基于FR-Sdaso和vPower的示范快堆人機(jī)交互系統(tǒng)開發(fā)

中圖分類號(hào)：TL425 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）20-0038-07

Abstract：Byembedding thesodium-cooled fastreactorsystemprogramFR-Sdaso intothevPower simulation platform，a human-computerinteractionsystemforthe6OOMWDemonstrationFastReactor（CFR6O）wasdevelopedtosupportCFR600 operatingconditionsanalysis，especialltheresearchofcomplexoperatingcondtions，andprovideabasisfor CFR6oooperating conditionsdesign.Thespecialmodelsof sodium-cooledfastreactorssuchasthecore，sodiumpool，steamgenerator，sodiumsodiumheat exchanger，andsodium-airheatexchangeroftheFR-SdasoprogramwereembeddedintovPower，andliquidmetalic sodiumworkingfluidwasaddedtovPower.ThevPowerplatformwasusedtoestablishtheCFR6OOsystemloop（flownetwork） andconventionalislandsystemmodels.Atthesametime，datamanagementandhuman-machineinterfacewererealizedbasedon thevPowerplatform.TheCFR6Oo human-computerinteractionsystemcanbeusedtoanalyze transientacidentprocessesand provide real-time response characteristics.

Keywords： system program; human-computer interaction; FR-Sdaso; vPower; complex operating plan

正在建設(shè)中的CFR600是我國閉式核燃料循環(huán)體系的重要一環(huán)，將推動(dòng)我國核能乃至能源事業(yè)的發(fā)展。

CFR600核島包括堆芯、一回路、二回路和事故余熱排出系統(tǒng)（DHRS）等系統(tǒng)。堆芯采用六角形封閉組件，燃料棒正三角形排列，繞絲定位。一回路采用池式結(jié)構(gòu)，設(shè)2個(gè)環(huán)路，每環(huán)路包括1個(gè)鈉泵、2個(gè)中間熱交換器（IHX）。二回路與一回路對(duì)應(yīng)設(shè)2個(gè)環(huán)路，每環(huán)路包括1個(gè)鈉緩沖罐、1個(gè)鈉泵、8個(gè)蒸汽發(fā)生器（SG）模塊，每個(gè)模塊包括一個(gè)蒸發(fā)器和一個(gè)過熱器。DHRS設(shè)在一回路，包括4個(gè)獨(dú)立的環(huán)路，每個(gè)環(huán)路包括1個(gè)獨(dú)立熱交換器（DHX）和一個(gè)空冷器（AHX），4個(gè)DHX中2個(gè)在熱池、2個(gè)在冷池。常規(guī)島主設(shè)備包括汽輪機(jī)、凝汽器、凝結(jié)水泵、低壓加熱器、除氧器、給水泵、高壓加熱器和循環(huán)水泵等。

CFR600是一項(xiàng)科研工程，包括科研、設(shè)計(jì)和工程建設(shè)。開發(fā)鈉冷快堆系統(tǒng)程序FR-Sdaso（FastReac-torStateDesignAnalysisSoftware）是工程科研的重要內(nèi)容?；谙到y(tǒng)程序開發(fā)人機(jī)交互系統(tǒng)，是協(xié)調(diào)科研、設(shè)計(jì)、施工工作，加快設(shè)計(jì)迭代的重要手段。人機(jī)交互系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和施工階段用于工況分析和設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、人因工程、設(shè)計(jì)變更驗(yàn)證等，將來還可用于人員培訓(xùn)和運(yùn)行技術(shù)支持等。

人機(jī)交互系統(tǒng)基于系統(tǒng)程序和仿真平臺(tái)軟件開發(fā)。仿真平臺(tái)軟件是在電廠操縱員培訓(xùn)模擬機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，目前市場上有GSE、3keymaster、RIN-SIM和vPower等成熟的仿真平臺(tái)軟件。其中vPower由國內(nèi)自主開發(fā)，完全基于圖形建模設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)，具有使用方便、適應(yīng)性好等特點(diǎn)，曾用于高溫氣冷堆示范電站工程模擬機(jī)開發(fā)?；趯?duì)各平臺(tái)軟件優(yōu)勢(shì)的比較，特別是考慮到vPower有新堆型工程經(jīng)驗(yàn)，本文選擇vPower作為仿真平臺(tái)軟件。

