新一代小型模塊堆(SMR)正在鼓勵供應商和監管機構考慮新的數字儀控(I&C)設計。盡管儀控技術在核電站的總資本投資中占比相對較小，但儀控在核電站的安全性、可靠性和高效運行方面發揮著巨大作用。

1、SMR中的儀控應用

NuScale Power反應堆建設(圖源: U.S. Dept. of Energy)

認識到儀控技術的潛在優勢，美國核管理委員會(NRC)和其他監管機構開始重視核設施中的數字儀控技術。

目前正在開發的新一代SMR尤其適合采用新的數字儀控技術解決方案。

相比于全規模核電站，SMR的成本、選址和安全方面具有更多優勢，但缺乏一定的規模經濟優勢。在操作和維護(O&M)職能部門的人員配備方面尤其如此。

SMR設計優點主要為，在出現問題時減少人為干預。新的數字自動化技術仍有大量機會來改善SMR性能、降低運維成本，并進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)強調，只要有可能，該公司的方法就是利用固有的設計特征來提供大多數控制和安全功能。

SSR-W假想圖(圖源：Moltex)

Moltex Energy正在開發加拿大300 MWe的穩定鹽反應堆廢氣燃燒器(SSR-W)SMR。他認為，盡管仍然需要儀器，但將主要用于支持操作員的監控和顯示功能。

BWRX-300(圖源：網絡)

GE-日立的喬恩·艾倫(Jon Allen)表示，該公司的BWRX-300 SMR，“與現有的LWR(輕水反應堆)機組相比，對運營商的要求有限。因為它是一種自然循環的BWR(沸水反應堆)，帶有被動安全系統，在(發生事故)不采取措施的情況下，至少能提供七天的應對時間”。

NuScale Power的小型模塊堆(圖源：網絡)

NuScale Power(紐斯凱爾能源公司)的營銷和通信副總裁戴安·休斯(Diane Hughes)評論說：“NuScale Power模塊設計非常安全，操作簡單，無需操作員操作，也無需復雜的自動化程序來確保安全。”

SMR-160(圖源：網絡)

Holtec的SMR-160還設計在發生事故時將操作負載降至最低。

反應堆是被動冷卻的，用于設計基準關閉。在事故情況下，反應堆冷卻劑系統通過熱虹吸作用繼續循環。

核服務和技術供應商法馬通儀控集團的巴耶恩·拉菲(Bayen Rafeh)表示，SMR的正常運行將需要更少的人為干預，組件和架構的簡化和集成也意味著需要實現更少的功能，從而減少對自動化設備的需求。

2、SMR自動化趨勢

由于SMR固有的簡化性，供應商設想，新的自動化和信息技術將被用來減少操作員的基本過程控制負擔，而不是提供監控功能，以增強態勢感知，并支持多模塊規劃和調度功能。

據Holtec電氣和儀控集團的團隊負責人帕特里克·埃斯納(Patrick Essner)說，“多個電廠負荷給運營商帶來了新的挑戰。使用新技術肯定是有機會的。Holtec將使用已批準用于核服務的最新可用技術。”

該公司最新設計是GE日立的BWRX-300的儀控和人機界面(HMI)。

艾倫表示，“當前的保護、控制和監控及其相關的HMI設計方法，將按照經驗證的指導原則和實踐來使用。HMI優化確保操作人員能夠抓住重點。”

3、反應堆模塊的集中控制

NuScale的控制室模擬器由12個反應堆控制終端和操作員工作站組成。在設計認證過程中，模擬器用于分析人機界面設計和控制系統策略，并開發操作程序。(圖源：NuScale Power)

為了減少操作人員，通過更少的操作員在一個SMR設施內同時監測和控制多個SMR，大多數將配備中央控制室。

NuScale Power的小型模塊堆(圖源：網絡)

NuScale Power公司正在開發77 MWe的NuScale功率模塊，該公司的休斯評論道，“美國的大多數核電站由單反應堆或雙反應堆組成，目前的法規將一個控制室控制的反應堆數量限制為兩個。”

“SMR控制室很可能是全數字的，并改變目前模擬核電站控制室中存在的運行模式。……NuScale開發已獲得NRC批準，允許在一個控制室中操作多達12個NuScale電源模塊。”

Holtec的埃斯納表示，“我們的總體目標是使系統操作簡單、安全。”

