基于模塊化的華龍一號核取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究

文/房麗萍 陳彥霖（中國核電工程有限公司）

“華龍一號”核取樣系統(tǒng)用于集中抽取反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、專設(shè)安全系統(tǒng)、核輔助系統(tǒng)、三廢系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器二次側(cè)系統(tǒng)，具有代表性的氣體、液體樣品，供化學(xué)分析和放射性化學(xué)分析用，以獲取樣品中的重要參數(shù)，為核電廠運(yùn)行和水化學(xué)管理提供支持。該系統(tǒng)還具有重要的事故后功能，可以在事故后對反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、安全殼噴淋系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)取樣，有助于事故的診斷和控制。目前，華龍一號迎來批量化生產(chǎn)，核取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，總體滿足任務(wù)需求。但該系統(tǒng)設(shè)計(jì)又面臨如下課題：（1）如何提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，提高資源重用率；（2）針對通用的、具有共性的設(shè)計(jì)，如何提高標(biāo)準(zhǔn)化；（3）面向業(yè)主，如何快速響應(yīng)業(yè)主個性化和更高質(zhì)量需求；（4）面向市場，如何將市場中的高、精、尖產(chǎn)品，更新到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)增值。

模塊化設(shè)計(jì)方法為解決上述問題提供了新思路。模塊化設(shè)計(jì)方法是將模塊化和模塊組合相統(tǒng)一的過程[1]。通過在產(chǎn)品的整個研制過程中實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)先進(jìn)技術(shù)，使得產(chǎn)品快速化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在減少產(chǎn)品內(nèi)部多樣化的同時靈活增加產(chǎn)品外部多樣化，快速響應(yīng)業(yè)主和市場需求。并因?yàn)橥ㄓ媚K的設(shè)計(jì)，制造廠家以接近大批量生產(chǎn)的成本和速度提供產(chǎn)品和服務(wù)，有效解決了業(yè)主個性化需求和大批量生產(chǎn)之間的矛盾[2]。模塊庫和標(biāo)準(zhǔn)化接口維護(hù)易于產(chǎn)品在全生命周期中的升級和管理。

一、核取樣系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)流程

核取樣系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)是將核取樣系統(tǒng)模塊化和模塊組合的統(tǒng)一過程，包括模塊化準(zhǔn)備、模塊化規(guī)劃、模塊化劃分和模塊化配置設(shè)計(jì)階段。設(shè)計(jì)基本流程如圖1所示。

圖1 核取樣系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)基本流程

（1）核取樣系統(tǒng)模塊化準(zhǔn)備階段，主要工作包括物項(xiàng)分類和建立適合模塊化設(shè)計(jì)的編碼體系。首先根據(jù)功能、品種、規(guī)格以及層次等特性對模塊建立分類結(jié)構(gòu)，定義分類屬性。在此基礎(chǔ)上，建立統(tǒng)一、簡潔、完善的編碼體系，從而便于模塊的管理和資源檢索。

（2）核取樣系統(tǒng)模塊化規(guī)劃階段，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，構(gòu)建產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)品關(guān)聯(lián)分析，從而為產(chǎn)品的模塊化劃分做好準(zhǔn)備。對系統(tǒng)分析內(nèi)容主要包括：1）業(yè)主需求分析，包括業(yè)主的約束性需求和個性化需求；2）核取樣系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)分析；3）核取樣系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化分析。

（3）核取樣系統(tǒng)模塊化劃分階段，在系統(tǒng)工程和標(biāo)準(zhǔn)化的思想指導(dǎo)下，將核取樣系統(tǒng)分解成通用化、具有獨(dú)立功能和結(jié)構(gòu)、接口標(biāo)準(zhǔn)的模塊。由這些模塊組成完整的模塊庫。模塊劃分質(zhì)量對模塊化設(shè)計(jì)質(zhì)量起著非常關(guān)鍵的作用。模塊劃分一般性原則如下：1）模塊功能和結(jié)構(gòu)有一定獨(dú)立性和完整性；2）模塊接口便于連接和分離；3）模塊內(nèi)部零部件強(qiáng)耦合，模塊之間為弱耦合；4）分解的粒度要合適，盡可能少的模塊組成盡可能多的產(chǎn)品，從而滿足客戶的個性化需求[3]。