相比中國實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR），CFR600采用多模塊SG，允許隔離一個(gè)模塊后繼續(xù)運(yùn)行，人機(jī)交互系統(tǒng)可用于有關(guān)多模塊SG的運(yùn)行工況方案比選以及其他CFR600不同于CEFR的運(yùn)行工況設(shè)計(jì)和分析工作。

相比操縱員培訓(xùn)全范圍模擬機(jī)，CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)基于物理機(jī)理模型開發(fā)，可模擬池式鈉冷快堆核電廠的復(fù)雜運(yùn)行工況。人機(jī)交互系統(tǒng)沒有硬盤臺(tái)，雖然也可以部署在實(shí)驗(yàn)室，但對(duì)主控室的還原不如全范圍模擬機(jī)。人機(jī)交互系統(tǒng)也可以部署在PC機(jī)，應(yīng)用較全范圍模擬機(jī)靈活。

1人機(jī)交互系統(tǒng)建模

1.1技術(shù)指標(biāo)和架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過將FR-Sdaso中的主要模型嵌人vPower平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)vPower平臺(tái)的改造，使其具備鈉冷快堆分析能力?；诟脑旌蟮膙Power平臺(tái)，開發(fā)CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)。

CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)的計(jì)算能力應(yīng)達(dá)到系統(tǒng)程序的水平，在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中主要參數(shù)與設(shè)計(jì)值的偏差應(yīng)低于 1% ，瞬態(tài)計(jì)算中的動(dòng)作響應(yīng)、主要參數(shù)變化趨勢(shì)、斜率、幅度應(yīng)符合理論分析。

CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)由模塊、組態(tài)、界面和數(shù)據(jù)庫組成。模塊是構(gòu)成人機(jī)交互系統(tǒng)的基本單元，也是計(jì)算的最小單元，一般將設(shè)備或部件的模型開發(fā)為模塊。組態(tài)是對(duì)特定模擬對(duì)象建模的成果，根據(jù)仿真對(duì)象的系統(tǒng)構(gòu)成和設(shè)備特性，將各模塊有機(jī)組合成為組態(tài)。組態(tài)相當(dāng)于人機(jī)交互系統(tǒng)運(yùn)行的后臺(tái)。而界面則是人機(jī)交互系統(tǒng)運(yùn)行的前臺(tái)，通過界面展示運(yùn)行數(shù)據(jù)和接收操作指令。

組態(tài)的計(jì)算結(jié)果存人數(shù)據(jù)庫，而界面從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫是溝通組態(tài)和界面的橋梁，居于人機(jī)交互系統(tǒng)的中心位置。

CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，用戶通過界面進(jìn)行操作和獲取數(shù)據(jù)，組態(tài)和模型開發(fā)則由工程師完成。

1.2 堆芯模型

采用點(diǎn)堆模型計(jì)算裂變功率

式中： Φ_t 表示時(shí)間， σ_s;N 為裂變功率， W：ρ 為反應(yīng)性； _?β 為緩發(fā)中子份額； β_i 為第 i 組緩發(fā)中子份額； λ_i 為第 i 組緩發(fā)中子先驅(qū)核衰變常數(shù)， s^-1;C_i 為第 i 組緩發(fā)中子引發(fā)的裂變功率， 為中子代時(shí)間， s;M 為緩發(fā)中子組數(shù)。

衰變功率模型

式中： H_j 為第 j 組裂變產(chǎn)物或錒系元素總量與每次衰 變釋放能量的乘積，J； E_j 為第 j 組裂變產(chǎn)物或錒系元素 份額； λ_j 為第 j 組裂變產(chǎn)物或錒系元素衰變常數(shù)， s^-1 J 為裂變產(chǎn)物或錒系元素組數(shù)。

