鄒 杰，周毅超，程 波，張學(xué)剛，張建波，徐曉梅，毛 婷

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

我國提出“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”的大背景下，當(dāng)前國家環(huán)境壓力日益嚴(yán)峻，能源需求不斷增長，核能作為目前唯一可大規(guī)模應(yīng)用的成熟清潔能源，國家曾提出“在確保安全的前提下積極有序發(fā)展核電”，未來在我國能源結(jié)構(gòu)中核能比例將不斷增大。核安全作為國家安全的重要組成部分，也越來越受到社會各界的重視，特別是對美國三哩島核事故影響反思，以及近年日本福島核事故發(fā)生以后，對核電廠安全可靠監(jiān)控和運行提出了更高要求。本文技術(shù)改進方案提出的目的就是要在保證滿足高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求核安全法規(guī)的前提下，提高核電廠主控室(核電廠運行監(jiān)控中心)在發(fā)生事故后對核電廠安全監(jiān)控的水平，打造一體化混合式安全監(jiān)控盤臺系統(tǒng)，降低核電廠運行人因失誤風(fēng)險，提升人員可靠性，促進核電廠安全生產(chǎn)，以實現(xiàn)保障國家核安全的目標(biāo)。

1 超設(shè)計基準(zhǔn)事故應(yīng)對新要求

日本福島核事故后，為滿足國家核安全規(guī)劃中要求的堆芯損壞頻率(CDF)和大量放射性釋放頻率(LRF)概率安全目標(biāo)[1]，達到我國最新核安全法規(guī)HAF102要求的安全水平，增強應(yīng)對類似福島核事故的超設(shè)計基準(zhǔn)事故能力，在30多年來我國核電設(shè)計、建設(shè)、運營及研發(fā)所積累的經(jīng)驗、技術(shù)和人才基礎(chǔ)上，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進百萬千瓦級壓水堆核電技術(shù)——ACPR1000技術(shù)。ACPR1000技術(shù)方案進行了大膽的創(chuàng)新和突破，核電廠縱深防御策略為了應(yīng)對超設(shè)計基準(zhǔn)事故，提出在主控室單獨設(shè)置多樣性人機接口盤和嚴(yán)重事故盤的新要求，分別用于核電廠縱深防御第三道防御線(多樣性防御線)和第四道防御線(嚴(yán)重事故防御線)。高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求下的方案設(shè)計與主控室有限的空間和降低建造成本產(chǎn)生了矛盾，因此本文通過研究將后備盤(BUP)/大屏幕(LDP)/多樣性人機接口盤(DHP)/嚴(yán)重事故處理盤(SAP)等整合為一體化混合式安全控制盤的技術(shù)改進方案，既完成了功能設(shè)計融合減少盤臺規(guī)模，壓縮空間節(jié)約成本；又實現(xiàn)了所有安全控制手段集中配置，便于對事故發(fā)展演變過程實施連續(xù)不間斷監(jiān)控。

2 總體技術(shù)改進研究思路

主控室各盤臺組成及功能簡述：

1)后備盤(BUP)：用于主監(jiān)控手段失效時，執(zhí)行2～4 h監(jiān)控以及事故處理；

2)大屏幕(LDP)：主要用于電廠概貌的顯示；

3)多樣性人機接口盤(DHP)：主要用于保護系統(tǒng)因軟件共因故障失效時，減少堆芯熔融的概率；

4)嚴(yán)重事故處理盤(SAP)：主要用于實現(xiàn)電廠確定的嚴(yán)重事故的緩解功能。

由于主控室內(nèi)單獨設(shè)置DHP和SAP，在原來主控室的有限空間內(nèi)已經(jīng)無法再布置下獨立的DHP和SAP盤臺。為了從根本上解決了控制室布置空間限制的難題，提出將BUP/LDP/DHP/SAP一體化集中布置方案，并優(yōu)化設(shè)備規(guī)模，便于操作員有效監(jiān)控，有效降低工作負(fù)荷。

