小型模块堆促进核电自动化发展

新一代小型模块堆(SMR)正在鼓励供应商和监管机构考虑新的数字仪控(I&C)设计。尽管仪控技术在核电站的总资本投资中占比相对较小，但仪控在核电站的安全性、可靠性和高效运行方面发挥着巨大作用。

1、SMR中的仪控应用

NuScale Power反应堆建设(图源: U.S. Dept. of Energy)

认识到仪控技术的潜在优势，美国核管理委员会(NRC)和其他监管机构开始重视核设施中的数字仪控技术。

目前正在开发的新一代SMR尤其适合采用新的数字仪控技术解决方案。

相比于全规模核电站，SMR的成本、选址和安全方面具有更多优势，但缺乏一定的规模经济优势。在操作和维护(O&M)职能部门的人员配备方面尤其如此。

SMR设计优点主要为，在出现问题时减少人为干预。新的数字自动化技术仍有大量机会来改善SMR性能、降低运维成本，并进一步提高整体安全性。

Moltex Energy的首席核能主管盖伊·安德森(Guy Anderson)强调，只要有可能，该公司的方法就是利用固有的设计特征来提供大多数控制和安全功能。

SSR-W假想图(图源：Moltex)

Moltex Energy正在开发加拿大300 MWe的稳定盐反应堆废气燃烧器(SSR-W)SMR。他认为，尽管仍然需要仪器，但将主要用于支持操作员的监控和显示功能。

BWRX-300(图源：网络)

GE-日立的乔恩·艾伦(Jon Allen)表示，该公司的BWRX-300 SMR，“与现有的LWR(轻水反应堆)机组相比，对运营商的要求有限。因为它是一种自然循环的BWR(沸水反应堆)，带有被动安全系统，在(发生事故)不采取措施的情况下，至少能提供七天的应对时间”。

NuScale Power的小型模块堆(图源：网络)

NuScale Power(纽斯凯尔能源公司)的营销和通信副总裁戴安·休斯(Diane Hughes)评论说：“NuScale Power模块设计非常安全，操作简单，无需操作员操作，也无需复杂的自动化程序来确保安全。”

SMR-160(图源：网络)

Holtec的SMR-160还设计在发生事故时将操作负载降至最低。

反应堆是被动冷却的，用于设计基准关闭。在事故情况下，反应堆冷却剂系统通过热虹吸作用继续循环。

核服务和技术供应商法马通仪控集团的巴耶恩·拉菲(Bayen Rafeh)表示，SMR的正常运行将需要更少的人为干预，组件和架构的简化和集成也意味着需要实现更少的功能，从而减少对自动化设备的需求。

2、SMR自动化趋势

由于SMR固有的简化性，供应商设想，新的自动化和信息技术将被用来减少操作员的基本过程控制负担，而不是提供监控功能，以增强态势感知，并支持多模块规划和调度功能。

据Holtec电气和仪控集团的团队负责人帕特里克·埃斯纳(Patrick Essner)说，“多个电厂负荷给运营商带来了新的挑战。使用新技术肯定是有机会的。Holtec将使用已批准用于核服务的最新可用技术。”

该公司最新设计是GE日立的BWRX-300的仪控和人机界面(HMI)。

艾伦表示，“当前的保护、控制和监控及其相关的HMI设计方法，将按照经验证的指导原则和实践来使用。HMI优化确保操作人员能够抓住重点。”

3、反应堆模块的集中控制

NuScale的控制室模拟器由12个反应堆控制终端和操作员工作站组成。在设计认证过程中，模拟器用于分析人机界面设计和控制系统策略，并开发操作程序。(图源：NuScale Power)

为了减少操作人员，通过更少的操作员在一个SMR设施内同时监测和控制多个SMR，大多数将配备中央控制室。

NuScale Power的小型模块堆(图源：网络)

NuScale Power公司正在开发77 MWe的NuScale功率模块，该公司的休斯评论道，“美国的大多数核电站由单反应堆或双反应堆组成，目前的法规将一个控制室控制的反应堆数量限制为两个。”

“SMR控制室很可能是全数字的，并改变目前模拟核电站控制室中存在的运行模式。……NuScale开发已获得NRC批准，允许在一个控制室中操作多达12个NuScale电源模块。”

Holtec的埃斯纳表示，“我们的总体目标是使系统操作简单、安全。”

