仿真技術(shù)在國(guó)產(chǎn)三代核電控制系統(tǒng)驗(yàn)證的應(yīng)用

王 江， 姜夏嵐， 劉泰麗

（中廣核（北京）仿真技術(shù)有限公司， 廣東深圳 518000）

0 引言

國(guó)產(chǎn)三代核反應(yīng)堆的安全性明顯優(yōu)于第二代核反應(yīng)堆。安全是核電發(fā)展的前提，核電廠的數(shù)字儀控系統(tǒng)（DCS）是核電站機(jī)組運(yùn)行控制的關(guān)鍵，也是安全的保障，核電廠DCS 在測(cè)試和驗(yàn)收階段， 尚未建立與受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)連接，難以暴露與設(shè)計(jì)、人因錯(cuò)誤相關(guān)的問(wèn)題，難以評(píng)估實(shí)際DCS 的準(zhǔn)確性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。本文利用高精度的國(guó)產(chǎn)三代核電廠仿真模型，結(jié)合虛擬DCS 平臺(tái)，研發(fā)了可用于三代核電廠DCS 驗(yàn)證的測(cè)試平臺(tái)，可在機(jī)組調(diào)試啟動(dòng)前實(shí)現(xiàn)對(duì)DCS 的組態(tài)驗(yàn)證，動(dòng)態(tài)性能測(cè)試和邏輯演練。

1 核電廠過(guò)程模型的建立

為實(shí)現(xiàn)足夠的核電廠工藝系統(tǒng)模型精度， 采用高精度熱工水力建模工具來(lái)建立一回路及蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的熱工水力模型，采用三維中子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序進(jìn)行堆芯中子物理模型建模，核島輔助及專設(shè)安全系統(tǒng)則采用流體力學(xué)計(jì)算程序模擬。該模型可模擬核電廠的正常運(yùn)行和各類事故，另外該模型可連續(xù)地向控制系統(tǒng)提供溫度，壓力等各類控制輸入?yún)?shù)， 同時(shí)可接收來(lái)自于控制系統(tǒng)的閥位，開(kāi)關(guān)等各類控制參數(shù)。

1.1 高精度熱工水力模型的建立

高精度熱工水力模型將包括一回路主要部件和蒸汽發(fā)生器二次側(cè)等。 一回路局部模型的模擬見(jiàn)圖1。

圖1 一回路局部模型模擬圖Fig.1 Local model simulation diagram of primary circuit

1.2 三維中子物理模型的建立

堆芯中子物理模型采用三維，兩群，六組緩發(fā)中子空間擴(kuò)散模型進(jìn)行模擬。同時(shí)在模型中考慮了氙釤毒物效應(yīng)、控制棒效應(yīng)、溫度效應(yīng)等，與熱工水力模型形成動(dòng)態(tài)耦合。

1.3 輔助系統(tǒng)及專設(shè)安全系統(tǒng)的建立

流體力學(xué)模型包括化學(xué)容積控制系統(tǒng)、余熱排出、蒸汽排放系統(tǒng)，主給水系統(tǒng)，給水加熱系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)與一回路模型耦合在一起，形成一個(gè)完整的閉環(huán)過(guò)程模型系統(tǒng)。

1.4 工藝模型的仿真能力

該核電廠工藝系統(tǒng)的模型將包括設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，各類瞬態(tài)工況，包括但不限于以下工況仿真范圍與能力：①階躍負(fù)荷變化；②線性負(fù)荷變化；③LOCA 等一回路相關(guān)故障；④給水或蒸汽系統(tǒng)故障。

1.5 仿真平臺(tái)的集成

上述建立的系統(tǒng)都將在專業(yè)仿真平臺(tái)內(nèi)集成和運(yùn)行，平臺(tái)的主要功能包括：①系統(tǒng)故障與設(shè)備故障的調(diào)用和消除；②虛擬仿真驗(yàn)證系統(tǒng)不同工況的切換；③重要參數(shù)的曲線顯示。

2 控制系統(tǒng)的平臺(tái)構(gòu)架設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與分配

儀控系統(tǒng)運(yùn)用虛擬DCS 平臺(tái)環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建，邏輯部分使用組態(tài)工具進(jìn)行組態(tài)。組態(tài)的構(gòu)架、通訊及分布與實(shí)際DCS 完全一致。

操作站同樣構(gòu)建在虛擬DCS 平臺(tái)下，并與實(shí)際操作站保持一致。

虛擬DCS 平臺(tái)與實(shí)際DCS 一樣，提供歷史數(shù)據(jù)庫(kù)功能，以管理歷史數(shù)據(jù)。

2.2 控制系統(tǒng)與過(guò)程工藝系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換

虛擬DCS 與過(guò)程模型的數(shù)據(jù)傳遞方式以控制站為單位通過(guò)內(nèi)存區(qū)整片拷貝的形式進(jìn)行交換。

2.3 第三方儀控系統(tǒng)

