走向核能

虽然可能起步较晚,但是今天核能发电在亚洲增长强劲,自动化供应商在此领域也有着数不清的机会。

    核电工业原本只是电力领域一个较小的分支,现在却正悄然发展。尽管核电在以法国为代表的一些国家已经作为主要能源很多年,但是在其他国家核电的份额和重要性还在逐渐增长之中。这种增长一方面源于对能源需求的日益增加,另一方面也是因为需要控制气候变化、对于削减温室气体排放的紧迫需要。

    世界核能协会(www.world-nuclear.org)预计核能发电功率将从21世纪初的3.7亿千瓦增长到本世纪末的20.5亿千瓦至110.5亿千瓦。而几乎所有在建的核反应堆都在亚洲:中国大陆、日本、印度、巴基斯坦、俄罗斯、伊朗、台湾地区和韩国。亚洲贡献了全部在建53座电站中的47座,占据新增功率的85%。具体来说,世界全部新增功率是5100万千瓦,而亚洲占到了4400万千瓦。中国将占据亚洲新增功率的百分之五十,排在中国后面的是韩国和俄罗斯。图1给出了亚洲新增核电站的位置(可以看到主要集中在中国东南部);而图2描述了各个国家在整个亚洲核电领域的份额。

    正如我们所知,核能发电并不是没有缺陷和危险。但是考虑到气候变化已经成为21世纪主要关注的问题,核能与风能、太阳能、潮汐能和生物质能一起,可以帮助从全球变暖的阴霾中“拯救地球”。

    事实上,核能在过去的一段时间里,看起来形象还没有像煤炭和石油(前者用于热电厂发电,后者主要用于交通运输)那样恶劣。但是,那些经受过切尔诺贝利(乌克兰)和三里岛(美国宾夕法尼亚州)事件的人们,想法可能会有所不同。

    另外最近的一些事件也在拨弄着反对者的神经,比如在伊朗和印度发生的事情。亚洲的核能利用总是喜悦与摩擦并存。这些国家开发核电的意图到底还有什么,实在很难说(当然,这就不是本文可以讨论的问题了)。但是,可以确定的是,在未来的几十年中,亚洲城市很大的用电量将要通过核电来满足。核能行业这些新电站的建设,就意味着自动化厂商在该领域有新项目可做了。不仅仅是在实际的发电过程,所有的上下游工序也都需要自动化服务,比如挖掘、存储和运输、燃料加工与浓缩、燃料棒加工以及最后的废料处理。

能源之路

    如图3所示,核电的生命周期开始于挖掘地壳中的天然铀氧化物(U3O8),将铀元素以六氟化铀(UF6)的方式分离出来,剩下残渣或将其掩埋。

    铀主要以两种同位素的形式存在—铀2 3 5 和铀2 3 8 ( 数字代表原子核中质子的数量),而人们感兴趣的是铀235。六氟化物浓缩意味着将铀235元素浓缩,然后重新转换为二氧化铀(UO2)。浓缩之后的铀含量最多可以增 加到百分之五。贫化铀(浓缩过程中具有铀235和铀238的氧化物中分离出来的)构成了核能当中被称作“混合氧化物燃料”的部分,与之发生反应的是反应堆核废料中的钚元素。将铀235燃料棒放入核反应堆中,核裂变释放的能量把水变成蒸汽,然后蒸汽推动涡轮发电机机组发电。核废料可以被重新处理和当作燃料使用,或者经过硫化之后深埋在岩石当中(避免对周围环境产生核辐射)。

自动化的影响

    1992年,国际原子能机构发布了一份讨论核电厂中的自动化与人员作用的报告。报告宣称,不同国家核电站的自动化程度有所区别,甚至在同一国家内部各个电厂间也不一样。报告也提到,自动化水平的差别源于经济、社会和技术多种因素。

    在最近的20年中,我们已经见证了最为先进的自动化技术在全世界的核电站中普及和标准化,自动化解决方案供应商也已经在全球市场中划分好了各自的领域。尽管驱动核电站对于自动化需求的因素并没有改变,但是它们的重要性和影响力却与日俱增。表1列出了为什么核电站需要时刻考虑自动化控制系统的安装、常规维护、以及升级的五大原因。

    表1在概括核电站实现自动化“原因”的同时,也在叙述项目细节和服务供应商之前,关注了可以“做什么”。基于计算机的操作人员辅助系统,包括信息分析、风险降低与管理系统、诊断系统与过程支持系统等等。这些系统与 操作人员之间实现实时通讯,可以让人们了解核电站内部运营的总体情况。

    一旦有意外的状况发生,或者说安全和控制系统检测出异常(比如温度、流速、压力这些变量超过了安全限),就会立刻采取安全措施,比如反应堆“紧急”互锁。紧急一词,在核电厂中,指的是一旦检测出危险或者故障,在必要时立刻停机。

    监控、记录、汇总、检测、报警和处理,以及核电站中其他的流程和工序,如果员工疏于控制,都可以有选择的使用自动化。正如今天人们所看到的,核电站已经不会像从前那样容易发生流程故障。得益于现代控制技术,核反应堆的稳定性和性价比已经有了显著提升。现在,在一些电厂周围不能设置大型缓冲区的地方,可以使用具有完善安全特性的小型模块化反应堆。

