核反應(yīng)堆數(shù)字化仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的研發(fā)

于洋 吳啟濤 蘆韡 郭鳳晨 劉盈

摘 要

本文建立了核反應(yīng)堆數(shù)字化仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，基于RELAP5程序開發(fā)了熱工水力仿真模型，采用Matlab/Simulink工業(yè)組態(tài)軟件構(gòu)建了控制系統(tǒng)仿真模型，采用自主開發(fā)的ModelTool組態(tài)工具開發(fā)了儀控操縱與人機(jī)交互界面，從而構(gòu)成了核反應(yīng)堆數(shù)字化仿真驗(yàn)證系統(tǒng)。降負(fù)荷工況仿真測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)核反應(yīng)堆系統(tǒng)瞬態(tài)工況的仿真分析，并可用于儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證與優(yōu)化。

關(guān)鍵詞

數(shù)字化仿真驗(yàn)證系統(tǒng);仿真模型;核反應(yīng)堆系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP2 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.025

Abstract

The total design scheme of digital simulation validation system for nuclear reactor has been presented.The thermo-hydraulic model was developed based on RELAP5 software，and the control system model was constructed by using Matlab/Simulink software.Instrument control and man-machine interface was established with autonomous developed configuration tool ModelTool.The results of simulation test for load reducing show that the system could perfectly simulate the transient conditions of nuclear reactor system.

Key Words

Numerical simulation validation system;Simulation model;Nuclear reactor system

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真越來(lái)越多地應(yīng)用到核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過(guò)程中。利用計(jì)算機(jī)集成和圖形化技術(shù)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)的聯(lián)合仿真，并將計(jì)算結(jié)果與狀態(tài)參數(shù)直觀地展示給設(shè)計(jì)仿真人員，既可以為設(shè)計(jì)人員提供快捷的工況分析與驗(yàn)證手段，也可為操作員、工程師提供各種仿真培訓(xùn)，應(yīng)用范圍相對(duì)較廣。

在此背景下，本文研發(fā)了核反應(yīng)堆數(shù)字化仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，以RELAP5程序開發(fā)的熱工水力仿真模型為基礎(chǔ)，采用Matlab/Simulink工業(yè)組態(tài)軟件構(gòu)建了控制系統(tǒng)仿真模型，采用自主開發(fā)的ModelTool組態(tài)工具開發(fā)了儀控操縱與人機(jī)交互界面，可用于儀控等系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證與優(yōu)化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

考慮到跨平臺(tái)仿真運(yùn)行環(huán)境，本文建立的核反應(yīng)堆數(shù)字化仿真驗(yàn)證系統(tǒng)采用分布式仿真框架，各獨(dú)立軟件可在不同的仿真環(huán)境下運(yùn)行，通過(guò)實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)各專業(yè)軟件的數(shù)據(jù)交互，整體構(gòu)成核反應(yīng)堆數(shù)字化仿真驗(yàn)證系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行，不同模塊之間由系統(tǒng)引擎驅(qū)動(dòng)、同步控制及數(shù)據(jù)通信，且均采用與實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)庫(kù)相匹配的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，易于軟件功能的擴(kuò)展。根據(jù)計(jì)算機(jī)的硬件配置情況，各獨(dú)立軟件可在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，也可以分布在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

本系統(tǒng)的部署主要包括以下幾個(gè)部分：仿真顯示與用戶交互界面SimView、調(diào)度控制程序SimAgent、遠(yuǎn)程控制代理程序RemoteAgent，以及用于仿真計(jì)算的各個(gè)獨(dú)立軟件，其部署信息如圖1所示。

SimView是系統(tǒng)的用戶交互終端，實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的可視化展示與用戶控制指令的交互;SimAgent是系統(tǒng)的調(diào)度控制程序，主要用于對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的總體控制，處理用戶界面的指令、交互數(shù)據(jù);RemoteAgent用于對(duì)一些因?yàn)檫\(yùn)行環(huán)境的原因必須部署在與SimAgent部署在不同計(jì)算機(jī)的仿真軟件的管理和控制。SimView、SimAgent、RemoteAgent三者之間以網(wǎng)絡(luò)報(bào)文形式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，各仿真軟件的運(yùn)行狀態(tài)控制與數(shù)據(jù)傳遞也以網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的形式進(jìn)行。

在仿真軟件集成方面，采用RELAP5程序開發(fā)了熱工水力仿真模型，采用Matlab/Simulink工業(yè)組態(tài)軟件構(gòu)建了控制系統(tǒng)仿真模型，采用自主開發(fā)的ModelTool組態(tài)顯示工具開發(fā)了儀控操縱與人機(jī)交互界面。

