CN112117018A - 一种用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于核电厂的人因工程分析与设计技术，具体涉及一种核电厂控制室人因工程分析中的综合功能需求分析方法。该方法提供了一种全厂级的功能分析方法，该分析方法基于功能分解，将电厂功能从最顶层的两个电厂目标开始层层分解，共分解为四层的层次结构，即电厂目标、二层功能、三层功能和电厂***，并将第二层功能和第三层功能定义为综合功能。根据电厂功能的目标和实际运行需求，确定了综合功能的分析范围和方法，从而确定了支持综合功能运行所需的主要设备和参数，为核电厂控制室人机接口设计提供了设计输入。
Description
技术领域
本发明属于核电厂控制室设计的人因工程领域，具体涉及一种用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法。
背景技术
核电厂主控制室操纵员利用控制室的人机接口监控电厂的生产过程，对整个核电厂安全发电起着举足轻重的作用。人因工程通过研究核电厂的功能运行需求并结合计算机自动控制和人员手动控制的特点来对控制室尤其是人机接口进行优化设计。
功能分析作为控制室设计的重要组成部分，是人机接口设计的基础。在核电厂控制室的人机接口设计中，必须首先对核电厂的功能以及操纵员应执行的操作进行分析。这需要同时研究电厂设备和人员的特性，以满足功能要求和安全要求。数字化仪控***利用其优势，能够在控制室中给操纵员提供更多的电厂信息，而且可以将电厂的每个信息详细地呈现出来。功能分析，就是通过确定电厂的功能及功能的实现方式，从而明确人机接口信息的需求以便为人机接口设计等其他人因工程要素提供支持。因此，需要一种用于控制室人机接口设计的综合功能分析方法，结合人因工程的原则，从操纵员的需求出发，对核电厂功能进行全面的分析。
发明内容
本发明的目的是为核电厂控制室人机接口设计提供一种全厂级的综合功能分析方法。本发明确定功能分析的基本方法为功能分解法，即将核电厂功能从顶层至底层进行层层分解，最终分解为四层的层次结构，即电厂目标、二层功能、三层功能、电厂***。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法，用于核电厂控制室人机接口设计，包括如下步骤：
步骤S1，确定核电厂最顶层的两个电厂目标分别是安全目标和可用性目标；所述安全目标是为了防止或减轻假定可能损坏所述核电厂或者对公众安全带来危险事故的后果；所述可用性目标是为了发电并将电力输送至电网；
步骤S2，分析并确定核电厂的二层功能，所述二层功能由两个所述电厂目标分解而成，其中所述安全目标分解出的功能属于所述二层功能中的安全功能，所述可用性目标分解出的功能属于所述二层功能中的非安全相关功能；所述二层功能属于综合功能。
步骤S3，分析并确定核电厂的三层功能，所述三层功能根据所述核电厂的工艺流程在所述二层功能基础上进一步分解而成；每个所述三层功能代表所述核电厂的一个工艺流程功能模块或控制功能模块，所述三层功能属于综合功能。
步骤S4，分析并确定所述三层功能和电厂***的从属关系，并将所述电厂***匹配到所述三层功能，所述电厂***为若干个；
步骤S5，分析所述二层功能和所述三层功能中所包含的所述电厂***的运行需求，并确定所述二层功能和所述三层功能运行所需监控的设备和参数。
进一步，在所述步骤S1中，对两个所述电厂目标标识唯一的第一代码，所述第一代码需表明该目标属于顶层目标，并且是否是所述安全目标。
进一步，在所述步骤S2中，所述二层功能是为了实现所述电厂目标所不可或缺的功能，每个所述电厂目标所分解出的功能之间是相互独立的；每个所述二层功能标识唯一的第二代码，所述第二代码需表明该功能属于二层功能，并且是否与安全相关。
进一步，在所述步骤S3中，各个所述三层功能之间是相互独立的，每个所述三层功能能够归属于多个所述二层功能；每个所述三层功能标识唯一的第三代码，所述第三代码需表明该功能属于所述三层功能。
进一步，在所述步骤S4中，各个所述电厂***之间是相互独立的，每个所述电厂***能够归属于多个所述三层功能，每个所述电厂***有一个唯一的***号。
进一步，在所述步骤S5中，分析所述二层功能和所述三层功能的运行需求时，需确定所述二层功能和所述三层功能所包含的所述电厂***在正常运行工况和异常运行工况的运行监控需求，所述运行监控需求包括各个所述电厂***内关键设备和参数的状态及变化；其中所述正常运行工况包含：启动、功率运行、停堆及这些工况之间切换的瞬态；所述异常运行工况包含故障和事故工况；确定的所述关键设备和参数作为所述核电厂控制室人机接口设计的输入信息。
进一步，在所述步骤S5中，分析所述二层功能和所述三层功能的运行需求时，需确定所述二层功能和所述三层功能的以下信息：
