核電廠熱交換器信息管理系統設計與開發

劉曉龍 湯利專 王彤臣

（海南核電有限公司， 海南 昌江縣 572700）

1 核電廠熱交換器信息管理系統設計與開發意義

熱交換器的熱量交換與傳遞能力決定其在核電廠生產系統占據重要地位?；诮涷灇w納總結可知，核電廠設備大致可分為核島設備（承擔熱核反應職責，主要將核能轉變為熱能，是核電廠核心設備）、常規島設備（主要將熱能轉變為機械能、電能，涉及汽輪發電機組、輔助冷卻系統、輔助配電系統、凝結水系統等眾多設備）與輔助系統設備（輔助生產與管理，涉及視頻監控系統、照明系統、環境監測系統、安防系統等眾多設備）[1]。在此三類設備中熱交換器均有分布。因此，核電廠熱交換器數量眾多并在運行期間產生了大量數據，傳統數據信息管理已經無法滿足實際需求，容易出現數據丟失、混淆等問題，不利于熱交換器數據信息在熱交換器性能監測與管理中的運用。

與此同時，核電廠熱交換器運行過程中，隨時間延長，容易產生各種各樣問題，導致核電廠熱交換器性能降低，從而對核電廠安全產生不利影響。例如1980年美國一座海生物核電廠熱交換器出現結垢問題，導致核電廠用水流量不達標，造成生產系統關停；2005年美國一座核電廠因為常規島設備中某熱交換器出現故障，導致含放射性物質的廠用水泄露，造成嚴重污染問題[2]。因此，做好核電廠熱交換器管理工作，減少熱交換器故障發生率，減少熱交換器故障損害現實意義顯著。

核電廠熱交換器信息管理系統的設計與開發，能夠提高核電廠熱交換器信息管理信息化水平，實現熱交換器信息科學整合與高效利用，為熱交換器安裝、調試、維修、保養等工作開展提供充足信息依據。與此同時，核電廠熱交換器信息管理系統的設計與開發，能夠對核電廠熱交換器性能進行全過程動態監測，幫助工作人員掌握熱交換器性能變化，制定設備維修保養策略，從而提高熱交換器管理智能化水平。

2 核電廠熱交換器信息管理系統設計與開發需求分析

核電廠熱交換器信息管理系統建立的關鍵在于信息整合、分析與利用。因此，在對核電廠熱交換器信息管理系統進行設計與開發時，應保證系統滿足如下功能需求：1）收集核電廠所有熱交換器設計信息、制造信息、安裝信息、調試信息、維修信息、保養信息等，保證熱交換器信息管理系統基礎信息充足、真實、全面、準確。2）通過核電廠熱交換器信息管理系統可了解不同熱交換器類型、制造商、制造材料、基本性能（溫度、壓力、電流、工作介質、使用方式、內部結構、設計圖紙等）、所屬機組、所屬系統等信息。3）核電廠熱交換器信息管理系統能夠管理熱交換器運行記錄、故障記錄、維修記錄、養護記錄等。4）核電廠熱交換器信息管理系統能夠根據相關要求結合熱交換器運行情況制定維修養護方案，識別熱交換器運行安全隱患，提出整改意見等，實現核電廠熱交換器信息化、智能化管控。

3 核電廠熱交換器信息管理系統設計與實現方法

3.1 系統架構設計

架構設計是核電廠熱交換器信息管理系統設計開發重點內容，其設計質量與整個系統設計質量存在直接影響。結合設備信息管理系統設計開發經驗，設計運用mockplus、PowerDesigner、SpringMVC、瀏覽器/服務器架構、JavaWeb-LayUI框架等工具與技術進行設計。

3.1.1 軟件架構設計

該系統基于瀏覽器/服務器架構，進行了“表示層——領域層——數據層”三層結構設計。表示層主要用于展示系統能夠實現的功能，是實現人機互動的關鍵所在，位于核電廠熱交換器信息管理系統最外層，改成主要利用JSP技術、HTML技術實現動態展示，其設計圖見圖1。領域層主要用于完成系統業務功能、業務流程操作，位于系統中間位置。數據層主要用于數據庫訪問，可在數據庫中實現核電廠熱交換器相關數據查詢、刪除、更新、修改等操作。