改進后一體化安全控制盤臺集成性較高，可極大地優(yōu)化主控室布置設(shè)計，盤臺總長度從前期項目15.6 m縮減到11.8 m，可節(jié)省25%的盤臺空間和節(jié)約15%主控室空間面積，從而減少核電廠建造成本。

3 獨立DHP/SAP盤臺設(shè)計研究

在早期的核電廠主控室設(shè)計[3]中，反應(yīng)堆保護系統(tǒng)失效或者嚴(yán)重事故工況下的監(jiān)視和操作是靠分散在后備盤(BUP)上的部分監(jiān)視和操作設(shè)備來完成的。操作員需要頻繁地在各個盤面來回移動位置，從而大大增加了操作員的工作負(fù)荷，降低了操作員在事故處理中的效率，不利于核事故及時處理。首次設(shè)置功能獨立的DHP和SAP盤臺，在主監(jiān)控手段失效的應(yīng)急情況下，為核電廠操作員提供充足的超設(shè)計基準(zhǔn)事故應(yīng)對手段。解決了核電廠反應(yīng)堆保護系統(tǒng)軟件共因故障的技術(shù)難題，將核電廠堆芯熔化的概率降低到10-6(堆·年)-1，可達到國際三代核電先進水平。在反應(yīng)堆保護系統(tǒng)失效或嚴(yán)重事故工況下，可保障核電廠“極端外部環(huán)境條件下安全監(jiān)控”，提升核電廠安全運行的縱深防御水平。

儀控系統(tǒng)DCS一層縱深防御改進如下：

1)預(yù)防線：當(dāng)非安全級自動化系統(tǒng)(PSAS)可用時，通過PSAS完成對核電廠的監(jiān)視和控制；

2)主防御線：當(dāng)PSAS不可用時，通過反應(yīng)堆保護系統(tǒng)(RPS)和安全自動化系統(tǒng)(SAS)完成事故的處理；

3)多樣性防御線：當(dāng)反應(yīng)堆保護系統(tǒng)(RPS)和安全自動化系統(tǒng)(SAS)共因失效后，通過多樣性驅(qū)動系統(tǒng)(DAS)完成對機組的監(jiān)視和控制；

4)嚴(yán)重事故緩解線：當(dāng)核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故時，通過嚴(yán)重事故儀控系統(tǒng)(SA I&C)實現(xiàn)嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解功能。

儀控系統(tǒng)DCS二層縱深防御改進如下：

1)預(yù)防線：當(dāng)主監(jiān)控手段(OWP)可用時，通過OWP完成對核電廠的監(jiān)視和控制；

2)主防御線：當(dāng)OWP不可用時，通過BUP完成對機組的安全監(jiān)視和控制；

3)多樣性防御線：當(dāng)反應(yīng)堆保護系統(tǒng)(RPS)和安全自動化系統(tǒng)(SAS)共因失效導(dǎo)致OWP和BUP安全級控制功能均喪失后，通過多樣化人機接口盤(DHP)完成對機組的監(jiān)視和控制；

4)嚴(yán)重事故緩解線：當(dāng)核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故時，通過嚴(yán)重事故盤(SAP)實現(xiàn)嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解功能。

儀控系統(tǒng)DCS一層和二層縱深防御和故障降級運行策略示意圖如圖1所示。

圖1 儀控系統(tǒng)縱深防御和故障降級運行策略Fig.1 Defense-in-depth and failure mode of I&C system

4 盤臺外形改進研究

為了滿足高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求核安全法規(guī)，對一體化安全控制盤臺的人因符合性進行了詳細分析如圖2所示，左圖為手功能范圍示意圖，圖中BUP 盤垂直面板控制器和控制臺的深度都在第5 百分比女性手功能范圍內(nèi)；右圖為顯示器視角范圍示意圖，圖中BUP 上部傾角位置顯示信息的視角度為64°(大于45°)，其他顯示儀表布置在第5 百分比女性和第95 百分比男性的可視視角45°范圍內(nèi)[2]，滿足核安全法規(guī)嚴(yán)格要求。