信息一：功能的目的；
信息二：功能所需的工况；
信息三：显示功能是否可用的参数；
信息四：显示功能正在运行的参数；
信息五：显示功能正在达到其目标的参数；
信息六：显示功能可以被终止的参数；
以上所述参数作为所述核电厂控制室人机接口设计的输入信息。
本发明的有益效果在于：
本发明所提供的用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法确定了核电厂功能需求分析的层次结构和划分原则，结合核电厂的工艺流程和运行需求，确定核电厂综合功能分析的四层层次结构。另外，依据这四层层次结构，结合电厂功能的运行需求分析，确定每个二层和三层功能所需监控的设备和参数信息，从而为核电厂控制室人机接口设计提供设计输入。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中所述的一种用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法的流程图；
图2为本发明实施例中某压水堆核电厂综合功能分析的四层结构的模型示意图。
具体实施方式
下面以某压水堆核电厂设计为例对本发明进行详细的描述。
本发明所提供的用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法，建立功能分析的四层结构，并进行功能运行分析，包括如下步骤(如图1所示)：
步骤S1，确定核电厂两个顶层目标为安全目标和可用性目标，其中，安全目标是为了防止或减轻假定可能损坏核电厂或者对公众安全带来危险事故的后果；可用性目标是为了发电并将电力输送至电网；对两个电厂目标标识唯一的第一代码，第一代码需表明该目标属于顶层目标，并且是否是安全目标；
步骤S2，分析并确定核电厂的二层功能，二层功能由核电厂的两个电厂目标分解而成，其中，可用性目标分解出的功能属于二层功能中的非安全相关功能，安全目标分解出的功能属于二层功能中的安全功能；二层功能属于综合功能；二层功能是为了实现电厂目标所不可或缺的功能，每个电厂目标所分解出的功能之间是相互独立的；每个二层功能标识唯一的第二代码，第二代码需表明该功能属于二层功能，并且是否与安全相关；
步骤S3，分析并确定核电厂的三层功能，三层功能根据核电厂的工艺流程在二层功能基础上进一步分解而成，每个三层功能代表核电厂的一个工艺流程功能模块或控制功能模块；三层功能属于综合功能；各个三层功能之间是相互独立的，每个三层功能能够归属于多个二层功能；每个三层功能标识唯一的第三代码，第三代码需表明该功能属于三层功能；
步骤S4，分析并确定三层功能和电厂***的从属关系，并将电厂***匹配到三层功能；电厂***为若干个；各个电厂***之间是相互独立的，每个电厂***能够归属于多个三层功能，每个电厂***有一个唯一的***号；
步骤S5，分析二层功能和三层功能中所包含的电厂***的运行需求，并确定二层功能和三层功能运行所需监控的设备和参数；
在步骤S5中，分析二层功能和三层功能的运行需求时，需确定二层功能和三层功能所包含的电厂***在正常运行工况和异常运行工况的运行监控需求，运行监控需求包括各个电厂***内关键设备和参数的状态及变化；其中正常运行工况包含：启动、功率运行、停堆及这些工况之间切换的瞬态；异常运行工况包含故障和事故工况；确定的关键设备和参数作为核电厂控制室人机接口设计的输入信息；
在步骤S5中，分析二层功能和三层功能的运行需求时，需确定二层功能和三层功能的以下信息：
信息一：功能的目的；
信息二：功能所需的工况；
信息三：显示功能是否可用的参数；
信息四：显示功能正在运行的参数；
信息五：显示功能正在达到其目标的参数；
信息六：显示功能可以被终止的参数；
以上参数作为核电厂控制室人机接口设计的输入信息。
实施例
上述分析方法可直接用于指导核电厂功能分析活动，下面以某压水堆核电厂设计为基础进行分析示例，其功能分析的四层结构如图2所示，具体分析过程如下：
步骤S1，确定电厂目标
核电厂的两个电厂目标分别是：安全目标和可用性目标，如图2中最上层的两个目标所示。
安全目标：防止或减轻假定可能损坏核电厂或者对公众安全带来危险事故的后果，其第一代码为：F1-1S，其中“F1”代表该功能是顶层功能-电厂目标，“S”代表该目标为安全功能。
可用性目标：发电并将电力输送至电网，其第一代码为：F1-2，其中“F1”说明该功能是顶层功能-电厂目标。
步骤S2，分析并确定核电厂的二层功能
如图2中的第二层所示，该核电厂的安全目标分解为6个二层功能，包括：
·F2-1S：维持次临界；
·F2-2S：维持堆芯冷却；
·F2-3S：维持主冷却剂装载量；
·F2-4S：维持反应堆冷却剂***的完整性；
