力， 2004（1）：39-52.（ZHAO Yong. Design of Human-machine Interface （HMI） of the Failure Supporting System in Nuclear Power Plant［J］. Foreign Nuclear Power， 2004（1）：39-52.）

［6］馮靜閣. 高溫氣冷堆示范工程數(shù)字化運行規(guī)程系統(tǒng)的設(shè)計研究［D］.工程碩士學(xué)位論文. 北京：清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，2014（6）：241.（FENG Jing-ge. Design and Study on Digitized Operation Instruction System of the HTGR Demonstration Project［D］. Academic thesis of master of engineering. Beijing： Institute of Nuclear and New Energy Technology， Tsinghua University，2014（6）：241.）

Study on General Design of the Digital Procedure System of High Temperature Gas Coolant Reactor

FENG Jing-ge1，HUANG Xiao-jin2
（1. Huaneng Shandong Shidao Bay Nuclear Power Co.， Ltd.， Rongcheng of Shandong Prov. 264312， China；2. Institute of Nuclear and New Energy Technology， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

This thesis analyzed digital procedures of the domestic and international nuclear power plant， combined with the own characteristics of the high temperature reactor demonstration project （HTR-PM）. The general design of digital procedure system （DPS） of the demonstration project was studied by comprehensively utilizing the multi-disciplinary knowledge including the digital control system （DCS） technology， human factors engineering theory， and computer technology. It provides basis for further study of the system.

HTR-PM；nuclear power plant；digital procedures；operator

TP29Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）03-0202-06

TP29

A

1674-1617（2015）03-0202-06

2015-05-01

馮靜閣（1975—），男，河北南和人，高工，從事核電廠儀控的設(shè)計管理等工作。