圖2 一體化安全控制盤臺外形人因符合性分析Fig.2 HFE suitability analysis for safety control panel

5 事故安全處理路徑改進研究

一體化安全控制盤臺采用一回路和二回路系統(tǒng)獨立分區(qū)的方式，并設(shè)定一回路主操作區(qū)和二回路主操作區(qū)。其他盤臺按照與主操作盤臺的功能關(guān)聯(lián)性和重要性進行布置。針對核電廠典型事故工況，如失水事故(LOCA)、蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂(SGTR)、主給水系統(tǒng)管道破裂(FWLB)和蒸汽系統(tǒng)管道破裂(MSLB)事故工況，通過操作員動態(tài)模擬事故場景的方法，來確定最佳的事故安全操作路徑，并攻克防人因誤操作[4]等技術(shù)難點，改進后的一體化安全控制盤臺操作員事故處理時間整體可縮短約20%。

6 采用安全級儀控系統(tǒng)實現(xiàn)重要報警功能

如圖3所示，一體化安全控制盤臺通過核安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)實現(xiàn)重要報警功能，將安全級功能的報警和非安全級功能的報警獨立處理，通過提升報警處理設(shè)備鑒定等級，以及報警動態(tài)優(yōu)先級和智能報警管理功能，提高核電廠運行的可靠性和智能化水平，減少非計劃停堆次數(shù)。

圖3 安全級儀控系統(tǒng)實現(xiàn)重要報警功能示意圖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

核電廠主控室大屏幕顯示器用于顯示電站主要參數(shù)、主要設(shè)備狀態(tài)和安全保護系統(tǒng)狀態(tài)。通過采用抗安全停堆地震的液晶大屏幕，可解決在役二代核電廠主控室背投大屏幕不可抗安全停堆地震、維護周期短，維護成本高，長期運行后存在嚴(yán)重色差(太陽效應(yīng))等缺點，而一體化安全控制盤臺所采用的液晶大屏幕[5]，其具有運行時間長、單位能耗低、維護成本低等優(yōu)勢[6]，應(yīng)用將降低核電廠運維成本、提升核電廠運維水平。并且通過設(shè)計專用的抗安全停堆地震支架，對液晶大屏幕抗震性能進行了鑒定試驗，保證其在安全停堆地震情況下整體結(jié)構(gòu)完整性，通過核能行業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用可達到帶動大屏幕顯示器產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改進和快速發(fā)展的目的。

8 結(jié)論

主控室一體化安全控制盤臺設(shè)計改進方案是核電廠主控室設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，核電廠主控室一體化混合式安全控制盤設(shè)計改進方案優(yōu)化了主控室布置，可節(jié)省25%的盤臺空間和節(jié)約15%主控室空間面積，發(fā)揮盤臺設(shè)備占用空間小、信息集中、事故操作路徑和時間短的特點和優(yōu)勢，減少核電廠建造成本，降低操作員工作負(fù)荷，提升其工作效率，進一步保證了核電廠的安全運行，并可降低操作員人為誤動作的概率，從而降低了非計劃停堆的概率。

隨著“華龍一號”技術(shù)在國內(nèi)的投產(chǎn)應(yīng)用以及中國核能“走出去”的國家戰(zhàn)略部署，主控室一體化安全控制盤臺設(shè)計改進方案在保證滿足高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求核安全法規(guī)的前提下，降低核電廠運行人因失誤風(fēng)險，提升人因效能，促進核電廠安全生產(chǎn)，從而保障國家核安全，并將為2030年碳達峰和2060年碳中和做出關(guān)鍵貢獻。