（4）核取樣系統(tǒng)模塊化配置階段，是從業(yè)主的需求出發(fā)，參照系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和安全準(zhǔn)則，在滿足相互約束關(guān)系的配置規(guī)則下，從預(yù)定義的模塊庫中快速配置出模塊化產(chǎn)品，最后對配置結(jié)果進(jìn)行檢查和校審，完成核取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。產(chǎn)品配置過程中，綜合業(yè)主需求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和規(guī)則多層次進(jìn)行選配組合。

二、核取樣系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)平臺總體方案

在模塊化相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，需開發(fā)一個面向核取樣系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)平臺?；谀K化設(shè)計(jì)流程的分析和模塊化管理的需要，該平臺包括以下幾個系統(tǒng)：編碼管理系統(tǒng)、業(yè)主需求管理系統(tǒng)、模塊管理系統(tǒng)、配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)成品系統(tǒng)。

（一）編碼管理系統(tǒng)

編碼管理系統(tǒng)，是為了滿足平臺開發(fā)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和快速檢索的需求。編碼系統(tǒng)物項(xiàng)分類編碼和功能標(biāo)識，整體遵循華龍一號核電項(xiàng)目設(shè)備類型編碼規(guī)則、《華龍一號設(shè)備的功能標(biāo)識》程序文件和標(biāo)準(zhǔn)程序文件。

（二）業(yè)主需求管理系統(tǒng)

在核取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，業(yè)主的需求處于“源頭”地位。業(yè)主需求管理系統(tǒng)中，業(yè)主的需求分為約束性需求和個性化需求[4]，約束性需求是對于核取樣系統(tǒng)交付必須滿足業(yè)主的要求，個性化需求是指業(yè)主通過設(shè)計(jì)優(yōu)化建議、良好實(shí)踐、經(jīng)驗(yàn)反饋、聯(lián)合科研等途徑提出核取樣系統(tǒng)的靈活性需求。每個項(xiàng)目業(yè)主的需求將成為重要的設(shè)計(jì)輸入，業(yè)主需求表如表1所示。

表1 業(yè)主需求分析

（三）模塊管理系統(tǒng)

模塊管理系統(tǒng)包括了模塊庫、模塊接口、模塊編輯?；趯巳酉到y(tǒng)的功能分析、結(jié)構(gòu)分析和模塊劃分原則，對核取樣系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，所有的模塊便組成了模塊庫。模塊庫中模塊分為一級模塊和二級模塊，一級模塊有取樣冷卻模塊、減壓閥模塊、過濾器模塊、手套箱模塊、通風(fēng)柜模塊、在線分析儀模塊、閥門模塊、管道模塊、儀表模塊等，核取樣系統(tǒng)模塊庫基本構(gòu)成如表2所示。

表2 核取樣系統(tǒng)模塊庫

核取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)成熟，從自主研發(fā)到批量化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)整體復(fù)用性強(qiáng)。設(shè)備經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、實(shí)踐，已經(jīng)具有成熟的產(chǎn)品型號，因此可以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。模塊接口標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)也是模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有不同功能屬性的模塊實(shí)體通過接口實(shí)現(xiàn)物質(zhì)、信息、能量的交換，從而協(xié)同完成產(chǎn)品的整體功能。