第三方儀控系統(tǒng)都將在仿真平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)， 通過(guò)通訊與其他系統(tǒng)耦合連接。

3 被驗(yàn)證控制系統(tǒng)的具體內(nèi)容

核電廠的控制系統(tǒng)主要包括：功率控制系統(tǒng)、冷卻劑平均溫度控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓器壓力和水位控制系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)、蒸汽排放控制系統(tǒng)、給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。 另外還包括專設(shè)安全系統(tǒng)及二回路汽水循環(huán)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)等。

4 仿真驗(yàn)證平臺(tái)的使用與測(cè)試

利用這套仿真驗(yàn)證平臺(tái)， 我們對(duì)國(guó)內(nèi)某三代堆機(jī)組的控制系統(tǒng)中的主要部分進(jìn)行了組態(tài)驗(yàn)證， 邏輯預(yù)演和數(shù)據(jù)分析。通過(guò)測(cè)試上述控制系統(tǒng)，觀測(cè)其系統(tǒng)運(yùn)行及動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并結(jié)合各系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，分析排查了大量因軟、硬組態(tài)設(shè)計(jì)而導(dǎo)致的問(wèn)題， 使得絕大部分組態(tài)設(shè)計(jì)問(wèn)題在機(jī)組實(shí)際啟動(dòng)前得到了有效的處理， 降低了實(shí)際機(jī)組聯(lián)調(diào)階段的風(fēng)險(xiǎn)。

其使用驗(yàn)證包括建立初始工況、比對(duì)控制參數(shù)、進(jìn)行瞬態(tài)工況測(cè)試、數(shù)據(jù)記錄與比對(duì)分析這四個(gè)主要步驟。

本文選取機(jī)組較為典型的瞬態(tài)工況進(jìn)行測(cè)試對(duì)比：

仿真測(cè)試平臺(tái)100%FP 功率運(yùn)行時(shí)跳機(jī)不跳堆；系統(tǒng)手冊(cè)給出的100%FP 功率狀態(tài)下跳機(jī)不跳堆。

可以看到由于主蒸汽流量迅速下降， 多余的熱量來(lái)不及帶出，一回路溫度在初期迅速上升，而后由于控制棒的下插，核功率下降，冷卻劑溫度也慢慢下降并回到整定值。 穩(wěn)壓器水位在初期由于一回路水實(shí)體的升溫膨脹而迅速升高， 而后隨著一回路溫度的下降加上化學(xué)容積控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)而回到整定值。 蒸汽發(fā)生器水位類似于平穩(wěn)降負(fù)荷工況， 在初期因?yàn)檠h(huán)流量的增加而出現(xiàn)大幅下降，而后在給水系統(tǒng)的調(diào)解下慢慢回升，調(diào)節(jié)過(guò)程有很多過(guò)調(diào)，但最終還是能回到穩(wěn)定值。

從圖2 可看出：仿真測(cè)試平臺(tái)的瞬態(tài)曲線與系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)相比總體趨勢(shì)一致，并且在最終穩(wěn)定值上相差無(wú)幾。

圖2 跳機(jī)不跳堆的參數(shù)分析Fig.2 Parameter analysis of trip without reactor trip

5 結(jié)論

利用專業(yè)仿真平臺(tái)， 結(jié)合各專業(yè)仿真計(jì)算工具建立的核電廠工藝系統(tǒng)仿真模型具有足夠的精度， 能夠準(zhǔn)確模擬核電廠的正常運(yùn)行、瞬態(tài)工況、事故工況下的物理變化及相關(guān)參數(shù)的變化，是進(jìn)行儀控系統(tǒng)驗(yàn)證的有效工具和手段。

虛擬儀控系統(tǒng)采用與實(shí)際機(jī)組儀控系統(tǒng)同樣的架構(gòu)和組態(tài)，在進(jìn)行組態(tài)驗(yàn)證的同時(shí)還可對(duì)儀控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證分析，對(duì)于機(jī)組儀控系統(tǒng)的驗(yàn)證具有重要的意義。

該驗(yàn)證平臺(tái)的工藝系統(tǒng)模型主要側(cè)重于國(guó)產(chǎn)三代核電廠的主要工藝系統(tǒng)，與實(shí)際核電廠相比，其仿真范圍還未覆蓋到全廠，通過(guò)系統(tǒng)的擴(kuò)展，增加其他系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)全電廠全范圍的儀控系統(tǒng)驗(yàn)證，這是該系統(tǒng)的改進(jìn)方向之一。