圖1 系統軟件架構中的表示層設計圖

3.1.2 硬件架構設計

系統功能離不開基礎設施支持，為滿足核電廠熱交換器信息管理系統運行需求，需要做好機房設計（包括網絡基礎設施建設、主機服務器配置）與專家咨詢/綜合調度平臺設計（包括存儲備份系統配備、系統軟件配備）。就本次設計的核電廠熱交換器信息管理系統服務器而言，應用服務器、備份服務器等均采用Intel Xeon Silver 4116 12C 85W 2.1GHz 處理器，Windows Server 2008操作系統，見表1。

表 1 核電廠熱交換器信息管理系統服務器配置

3.1.3 網絡架構設計

核電廠熱交換器信息管理系統主要操作系統為Windows Server 2008操作系統，該系統靈活性、穩定性較強，可滿足核電廠熱交換器信息管理系統運行需求。同時核電廠熱交換器信息管理系統兼容其他系統，便于操作者使用。系統網絡設計引入了以太網技術，傳輸協議以傳輸控制/網絡協議為主，同時為保障系統運行安全，在系統中配備了防火墻。

3.2 系統功能總體設計

根據核電廠熱交換器信息管理系統設計與開發需求，提出如下設計思路。

其一，核電廠熱交換器信息管理系統設計采用3層瀏覽器/服務器架構模式，該模式可見客戶端集約化處理，即將核電廠熱交換器信息管理系統絕大部分功能集中到服務器中，實現事務邏輯和計算；核電廠熱交換器信息管理系統與用戶交互可通過Web瀏覽器來實現[3]。核電廠熱交換器信息管理系統的開發、維護與利用更具簡便性、可操作性。以核電廠熱交換器信息查詢為例，可通過系統功能菜單，通過字段輸入、按鈕操作找到所需查詢數據信息，核電廠熱交換器信息管理效率提高。

其二，核電廠熱交換器信息管理系統設計進行功能模塊化設計，該方法功能分區明確且具備可視化顯示特征，對使用者專業水平要求不高，提高了系統適應性，企業員工可通過可視化查詢了解熱交換器及其相關數據信息，并針對性利用信息完成相應工作。

其三，核電廠熱交換器信息管理系統設計集數據查詢、監測、分析功能于一體，以滿足核電廠熱交換器管理需求。

通過系統數據查詢功能，相關人員能夠全面掌握熱交換器各方面信息。該功能的實現主要以數據采集技術、數據挖掘技術、數據庫建立技術為支持，在各項技術合理運用下實現了對熱交換器基礎數據、業務數據、管理數據等采集、整理、保存。

通過系統數據監測功能，相關人員能夠全面掌握熱交換器及其檢測設備運行狀況，及時處理預警、報警反饋，提高熱交換器及其檢測設備運行安全性、穩定性。該功能的實現主要是以熱交換器監測系統、熱交換器及其檢測設備巡檢為支持，核電廠熱交換器信息管理系統可通過其所所記錄的信息，進行故障診斷、維修決策。核電廠熱交換器數量與種類眾多，對一些重要熱交換器應給予重點監測（表2），以免熱交換器故障發生對整個系統造成嚴重影響。與此同時，能夠反映熱交換器運行狀態的參數較多，為保證系統運行流暢穩定，需要對各參數進行分析，從中選擇代表性強的特征參數進行整理分析，如溫度、液位等。此外，設計建立在線數據包與離線數據包，前者于監測系統連接，從監測系統中獲取實時動態數據，后者由工作人員根據巡檢記錄錄入，兩者集中存儲到基礎數據庫中。

表 2 幾種重要熱交換器性能監測對象

通過系統數據分析功能，相關人員能夠全面掌握熱交換器及其監測設備性能變化情況，實現核電廠各類熱交換器傳熱性能變化趨勢預測；核電廠各類熱交換器故障診斷；核電廠各類熱交換器整改意見提出等。該功能的實現以數據計算、預測算法等為支持，通過計算比較運行狀態數據變化、變化趨勢預測分析等，識別與判斷熱交換器可能存在的故障，并進行預警，提出維修建議。

