目前，美國的核能行業(yè)正在經(jīng)受一場經(jīng)濟危機。很大程度上受整個能源市場技術(shù)中斷的影響，美國一些公用事業(yè)公司只能選擇過早關(guān)閉一些核電站，因為這些電廠在其服務(wù)的地區(qū)不再具有競爭力。很多其他核電廠也處于同樣的危險中。

近期，公用事業(yè)服務(wù)聯(lián)盟(USA)發(fā)起了一項雄心勃勃的倡議：先進遠程監(jiān)控和診斷服務(wù)項目(ARM)。

ARM介紹

ARM讓人們看到，通過應(yīng)用先進技術(shù)來改變核心業(yè)務(wù)流程，可以保持美國的核能產(chǎn)業(yè)地位。公用事業(yè)服務(wù)聯(lián)盟總裁兼首席執(zhí)行官約翰·克里斯滕森(John Christensen)說：“公用事業(yè)服務(wù)聯(lián)盟地位獨特，不僅幫助公用事業(yè)會員單位，而且致力于與核行業(yè)每個人分享經(jīng)驗和機會。我們一損俱損、一榮俱榮”。

公用事業(yè)服務(wù)聯(lián)盟是一個非營利性合作組織，它的使命是降低運營和維護成本，提高安全性和運營性能，并在核電行業(yè)內(nèi)提供創(chuàng)新和組織領(lǐng)導(dǎo)能力。成員包括8家核能單位，運營14個反應(yīng)堆，總發(fā)電裝機容量超過15000MW。

作為ARM工業(yè)示范的一部分，聯(lián)盟的4家公用事業(yè)領(lǐng)域成員單位正在與國家實驗室、科學(xué)技術(shù)人員和先進技術(shù)人員一起，研究、開發(fā)和部署多個設(shè)施中先進的監(jiān)控解決方案。這項工作將能夠通過智能機器學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)自動化的數(shù)據(jù)收集、分析和異常檢測。該項目還旨在展示將這些新功能集成入一個集中的、24-7的遠程監(jiān)控和診斷(M&D)中心的價值。

愛達荷州國家實驗室(INL)是這一倡議的關(guān)鍵合作伙伴。INL的團隊正在領(lǐng)導(dǎo)與開發(fā)智能軟件工具相關(guān)的研究活動，這些工具將有助于電廠遙測分析，并識別出需要人們關(guān)注的不尋常情況。INL還負責(zé)在被選定的大學(xué)中正在進行的與項目相關(guān)的研究活動的協(xié)調(diào)和監(jiān)督。美國能源部DOE輕水反應(yīng)堆可持續(xù)發(fā)展項目主任布魯斯·哈爾伯特(Bruce Halbert)說：“提高核電站運行的經(jīng)濟競爭力對于確保核電站長期運行非常重要。由USA領(lǐng)導(dǎo)的這些項目將使國內(nèi)核電行業(yè)能夠采用先進技術(shù)，在當(dāng)前和未來的能源市場上都保持競爭力”。

ARM聚焦于行業(yè)轉(zhuǎn)型和實際運行的現(xiàn)代化。許多長期性的核領(lǐng)域工作，如電廠健康監(jiān)測、設(shè)備檢查和與合規(guī)性相關(guān)的活動，都是在互聯(lián)網(wǎng)、無線通信和智能軟件系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用之前設(shè)計好的。這些遺留下來的流程，雖然高效，但也很復(fù)雜，需要投入大量昂貴的人力資源來管理。通過應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)對這些過程進行轉(zhuǎn)換，提供了提高效率、消除人因錯誤和降低運營成本的機會。通過演示如何實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)型，在標準化、自動化和集中化三個基本原則下，ARM進行研究、設(shè)計和開發(fā)活動。以下是這些原則在ARM各種項目交付的成果中的應(yīng)用說明。

NuSuite

通過核電站活動的標準化、現(xiàn)代化和合規(guī)化，可以降低運營成本。NuSuite是一個共享的服務(wù)軟件平臺，能夠托管重新設(shè)計各種技術(shù)的業(yè)務(wù)流程。ARM項目正在開發(fā)該平臺的基礎(chǔ)原型。在平臺內(nèi)將固化一套標準化的業(yè)務(wù)應(yīng)用程序，稱為模塊。在ARM范圍內(nèi)正在開發(fā)的每個子層項目都將托管在對應(yīng)的唯一模塊中。每個模塊將由用戶界面、記錄管理系統(tǒng)、計算算法和基于基本原理和智能預(yù)測的分析方法組成。

