基于SH_N平臺(tái)的熱功率測(cè)量實(shí)現(xiàn)

藍(lán)海鍵，黨永強(qiáng)，王 剛

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

KME 系統(tǒng)的算法[1]包含熱平衡算法和熱交換算法，以熱平衡算法為關(guān)鍵點(diǎn)，并非所有電站都將熱交換算法通過(guò)KME 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。因此，本文討論的KME 系統(tǒng)算法只涉及熱平衡算法。熱平衡算法主要目的是為了獲取高精度的堆芯功率，堆芯功率是表征反應(yīng)堆特性參數(shù)中一個(gè)非常重要的物理量。對(duì)于一個(gè)反應(yīng)堆，其堆芯功率又有核功率和熱功率之分。核功率和中子通量密切相關(guān)，它是隨著堆內(nèi)中子通量的變化而瞬變的。反應(yīng)堆熱功率即堆芯冷卻劑進(jìn)出口焓差，它受核功率和冷卻劑參數(shù)的影響，跟隨核功率的變化而變化，但是有滯后性。在核電廠首次啟動(dòng)階段，必須對(duì)反應(yīng)堆核功率測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定與刻度，確保反應(yīng)堆核功率的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與控制。在反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行期間，其核功率與熱功率是相等的。堆芯產(chǎn)生多少核功率，冷卻劑也就帶出多少熱功率。但是在事故瞬態(tài)工況下（如彈棒事故），熱功率的變化將跟不上核功率的瞬變，會(huì)有嚴(yán)重的遲滯，此時(shí)的核功率、熱功率是不相等的。由于核功率、熱功率對(duì)于反應(yīng)堆運(yùn)行和事故分析而言是很重要的物理參數(shù)，因而如何用儀表精確標(biāo)定出堆芯的實(shí)際功率，對(duì)于反應(yīng)堆更加經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行，以及更精確地統(tǒng)計(jì)反應(yīng)堆的循環(huán)燃耗有著很大的幫助。

圖1 SH_N平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture of SH_N family

在壓水堆核電站中，由于使用一回路參數(shù)精度相對(duì)低，且計(jì)算方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度逼近，故一回路熱功率算法不能應(yīng)用于校準(zhǔn)核功率。在核電站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及功率緩慢變化期間，一回路與二回路熱力學(xué)參數(shù)穩(wěn)定跟隨，可達(dá)到熱平衡的狀態(tài)，在二回路上計(jì)算到增加的熱量即為堆芯核功率。為了準(zhǔn)確獲取堆芯功率準(zhǔn)確參數(shù)，核電站在二回路蒸汽發(fā)生器入口、出口段均部署了高精度的溫度、壓力，以及流量等傳感器。這些傳感器的結(jié)果經(jīng)過(guò)KME 算法運(yùn)算，即可獲得高精度的計(jì)算結(jié)果。

在過(guò)去受技術(shù)條件限制，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)KME 系統(tǒng)算法時(shí)主要以文本化語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。這種方法實(shí)現(xiàn)的算法無(wú)法在運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)跟蹤中間計(jì)算值，因此電站相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員很難評(píng)估其計(jì)算結(jié)果的正確性。同時(shí)，在新的計(jì)算方案發(fā)布時(shí)，由于文本化語(yǔ)言具有編寫(xiě)方式多樣性、專(zhuān)業(yè)要求高的特點(diǎn)，普通用戶很難及時(shí)跟進(jìn)升級(jí)到最新的計(jì)算方案。根據(jù)過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的開(kāi)發(fā)人員在更新代碼時(shí)也會(huì)由于謹(jǐn)慎而降低升級(jí)效率。本文提出的基于SH_N 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)KME 算法，則可以充分利用其分布式架構(gòu)、圖形，結(jié)合文本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)方案，克服以上問(wèn)題。