總功率 P 為裂變功率與衰變功率之和

$ P （ t ） = N （ t ） + ＼sum { ＼ j _ { j = 1 } ＼lambda _ { j } H _ { j } ＼left（ t ＼right） } ＼$

中子學(xué)模型單獨(dú)嵌入vPower構(gòu)成一個(gè)模塊，用于計(jì)算堆芯功率。

忽略燃料和包殼材料的軸向?qū)岷铜h(huán)向?qū)幔剂虾桶鼩さ臏囟确匠毯喕癁闃O坐標(biāo)下擴(kuò)散方程

式中： _：ρ 為密度， kg/m³;c_p 為比熱， J/（kg?K）;T 為溫度， C：t 為時(shí)間， s;r 為徑向坐標(biāo)， m;k 為熱導(dǎo)率，W/（m?K）;q_v 為體積功率， W/m³ ，忽略包殼釋熱，其控制方程中 q_v=0 。

在芯塊表面和包殼內(nèi)外表面均為第三類邊界條件

式中： T_u 為燃料表面溫度， ⁹C;T_ci 為包殼內(nèi)壁溫度， C T_co 為包殼外壁溫度， 為冷卻劑溫度， C_λ;r_u 為芯 塊外徑， m;r_ci 為包殼內(nèi)徑， m;r_co 為包殼外徑， m;k_u 為 燃料熱導(dǎo)率， W/（μ_m?K）;k_c 為包殼熱導(dǎo)率， W/（μ_m?K）;h_g 為芯包間隙換熱系數(shù)， W/（m²?K）;h 為冷卻劑與包殼 對(duì)流換熱系數(shù)， W/（m²?K） 0

燃料元件的換熱也單獨(dú)開發(fā)為一個(gè)模塊，計(jì)算燃料元件內(nèi)的溫度分布。

1.3 控制體和流網(wǎng)

控制體的能量守恒方程

式中： _;ρ 為冷卻劑密度， kg/m³;V 為控制體體積， m³;c_p 為冷卻劑比熱， J/（kg?K）;T 為控制體溫度， C;t 為時(shí)間， s;w 為冷卻劑流量， kg/s;T_in 為流入控制體的冷卻劑溫度， C;T_out 為流出控制體的冷卻劑溫度（等于控制體溫度）， ^C;φ 為源項(xiàng)， W 。

流網(wǎng)由節(jié)點(diǎn)（控制體）和支路組成，基于伯努利方程建立支路方程

式中： P₁，P₂ 分別為支路進(jìn)出口壓力， Pa;ρ 為工質(zhì)密度， kg/m³;g 為重力加速度； Δz 為支路高差， m;w 為流量， kg/s;C 為支路流通能力； 為源項(xiàng)，如泵的壓頭等。

對(duì)上式在 χ_t 時(shí)刻Taylor展開

記

得到支路方程的一般形式

將各支路流量代人節(jié)點(diǎn)連續(xù)方程： ，可得一維流網(wǎng)壓力矩陣，解出流網(wǎng)內(nèi)各點(diǎn)的壓力，從而求出各支路的流量。

1.4 一回路系統(tǒng)

CFR600一回路為池式結(jié)構(gòu)，但是在系統(tǒng)程序和人機(jī)交互系統(tǒng)中，均采用一維流網(wǎng)和分區(qū)模型進(jìn)行簡化，模擬其流動(dòng)換熱，控制體劃分如圖2所示，流網(wǎng)組態(tài)如圖3、圖4所示。

1.5 熱交換器

兩側(cè)均無相變的單相熱交換器控制方程為

式中：下標(biāo)1、2分別表示一次側(cè)和二次側(cè) ?ρ 為密度，kg/m³;c_p 為比熱， J/（kg?K）;A 為流道截面積， m²;T 為溫度， C;t 為時(shí)間， s;w 為流量， kg/s;x 為流動(dòng)方向坐標(biāo)， m;k 為換熱系數(shù)， W/（m²?K）;l 為換熱周長， m 。

SG殼側(cè)為鈉，管側(cè)為水，是典型的管內(nèi)流動(dòng)沸騰過程，基于一維均相流假設(shè)，并忽略工質(zhì)的導(dǎo)熱，建立SG換熱模型

