摘要:針對(duì)在役核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造這一問題,,首先分析了改造所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),,然后闡述了目前DCS 和FCS兩種改造方案,,接著從備件,、老化、系統(tǒng)性能,、系統(tǒng)功能,、系統(tǒng)安全可靠性、運(yùn)行管理,、經(jīng)濟(jì)性,、改造實(shí)施、成熟供貨商等多個(gè)方面進(jìn)行分析和比較,, 最后認(rèn)為后者有著諸多顯著的優(yōu)越性,,應(yīng)該盡快發(fā)展核電站FCS儀控系統(tǒng)。
大亞灣 ,、 嶺澳,、秦山等在役核電站的主要儀控系統(tǒng)采用的是常規(guī)儀表系統(tǒng),其特點(diǎn)是模擬量系統(tǒng)采用以小規(guī)模集成電路運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)的元件來控制,,邏輯量?jī)x表采用繼電器等硬邏輯電路來控制,。此類系統(tǒng)所需的元器件數(shù)量大,運(yùn)行操作管理和維護(hù)工作任務(wù)繁重; 控制系統(tǒng)的性能落后,,隨著儀控設(shè)備的老化和淘汰,、備件減少和故障率的升高,安全性和經(jīng)濟(jì)性明顯降低,,因此,,核電站儀控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造是十分必要的。
1 改造的目標(biāo)
進(jìn)行核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造首先需要明確通過改造所要達(dá)到的目標(biāo),。
1.1 解決備件淘汰和短缺問題
電子技術(shù)的發(fā)展日新月異,,舊的技術(shù)和設(shè)備將很快被淘汰。目前在役核電站中大量采用的如單元組合儀表,、核級(jí)變送器等儀控設(shè)備已經(jīng)被淘汰,,廠家已經(jīng)停產(chǎn),備件短缺成為運(yùn)行維護(hù)過程中日益突出的問題,,過儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造可以在一段較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)徹底解決備件淘汰和短缺問題,,但是改造后的系統(tǒng)在經(jīng)歷了一段時(shí)間后同樣會(huì)面臨備件問題,因此需要在確定改造方案時(shí)就充分考慮今后的備件問題,。造成備件問題的另一個(gè)原因是儀控設(shè)備種類多,, 兼容性差,缺乏統(tǒng)一規(guī)劃,,因此在數(shù)字化改造中需統(tǒng)一規(guī)劃,,提高兼容性,。
1.2 解決儀控設(shè)備老化問題
對(duì)儀控系統(tǒng)來說,系統(tǒng)故障率在設(shè)備壽期內(nèi)遵循由高到低再到高的規(guī)律,。在運(yùn)行初期由于設(shè)備中存在的一些隱藏缺陷以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中未曾考慮周全的小缺陷會(huì)在使用初期暴露出來,,使系統(tǒng)故障率較高,這一過程通常有一,、二年的時(shí)間;經(jīng)過適當(dāng)?shù)木S護(hù)及修正后系統(tǒng)便進(jìn)人一段較長(zhǎng)的相對(duì)平穩(wěn)的低故障率區(qū)(中期),, 這段時(shí)期的長(zhǎng)短與設(shè)備的壽命、質(zhì)量相關(guān),,有幾年至十幾年左右;之后隨著設(shè)備及元器件的老化進(jìn)人其壽命的末期,,故障率又會(huì)逐漸增高,使維修工作量大大增加,,這時(shí)就需要考慮采取系統(tǒng)性的更新,、改造。新的數(shù)字化儀控系統(tǒng)在最初設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引人老化管理,,以應(yīng)對(duì)其今后將會(huì)面臨的老化問題,。
1.3 進(jìn)一步提高儀控系統(tǒng)的性能
經(jīng)過十多年的核電站運(yùn)營(yíng),我國(guó)核電運(yùn)行技術(shù)得到快速發(fā)展,,但目前的儀控系統(tǒng)在部分性能上難以很好地滿足運(yùn)行技術(shù)的要求,,例如數(shù)據(jù)精度、定期在線試驗(yàn),、在線參數(shù)修改,、運(yùn)行優(yōu)化、信息共享等,。隨著測(cè)量,、 電子、計(jì)算機(jī),、軟件,、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)在性能上將比原系統(tǒng)有很大的提高,。
1.4 進(jìn)一步完善儀控系統(tǒng)的功能