·F2-5S：维持安全壳完整性；
·F2-6S：维持热阱。
其中，F2-1S至F2-6S为第二代码，“S”代表该二层功能与安全相关；
如图2中的第二层所示，该核电厂的可用性目标分解为4个二层功能，包括：
·F2-7：产生热能；
·F2-8：一次侧热能传递；
·F2-9；蒸汽产生与控制；
·F2-10：发电。
其中，F2-7至F2-10为第二代码，且代表该二层功能与安全不相关。
步骤S3，分析并确定核电厂的三层功能
如图2中的第三层所示，该核电厂共包含16个三层功能，分别是：
·F3-1：反应性控制，归属于产生热能和维持次临界两个二层功能；
·F3-2：硼浓度控制，归属于产生热能和维持次临界两个二层功能；
·F3-3：一回路冷却剂压力控制，归属于一次侧热能传递和维持一回路边界完整性两个二层功能；
·F3-4：一回路冷却剂温度控制，归属于一次侧热能传递和维持堆芯冷却两个二层功能；
·F3-5：一回路冷却剂流量控制，归属于一次侧热能传递和维持堆芯冷却两个二层功能；
·F3-6：一回路冷却剂装量控制，归属于一次侧热能传递和维持一回路冷却剂装量两个二层功能；
·F3-7：主蒸汽压力控制，归属于蒸汽产生与控制和维持热阱两个二层功能；
·F3-8：蒸汽发生器水装量控制，蒸汽产生与控制和维持热阱两个二层功能；
·F3-9：冷凝器压力控制，归属于二层功能-蒸汽产生与控制；
·F3-10：安全壳压力控制，归属于二层功能-维持安全壳完整性；
·F3-11：安全壳温度控制，归属于二层功能-维持安全壳完整性；
·F3-12：汽轮机水力控制，归属于二层功能-发电；
·F3-13：为汽轮机发电机提供润滑油，归属于二层功能-发电；
·F3-14：发电机温度控制，归属于二层功能-发电；
·F3-15：发电机提供励磁电流，归属于二层功能-发电；
·F3-16：最终热阱，归属于二层功能-维持热阱。
其中，F3-1至F3-16为第三代码。
步骤S4，分析并确定电厂三层功能和电厂***的从属关系
如图2中的第四层所示，列出了隶属于上述16个三层功能的电厂***，这些***并不是该核电厂的所有***，只是列出了主要工艺***，而对于电气和通风等辅助***并未列于图中。如一回路冷却剂装量控制(F3-6)主要包含四个***：
·RCV：化学和容积控制***；
·RSI：安全注入***；
·RBM：反应堆硼和水补给***；
·REB：应急硼注入***。
其中，RCV、RSI、RBM、REB为***号。
步骤S5，分析二层功能和三层功能的运行需求，并确定二层功能和三层功能运行所需监控的设备和参数。
以该核电厂的三层功能：一回路冷却剂装量控制(F3-6)为例进行运行需求分析。
一回路冷却剂装量控制在各工况下的分析：
正常运行工况：
启动：在反应堆启动阶段，利用化学和容积控制***为反应堆冷却剂***充水、加压和排气。水源来自RBM***。在充水和排气完成后，建立RCV***的上充和下泄流量，保证RCS***有足够的水装量。在冷却剂液位达到主泵的高度后，应开启轴封注入。
功率运行：在反应堆正常运行阶段，反应堆冷却剂装量控制由RCV***通过上充和下泄自动控制，当容控箱液位不足时，通过补给(硼化和稀释管线)注入冷却剂。在此期间，反应堆冷却剂的净化和化学控制也由RCV***完成。这些控制均由RCV***与RBM***配合完成。
停堆：在冷却剂***开始冷却第一阶段，增加上充流量以补偿冷却剂的收缩。此时RBM***会以所要求的硼浓度自动启动。第二阶段，增加上充流量以消除稳压器汽腔。下泄流量维持其正常值。继续用RBM***补水补偿冷却剂收缩。当冷却剂温度达到90℃，进入第三阶段，当70℃时，水化学满足要求，最后一台冷却剂泵停止运转后，RCV***的上充通道恢复运行，当压力降低到0.3MPa时，上充泵停运。RCV***保持冷却剂轴封水持续注入。
异常运行工况：
在发生反应堆冷却剂失水事故工况下，需要通过相应安全功能对冷却剂进行补充，以保证有足够冷却剂带出堆芯热量。在发生微小破口事故下，可以通过RCV***上充以补充丧失的冷却剂。当发生中破口或大破口事故时，反应堆冷却剂压力迅速降低，会触发安全注入(包括中压安注、低压安注和安注箱)。当硼化水源(内置换料水箱、RCV***)不可用时，也可以通过应急硼注入(REB)注入浓硼溶液，由安全注入***提供注入管道和压力。对于二回路管线破口带来的一回路冷却剂急速降温导致的冷却剂收缩将会导致安注***的自启动以保证冷却剂装量。
经过以上分析，可以确定一回路冷却剂装量控制功能：
·一回路冷却剂装量控制的目的：维持一回路有充足的水装量，维持一回路液位从而保证冷却剂有足够的带热能力可以将堆芯热量带出。
·一回路冷却剂装量控制所需的工况：除了反应堆完全卸料外的所有工况；
