核工业的数字革命

为什么核电行业未能接受数字革命并从中受益?尽管数字革命有各种各样的优势——更高的可靠性、准确性、效率和投资回报，但核运营商拒绝采用数字计量。后续这种状态会改变吗?

1、模拟计量

60多年来，全世界各行业都在进行数字技术革命，稳步取得财务、效率和可靠性方面的进步。但是，核工业方面依然对数字技术止步不前。

核工业不愿意采用数字技术的例子，主要在继续使用模拟计量这种过时的方法，不仅不精确、不可靠，而且使用有效期相对较短，造成核能行业很难处于最佳盈利状态。每年因此要多耗资数百万美元，从消费者到投资者都要承担。

应急库存中的1E级备用电表，高成本和大量的库存，成本很难降下来，尤其是对于拥有20个或更多仪控(I&C)室和模拟器的公司而言。

控制室内的每个1E级模拟仪表必须备有备用1E级仪表，以备紧急使用。

由于越来越多的模拟仪表被淘汰，以及不断发展的数字技术，导致模拟仪表的需求越来越低，更换模拟仪表的成本也不可避免地升高，加剧了这一问题。

换句话说，正如著名科学家查尔斯·达尔文(Charles Darwin)所说，“要么进化，要么灭亡”。

在不对现有安装进行任何重大更改的情况下，核能行业有哪些选择来消除浪费在备件上的数百万美元，同时提高可靠性、效率和投资回报率(ROI)?

2、解决备件库存挑战

面板无变化：一种尺寸适用于所有转接板。

一种解决方案是复制达松伐(D'Arsonval)在1856年的“单动”模拟仪表设计，但作为一个完全数字的版本。

这种方法通过开发“一个移动、一个信号和电源”通用显示器和适配器板，来转换现有面板切口，以接受任何显示器，从而避免了昂贵的NRC网络安全符合NEI08-09。

通用显示器还需要一个新的通用输入/输出信号、控制和电源电路，以将所有输入和输出转换为所有显示器的“一次移动”要求。

该解决方案通过开发一种新的打印技术，消除了对具有不同刻度板、颜色、文本和校准的多个相同“移动”备用仪表的需求，从而传输最重要的结果。

与传统方法不同，自粘刻度板粘在过滤器的前部，可现场更换。它允许同一仪表用于任何和所有过程信号、功率或输出，并可打印。

这种刻度记录装置有助于减少备件库存。

由于其简单性以及不需要对现有面板、接线、信号、电源或操作员进行任何更改，通用标尺设备完全“即插即用”，因此被命名为PNP。

即插即用(PNP)是一种独立的模拟和数字仪表的直接替代品，无需对现有安装、面板断路器、信号、接线或操作员培训进行任何更改，同时由于更高的精度和分辨率以及更好的人机界面而提高了效率。

同时，它将价值数百万美元的“备件”库存减少到价值约25000美元的“一对所有”备件和可替换的“粘性”刻度盘。

3、计算模拟备件的成本

控制室对备件库存提出了特殊挑战(图源：Shutterstock.com)

对于核电站A：共有约640个过时的模拟仪表。其中约445个为VMI9222，约180个为VMI 9223。

假设在625个VMI仪表中，约有400个1E级仪表和约225个CG，具有约20个不同的输入信号和约250个不同的刻度板、三个不同的电源输入、两个不同的控制输出，并且在备件库存中，每个“唯一”的1E级电表各有一个。

备件目录总计约300个仪表，目前成本约为10,000美元，备件库存约为300万美元。

工厂每年更换大约20台过时的模拟仪表，因此，在核电站当前许可期内，可能会更换所有640台模拟仪表。

目前的供应商是否有足够的旧电表进行重建和回收，如果有，价格是多少?

目前1E级替代模拟仪表的估计净成本超过15,000美元，交付周期可能为28周。

考虑到“加载”成本(包括采购、存储、保险、闲置美元成本、间接费用等)，额外的20%是库存的典型。

由于640个仪表的价格可能为15,000美元，再加上3,000美元的负荷系数，单是仪表的库存就可能超过1,000万美元，而通货膨胀是未来20年要考虑的另一个因素。

PNP型仪表的相应备件库存成本包括一个PNP-2显示器/控制器、一个PNP-V显示器/控制器，一个插入式回路电源输入信号转换器模块，每个可选控制输出插件模块和250个不同的显示器“粘性”刻度板。

同时，变送器的备件将是一个4-20 mA电流回路变送器(PNP-D或-P或-X或组合)，每个插件模块一个，用于20个不同的输入信号，每个插件电源输入模块一个。

PNP备件的总估计成本低于25,000美元。

此外，模拟仪表的平均仪表寿命约为10-15年，而数字装置可能运行40年或更长。还有其他优势。

模拟仪表的精度和分辨率约为2%(取决于操作员视差)，而数字仪表的精度接近0.05%，不存在视差误差的可能性。

根据EPRI 102323-rev4标准，约640个电流回路变送器(Din导轨或面板安装)，采用PNP进行数字化现代化的估计成本约为256万美元，每个信号输入约4,000美元。

另一个445 PNP-2(取代VMI 9222)和180 PNP-V(取代VMI9223)EPRI级显示器/控制器，每台售价4,000美元，另外还需要178万美元，总计约434万美元。

PNP-2、PNP-V、三个不同的电源模块、20个不同的输入信号调节器模块、每个控制输出模块(如清单所示)和250个不同的粘性刻度板各一个备件，25,000美元的一次性总投资替代了5,145,000美元费用，相当于未来20年仅维护模拟仪表I&C成本的60%。

4、数字化趋势

PNP-X是最流行的通用显示选项之一。

据估计，美国核电站目前约有8,200个停止使用的VMI 9221、9222和9223。

唯一可以替换的方法是旧仪表回收和重建，因为虽然有需求，但并不能证明投资从头开始设计生产新仪表是合理的。随着时间的推移，这个问题只会变得更具挑战性。

取而代之的是，复制了D'Arsonval在19世纪发明的“单动”模拟仪表，但利用了现代技术，消除了机械运动，实现了设计的简单化。

PNP“单移动”显示器(专利号10222405)仅接受双极、单端或差分0.5V直流信号输入和3-5.5V的直流电源输入。

换句话说，所有PNP显示器/控制器具有相同的输入/输出，无论大小或形状如何，并且所有显示器都接受放置在过滤器前面的自粘刻度板。

任何显示器可用于任何应用。所有提供的(和定制的)信号和电源输入选项在4-20 mA电流回路变送器或显示器外壳内，或在将其转换为所需“一次移动”(+/-0.5V直流满标度信号和3-5.5V DC电源)的集线器处转换为“一次运动”。

集线器用于使用可用(或自定义)适配器板，转换任何和所有现有面板切口(如果选定的PNP外壳适合现有空间)，以便在现有面板空间中安装选定PNP显示器/控制器，而无需重新安装面板。

使用PNP是因为它是一种真正的即插即使用设计，只要所选外壳适合空间，无需对面板安装进行任何更改，也无需对信号/电源或现有信号的现有布线进行任何更改。

PNP技术代表了核仪器和控制室的自然演变。

准确性、可靠性和效率的提高使数字化在21世纪的控制室中超越了模拟仪表，现在是时候将成本效益添加到这一列表中了。

这种技术不仅可以提高仪控室仪器的性能，还可以通过将所需备件数量从数百个减少到单个备件仪器，有效解决备件库存的经济问题。

数字技术可以做到这一点，而不会对周围的面板或布线造成任何干扰。