數(shù)字化儀控系統(tǒng)除了完成其自身的測(cè)量,、數(shù)采、控制等功能外,,還具備自檢功能,,能完成自我診斷、自我管理,、在線修改,、信息采集等,,為預(yù)防性維修提供了有效手段,。數(shù)字化儀控系統(tǒng)依靠大量數(shù)字化的信息,,能夠有效地實(shí)現(xiàn)電站主體設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)督,、熱力優(yōu)化、機(jī)組性能在線評(píng)估,、機(jī)組經(jīng)濟(jì)性分析等,。
1.5 進(jìn)一步提高核電站的安全性和可靠性
具備高容錯(cuò)性、高冗余度是目前的數(shù)字化儀控系統(tǒng)的一項(xiàng)重要要求,,通過數(shù)字化儀控改造,,進(jìn)一步提高了核電站的安全性和可靠性,。
儀表,、智能開關(guān)、智能執(zhí)行器等;FCS以統(tǒng)一的總線協(xié)議為核心,,所有設(shè)備遵循同樣的總線協(xié)議,,以保證其可互 操作性和開放性;FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場(chǎng)化,以此獲得更多的現(xiàn)場(chǎng)信息,,同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)完成控制任務(wù),。不難看出 ,F(xiàn)CS對(duì)于來自現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)量信號(hào)并沒有新技術(shù)新設(shè)備,,因此FCS仍需要處理開關(guān)量信號(hào)十分成熟和完善的PLC,,PLC可以作為一個(gè)站掛在高速總線上,充分發(fā)揮其在處理開關(guān)量方面的優(yōu)勢(shì),。核電廠BOP系統(tǒng)中,,例如補(bǔ)給水處理車間等,這些車間的工藝過程多以順序控制為主,。PLC對(duì)于順序控制有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),,因此核電站數(shù)字化儀控的另一種方案是FCS+PLC。
2 數(shù)字化儀控方案
目前的數(shù)字化儀控系統(tǒng)主要包括:分散控制系統(tǒng) (DCS),、可編程序控制器(PLC)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)三種,,但能稱為全數(shù)字化儀控系統(tǒng)的只有FCS 一種。
目前在火電站,,DCS主要應(yīng)用于以模擬量控制為主的包括機(jī),、爐、電等在內(nèi)的所謂主系統(tǒng),,PLC主要應(yīng)用于以開關(guān)量控制為主的包括水,、煤、灰等在內(nèi)的所謂輔助系統(tǒng),,F(xiàn)CS應(yīng)用于火電站尚處初級(jí)階段,。Dcs 在火電站的應(yīng)用經(jīng)歷了二三十年,它的設(shè)計(jì)思想,、組態(tài)配置,、功能匹配均已達(dá)較完善的程度,,新型的DCS也具備了很強(qiáng)的順序控制功能,因此DCS已滲透到火電廠控制系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域,。PLC 對(duì)于順序控制有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),,在火電站的應(yīng)用經(jīng)歷了二十多年,已相當(dāng)成熟與完善,,并開發(fā)了模擬量閉環(huán)控制功能,。
借鑒數(shù)字化儀控系統(tǒng)在火電站的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),將DCS和PLC引人核電站儀控系統(tǒng),,作為其數(shù)字化儀控的方案是可行的,。核島、常規(guī)島及部分BOP系統(tǒng)是以模擬量控制為主的,,采用DCS系統(tǒng),,部分BOP系統(tǒng)是以開關(guān)量控制為主的,采用PLC系統(tǒng),。這種DCS十PLC的方案在嶺澳核電站二期新建機(jī)組中正在實(shí)施,。
另一種可選方案是FCS系統(tǒng),即多變量,、多節(jié)點(diǎn),、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量,、單點(diǎn),、并行、模擬系統(tǒng);全數(shù)字化,、智能,、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表,、控制裝置;互聯(lián),、雙向、開放的系統(tǒng)取代單向,、封閉的系統(tǒng);
