小型模塊堆促進(jìn)核電自動(dòng)化發(fā)展

新一代小型模塊堆（SMR）正在鼓勵(lì)供應(yīng)商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)考慮新的數(shù)字儀控（I&C）設(shè)計(jì)。盡管儀控技術(shù)在核電站的總資本投資中占比相對(duì)較小，但儀控在核電站的安全性、可靠性和高效運(yùn)行方面發(fā)揮著巨大作用。

1、SMR中的儀控應(yīng)用

認(rèn)識(shí)到儀控技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)，美國(guó)核管理委員會(huì)（NRC）和其他監(jiān)管機(jī)構(gòu)開(kāi)始重視核設(shè)施中的數(shù)字儀控技術(shù)。目前正在開(kāi)發(fā)的新一代SMR尤其適合采用新的數(shù)字儀控技術(shù)解決方案。相比于全規(guī)模核電站，SMR的成本、選址和安全方面具有更多優(yōu)勢(shì)，但缺乏一定的規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。在操作和維護(hù)（O&M）職能部門(mén)的人員配備方面尤其如此。

SMR設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)主要為，在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)減少人為干預(yù)。新的數(shù)字自動(dòng)化技術(shù)仍有大量機(jī)會(huì)來(lái)改善SMR性能、降低運(yùn)維成本，并進(jìn)一步提高整體安全性。Moltex Energy的首席核能主管蓋伊·安德森（Guy Anderson）強(qiáng)調(diào)，只要有可能，該公司的方法就是利用固有的設(shè)計(jì)特征來(lái)提供大多數(shù)控制和安全功能。

Moltex Energy正在開(kāi)發(fā)加拿大300 MWe的穩(wěn)定鹽反應(yīng)堆廢氣燃燒器（SSR-W）SMR。他認(rèn)為，盡管仍然需要儀器，但將主要用于支持操作員的監(jiān)控和顯示功能。

GE-日立的喬恩·艾倫（Jon Allen）表示，該公司的BWRX-300 SMR，“與現(xiàn)有的LWR（輕水反應(yīng)堆）機(jī)組相比，對(duì)運(yùn)營(yíng)商的要求有限。因?yàn)樗且环N自然循環(huán)的BWR（沸水反應(yīng)堆），帶有被動(dòng)安全系統(tǒng)，在（發(fā)生事故）不采取措施的情況下，至少能提供七天的應(yīng)對(duì)時(shí)間”。

NuScale Power（紐斯凱爾能源公司）的營(yíng)銷和通信副總裁戴安·休斯（Diane Hughes）評(píng)論說(shuō)：“NuScale Power模塊設(shè)計(jì)非常安全，操作簡(jiǎn)單，無(wú)需操作員操作，也無(wú)需復(fù)雜的自動(dòng)化程序來(lái)確保安全。”

Holtec的SMR-160還設(shè)計(jì)在發(fā)生事故時(shí)將操作負(fù)載降至最低。反應(yīng)堆是被動(dòng)冷卻的，用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)關(guān)閉。在事故情況下，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)通過(guò)熱虹吸作用繼續(xù)循環(huán)。核服務(wù)和技術(shù)供應(yīng)商法馬通儀控集團(tuán)的巴耶恩·拉菲（Bayen Rafeh）表示，SMR的正常運(yùn)行將需要更少的人為干預(yù)，組件和架構(gòu)的簡(jiǎn)化和集成也意味著需要實(shí)現(xiàn)更少的功能，從而減少對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的需求。

2、SMR自動(dòng)化趨勢(shì)

由于SMR固有的簡(jiǎn)化性，供應(yīng)商設(shè)想，新的自動(dòng)化和信息技術(shù)將被用來(lái)減少操作員的基本過(guò)程控制負(fù)擔(dān)，而不是提供監(jiān)控功能，以增強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知，并支持多模塊規(guī)劃和調(diào)度功能。

據(jù)Holtec電氣和儀控集團(tuán)的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人帕特里克·埃斯納（Patrick Essner）說(shuō)，“多個(gè)電廠負(fù)荷給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