核取樣系統(tǒng)取樣冷卻器根據(jù)管道內(nèi)介質(zhì)的帶放性、設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力分為：一回路高溫取樣冷卻器、一回路低溫取樣冷卻器、一回路一體化取樣冷卻器、二回路高溫取樣冷卻器、二回路低溫取樣冷卻器、二回路一體化取樣冷卻器六種。每一種取樣冷卻器采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表，規(guī)定了該管殼式換熱器的主參數(shù)、安裝條件和機(jī)械接口。以一回路高溫取樣冷卻器數(shù)據(jù)表為例，說明模塊接口內(nèi)容，見表3。

表3 一回路高溫取樣冷卻器模塊數(shù)據(jù)表

模塊編輯則可以對模塊接口數(shù)據(jù)進(jìn)行升級，對模塊刪除、新增和替代。模塊的編輯可以根據(jù)業(yè)主需要和市場發(fā)展等因素并結(jié)合設(shè)計(jì)自身情況進(jìn)行調(diào)整，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要途徑。

（四）配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)

配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)是從模塊庫中選配出滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊，并組合得到最終的模塊化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)平臺。在該系統(tǒng)中，模塊的配置受到業(yè)主需求和系統(tǒng)配置規(guī)則的約束，采用有向圖從左到右來構(gòu)造定制模塊的配置關(guān)系模型；配置過程中先后按照主工藝配置、儀控儀表配置、次工藝配置、業(yè)主的個性化需求多層次的配置順序完成模塊化產(chǎn)品的配置工作。基于模塊化設(shè)計(jì)的核取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖完成，校對、審核、審定依次對該流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)審查，填寫設(shè)計(jì)質(zhì)量評定卡和設(shè)計(jì)校審記錄卡。

高效的配置離不開符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則的配置規(guī)則。采用基于規(guī)則的選配方法，更接近于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的思維方式，表達(dá)過程直觀、自然。為高效地完成配置效果，應(yīng)避免配置環(huán)的存在。下面以一回路樣品為例，說明核取樣系統(tǒng)的配置規(guī)則。

（1）判斷一回路樣品設(shè)計(jì)溫度是否超過35℃，如超過，必須配置一回路取樣冷卻器，在模型庫中對一回路取樣冷卻器進(jìn)行選型；（2）判斷一回路樣品設(shè)計(jì)壓力是否超過0.7MPa，如超過，必須配置一回路減壓閥，在模型庫中對一回路減壓閥進(jìn)行選型；（3）樣品需要在封閉的柜體中進(jìn)行測量和取樣，在模型庫中對手套箱、通風(fēng)柜進(jìn)行選型；（4）根據(jù)需要測量的化學(xué)參數(shù)測點(diǎn)，在模型庫中對在線分析儀表進(jìn)行選型；（5）根據(jù)樣品的種類，對樣品回收路徑進(jìn)行選擇；（6）根據(jù)儀控需求，在模型庫中對儀表進(jìn)行選型配置，并設(shè)置控制邏輯；（7）根據(jù)疏水需求、布置要求等完善次工藝流程；（8）結(jié)合業(yè)主的個性化需求，優(yōu)化核取樣系統(tǒng)流程圖；（9）對配置結(jié)果進(jìn)行審查，完成兩卡評定。

三、結(jié)語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的核心和基礎(chǔ)，從根本上決定著產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)量和成本。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法則影響著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率和最終成品文件的呈現(xiàn)。

本文基于模塊化先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，對華龍一號核取樣系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究。從模塊化準(zhǔn)備、模塊化規(guī)劃、模塊化劃分、模塊化配置四個階段入手，總結(jié)了如何高效完成核取樣系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，提出了模塊設(shè)計(jì)平臺必備的要素。

模塊化技術(shù)是機(jī)械裝備的發(fā)展趨勢之一，實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，將有利于降低設(shè)計(jì)制造成本，兼顧業(yè)主個性化需求，快速響應(yīng)市場，是幫助企業(yè)提升產(chǎn)品競爭力、適應(yīng)復(fù)雜多變市場環(huán)境的重要途徑[5]。