只要可行，該平臺就會設(shè)計為開源的;可擴展的;USA 成員單位共同擁有的。圖1概述了NuSuite的目標功能。

業(yè)務(wù)流程轉(zhuǎn)換

業(yè)務(wù)流程轉(zhuǎn)變將通過擴大電廠監(jiān)控和分析能力來進行。這包括部署各種現(xiàn)場傳感技術(shù)、通信系統(tǒng)和先進算法，并有8個試點項目進行支持。這些項目最初是根據(jù)一個工業(yè)工作組評估遠程監(jiān)測技術(shù)潛在經(jīng)濟效益后選擇的，作為NEI贊助的提供核承諾倡議的一部分。ARM項目旨在示范這些技術(shù)，開發(fā)一種綜合的衡量方法，并評估潛在的投資回報。

減少操作員巡視

操作人員花了大量的時間進行電廠的各種巡視和檢查，主要目的是簡單地驗證電廠條件與預(yù)期的一致性。采用何種技術(shù)是完成這些任務(wù)的關(guān)鍵，能夠使運營者將操作人員的時間投入在更有價值的活動上。該項目的目標是通過在整個電廠中部署先進的現(xiàn)場傳感技術(shù)來減輕運營者的負擔(dān)。這些傳感器包括視頻、音頻、溫度、濕度、輻射、振動、煙霧和氣體。自動測量的記錄和傳輸需要結(jié)合電廠既有的網(wǎng)絡(luò)與無線寬帶。當(dāng)電廠環(huán)境中的某個信息超過了既定的閾值時，這個NuSuite模塊將產(chǎn)生警報，提醒監(jiān)測站需要調(diào)查和派遣必要的人員。

自動合規(guī)性檢查——分時監(jiān)控

該項目通過消除電廠操作員人工進入100多個房間和區(qū)域，讀取當(dāng)?shù)啬M儀表并執(zhí)行技術(shù)規(guī)范要求的檢查的必要性，展示了提高效率的能力。通過在這些區(qū)域安裝無線傳感器，就不需要再進行手動收集和讀數(shù)。自動測量的數(shù)據(jù)將通過電內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。監(jiān)控將由控制室人員根據(jù)要求啟動。激活后，該NuSuite模塊將觸發(fā)數(shù)據(jù)收集，執(zhí)行分析以驗證是否滿足驗收標準，然后生成監(jiān)控報告，準備進行監(jiān)督審查和批準。

消防補救措施

該項目的目標是消除昂貴的手動介入和專用的火災(zāi)監(jiān)視系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而實施自動檢測系統(tǒng)。利用先進的傳感技術(shù)與人工智能相結(jié)合，該移動系統(tǒng)將能夠在需要時識別出被監(jiān)測地區(qū)新出現(xiàn)的火災(zāi)，作為補救措施的一部分。該系統(tǒng)的人工智能算法，通過INL開發(fā)，將區(qū)分實際火災(zāi)和某些常規(guī)活動，比如焊接或研磨這一類維護活動。一旦NuSuite模塊識別到潛在火災(zāi)，系統(tǒng)將通過廠內(nèi)無線系統(tǒng)生成警報和通知，并發(fā)送到專門的監(jiān)控中心

熱效率和循環(huán)損失

這種新功能取代了定期拆卸和測試，以近乎實時的方式實現(xiàn)熱損失的識別、量化和糾正。沿著排水線和其他可能的泄漏路徑，在整個電廠BOP系統(tǒng)安裝無線傳感技術(shù)。結(jié)合在線熱效率計算，這將編碼在該項目的NuSuite模塊中，能夠近實時識別能源損失，包括位置、嚴重程度和經(jīng)濟影響信息。當(dāng)檢測到效率損失時，警報將被傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心進行評估和啟動糾正措施。