使用新技術(shù)肯定是有機(jī)會(huì)的。Holtec將使用已批準(zhǔn)用于核服務(wù)的最新可用技術(shù)。”該公司最新設(shè)計(jì)是GE日立的BWRX-300的儀控和人機(jī)界面（HMI）。

艾倫表示，“當(dāng)前的保護(hù)、控制和監(jiān)控及其相關(guān)的HMI設(shè)計(jì)方法，將按照經(jīng)驗(yàn)證的指導(dǎo)原則和實(shí)踐來(lái)使用。HMI優(yōu)化確保操作人員能夠抓住重點(diǎn)。”

3、反應(yīng)堆模塊的集中控制

NuScale的控制室模擬器由12個(gè)反應(yīng)堆控制終端和操作員工作站組成。

為了減少操作人員，通過(guò)更少的操作員在一個(gè)SMR設(shè)施內(nèi)同時(shí)監(jiān)測(cè)和控制多個(gè)SMR，大多數(shù)將配備中央控制室。

NuScale Power公司正在開(kāi)發(fā)77 MWe的NuScale功率模塊，該公司的休斯評(píng)論道，“美國(guó)的大多數(shù)核電站由單反應(yīng)堆或雙反應(yīng)堆組成，目前的法規(guī)將一個(gè)控制室控制的反應(yīng)堆數(shù)量限制為兩個(gè)。”

“SMR控制室很可能是全數(shù)字的，并改變目前模擬核電站控制室中存在的運(yùn)行模式。……NuScale開(kāi)發(fā)已獲得NRC批準(zhǔn)，允許在一個(gè)控制室中操作多達(dá)12個(gè)NuScale電源模塊。”Holtec的埃斯納表示，“我們的總體目標(biāo)是使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、安全。”

為此，整個(gè)工廠將有一個(gè)單一的操作界面?？傮w控制理念是集中控制室，以簡(jiǎn)化操作，提高操作員的效率。安全系統(tǒng)和非安全系統(tǒng)是分開(kāi)的，但可以相互通信以簡(jiǎn)化操作。“控制系統(tǒng)基本上是一個(gè)帶有遠(yuǎn)程I/O[輸入輸出]柜的集中控制器和控制室。”他補(bǔ)充說(shuō)，核電站規(guī)模相對(duì)較小，這意味著布線要求比全尺寸核電站簡(jiǎn)單得多。

法馬通設(shè)想，多模塊SMR工廠可以共享一個(gè)主控制室，但在設(shè)計(jì)的早期階段將需要大量的人為因素工程和模擬。

4、工廠安裝的儀表

由于SMR概念要求，反應(yīng)堆和其他模塊在工廠制造，然后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行最終組裝，因此產(chǎn)生的問(wèn)題是，是否大部分儀表和相關(guān)電纜也將在工廠安裝和驗(yàn)證。

休斯表示，與保護(hù)和控制過(guò)程相關(guān)的NuScale電源模塊的儀表，將在工廠制造和組裝期間盡可能嵌入，用于電廠平衡的儀控部件將在電廠施工活動(dòng)期間安裝。Holtec的埃斯納表示，“模塊化的目標(biāo)是簡(jiǎn)化工廠建設(shè)。這包括在合理的情況下利用工廠安裝的儀器。”GE日立和Moltex還計(jì)劃在工廠安裝至少一些儀器。

5、商用安全和非安全系統(tǒng)

按照核監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求，SMR設(shè)施將繼續(xù)使用完全不同且基本獨(dú)立的系統(tǒng)，以適用于安全和非安全電廠應(yīng)用。

雖然其中許多系統(tǒng)將基于成熟的商用平臺(tái)，但其他系統(tǒng)將使用定制開(kāi)發(fā)的解決方案。NuScale的安全保護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)，主要基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）技術(shù)。

該系統(tǒng)采用專利移除電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。非安全控制系統(tǒng)的供應(yīng)商，NuScale將在未來(lái)幾個(gè)月公布，將利用NuScale在開(kāi)發(fā)電廠控制室模擬器時(shí)進(jìn)行的廣泛設(shè)計(jì)和測(cè)試。

Holtec已與日本三菱電機(jī)合作，將該公司的MELTAC Nplus數(shù)字安全控制器用于安全控制，將MELTAC-RX系統(tǒng)用于非安全控制。這些系統(tǒng)已在日本獲得認(rèn)證，并被美國(guó)NRC接受用于數(shù)字安全系統(tǒng)。