為此，整個工廠將有一個單一的操作界面。

總體控制理念是集中控制室，以簡化操作，提高操作員的效率。安全系統和非安全系統是分開的，但可以相互通信以簡化操作。

“控制系統基本上是一個帶有遠程I/O[輸入輸出]柜的集中控制器和控制室。”他補充說，核電站規模相對較小，這意味著布線要求比全尺寸核電站簡單得多。

法馬通設想，多模塊SMR工廠可以共享一個主控制室，但在設計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，反應堆和其他模塊在工廠制造，然后運至現場進行最終組裝，因此產生的問題是，是否大部分儀表和相關電纜也將在工廠安裝和驗證。

休斯表示，與保護和控制過程相關的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期間安裝。

Holtec的埃斯納表示，“模塊化的目標是簡化工廠建設。這包括在合理的情況下利用工廠安裝的儀器。”

GE日立和Moltex還計劃在工廠安裝至少一些儀器。

5、商用安全和非安全系統

NuScale Power 小型模塊化反應堆 電廠 VOYGR(圖源：網絡)

按照核監管機構的要求，SMR設施將繼續使用完全不同且基本獨立的系統，以適用于安全和非安全電廠應用。

雖然其中許多系統將基于成熟的商用平臺，但其他系統將使用定制開發的解決方案。

NuScale的安全保護系統平臺，主要基于現場可編程門陣列(FPGA)技術。

該系統采用專利移除電源驅動設計。非安全控制系統的供應商，NuScale將在未來幾個月公布，將利用NuScale在開發電廠控制室模擬器時進行的廣泛設計和測試。

Holtec已與日本三菱電機合作，將該公司的MELTAC Nplus數字安全控制器用于安全控制，將MELTAC-RX系統用于非安全控制。

這些系統已在日本獲得認證，并被美國NRC接受用于數字安全系統。

GE日立正在采取以國際原子能機構(IAEA)和國際電工委員會(IEC)為中心的方法，提供“一種清晰、明確、合理的安全戰略方法，具有確定性和基于風險的防線”。

該公司認為，該框架支持現代數字儀控解決方案的實施，因為核監管機構和其他利益相關者更容易理解體系結構和風險。

安全等級2和3以及非安全儀控系統中的控制裝置，將為商用硬件和軟件。安全等級1將是商用和專有系統的混合。

Moltex的設計基礎是，控制和監控系統，將采用標準的數字工業過程控制技術。

然而，任何保護設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商。

法馬通的模塊化、商用數字安全平臺Teleperm XS Compact專為小型分散的一級系統設計，適用于SMR應用。

據該公司稱，其設計簡化了資格認證。該公司還提供其強硬的非編程安全平臺和中子儀器系統。

6、模擬技術應用

愛達荷州高級能源研究中心NuScale Power的SMR模擬實驗室。(圖源：Idaho National Laboratory)

雖然幾十年來，模擬技術在核電行業以某種方式得到了應用，但對于SMR來說，這項技術似乎正在走向成熟。

包括使用高保真模擬器來支持監管機構的驗收，以及前期工程和設計、優化和持續運行與維護。

例如，NuScale已經建立了一個控制室模擬器，該公司用它來測試和證明新的數字接口對電廠運行是安全有效的。

Holtec將使用模擬器在工廠對其系統進行預驗證。法馬通的子公司CORYS已經為電力和其他行業提供培訓和工程模擬器超過30年。

7、遠程監控和診斷

NuScale代表在高級能源研究中心為學生和教員進行核電站控制室模擬器培訓。(圖源：Idaho National Laboratory)

由于許多SMR設施可能建在偏遠地區，且現場資源有限，一旦克服了相關的網絡安全和監管障礙，遠程監控和診斷功能似乎非常適合。

NuScale的休斯表示，“分析、機器學習和人工智能都可以用來優化預測性維護模型，以最大限度地提高可靠性，最大限度地減少成本和停機時間。”

NuScale的服務交付計劃還將能夠為所有客戶操作和維護數據提供一個中央存儲庫，使該公司能夠在其未來的工廠群中微調預測性維護計劃。

GE 日立的艾倫表示：“先進的狀態監測系統，用于獲取、組織和歸檔電廠過程數據及其下游分析應用程序，對于實現狀態和預測性維護解決方案至關重要。”

GE日立還致力于將所需的儀器納入其設計，并解決網絡安全問題，以便能夠利用GE在多個行業的遠程監控和預測性維護方面的現有優勢。

8、更多的創新即將到來

SMR可以在向可再生、無碳發電的過渡中發揮重要作用，它們代表了核電行業一種新的、可能更可持續的模式。

然而，從基礎儀控到人機界面、監控和電廠優化，似乎在多個層面仍有很大的技術創新空間。

假設相關監管機構成功簡化了技術審查和批準流程，我們很可能很快就會看到儀控/自動化領域出現更多創新。

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