1 SH_N平臺(tái)

SH_N 平臺(tái)[2]產(chǎn)品是本公司在SpeedyHold 平臺(tái)中的第三代產(chǎn)品，歷時(shí)3 年升級(jí)研發(fā)的全新通用數(shù)字化儀控系統(tǒng)平臺(tái)。該平臺(tái)由30 種硬件和21 種軟件組成，功能性能滿足核電廠安全相關(guān)控制系統(tǒng)、非安全級(jí)控制系統(tǒng)，及專(zhuān)用控制系統(tǒng)的相關(guān)要求。

SH_N 平臺(tái)搭建的系統(tǒng)主要由操作站、服務(wù)器、工程師站、控制站和網(wǎng)關(guān)組成，采用服務(wù)器冗余、控制站冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余配置，提高系統(tǒng)可靠性和可用率。該系統(tǒng)支持64個(gè)操作站，88 個(gè)控制站，最大支持100000 點(diǎn)。平臺(tái)產(chǎn)品使用開(kāi)放式的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，提供網(wǎng)關(guān)與第三方系統(tǒng)通訊；同時(shí)，提供外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源校時(shí)接口，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)校時(shí)。

SH_N 平臺(tái)的KME 系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)在LEVEL2 層服務(wù)器中，原因?yàn)椴煌穗娬镜臄?shù)據(jù)源不完全一致。如：部分電站為網(wǎng)絡(luò)變量傳輸，部分電站則通過(guò)SH_N 控制站直接采集LEVEL0 傳感器數(shù)據(jù)，也有一些電站將上述兩種方式均采用。在LEVEL2 層設(shè)計(jì)算法可以將各種方式傳遞的參數(shù)匯總并最終傳遞至算法輸入接口，實(shí)現(xiàn)了采集方式與算法開(kāi)發(fā)的隔離。

2 KME系統(tǒng)主要功能

KME 系統(tǒng)主要功能為采集現(xiàn)場(chǎng)二回路、RRI/SEC 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)熱平衡計(jì)算和熱交換計(jì)算，所以應(yīng)包括以下幾部分：

1）設(shè)備管理

KME 系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備的功能、狀態(tài)直觀顯示的能力。功能是指KME 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、算法、自動(dòng)計(jì)算、在線監(jiān)視以及報(bào)表等功能，并支持用戶合理部署這些功能在指定設(shè)備上。狀態(tài)體現(xiàn)于系統(tǒng)狀態(tài)圖功能和報(bào)警功能中，如報(bào)警功能對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備通過(guò)特定算法分析，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的限值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警、寫(xiě)入報(bào)警日志。

2）測(cè)點(diǎn)管理

KME 算法計(jì)算所需的測(cè)點(diǎn)較少，但是由于每年定期試驗(yàn)的臨時(shí)測(cè)點(diǎn)約500 點(diǎn)，因而包含測(cè)點(diǎn)管理功能是很有必要的。測(cè)點(diǎn)管理一方面要實(shí)現(xiàn)離線管理，即將測(cè)點(diǎn)量程、信號(hào)類(lèi)型等不易改變的信息離線組織存儲(chǔ)；另一方面，需要將測(cè)點(diǎn)在線實(shí)時(shí)運(yùn)行的信息及時(shí)準(zhǔn)確展示，如測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量位等。

3）用戶管理

KME 系統(tǒng)需要具備用戶角色、權(quán)限管理能力。KME 系統(tǒng)的用戶角色較多，如系統(tǒng)管理員、操作員、巡檢員等，并需對(duì)這些角色設(shè)置不同的系統(tǒng)使用權(quán)限，以避免人因事故。如巡檢員只具備瀏覽權(quán)限，而不能更改系統(tǒng)的設(shè)置。

4）算法組態(tài)

KME 系統(tǒng)必須具備算法組態(tài)、運(yùn)行的能力。KME 的核心功能是利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算出高精度堆芯功率以及給出熱交換試驗(yàn)結(jié)論。因而需要將熱力學(xué)公式轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行代碼，并經(jīng)過(guò)編譯后在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時(shí)運(yùn)行，以支持報(bào)表等功能的實(shí)現(xiàn)。