1.1 熱工水力仿真模型

本文采用RELAP5程序?qū)崿F(xiàn)熱工水力仿真模型的開發(fā)。熱工水力仿真模型主要用于提供核反應(yīng)堆系統(tǒng)運(yùn)行的熱工水力參數(shù)和閥門開啟狀態(tài)、泵轉(zhuǎn)速等設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)接收控制系統(tǒng)仿真模型及人機(jī)交互界面反饋的控制信號(hào)。

本文對(duì)RELAP5程序的數(shù)據(jù)接口與控制流程進(jìn)行了改造，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度控制程序?qū)ELAP5的靈活控制。另外，基于自主開發(fā)的RELAP5圖形化建模工具，如圖2所示，采用圖形化（非文本）、組態(tài)化的建模方式輸入?yún)?shù)，通過(guò)可視化拖拽的方式將圖元組合起來(lái)形成反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)的熱工水力仿真模型。建模工具自動(dòng)將圖形化的建模信息解析轉(zhuǎn)換為文本輸入卡，并以可視化的形式對(duì)系統(tǒng)模型的節(jié)點(diǎn)劃分進(jìn)行檢查，避免純文本操作易出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

1.2 控制系統(tǒng)仿真模型

本文通過(guò)OPC通訊協(xié)議集成Matlab/Simulink工業(yè)組態(tài)軟件來(lái)構(gòu)建控制系統(tǒng)仿真模型，包括反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓器壓力和水位控制、蒸汽發(fā)生器給水控制、蒸汽旁排控制，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)核反應(yīng)堆系統(tǒng)的主要控制功能。

以反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，后臺(tái)通訊程序通過(guò)Matlab引擎將RELAP5程序的輸出數(shù)據(jù)（包括反應(yīng)堆進(jìn)出口溫度、蒸汽流量及反應(yīng)堆功率等）輸入到Matlab的工作空間，反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型運(yùn)行后，首先從Matlab工作空間讀取輸入?yún)?shù)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，進(jìn)入到控制系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行控制仿真運(yùn)算，得到控制輸出（控制棒移動(dòng)速度）并寫入到Matlab工作空間，后臺(tái)通訊程序通過(guò)Matlab引擎將數(shù)據(jù)傳給RELAP5程序，形成閉環(huán)的仿真運(yùn)算，如圖3所示。

1.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面主要用于監(jiān)視核反應(yīng)堆系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和控制參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)重要閥門、泵等部件的操作。

本文采用自主開發(fā)的組態(tài)工具M(jìn)odelTool繪制人機(jī)交互界面，在組態(tài)工具中集成了反應(yīng)堆流體系統(tǒng)的組件庫(kù)，例如壓力容器、閥門、蒸汽發(fā)生器等，如圖4所示，通過(guò)拖拽的方式添加顯示組件，并對(duì)組件進(jìn)行連接。組態(tài)工具根據(jù)用戶操作建立的場(chǎng)景生成場(chǎng)景配置文件，場(chǎng)景配置以XML格式進(jìn)行存儲(chǔ)，規(guī)定了組件的大小、位置等顯示信息，以及設(shè)備組件與仿真數(shù)據(jù)的綁定。顯示系統(tǒng)解析場(chǎng)景配置，根據(jù)組件信息生成顯示對(duì)象，并根據(jù)組件的數(shù)據(jù)綁定信息對(duì)組件顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，最終形成完整的人機(jī)交互界面，如圖5所示。

2 工況測(cè)試結(jié)果分析

本文采用快速降負(fù)荷工況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。該瞬態(tài)工況為？類工況，當(dāng)t=200s時(shí)，外負(fù)荷由100%FP快速線性降低至60%FP，反應(yīng)堆功率變化由儀控系統(tǒng)Matlab/Simulink建立的反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。工況部分測(cè)試結(jié)果如圖6-圖7所示。

快速降負(fù)荷會(huì)引起一、二回路溫度和壓力的大幅度變化。在瞬態(tài)過(guò)程中，反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤外負(fù)荷變化。在200s時(shí)刻，由于外負(fù)荷下降，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)出口蒸汽流量減少，一、二回路熱能失去平衡，一回路系統(tǒng)向二回路系統(tǒng)的傳熱能力降低，二回路溫度和壓力上升，因而一回路溫度和壓力也略有升高。隨后，在反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用下，反應(yīng)堆功率開始下降，一、二回路溫度和壓力也開始降低。同時(shí)，由于一回路溫度和壓力的變化會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器電加熱器的投入和切除。最終一、二回路溫度和壓力會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。

3 結(jié)束語(yǔ)

核反應(yīng)堆數(shù)字化仿真驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)的聯(lián)合仿真，完成了主要控制系統(tǒng)的控制功能和降負(fù)荷瞬態(tài)工況仿真測(cè)試，為實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的快速評(píng)估、驗(yàn)證與優(yōu)化提供了技術(shù)手段。

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