全数字核电仪控系统及其国产化进展

　　摘要：核电发展经历了第一代、第二代、第三代核机组，第四代核电机组正在研发阶段，其商业化应用预计在2030年左右。作为其运行操作和监控的中枢神经——核电站仪表和控制系统，也经历了模拟量组合单元仪表为主的二代控制系统、模拟加数字二代半（加）仪控系统、三代全数字化仪控系统，核电站运行的安全性、可靠性、可用性以及经济性进一步提高。国际原子能机构法规及国家核安全法规已明确规定新一代核电站采用数字化仪控技术。我国核电站用高端核级仪表和控制系统等绝大部分使用进口产品，受国外几大厂商垄断限制。为打破垄断，我国科研院所和企业界加大了研发投入力度，在引进核电最新AP1000机组过程中加大消化吸收创新力度，仪控系统国产化率和自主知识产权方面取得了显著进展，已形成CAP1400自主知识产权，CAP1700正在预研。仪控系统国产化率的提高必将促进核电事业的大发展。
　　关键词：全数字，核电，仪控系统，国产化，第三代，AP1000
　　
　　一、核电机组发展历程
　　核电站的开发与建设始于上世纪50年代。1954年，前苏联建成电功率为五千千瓦的实验性核电站；1957年，美国建成电功率为九万千瓦的希平港原型核电站;这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性和原型核电机组称为第一代核电机组。
　　上世纪60年代后期，在试验性和原型核电机组基础上，陆续建成电功率在30万千瓦以上的压水堆、沸水堆、重水堆等核电机组，进一步证明核能发电技术可行性和经济性:可与火电、水电相竞争。上世纪70年代，因石油涨价引发的能源危机促进了核电的发展，目前世界上商业运行的四百多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的，称为第二代核电机组。
　　1979年和1986年分别发生在三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故，使核电发展进入低潮，社会公众增大了对核电安全性的顾虑，电业投资者也放慢了投资步伐。上世纪80年代，美国继续进行发展核电事业的可行性研究。美国能源部和电力研究院的研究结果认为：以已有的核电经验和技术水平为基础，美国能够设计出新一代核电机组，其安全性能为社会公众和电力投资者所认可，其经济性具备参与市场竞争的能力。进而美国电力研究院于90年代出台了“先进轻水堆用户要求”文件，即URD文件（UtilityReguirementsDocument），用一系列定量指标来规范核电站的安全性和经济性。欧洲出台的“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”，即EUR（EuropeanUtilityRequirements）文件，也表达了与URD文件相同或相似的看法。国际原子能机构也对其推荐的核安全法规（NUSS系列）进行了修订补充，进一步明确了防范与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组。
　　与此同时，为了从更长远的核能的可持续性发展着想，以美国为首一些工业发达国家已经联合起来组成“第四代国际核能论坛”（Generation4InternationalNuclearEnergyForum,简称GIF），进行第四代核能利用系统的研究和开发。第四代是指安全性和经济性都更加优越，废物量极少，无需厂外应急，并具有防核扩散能力的核能利用系统，它的商用化估计要到2030年左右方能实现。
　　二、全数字化仪控系统是第三代核电机组的一个重要特点
　　核电站仪表和控制系统(简称仪控系统)包括保护系统、控制系统、安全停堆系统以及保障系统等辅助系统所需的仪表和控制设备。仪控系统是核电站运行操作与监控的中枢神经，是确保核电站安全可靠运行的重要装备，机组的安全可靠、经济运行已经在很大程度上取决于仪控系统的性能水平。目前，核电站的仪控系统可以分为三种类型。
　　第一种是所谓的二代仪控技术，是以模拟量组合单元仪表为主的控制系统。如秦山一期核电站主控制系统所使用的FOXBORO公司的SPEC200组装仪表、大亚湾核电站主控制系统采用的Baily9020系统，这些模拟量仪表采用小规模集成电路和运算放大器，逻辑量仪表则采用常规继电器等硬逻辑电路来控制。
　　第二种是所谓的二代加或二代半仪控技术，即模拟加数字的仪控技术。我国目前在建的核电站大多是二代半的技术，如岭澳核电站、秦山二期翻板核电站等，这些项目都采用常规仪表加分散控制系统（DCS）的方式，结合了冗余技术、网络通信技术、自诊断技术、容错技术、数据库技术等先进的数字化网络化技术，提高了系统的可用性。
　　第三种就是在第三代核电站里使用的全数字化技术，就是现在AP1000和EPR使用的全数字化仪控技术。第三代核电机组的设计原则，是在采用第二代核电机组已积累的技术储备和运行经验的基础上，针对其不足之处，进一步采用经过开发验证是可行的新技术，以显著改善其安全性和经济性，满足URD文件或EUR文件和IAEA法规第二版的要求。在国际上，目前已比较成熟的第三代核电压水堆有AP-1000、ERP和System80+三个型号，System80+虽已经美国NRC批准，但美国已放弃不用。国外近年来新建成投产的核电机组，如法国的N4、英国的Sizewell、捷克的Temelin、日本的ABWR均采用了数字化仪控系统。早期核动力厂的仪表和控制系统设备所采用的技术存在可靠性问题。发现的典型故障模式有：继电器触点氧化，导线和终端绝缘性能差。运行经验表明，仪表和控制系统的故障率相当高。如果不在维修方面作出巨大努力，这类仪表和控制系统会对安全造成严重影响。与模拟控制技术相比，数字化控制技术具有明显的先进性及优势。数字化技术的应用将有利于改善核电厂的安全状况及稳定运行水平，降低设备的维修成本。经验证明，采用数字化仪表控制系统可显著提高可靠性，改善人因工程，避免误操作，核电站仪控系统采用数字化技术是核电仪控技术发展的必然。为了提高核电站运行的安全性、可靠性、可用性以及经济性，国际原子能机构法规及国家核安全法规已经明确规定新一代核电站采用数字化仪控技术。世界各国核电设计和机组供应商提出的第三代核电机组无一例外地均采用整体数字化仪表控制系统，并且进一步向智能化方向发展。我国10MW高温气冷试验堆和田湾核电站均已采用整体数字化控制系统，已经投运的田湾核电站使用了西门子的成套数字化系统，自动化程度达到94%。而国内在役的采用模拟或模拟加数字的仪控技术核电站，也将面临仪控系统的数字化改造问题。

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