为此，整个工厂将有一个单一的操作界面。

总体控制理念是集中控制室，以简化操作，提高操作员的效率。安全系统和非安全系统是分开的，但可以相互通信以简化操作。

“控制系统基本上是一个带有远程I/O[输入输出]柜的集中控制器和控制室。”他补充说，核电站规模相对较小，这意味着布线要求比全尺寸核电站简单得多。

法马通设想，多模块SMR工厂可以共享一个主控制室，但在设计的早期阶段将需要大量的人为因素工程和模拟。

4、工厂安装的仪表

由于SMR概念要求，反应堆和其他模块在工厂制造，然后运至现场进行最终组装，因此产生的问题是，是否大部分仪表和相关电缆也将在工厂安装和验证。

休斯表示，与保护和控制过程相关的NuScale电源模块的仪表，将在工厂制造和组装期间尽可能嵌入，用于电厂平衡的仪控部件将在电厂施工活动期间安装。

Holtec的埃斯纳表示，“模块化的目标是简化工厂建设。这包括在合理的情况下利用工厂安装的仪器。”

GE日立和Moltex还计划在工厂安装至少一些仪器。

5、商用安全和非安全系统

NuScale Power 小型模块化反应堆 电厂 VOYGR(图源：网络)

按照核监管机构的要求，SMR设施将继续使用完全不同且基本独立的系统，以适用于安全和非安全电厂应用。

虽然其中许多系统将基于成熟的商用平台，但其他系统将使用定制开发的解决方案。

NuScale的安全保护系统平台，主要基于现场可编程门阵列(FPGA)技术。

该系统采用专利移除电源驱动设计。非安全控制系统的供应商，NuScale将在未来几个月公布，将利用NuScale在开发电厂控制室模拟器时进行的广泛设计和测试。

Holtec已与日本三菱电机合作，将该公司的MELTAC Nplus数字安全控制器用于安全控制，将MELTAC-RX系统用于非安全控制。

这些系统已在日本获得认证，并被美国NRC接受用于数字安全系统。

GE日立正在采取以国际原子能机构(IAEA)和国际电工委员会(IEC)为中心的方法，提供“一种清晰、明确、合理的安全战略方法，具有确定性和基于风险的防线”。

该公司认为，该框架支持现代数字仪控解决方案的实施，因为核监管机构和其他利益相关者更容易理解体系结构和风险。

安全等级2和3以及非安全仪控系统中的控制装置，将为商用硬件和软件。安全等级1将是商用和专有系统的混合。

Moltex的设计基础是，控制和监控系统，将采用标准的数字工业过程控制技术。

然而，任何保护设备都可能是硬接线的。Moltex正在与几家公司讨论，以确定它们是否适合作为首选仪器和部件供应商。

法马通的模块化、商用数字安全平台Teleperm XS Compact专为小型分散的一级系统设计，适用于SMR应用。

据该公司称，其设计简化了资格认证。该公司还提供其强硬的非编程安全平台和中子仪器系统。

6、模拟技术应用

爱达荷州高级能源研究中心NuScale Power的SMR模拟实验室。(图源：Idaho National Laboratory)

虽然几十年来，模拟技术在核电行业以某种方式得到了应用，但对于SMR来说，这项技术似乎正在走向成熟。

包括使用高保真模拟器来支持监管机构的验收，以及前期工程和设计、优化和持续运行与维护。

例如，NuScale已经建立了一个控制室模拟器，该公司用它来测试和证明新的数字接口对电厂运行是安全有效的。

Holtec将使用模拟器在工厂对其系统进行预验证。法马通的子公司CORYS已经为电力和其他行业提供培训和工程模拟器超过30年。

7、远程监控和诊断

NuScale代表在高级能源研究中心为学生和教员进行核电站控制室模拟器培训。(图源：Idaho National Laboratory)

由于许多SMR设施可能建在偏远地区，且现场资源有限，一旦克服了相关的网络安全和监管障碍，远程监控和诊断功能似乎非常适合。

NuScale的休斯表示，“分析、机器学习和人工智能都可以用来优化预测性维护模型，以最大限度地提高可靠性，最大限度地减少成本和停机时间。”

NuScale的服务交付计划还将能够为所有客户操作和维护数据提供一个中央存储库，使该公司能够在其未来的工厂群中微调预测性维护计划。

GE 日立的艾伦表示：“先进的状态监测系统，用于获取、组织和归档电厂过程数据及其下游分析应用程序，对于实现状态和预测性维护解决方案至关重要。”

GE日立还致力于将所需的仪器纳入其设计，并解决网络安全问题，以便能够利用GE在多个行业的远程监控和预测性维护方面的现有优势。

8、更多的创新即将到来

SMR可以在向可再生、无碳发电的过渡中发挥重要作用，它们代表了核电行业一种新的、可能更可持续的模式。

然而，从基础仪控到人机界面、监控和电厂优化，似乎在多个层面仍有很大的技术创新空间。

假设相关监管机构成功简化了技术审查和批准流程，我们很可能很快就会看到仪控/自动化领域出现更多创新。