過程異常檢測

該NuSuite模塊將利用INL開發(fā)的人工智能來檢測核電站運行中出現(xiàn)的異常。該系統(tǒng)將區(qū)分儀器問題和電廠實際的工藝變化，從而能夠?qū)﹄姀S資產(chǎn)健康狀況或任何潛在的傳感器錯誤問題進行早期評估。警報將被生成并傳輸?shù)揭粋€遠程監(jiān)控中心。

變壓器健康狀況監(jiān)測

結(jié)合INL開發(fā)的智能算法，使用在線溶解氣體分析儀，通過該NuSuite模塊持續(xù)監(jiān)測電力變壓器的健康狀況，當(dāng)識別出不利于變壓器條件時，預(yù)后警報傳輸?shù)竭h程監(jiān)測中心。這個特殊的項目提供了一個視角，即通過技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)服務(wù)的集中如何轉(zhuǎn)型部件和系統(tǒng)健康方案。

24-7的M&D服務(wù)

為了展示集中式研發(fā)服務(wù)如何幫助提高電廠的安全、發(fā)電和可靠性，同時降低電廠的整體運營成本，作為ARM項目的一部分，Luminant公司的電力優(yōu)化中心(POC)正在為Columbia、Susquehanna和Comanche Peak提供24-7的先進M&D服務(wù)。

POC還在擴大能力，以優(yōu)化先前其他電廠的相關(guān)項目，并提供咨詢，來支持開發(fā)每個項目的NuSuite模塊。該項目在這方面有一個突出效果，示范了集中設(shè)計和技術(shù)服務(wù)的機會。當(dāng)擴大規(guī)模后，這種方法可以相當(dāng)有意義地降低運營成本。“具體的技術(shù)試點是這個項目的核心，但很明顯，監(jiān)測和診斷服務(wù)也對我們的成員提供了很重要的價值。我們相信這項服務(wù)是錦上添花，并在短期內(nèi)付費”，Christensen 說。

POC已經(jīng)運行了超過15年，目前正在為全國各地的50多個發(fā)電廠提供服務(wù)，包括煤炭、天然氣、核能、太陽能和電池存儲設(shè)施。

迄今為止取得的進展

隨著ARM項目進入第二年，設(shè)計優(yōu)化正在進行，設(shè)備正在安裝，與潛在技術(shù)供應(yīng)商的會議正也在進行中。在INL，研究和開發(fā)活動正在全面就緒，數(shù)據(jù)科學(xué)家正在評估支持NuSuite模塊開發(fā)的智能算法的最佳方法。

在Comanche Peak還建立了一個原型實驗室，現(xiàn)場有各種類型的現(xiàn)場傳感器、通信設(shè)備，專家技術(shù)人員和電廠人員正在建造要部署的系統(tǒng)。POC已成功地為哥倫比亞發(fā)電廠提供了全面的24-7研發(fā)服務(wù)。POC還致力于系統(tǒng)設(shè)置、先進的模式識別模型和安全的網(wǎng)絡(luò)接口，為短期內(nèi)進入Susquehanna 蒸汽電廠做準備。

未來的道路

ARM早期的成功正在吸引整個行業(yè)其他人的注意，包括潛在的研究合作伙伴、供應(yīng)商和各種行業(yè)組織。具體說USA，在最近的董事會會議上，所有八名公用事業(yè)公司的成員都同意通過協(xié)作制定第二階段DOE撥款申請的提案。第二階段的范圍包括擴大ARM最初開發(fā)的工具，業(yè)務(wù)流程進一步自動化(包括使用無人機和機器人技術(shù))，以及擴展固有的NuSuite平臺。“這個ARM項目第一階段的成功和價值，已經(jīng)向我們的董事會證明，我們可以成功地管理和實施這樣的大型、協(xié)調(diào)的項目。這種信心激發(fā)了團隊在項目第二階段的活力，這將進一步驅(qū)動我們的成員以及為行業(yè)中的其他人創(chuàng)造價值”，克里斯坦森說。

正如挑戰(zhàn)階段的常見情況一樣，作為ARM項目一部分，得到示范的團隊合作，代表了核電行業(yè)的最佳狀態(tài)。通過ARM和其他行業(yè)的努力，我們將成功地保持我們的經(jīng)濟競爭力，并維護核能對我們國家和全人類的內(nèi)在利益。