    自动化给核电站带来的主要挑战在于运营和维护。新加坡国立大学的三名科学家Quah、Choy 和Yeo,最近为新加坡和马来西亚这样的国家提出了一套利用核能的可行方案。这些国家现在需要增加现有的发电能力,或者为终将退役的热电厂寻找替代的方案。与此同时,弗若斯特&苏利文公司亚太区副总裁SatishLele在泰国告诉《亚洲控制工程》的记者,越南和印度尼西亚也在全力以赴希望引入核电技术,满足自身工业和人口增长的需要。另外,中国在湄公河上游大力发展水电,致使下游的水电潜力下降,也是这些国家不得不考虑核电的重要原因。

中国是带头大哥

    这句话在最近已经成为至理名言了。无论是在贸易、商业或者工业领域,任何国家想要发展,十之八九都要从中国难以置信的增长中取经。实际也是如此,Lele认为中国将在2030年之前成为核能发电量最大的国家。

    正如前面所提到的,所有在建核电厂的一半,也就是有数百亿瓦的核电装机来自中国。每新增十亿瓦的发电量,平均需要22座新的核电站,但是这在中国看起来很平常,因此她正在成为核电厂自动化解决方案供应商的最大市场。 举例来说,在2008年底,英维思运营管理公司同中国核电工程有限公司签订了一份价值2.5亿美元的合同,为中国浙江和福建的两座100万千瓦级的核电站(压水式反应堆)提供 自动化解决方案。

    英维思获得信任的原因在于, 承诺使用T r i c o n e x 和Foxboro I/A系列产品,提供安全和控制系统集成化技术平台。该平台还将包括这家自动化解决方案供应商先进的反应堆保护系统,具有多项软件和硬件功能。现在北京工作的英维思地区副总裁Tony Ho积极参加了公司与中核的谈判。签订完合同之后,他告诉《亚洲控制工程》:“我们曾经在其他很多核电站使用了不同的技术,但是这却是第一次把这些控制技术与安全、仿真和信息组合在一起,不能不说这是一次突破。”他还强调,向客户进行技术转让,也是赢得合同的关键因素。就在这两家电厂的工作进行当中,英维思又在年中的时候拿到同一家发电企业的又一份合同。这一次,协议的内容是为中国最南端的海南岛两座上65万千瓦压水式反应堆,设计和安装安全与集散控制系统和解决方案。

    英维思的发言人谈到:“通过提供多样化、可升级的集散控制与安全系统,包括先进的数字控制室设计、安全显示单元、优先逻辑模块以及内置在Triconex和I/A系列系统上的深度防护系统,我们满足了中国客户在安全和可用上的要求。”

    当英维思在中国核电市场攻城略地的时候,其他自动化解决方案提供商也同样不会放过这块大蛋糕。艾默生过程管理刚刚从西屋电气手中拿到了两份数百万美元的订单,后者赢得了一份开发两座核电反应堆并试车的合同。艾默生将为在中国三门和海阳的两个电厂中的第一座AP1000型压水式反应堆提供重要的气动Fisher控制阀门。

    西屋电气宣称,该公司选择艾默生的原因在于它的核电阀门经验以及广受认可的控制阀门设计能力。Fisher SS844型阀门将用于AP1000工厂的压水喷洒系统,帮助维持反应堆的冷却温度。该款阀门能够胜任的其他功能特征还包括,设计可以在震后继续工作--能够抵御来自3个轴向6倍重力加速度的震动冲击。

    艾默生的工程师开发了一款专门的球形阀,可以适应有限的空间,同时满足以下三个关键要求:在紧急停机的时候,不借助反应堆冷却泵,通过自然对流实现高效流动,就可以保证冷却效果;在工厂运行时紧密截流,以保证效率;对所有的流动条件都可以进行精准的调节控制。

    艾默生公司Fisher部门核电行业总监 Lionel Kwok 告诉《亚洲控制工程》,世界上超过百分之九十的核电设施都采用这种控制。换句话说,现在有数千台Fisher阀门安装在核电站当中。

    也许是应时应景,中国本土的自动化供应商也开始发力。今年4月,和利时自动化技术公司与中国广东核电集团宣布成立一家新的合资公司—北京广利核公司。这家新的公司得到政府机构—中国国家核能安全管理委员会的首张许 可,获准设计并制造国家的专有孤岛型核电自动化和控制系统。

    和利时公司(亚太区)市场与沟通专员David Teo告诉《亚洲控制工程》,中国现在有53座核反应堆机组在使用和利时的产品,“和利时为核电站计算机系统、传统的孤岛型集散控制性、核电厂配套设施(BOP)、控制仪表和特殊子系统、以及仪表级核能安全控制系统提供定制化的开发。事实上,和利时已经能够为核电站的全生命周期提供专业化的服务。”

    这家新公司的产品已经安装在示范性项目阳江核电站的第四座和第五座反应堆上,我们相信,完全的商业化也会为期不远了。

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