式中：下標(biāo) 分別表示鈉側(cè)和水側(cè)： _;ρ 為密度，kg/m³;c_p 為比熱， J/（kg?K）;A 為流道截面積， m²;T 為溫度， C;H 為焓， J/kg;t 為時(shí)間， s;w 為流量， kg/s;x 為流動(dòng)方向坐標(biāo)， m;k 為換熱系數(shù)， W/（m²?K）;l 為換熱周長， m 。

水側(cè)管內(nèi)流動(dòng)換熱分區(qū)考慮過冷、核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰和過熱4區(qū)，在各區(qū)根據(jù)流量選用適當(dāng)?shù)膶?duì)流換熱關(guān)系式，并采用滑移網(wǎng)格模型求解控制方程。

單相換熱器和SG分別開發(fā)為獨(dú)立模塊。

1.6 二回路系統(tǒng)

二回路系統(tǒng)同樣以流網(wǎng)模擬，組態(tài)如圖5所示。

1.7 常規(guī)島

常規(guī)島系統(tǒng)建?；趘Power模型庫實(shí)施。根據(jù)CFR600常規(guī)島系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖6），建立常規(guī)島系統(tǒng)組態(tài)模型。

1.8控制

通過控制算法，實(shí)現(xiàn)了以功率為目標(biāo)自動(dòng)控制控制棒棒位，以一、二回路流量為目標(biāo)控制一、二回路泵轉(zhuǎn)速，以SG一次側(cè)出口溫度為目標(biāo)控制給水泵轉(zhuǎn)速和給水調(diào)節(jié)閥開度等控制策略。建立了全廠協(xié)調(diào)控制模型，實(shí)現(xiàn)以堆功率或電功率為目標(biāo)全廠，自動(dòng)設(shè)定一二三回路各自的控制目標(biāo)。

1.9界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)界面（畫面）包括機(jī)組總貌、各系統(tǒng)畫面、控制畫面和參數(shù)曲線畫面等各種不同用途的近百幅畫面。接下來選取部分有代表性的做簡要介紹。

圖7是機(jī)組總貌畫面，用于展示全廠主要運(yùn)行參數(shù)，包括堆功率、電功率、堆芯進(jìn)出口溫度和一、二、三回路流量等。

圖8為二回路系統(tǒng)一個(gè)環(huán)路的畫面，圖9為一個(gè)環(huán)路的8個(gè)SG模塊畫面。這兩幅畫面展示了二回路的運(yùn)行狀態(tài)，并可對(duì)二回路泵、二回路上的各閥門進(jìn)行操作。

圖10為控制棒操作畫面，可通過該畫面進(jìn)行控制棒操作。圖11為控制棒棒位顯示畫面。這2幅畫面模仿了硬盤臺(tái)的風(fēng)格，在配備觸屏的條件下，支持通過觸屏的操作。

圖12是全廠協(xié)調(diào)控制畫面，可通過本畫面實(shí)現(xiàn)堆功率、電功率以及3個(gè)環(huán)路的流量協(xié)調(diào)匹配控制，可通過設(shè)置目標(biāo)功率和功率變化速率實(shí)現(xiàn)功率平臺(tái)的過渡。

圖13是參數(shù)曲線畫面，該畫面集中顯示了電廠的運(yùn)行參數(shù)，有多種顯示模式可選，例如，全廠主要參數(shù)、一回路主要參數(shù)、二回路主要參數(shù)及各主要設(shè)備參數(shù)等。

中，反應(yīng)堆功率以 1500MW 為目標(biāo)值，通過PI算法調(diào)節(jié)控制棒棒位作為中子學(xué)模型計(jì)算的輸入；一二回路流量以設(shè)計(jì)值為目標(biāo)值，通過PI算法調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速作為流網(wǎng)計(jì)算的輸入；而給水流量則以SG出口鈉溫為控制目標(biāo)，通過給水泵轉(zhuǎn)速和給水調(diào)節(jié)閥的配合控制給出三回路流網(wǎng)計(jì)算的輸入；蒸汽壓力由三回路流網(wǎng)計(jì)算得到；其他溫度參數(shù)由各模塊熱工計(jì)算得到?？傮w上計(jì)算值與設(shè)計(jì)值符合得很好，誤差小于 1% ，滿足計(jì)算要求。