大量分散的虛擬控制站取代集中的控制站,。FCS以數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置為基礎(chǔ),數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置包括:智能儀表,、智能開關(guān),、智能執(zhí)行器等;
3 改造方案分析
從在役核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造的目標(biāo)出發(fā), 針對(duì)DCS+PLC和FCS+PLC這兩種改造方案進(jìn)行分析和較,。
3.1 基于備件問題和設(shè)備老化問題的分析
在役核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造首先要解決的是備件淘汰和短缺問題,、儀控設(shè)備老化問題。無論采用DCS+pLC方案(以下簡(jiǎn)稱DCS方案),還是采用FCS+PLC方案(以下簡(jiǎn)稱FCS方案)都能解決目前面臨的問題,。 但是儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造不僅僅是要解決目前的備件和老化問題,,而且要充分考慮未來的備件和老化問題。兩種方案進(jìn)行比較,,F(xiàn)CS方案在備件和老化問題方面與 DCS方案相比具有優(yōu)越性:①FCS主要依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備,,不再以控制器為核心,因此可以減少大量控制器方面的備件,。②FCS具有互可操作性與互用性,,前者是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通,,后者是指不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換,,因此備件的選擇范圍比較大,來自某個(gè)生產(chǎn)廠家的某種產(chǎn)品停產(chǎn)的威脅將降低,,相應(yīng)的備件數(shù)量也可以減少,。③FCS所采用的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備具有自我診斷,、自我統(tǒng)計(jì)和自我管理的功能,,這極大地方便了設(shè)備的老化管理。
3.2 基于系統(tǒng)性能的分析
通過儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造可以顯著地提高核電站的系統(tǒng)性能,。DCS方案和FCS方案在技術(shù)性能方面都是可以滿足核電站的要求的,,特別是DCS方案在火電站已是相當(dāng)成熟。FCS方案由于采用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是智能化和數(shù)字化的,,與模擬信號(hào)相比,,從根本上提高了測(cè)量與控制的精確度,減少了傳送誤差,。
3.3 基于系統(tǒng)功能的分析
DCS和 FCS兩種方案都提供了強(qiáng)大的功能,,這些功能很大程度上都是基于數(shù)字化的信息與信息的共享。相比較而言,,由于FCS能從現(xiàn)場(chǎng)獲得更多的信息,,因此在功能上,F(xiàn)CS方案能更全面,、更完善也更容易實(shí)現(xiàn),。
3.4 基于系統(tǒng)安全可靠性的分析
安全可靠是核電站儀控系統(tǒng)追求的目標(biāo),儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造的目標(biāo)之一就是進(jìn)一步提高核電站的安全性和可靠性,。比較DCS和FCS兩種方案,,在安全可靠性方面,F(xiàn)CS有著DCS無法比擬的優(yōu)越性:
?、?FC S簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng),,減少了故障環(huán)節(jié)。第一,F(xiàn)CS廢棄了DCS的很大一部分的輸人/輸出(FO) 單元和控制站,,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),。第二,F(xiàn)CS的信號(hào)傳輸是全數(shù)字化的,,這樣一方面免去了像DCS那樣需要進(jìn)行的數(shù)字/模擬(D/A)和模擬/數(shù)字(刀D) 轉(zhuǎn)換,,從而減少了數(shù)據(jù)傳輸中的環(huán)節(jié),減少故障率;另一方面,, 數(shù)字化的傳輸減少了干擾和數(shù)據(jù)誤差,,從而減少了由此引起的事故。第三,,F(xiàn)CS可以大幅度減少電纜,,從而減少了由電纜引起的故障。第四,,一臺(tái)智能化的多變量的變送器可以同時(shí)測(cè)量壓力,、溫度和流量等多種變量,從而可以減少系統(tǒng)中儀表的數(shù)量,,相應(yīng)地減少了由此引起的故障,。
