AP1000電廠中實施了哪些重大創新?

來源:西屋核能

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關鍵詞:AP1000 西屋電氣 核電

    本文為《核電廠期刊》編輯Newal Agnihotri的電話采訪。本文轉載自“西屋核能”撰文:盧卡·奧瑞尼 西屋電氣公司


    Luca Oriani:


    作為西屋電氣公司的電廠工程和許可副總裁,Luca Oriani博士負有西屋電廠的設計工程運行責任,其中包括對中國和美國所有正在進行的AP1000?項目的設計和工程的監督,以及AP1000核電廠的設計權限責任。


    Oriani博士在西屋工作的17年間,從出任新電廠研發設計工程師開始,擔任過各種領導職務。他曾致力于先進核安全分析方法的開發和國際許可,并在任現職之前,領導了AP1000電廠流體系統和管道的設計工作。


    Oriani博士擁有一項專利,并就非能動核電廠及其安全分析的主題發表了40多篇技術論文。他還是經認證的一類客戶領導者,并獲得六西格瑪和精益流程設計的黑帶。


    Oriani博士擁有意大利米蘭理工學院的核工程博士學位。


    第三代+核電廠


    1、什么造就了AP1000 成為一項特殊設計?


    上個世紀80年代,我們已經開始開發AP1000?核電廠,這遠遠在我工作之前:西屋數十年核技術的開發正是AP1000設計的基礎。你看看當前幾代核電廠,他們的技術都是強大、安全和可靠的。這些電廠提供安全和清潔的電力,并把對環境的影響最小化。


    AP1000電廠的研發是民用核技術發展中的重要一步。 AP1000電廠的關鍵特征是采用諸如重力和通過傳導、對流和輻射進行和熱傳遞的非能動安全方法,代替用交流電源作為動力的復雜冗余安全系統。


    當前這一代核電站的根本特點之一是依靠交流電,使電廠處于安全狀態并消除余熱。在設計AP1000電廠時,我們希望在更簡單和更穩健的設計范圍之內,開發一種解決方案,不僅可以簡化電廠設計,還可以提供一種具備減輕潛在災難性環境事件(地震、颶風、海嘯等)能力的設計。這一概念就是AP1000電廠的核心設計理念。AP1000電廠不需要交流電源來實現安全停堆,也不需要在延長時間內建立和維護安全停堆模式,同時帶走核燃料產生的衰變熱。一旦不依賴交流電源,則可解決需要交流電源來帶走衰變熱的悖論。AP1000電廠的設計是不需要交流電源的,只需要物理定律和直流電池、壓縮氣體和重力的儲存能量來帶走衰變熱,這就是實現簡單性和穩健性的原因所在。


    此外,AP1000電廠是基于自開始運行起工作壽命60+多年的設計,并設計為更強的電網適應性,可以更好地適應具有各種不同發電源的現代電網。例如,AP1000電廠設計為在100%電網甩負荷后繼續運行 - 一旦故障被清除,AP1000電廠能夠快速為提供電力支持電網。而目前各核電站會因電網故障而跳閘,并且在事件發生后數小時內無法提供電網支持。


    2、請描述AP1000數據分析的應用。


    總的來說,數據分析一直是整個核工業致力發展的領域,也是西屋投資的重點之一,并且是在多個不同領域處于最前沿的投資項目。具體來說,我們開發了用于分析諸如泵、電機、熱交換器等組件數據的工具,以優化其維護活動。


    我認為AP1000電廠中關于數據分析的一個關鍵方面是,我們設計的AP1000電廠的儀表和控制系統以及電廠基礎設施,與在運核電廠數據分析的成熟度是并行的。與在運電廠相比,AP1000電廠有一個主要的優勢,大部分在運電廠在獲取額外的組件數據,以執行必要的分析方面都存在著挑戰;而AP1000則能夠在電廠儀表和控制系統及電廠基礎設施中開發AP1000電廠數據分析。我們能夠利用現代信息技術確保我們擁有收集大量數據的嵌入式功能,而這些數據可在現代數據分析中使用。


    另一個關鍵方面是電廠設計將數據集成到電廠3D模型中。電廠信息和控制系統技術使業主能夠有效地收集和傳播所有可操作的信息至運行和維護人員的手中。 AP1000電廠不僅增加了額外的傳感器功能,而且還增加了基礎設施,以便在正確的時間將正確的數據分發到正確的位置。


    3、現有電廠的數據可用嗎?是否可以外推用于AP1000?