GE日立正在采取以國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）為中心的方法，提供“一種清晰、明確、合理的安全戰(zhàn)略方法，具有確定性和基于風(fēng)險(xiǎn)的防線”。

該公司認(rèn)為，該框架支持現(xiàn)代數(shù)字儀控解決方案的實(shí)施，因?yàn)楹吮O(jiān)管機(jī)構(gòu)和其他利益相關(guān)者更容易理解體系結(jié)構(gòu)和風(fēng)險(xiǎn)。安全等級(jí)2和3以及非安全儀控系統(tǒng)中的控制裝置，將為商用硬件和軟件。安全等級(jí)1將是商用和專有系統(tǒng)的混合。

Moltex的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是，控制和監(jiān)控系統(tǒng)，將采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)。然而，任何保護(hù)設(shè)備都可能是硬接線的。Moltex正在與幾家公司討論，以確定它們是否適合作為首選儀器和部件供應(yīng)商。

法馬通的模塊化、商用數(shù)字安全平臺(tái)Teleperm XS Compact專為小型分散的一級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，適用于SMR應(yīng)用。據(jù)該公司稱，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了資格認(rèn)證。該公司還提供其強(qiáng)硬的非編程安全平臺(tái)和中子儀器系統(tǒng)。

6、模擬技術(shù)應(yīng)用

雖然幾十年來(lái)，模擬技術(shù)在核電行業(yè)以某種方式得到了應(yīng)用，但對(duì)于SMR來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)似乎正在走向成熟。包括使用高保真模擬器來(lái)支持監(jiān)管機(jī)構(gòu)的驗(yàn)收，以及前期工程和設(shè)計(jì)、優(yōu)化和持續(xù)運(yùn)行與維護(hù)。例如，NuScale已經(jīng)建立了一個(gè)控制室模擬器，該公司用它來(lái)測(cè)試和證明新的數(shù)字接口對(duì)電廠運(yùn)行是安全有效的。Holtec將使用模擬器在工廠對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)驗(yàn)證。法馬通的子公司CORYS已經(jīng)為電力和其他行業(yè)提供培訓(xùn)和工程模擬器超過(guò)30年。

7、遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷

由于許多SMR設(shè)施可能建在偏遠(yuǎn)地區(qū)，且現(xiàn)場(chǎng)資源有限，一旦克服了相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)安全和監(jiān)管障礙，遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷功能似乎非常適合。

NuScale的休斯表示，“分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能都可以用來(lái)優(yōu)化預(yù)測(cè)性維護(hù)模型，以最大限度地提高可靠性，最大限度地減少成本和停機(jī)時(shí)間。”NuScale的服務(wù)交付計(jì)劃還將能夠?yàn)樗锌蛻舨僮骱途S護(hù)數(shù)據(jù)提供一個(gè)中央存儲(chǔ)庫(kù)，使該公司能夠在其未來(lái)的工廠群中微調(diào)預(yù)測(cè)性維護(hù)計(jì)劃。

GE 日立的艾倫表示：“先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于獲取、組織和歸檔電廠過(guò)程數(shù)據(jù)及其下游分析應(yīng)用程序，對(duì)于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)和預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案至關(guān)重要。”GE日立還致力于將所需的儀器納入其設(shè)計(jì)，并解決網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，以便能夠利用GE在多個(gè)行業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)方面的現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)。

8、更多的創(chuàng)新即將到來(lái)

SMR可以在向可再生、無(wú)碳發(fā)電的過(guò)渡中發(fā)揮重要作用，它們代表了核電行業(yè)一種新的、可能更可持續(xù)的模式。然而，從基礎(chǔ)儀控到人機(jī)界面、監(jiān)控和電廠優(yōu)化，似乎在多個(gè)層面仍有很大的技術(shù)創(chuàng)新空間。假設(shè)相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)成功簡(jiǎn)化了技術(shù)審查和批準(zhǔn)流程，我們很可能很快就會(huì)看到儀控/自動(dòng)化領(lǐng)域出現(xiàn)更多創(chuàng)新。