3.3 系統各功能模塊設計

基于功能模塊化設計，核電廠熱交換器信息管理系統將其功能進行科學區分，利用各功能模塊來完成系統應用某一項或某一組功能：1）核電廠熱交換器基礎信息采集與管理，由系統中基礎信息模塊完成?；A信息模塊具備數據采集、數據導入、數據字段定義、數據組織等功能。涉及的管理內容主要包括設備技術參數、結構參數、運行參數、設計功能說明、安裝使用說明、性能實驗程序、制造資料、相關材料與儀表信息等。通過系統能夠完成上述內容查詢、修改、增加、刪除等任務。2）核電廠熱交換器運行數據分析與利用，由系統中數據管理模塊完成。該模塊側重于設備運行過程中產生數據的錄入、整理、分析和利用。涉及的管理內容主要包括監測數據、檢修數據、性能試驗信息、數據完整性檢查數據、日常檢修日志等。例如管理中通過監測數據篩查能夠全面掌握核電廠重要系統中的熱交換器某時間溫度、壓力、水位、流量等性能數據，并生產曲線圖便于工作人員直觀評價熱交換器運行狀況；管理中通過完整性數據分析（表3）對核電廠熱交換運行問題進行判斷，如故障、老化、缺損、腐蝕、堵塞等，并根據判斷結果針對性制定維修養護方案。數據庫設計過程中，為滿足系統需求，設計了很多數據庫表，如用戶信息表、設備表、故障信息表、設備巡檢任務表等。以設備巡檢任務表為例（表4），對巡檢任務編碼、設備名稱、聯系方式、巡檢任務發起時間、巡檢內容、巡檢狀態等進行了描述，id為設備巡檢任務表主鍵，設計字符類型有int類型、varchar類型、datetime類型。核電廠熱交換器信息檢索式與可視化查詢，由信息系統查詢模塊完成。

表 3 熱交換器完整性判斷項（部分）

表 4 設備巡檢任務表（部分）

該模塊為核電廠熱交換器信息獲取提供了多種方式，可滿足管理人員不同數據不同查詢需求。就檢索式查詢而言，管理人員主要通過關鍵詞詞輸入、二維碼掃描等方式查詢所需數據。在基礎信息管理、維修信息管理中該方法較為常用。就可視化查詢而言，管理人員通過移動系統界面中的鼠標位置，觀看熱交換器及其相關管路、儀器儀表、閥門等設備信息，點擊鼠標后能夠進一步獲取設備內容。該方法在設備內外結構信息管理、設備所在系統位置信息管理等中較為常用。為滿足可視化查詢功能，在系統設計開發過程中，利用SolidWork軟件構建了交換器三維模型。具體操作：統計核電廠熱交換器信息（主要由設備供應商提供）；利用SketchUp軟件（3D設計軟件，可滿足多數三維模型構建需求）將SolidWork文件轉換為dae文件，以便WebGL對數據信息進行處理；待文件完成解析、渲染之后形成熱交換器三維數據模型，并于瀏覽器顯示；基于前端框架技術、數據交互技術等運用實現對熱交換器三維模型放大、移動、縮小等操作，便于用戶全面掌握與了解熱交換器基礎信息。以下是3D渲染部分代碼：

//用戶交互插件 鼠標左鍵按住旋轉，右鍵按住平移，滾輪縮放

核電廠熱交換器信息輸出與系統運行安全維護，即核電廠熱交換器信息管理系統能夠根據工作人員相關需求將其所需信息輸出，便于工作人員隨時隨地利用信息進行設備管理。同時系統本身具備安全防護能力，可通過數據備份、權限訪問保障數據安全。

3.4 軟件功能實現

系統平臺框架依托Spring+SpringMVC+MyBatis框架構建；運用數據庫存儲，模式、目錄信息存儲模式存儲系統文件資料；以列表方式進行各級模塊顯示，列表中涉及編號、名稱、備注、地址等信息。

4 核電廠熱交換器信息管理系統日常運行和管理分析

在應用核電廠熱交換器信息管理系統進行設備管理時，相關人員應嚴格遵循系統操作要求，進行規范化操作，以免操作不當引發系統故障，降低核電廠熱交換器管理效率。同時基于核電廠熱交換器信息管理系統管理制度，加強系統日常維護，減少外界因素對系統正常使用的干擾。此外，樹立數據安全意識、系統創新意識，通過數據安全技術合理使用強化系統性能，使其更好地服務核電廠熱交換器信息管理。

5 結論

核電廠熱交換器分布廣泛，做好熱交換器管理工作現實意義顯著。由于熱交換器信息廣泛分布在系統設計、系統調試、系統運行、系統安全、系統維修保養等眾多環節，故障熱交換器管理中如何做好其信息管理，提高熱交換器信息利用價值成為人們關注與思考重點問題。該研究根據核電廠熱交換器信息管理需求建立了操作簡單、應用可靠、界面友好的核電廠熱交換器信息管理系統，科學地運用熱交換器信息數據，為熱交換器管理、監督、維護等工作開展提供了信息，有利于提升熱交換器管理質量和效率。