    是的。AP1000電廠的絕大多數組件都依賴于數十年的經驗。例如,AP1000電廠蒸汽發生器的設計概念與我們在眾多電廠不同應用中蒸汽發生器使用的設計概念相同。反應堆燃料、反應堆容器、堆內部構件、疲勞監測系統、管道等,所有這些基本組件 - 與我們在役電廠中部署的最現代化設計相似(如果不相同的話)。只有數量有限的首創組件,通過廣泛的測試程序,我們為這些組件開發出適當的數據。


    AP1000電廠的另一個優勢是按照適用于所有AP1000機組的標準方法分層次地組織信息。這種方法將使世界上不同AP1000電廠的不同運營商更方便地共享信息,也更便于西屋公司開發具有各電廠適用性的解決方案和選項。例如,如果了解安全殼內的核島管道設計,就會發現中國的AP1000機組和美國的Vogtle機組之間的差別很小。其數據、文檔、標簽ID號,所有內容完全相同,便于共享信息。我們之所以這樣做的原因之一就是當我們考慮將新電廠系列推向市場時,我們希望將我們與電廠所有者之間創建和累積可分享的數據和經驗教訓最大化。


    4、福島后改進項有哪些?


    自設計開始以來,AP1000電廠安全概念的主要目標之一是最大限度地提高電廠應對所謂的極端環境事件的能力。當我們處于設計的早期階段時,我們考慮的一個關鍵事件是1992年的安德魯颶風。我們還考慮了那些可能嚴重損害電廠周圍整個基礎設施的災難性自然事件,這些所指的是可達性、電力、供水等。為了解決這個問題,先進的核電站設計應該是可以自給自足和盡可能自主的電廠,至少在三天內無需任何動力或場外干預, 甚至在這三天之后只需要極少的支持。在福島核事故之后,以及之后的《多元化且靈活的應對能力戰略》(FLEX)核管會(NRC)法規中,對AP1000電廠沒有進行任何重大修改,因為這些概念已經嵌入到AP1000的設計中。實際上,部分FLEX要求是通過NRC在90年代對非能動核電廠設計進行審查得出的結果并進行了充實和完善。AP1000電廠的獨特之處是在于其設計的全電廠斷電是作為一個設計基準事件,而不是作為超設計基準事件。


    在失去交流電源的情況下,即使假設遇到災難性事件,不僅失去電網連接,而且失去備用連接的以及所有現場備用的柴油發電機系統,正如我之前所說,AP1000反應堆也可自行停堆,并且電廠處于安全狀態,可以在沒有任何干預或任何交流電源的情況下維持至少72小時。即使在三天之后,與上一代電廠的主要區別在于,AP1000電廠的設計僅需要大約28 kW的功率即可用于長期支持,而相當規模的核電廠則需要幾百kW。我們認為將電力需求降低到非常小這一點非常重要,原因是一旦電力需求減少,那么只需要有非常小的輔助柴油發電機即可。如果失去了進入現場的所有途徑,甚至可以用直升機運輸這些發電機。他們很容易從現有的緊急事件基礎設施中獲取。


    5、就設備和儀器而言,哪些主要系統與安全相關?


    鑒于在篇幅限制,我們無法討論每項電廠安全功能,我可以介紹其中的一部分。首先是擁有I&C - 儀表和控制安全系統。安全I&C系統是數字保護和監控系統(PMS),該系統是圍繞著一個四取二安全驅動邏輯構建的。該數字系統可在電廠中提供所有與安全相關的控制。AP1000電廠還有一個稱為多樣化驅動系統(DAS)的備用縱深防御硬接線系統,包括特定功能,即使是在假定數字系統故障的情況下,可以作出關鍵安全響應。當你注意到主要流體系統時,會看到一個非能動堆芯冷卻系統或PXS,其設計用于安全地從反應堆堆芯去除衰變熱,并包括自動地非能動減壓和水補充功能。我們還有非能動安全殼冷卻系統,該系統可以從安全殼中移除熱量,并確保無限制地運行非能動堆芯冷卻系統的能力,而無需任何水注入進安全殼。


    另一個關鍵的非能動系統是主控制室可居留系統:我們的主控制室設計為使用儲存的空氣和直流電池,即使出現多個事件導致長時間的全廠斷電,也可以在沒有電力的情況下保持可居留性。當然,我們還有乏燃料冷卻系統,這是另一個完全非能動安全系統,可為乏燃料池提供有效的長期冷卻。安全系統內實質上重要的主要類別包括:I&C安全系統、堆芯冷卻、乏燃料池冷卻、安全殼冷卻系統、及主控制室可居留系統。


    需要了解的一個重要方面是AP1000電廠還擁有兩臺優質、高可靠性的現場柴油發電機,可提供縱深防御支持正常的電廠運行,并在交流電源斷電時對大多數事件提供正常響應,即使在場內場外所有交流電源失去的情況下,其所具備的非能動安全系統仍可為電廠提供獨特的事件管理的能力。


    6、AP1000控制部分是否更加用戶友好?