② 預(yù)測(cè)將要出現(xiàn)的故障,,進(jìn)行前瞻性維護(hù),,減少系統(tǒng)故障。利用總線技術(shù)和智能儀表的自診斷,,可以連續(xù)監(jiān)視因磨損,、受力、極端的環(huán)境條件和運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)等原因出現(xiàn)的 “先導(dǎo)性指示”,,在不需要人工收集和輸人數(shù)據(jù)的情況下,,預(yù)測(cè)將要出現(xiàn)的故障,通過及時(shí)更換的方式避免故障的發(fā)生,。而連續(xù)監(jiān)視的工作都是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的,,不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)增加負(fù)擔(dān)。
?、?進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視,,隨時(shí)排查故障??梢猿浞掷矛F(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)設(shè)備,、儀表進(jìn)行健康狀況的連續(xù)監(jiān)視,一旦出現(xiàn)故障,,可以立即被排查出來,,并確切地掌握故障點(diǎn),,從而縮短了排查故障的時(shí)間。
?、?FC S 的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有互可操作性和互用性,,不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備既可互聯(lián)也可互換,并可以統(tǒng)一組態(tài),。這就意味著,,一旦現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障,能夠很快地找到可以更換的設(shè)備,,并且可以即換即用,,大大縮短了故障處理的時(shí)間。
3.5 基于運(yùn)行管理的分析
核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)可以為核電站提供完整實(shí)時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù),,在此基礎(chǔ)上能很大程度地提高核電站運(yùn)行管理水平,。首先能提高運(yùn)行人員對(duì)電站各設(shè)備的掌控能力,其次運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)為安全分析,、可靠性分析,、熱力經(jīng)濟(jì)性分析等提供了準(zhǔn)確、必要的信息,。對(duì)于FCS方案來說,,預(yù)防性維修、在線試驗(yàn),、在線組態(tài)等運(yùn)行管理方面的技術(shù)措施都更容易實(shí)現(xiàn),。可以說,,F(xiàn)CS帶給核電站運(yùn)行管理的是一場(chǎng)變革。
3.6 基于經(jīng)濟(jì)性的分析
核電站儀控?cái)?shù)字化改造是一項(xiàng)大工程,,不可避免地需要討論經(jīng)濟(jì)性,。比較兩種方案,F(xiàn)CS 方案在經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢(shì):①由于FCS采用多功能的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備,,能直接執(zhí)行多種檢測(cè),、報(bào)警、計(jì)算和驅(qū)動(dòng)等任務(wù),, 因此可以減少變送器的數(shù)量,,不再需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器、 計(jì)算單元等,,也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)處理單元,,
從而可以節(jié)省硬件數(shù)量和投資;②FCS依靠現(xiàn)場(chǎng)總線連接設(shè)備,因而電纜,、端子,、槽盒、橋架的用量大大減少,節(jié)省了這方面的投資,,同時(shí)也減少了這方面的設(shè)計(jì),、安裝、調(diào)試的工作量及相應(yīng)費(fèi)用;③由于FCS的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有自診斷和簡(jiǎn)單故障處理的能力,,并將診斷維護(hù)信息送往控制室,,以便早期分析故障原因并快速排除,縮短了維護(hù)停工時(shí)間,,同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,, 也減少了維護(hù)工作量,因而能節(jié)省維護(hù)開銷圖,。
3.7 基于改造實(shí)施的分析