5）報(bào)表組態(tài)

KME 系統(tǒng)應(yīng)具備將具體計(jì)算結(jié)果合理組織為報(bào)表的能力，KME 系統(tǒng)本質(zhì)上是電站為了保障機(jī)組可靠運(yùn)行而設(shè)計(jì)的一個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)。為了確保機(jī)組狀態(tài)可持續(xù)追溯，將計(jì)算結(jié)果組織并輸出電子版文件或紙質(zhì)文件是很有效的舉措，所以KME 系統(tǒng)必須具備報(bào)表功能。管理要求的升版是可以預(yù)期的一個(gè)事件，這意味著KME 報(bào)表也可能跟隨發(fā)生變化。因而，KME 系統(tǒng)應(yīng)具備報(bào)表的格式、內(nèi)容等組織能力。

6）自動(dòng)計(jì)算

KME 系統(tǒng)應(yīng)以減少重復(fù)工作量，提高用戶工作效率為設(shè)計(jì)原則。自動(dòng)計(jì)算指在特定時(shí)間、條件下運(yùn)行指定次數(shù)計(jì)算的功能，通過(guò)利用該功能可以節(jié)約用戶操作時(shí)間以及降低具有人因風(fēng)險(xiǎn)的工作時(shí)長(zhǎng)，因而有效地幫助用戶提高了工作質(zhì)量。

7）在線監(jiān)視

KME 系統(tǒng)需要具有便捷的數(shù)據(jù)查閱能力?，F(xiàn)場(chǎng)工況具有多樣性、復(fù)雜性的特點(diǎn)，為了應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜多變的工況對(duì)系統(tǒng)自身功能的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了便捷的在線監(jiān)視功能，如在線數(shù)據(jù)庫(kù)功能可以通過(guò)篩選、搜索等功能，快速獲得指定測(cè)點(diǎn)或測(cè)點(diǎn)組合的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)值、歷史值，并以趨勢(shì)圖形等形式展示、比對(duì)等。此外，還可以通過(guò)算法組態(tài)軟件在線監(jiān)視計(jì)算過(guò)程，如在線計(jì)算過(guò)程值與人工計(jì)算值比對(duì)。

3 KME算法的特點(diǎn)與發(fā)展

KME 算法的關(guān)鍵點(diǎn)是熱平衡算法。水與水蒸汽由于易于獲取、成本低廉，在電力工業(yè)中廣泛應(yīng)用。例如，壓水堆核電站一回路、二回路均以輕水為傳熱介質(zhì)。熱平衡算法從物理角度分析，原理為計(jì)算以水及水蒸氣為熱介質(zhì)的熱力學(xué)系統(tǒng)在交換熱量前后的焓差，從而獲得在熱力學(xué)系統(tǒng)中吸收的熱量。熱平衡算法的核心特點(diǎn)是高精度，在核電站中長(zhǎng)期穩(wěn)定、低成本獲取高精度堆芯功率的方式是利用二回路參數(shù)計(jì)算的熱平衡算法。其次，熱平衡算法的使用工況具有限制性，如電站工況必須達(dá)到熱平衡狀態(tài)，如在瞬態(tài)工況下熱平衡的計(jì)算結(jié)果無(wú)法校準(zhǔn)核功率。一般情況下，按電站規(guī)程升降功率均可滿足應(yīng)用要求（每小時(shí)不超過(guò)額定功率的3%）。

第六屆國(guó)際水蒸氣性質(zhì)會(huì)議成立的IFC（國(guó)際公式化委員會(huì)）制定了計(jì)算水、水蒸氣熱力性質(zhì)公式，行業(yè)內(nèi)簡(jiǎn)稱(chēng)IFC 公式。IFC 公式自成立以來(lái)就不斷迭代升級(jí)，KME系統(tǒng)用戶、設(shè)計(jì)方及供應(yīng)商較為熟知的一個(gè)版本為1967年的IFC 公式，廣泛在各電站的KME 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書(shū)中以“IFC-67 公式”或“67 公式”代指。該公式在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，一直被國(guó)內(nèi)外眾多核電站使用。