·一回路冷却剂装量控制是否可用的参数：内置换料水箱液位，硼酸箱液位，水箱液位，安注箱液位，应急硼注入浓硼箱液位；
·一回路冷却剂装量控制正在运行的参数：上充流量，安注流量，轴封注入和泄漏流量；
·一回路冷却剂装量控制在达到其目标的参数：稳压器液位；
·一回路冷却剂装量控制可以被终止的参数：稳压器液位。
经过上述分析确定一回路冷却剂装量控制所需的设备和参数汇总如表一所示：
表一：一回路冷却剂装量控制所需的设备和参数清单
本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。
Claims (7)
1.一种用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法，用于核电厂控制室人机接口设计，包括如下步骤：
步骤S1，确定核电厂最顶层的两个电厂目标分别是安全目标和可用性目标；所述安全目标是为了防止或减轻假定可能损坏所述核电厂或者对公众安全带来危险事故的后果；所述可用性目标是为了发电并将电力输送至电网；
步骤S2，分析并确定核电厂的二层功能，所述二层功能由两个所述电厂目标分解而成，其中所述安全目标分解出的功能属于所述二层功能中的安全功能，所述可用性目标分解出的功能属于所述二层功能中的非安全相关功能；所述二层功能属于综合功能。
步骤S3，分析并确定核电厂的三层功能，所述三层功能根据所述核电厂的工艺流程在所述二层功能基础上进一步分解而成；每个所述三层功能代表所述核电厂的一个工艺流程功能模块或控制功能模块，所述三层功能属于综合功能。
步骤S4，分析并确定所述三层功能和电厂***的从属关系，并将所述电厂***匹配到所述三层功能，所述电厂***为若干个；
步骤S5，分析所述二层功能和所述三层功能中所包含的所述电厂***的运行需求，并确定所述二层功能和所述三层功能运行所需监控的设备和参数。
2.如权利要求1所述的用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法，其特征是：在所述步骤S1中，对两个所述电厂目标标识唯一的第一代码，所述第一代码需表明该目标属于顶层目标，并且是否是所述安全目标。
3.如权利要求1所述的用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法，其特征是：在所述步骤S2中，所述二层功能是为了实现所述电厂目标所不可或缺的功能，每个所述电厂目标所分解出的功能之间是相互独立的；每个所述二层功能标识唯一的第二代码，所述第二代码需表明该功能属于二层功能，并且是否与安全相关。
4.如权利要求1所述的用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法，其特征是：在所述步骤S3中，各个所述三层功能之间是相互独立的，每个所述三层功能能够归属于多个所述二层功能；每个所述三层功能标识唯一的第三代码，所述第三代码需表明该功能属于所述三层功能。
5.如权利要求1所述的用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法，其特征是：在所述步骤S4中，各个所述电厂***之间是相互独立的，每个所述电厂***能够归属于多个所述三层功能，每个所述电厂***有一个唯一的***号。
6.如权利要求1所述的用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法，其特征是：在所述步骤S5中，分析所述二层功能和所述三层功能的运行需求时，需确定所述二层功能和所述三层功能所包含的所述电厂***在正常运行工况和异常运行工况的运行监控需求，所述运行监控需求包括各个所述电厂***内关键设备和参数的状态及变化；其中所述正常运行工况包含：启动、功率运行、停堆及这些工况之间切换的瞬态；所述异常运行工况包含故障和事故工况；确定的所述关键设备和参数作为所述核电厂控制室人机接口设计的输入信息。
7.如权利要求1所述的用于核电厂控制室人机接口设计的综合功能分析方法，其特征是：在所述步骤S5中，分析所述二层功能和所述三层功能的运行需求时，需确定所述二层功能和所述三层功能的以下信息：
信息一：功能的目的；
信息二：功能所需的工况；
信息三：显示功能是否可用的参数；
信息四：显示功能正在运行的参数；
信息五：显示功能正在达到其目标的参数；
信息六：显示功能可以被终止的参数；
以上所述参数作为所述核电厂控制室人机接口设计的输入信息。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112117018B (zh) | 2023-12-22 |
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