對(duì)在役核電站進(jìn)行改造,,尤其是涉及全廠的儀控系統(tǒng)的改造,不可避免地會(huì)影響到正常生產(chǎn),,如何將這種影響降到最低的可接受的程度是確定改造方案的一項(xiàng)重要指標(biāo),。儀控?cái)?shù)字化改造可以分為一次性全面改造和分步實(shí)施兩種方式:一次性改造的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行維修可實(shí)現(xiàn)一次性切換,不存在新舊設(shè)備間的接口,,缺點(diǎn)是一次性投人費(fèi)用高,,施工時(shí)間長(zhǎng)影響機(jī)組的發(fā)電量; 分步實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用可分步投人,施工可根據(jù)正常大修工期進(jìn)行安排,,對(duì)正常發(fā)電無明顯影響,, 缺點(diǎn)是從改造開始到最終完成期間新老設(shè)備共存,改造設(shè)計(jì)和施工中必須考慮大量的接口問題,。
DCS是個(gè)整體系統(tǒng),,其控制器功能強(qiáng)而且在系統(tǒng)中的作用十分重要,數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關(guān)鍵,,所以,,必須整體投資一步到位,事后的擴(kuò)容難度較大,。而FCS功能下放較徹底,,信息處理現(xiàn)場(chǎng)化,數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置的廣泛采用,,使得控制器的功能與重要性相對(duì)減弱,,因此,F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點(diǎn)低,,可以邊用,、邊擴(kuò)、邊投 運(yùn),。如果采用DCS方案,,則比較合適的是采用一次性全面改造的方式;而如果采用FCS方案,,則一次性全面改造和分步實(shí)施兩種方式都可采用。
DC 系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng),,各公司產(chǎn)品基本不兼容,。 而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng),用戶可以選擇不同廠商,、不同品牌的各種設(shè)備連人現(xiàn)場(chǎng)總線,,達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成。采用FCS方案的話,,用戶將具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán),,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況極其復(fù)雜的改造項(xiàng)目來說,這一點(diǎn)顯得尤其重要,。3.8 基于成熟供貨商的分析核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)目前比較成熟的主要包括:FRAMATOME一ANP的TXS/TXP,、WESTINGHOUSE的 OVATION/COMMON一Q,A巧TOM的A岱pA珍20,、DS&5的SPINlNE一等,,這些都是基于DCS技術(shù)的。
基于FCS技術(shù)的成熟的核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)目前還沒有,。由于FCS是一項(xiàng)新技術(shù)新系統(tǒng),,考慮到核電的特殊性及其在國(guó)際上的發(fā)展情況,暫時(shí)缺乏成熟應(yīng)用是必然的,,也是FCS方案的最大缺陷,。但是,在石化,、化工等行業(yè),,F(xiàn)CS的大規(guī)模應(yīng)用并不少見,例如國(guó)內(nèi)的上海賽科項(xiàng)目,、安徽海螺項(xiàng)目等,。在火電站,F(xiàn)cs 也逐漸開始規(guī)?;瘧?yīng)用。在今天倡導(dǎo)核電自主化設(shè)計(jì),、自主技術(shù)的形式下,,在國(guó)內(nèi)率先開發(fā)和應(yīng)用核電站FCS儀控系統(tǒng)是一個(gè)可行的發(fā)展方向。
4 結(jié)束語
核電站儀控?cái)?shù)字化改造可以選擇Dcs方案或Fcs方案,,前者有國(guó)外的成熟供貨商和成熟產(chǎn)品,,后者有著諸多顯著的優(yōu)越性,但需要結(jié)合核電站的要求和其它行業(yè)的成熟應(yīng)用成果進(jìn)行研究和開發(fā),。盡快進(jìn)行核電站FCS儀控系統(tǒng)的研究和開發(fā),,是核電站儀控技術(shù)發(fā)展和數(shù)字化改造的要求,,也是我國(guó)核電自主化發(fā)展的要求。
參考文獻(xiàn)
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