1997 年，在德國(guó)Erlangen 召開(kāi)的水和水蒸氣性質(zhì)國(guó)際聯(lián)合會(huì)（下稱(chēng)IAPWS），通過(guò)了由德、俄、英、加等7 國(guó)12 位專(zhuān)家提出的全新水和水蒸氣計(jì)算模型。該模型即現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)使用的IAPWS-IF97 公式。自21 世紀(jì)以來(lái)，大量先進(jìn)的技術(shù)可靠性已得到長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證，并被核電行業(yè)廣泛接受。在這種背景下，KME 算法對(duì)水、水蒸氣熱力性質(zhì)的計(jì)算精度、速度要求也相應(yīng)提高?！?7 公式”的缺點(diǎn)也就逐漸明顯，如精度低、迭代時(shí)間長(zhǎng)、適用范圍窄等。因此，現(xiàn)在核電行業(yè)普遍將KME 算法改為使用“IAPWSIF97 公式”實(shí)現(xiàn)。

4 基于SH_N平臺(tái)設(shè)計(jì)與優(yōu)化KME算法

KME 算法總體原理為能量守恒定律，使用公式（下稱(chēng)熱平衡方程）[3]表示如下：

其中：

WR——反應(yīng)堆堆芯熱功率，（MW）。

WΔPr——其它熱源傳給反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的熱功率（MW），常數(shù)。

Hsi——蒸汽發(fā)生器SGi 二回路出口濕蒸汽比焓，（kJ/kg）。

Qwi——蒸汽發(fā)生器SGi 二回路入口給水質(zhì)量流量，（kg/s）。

Hwi——蒸汽發(fā)生器SGi 二回路入口給水比焓，（kJ/kg）。

Qpi——蒸汽發(fā)生器SGi 二回路排污質(zhì)量流量，（kg/s），已知。

Hpi——蒸汽發(fā)生器SGi 二回路排污水比焓，（kJ/kg）。

n——蒸汽發(fā)生器數(shù)量，已知。

熱平衡方程中，等式右側(cè)存在4 個(gè)未知變量，分別為：Hsi、Qwi、Hwi、Hpi，故需進(jìn)一步分析計(jì)算所需輸入量。依據(jù)IAPWS-IF97 計(jì)算模型，Hsi、Hpi、Hwi由其測(cè)點(diǎn)所在位置的壓力和溫度（溫度在特定情況下可由壓力計(jì)算獲得，見(jiàn)下文描述）通過(guò)公式計(jì)算獲得，即：

如通過(guò)給水壓力、給水溫度作為輸入量，即可獲得給水比焓值。特別地，排污水、蒸汽由于已達(dá)到飽和狀態(tài)，故計(jì)算模型可以不依賴(lài)溫度（溫度由壓力通過(guò)公式計(jì)算獲得）。因此，比焓值的計(jì)算實(shí)際上需要的輸入物理量為給水壓力、給水溫度、蒸汽壓力值。

KME 系統(tǒng)中，測(cè)量給水流量的傳感器通常為孔板流量計(jì)。該傳感器實(shí)際測(cè)量的是給水壓差，通過(guò)傳感器的指定換算方法可以轉(zhuǎn)換為較高精度的給水流量。通常情況下，除了給水壓差仍需要獲得給水密度。在依據(jù)IAPWS-IF97計(jì)算模型中，給水密度由溫度、壓力確定。綜合上述，給水流量計(jì)算模型為：

在傳統(tǒng)的核電站設(shè)計(jì)中，壓力傳感器一般是測(cè)量相對(duì)壓力，因此需要使用高精度大氣壓力表測(cè)量大氣壓力，然后計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)壓力。經(jīng)過(guò)上述的輸入量分析，總結(jié)得到必須的物理測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)表1。