    答案是肯定的,比當前的核電站是更加用戶友好的,因為現代控制系統考慮了一定程度的人機界面,這在20世紀70年代或更早設計的前幾代核電站中是無法實現的。實現改進人機界面主要得益于非能動系統和數字控制系統之間的卓越協同作用。當設計控件時,我們希望開發出一種對在專業化和個人環境中伴隨數字技術成長的一代人來說更自然的系統。主控制室主要設計為軟接口工作環境 - 帶有顯示器和軟操控制,允許操縱員主要通過與平板監視器互動來控制電廠。相比之下,典型的在運核電廠控制室中大約有1000到1400個不同的傳統控制開關。而AP1000電廠主控制室只有大約70個控制開關,僅僅用于關鍵安全功能。其他一切均為現代化工作環境,通過基于計算機的軟操控制裝置來控制電廠運行。


    我最感興趣的是計算機化規程系統(CPS)的工作原理。在AP1000電廠和西屋電氣的數字架構中,CPS實際上嵌入在整個I&C架構中,有效地成為運營商可能使用的一個有關潛在事件、問題及響應方法的概要。它不僅僅是計算機上的文件,實際上也遠非各程序的靜態文檔。CPS要發揮的作用是將程序與電廠的I&C架構集成在一起。在程序進行每個步驟時,CPS均要評估電廠狀態,提供轉換到下一個適當程序的建議,執行必要的并行信息,提醒操縱員采取要求的操作,并將程序的每個步驟鏈接到適當的軟顯示和相關的軟控制器。這樣的設計實際是給操縱員提供在線信息和幫助。


    7、從AP1000獲得了哪些經過修改,可用于現有的電廠的經驗教訓?


    先進數字控制系統,包括網絡安全相關事項,是現有電廠數字化升級的實例。部分AP1000電廠針對極端事件的應對和減緩策略已經為西屋開發的用于支持在運電廠“多元化靈活應對策略”(FLEX)要求的關鍵產品和服務,提供了信息并豐富了其內容。


    另一個例子是風險告知設計。西屋開發的AP1000概率風險評估很早就被用作AP1000電廠的設計工具。該技術在風險告知的應用方面已經影響了許多現有產品和服務。另一個方面,從美國技術的角度來看,AP1000電廠是第一個實際運用更多現代核建筑和設計規范的電廠。這有助于確保開發和協調這些新規范的許可要求。例如,美國混凝土協會(ACI)“核安全相關混凝土結構的規范要求(ACI 349-01)”提供了現代結構建筑的標準,而電氣和電子工程師協會(IEEE)“IEEE 384- 2008 IEEE核電廠安全級電氣設備和電路獨立性準則”確定了電氣分隔要求的標準。其他工程服務方面,以安全性為例,在多個國家,AP1000電廠都是第一個電廠設計遵守并獲得許可、能滿足9/11后要求的核電廠。這包括物理安全、飛機撞擊保護和網絡安全。這為我們開發和測試符合AP1000電廠新法規的不同方法方面積累了豐富的經驗。


    8、AP1000是如何應對網絡安全挑戰的?


    我們始終考慮安全性分兩個方面:網絡和物理。兩者都是AP1000電廠開發的關鍵特征。通俗地說,就物理安全而言,這是首個真正完全融入并滿足9/11事件后監管環境中所有全新要求的核電廠。就網絡安全而言,在喬治亞州Vogtle核電廠部署的機組實施了聯邦法規第10章及其第73.54條“保護數字計算機和通信系統及其網絡” 的要求,包括針對關鍵數字資產、關鍵數字設備或資產的安全配置實施,以及安全監控系統的儀表和控制方法的設計和交付的詳細規范。同樣,該設計的一個關鍵方面是分層的、縱深防御的安全方法概念,這在安全性方面提供了獨特的優勢。具體包括多樣化和硬接線備份系統,確保實現我前面提到的關鍵安全功能的觸發,同時還可以實現關鍵資產的最小化和穩健性。


    9、AP1000中實施了哪些重大創新?


    這是首個依靠非能動安全系統響應所有電廠事件的核電廠。我要提到的另一項創新是在核島內廣泛使用的模塊化建設。這的確是在應用中日趨成熟的概念,但在最大限度地發揮場外建設和制造的效益方面,這種概念其實從美國核工業、軍事和民用應用中汲取了大量經驗教訓。AP1000電廠也是首個反應堆冷卻系統采用為壓水堆設計的屏蔽式主泵的商業電廠。這不僅大大減少了維護作業,而且還無需大量配套系統,最重要的是,消除了注水以保持泵密封件完整性的需要。軟操控制裝置的廣泛使用,即觸摸屏和大型數字顯示器以及我們討論過的先進主控制室設計,減輕了操縱員的負擔。另一項重要創新是我前面討論的主控室可居留性,不需要交流電源,只依賴于非能動過濾和儲存空氣,就可以實現長期安全居留和操縱員保護。

    (審核編輯: Doris)

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