表1 KME算法所需輸入的物理量Table 1 The physical quantity require for KME algorithm

圖2 計(jì)算流程圖Fig.2 Calculation flowchart

從熱平衡方程倒述分析得到輸入物理量的過(guò)程中，KME 算法的計(jì)算過(guò)程也得以體現(xiàn)。行業(yè)內(nèi)也有諸多文獻(xiàn)介紹具體實(shí)現(xiàn)方式，故本文不再贅述。值得注意的是，部分科研工作者的論述僅關(guān)心原理部分提高計(jì)算精度和減少計(jì)算時(shí)間。在工程實(shí)踐中，仍需在這些基礎(chǔ)上增加考慮質(zhì)量位和無(wú)效剔除算法。

質(zhì)量位是指一個(gè)物理量的值是否有效。在重要的工業(yè)應(yīng)用中，每一個(gè)物理量均需帶上質(zhì)量位參與運(yùn)算，行業(yè)內(nèi)典型的原則是無(wú)效的值參與計(jì)算時(shí)，計(jì)算得到結(jié)果也是無(wú)效的。SH_N 平臺(tái)的IO 板卡以及MPU 主控單元可以在采集完成后進(jìn)行初步的分析（如：是否超量程，是否數(shù)據(jù)波動(dòng)毛刺），并賦予采集的物理量一個(gè)質(zhì)量位。因此，在SH_N平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)KME 算法無(wú)需額外開(kāi)發(fā)物理量采集期間質(zhì)量位判斷程序。這一方面降低了開(kāi)發(fā)工作量，另一方面也分解了計(jì)算服務(wù)的負(fù)荷。

無(wú)效剔除算法為求取物理量平均值的前置算法，核心依據(jù)是“3σ 準(zhǔn)則”。具體方式為將連續(xù)采集的某個(gè)輸入物理量取均值和方差，并剔除偏離均值3 倍方差的值，使用剩下的值繼續(xù)執(zhí)行上述步驟，直至沒(méi)有值被剔除或所有值均被剔除。當(dāng)剔除的值數(shù)量到達(dá)指定閾值或所有值均被剔除時(shí)，計(jì)算的平均值無(wú)效。

總結(jié)以上論述，KME 算法包括前置處理、中間量計(jì)算以及堆芯功率計(jì)算。

SH_N 平臺(tái)支持IEC-61131-3 編程語(yǔ)言，本次開(kāi)發(fā)使用ST 語(yǔ)言和FBD 語(yǔ)言結(jié)合組態(tài)的辦法開(kāi)發(fā)。如前置處理和中間量計(jì)算功能使用ST 封裝為功能塊，最后統(tǒng)一使用FBD 組織這些功能塊計(jì)算堆芯功率。由于FBD 為圖形化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，僅關(guān)心計(jì)算原理但不會(huì)編程的用戶也很容易讀懂，具有很好的體驗(yàn)感。用戶通過(guò)SH_N 圖形化在線監(jiān)視，直觀地將手算值與中間量、計(jì)算結(jié)果比對(duì)，評(píng)估計(jì)算更清晰直觀。

5 結(jié)論

基于SH_N 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的算法不僅限于提高精度，還可以在運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)跟蹤中間計(jì)算值，有利于電站相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員評(píng)估產(chǎn)品的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)，在新的計(jì)算方案發(fā)布時(shí)，由于使用圖形化語(yǔ)言編寫(xiě)，普通用戶閱讀效率高；圖形化語(yǔ)言通過(guò)將文本代碼明確劃分功能界限，故在升級(jí)時(shí)也更有利于降低人因錯(cuò)誤，提高正確率。

致謝

本文所述系統(tǒng)的完成，得到了很多業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的指導(dǎo)、支持和幫助。其中，高景斌、鄧喜剛共享了他們的研究成果以及廣利核KME 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的一些勞動(dòng)成果。由于筆者水平有限，本文如有錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批評(píng)指正。