2 仿真算例

2.1 穩(wěn)態(tài)分析

利用CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)模擬額定功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，主要參數(shù)的計(jì)算值與設(shè)計(jì)值比較見表1。其

2.2 瞬態(tài)分析

利用CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)工況分析，以控制棒失控提升瞬態(tài)為例。初始機(jī)組在額定功率工況運(yùn)行，運(yùn)行參數(shù)見表1，由于控制系統(tǒng)故障或人因失誤造成1根調(diào)節(jié)棒失控提升。為更好地體現(xiàn)人機(jī)交互系統(tǒng)的特點(diǎn)，本例中采用不同于事故分析的序列，不考慮失去廠外電源，也不引入包括非安全級(jí)設(shè)備在內(nèi)的其他設(shè)備故障。這樣，在緊急停堆后，非安全級(jí)供電的設(shè)備仍將繼續(xù)運(yùn)行，電廠進(jìn)入了緊急停堆后通過常規(guī)島排出余熱的工況。相比事故分析中考慮的最不利假設(shè)，這里考慮的工況在電廠的實(shí)際運(yùn)行中更為常見。

圖14給出了堆功率、堆芯流量、功率流量比的變化情況。事故發(fā)生后，堆功率迅速升高，之后觸發(fā)保護(hù)停堆，隨著控制棒落棒，堆功率轉(zhuǎn)而快速降低，一回路泵因保護(hù)聯(lián)鎖惰轉(zhuǎn)到低轉(zhuǎn)速并維持在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

圖15給出了堆芯進(jìn)出口溫度的變化情況。堆芯進(jìn)出口溫差變化規(guī)律與功率流量比趨同。因事故中未失去正常熱阱，堆芯入口溫度一直都保持在低于額定值的水平，并在長期過程中逐漸降低。

圖16給出了二回路流量和給水流量的變化情況。保護(hù)停堆后，二回路泵因保護(hù)聯(lián)鎖惰轉(zhuǎn)到低轉(zhuǎn)速并維持在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行。長期排余熱的過程中，二回路相對(duì)流量高于一回路相對(duì)流量，以維持一回路較好的冷卻狀態(tài)。給水流量以維持SG鈉側(cè)出口溫度 308^°C 為目標(biāo)自動(dòng)調(diào)節(jié)，總體變化趨勢(shì)與二回路流量相同，但在快瞬態(tài)過程中，受系統(tǒng)控制特性呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)特征。

圖17給出了IHX一次側(cè)出口溫度（即一回路冷端溫度）和SG一次側(cè)出口溫度（即二回路冷端溫度，穩(wěn)態(tài)工況還近似等于IHX二次側(cè)入口溫度，瞬態(tài)工況變化超前于IHX二次側(cè)入口溫度）的變化過程。緊急停堆后二回路相對(duì)流量大于一回路相對(duì)流量，使IHX出現(xiàn)過冷卻，表現(xiàn)為一次側(cè)出口溫度向二次側(cè)入口溫度靠近的特征。因?yàn)槎芈凡捎枚髁靠刂?，IHX二次側(cè)入口溫度因緩沖罐的混合作用幾乎不波動(dòng)，所以IHX一次側(cè)溫度變化平緩，沒有明顯的波動(dòng)。SG一次側(cè)出口溫度受給水流量的影響，快瞬態(tài)過程中有明顯的波動(dòng)特征。

這些瞬態(tài)工況下主要參數(shù)變化過程的計(jì)算結(jié)果均符合理論預(yù)期，由此表明，CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)可較好地模擬瞬態(tài)工況。

在瞬態(tài)工況的分析中，本系統(tǒng)可對(duì)用戶的操作做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，在PC機(jī)上運(yùn)行時(shí)，將主程序時(shí)間步長設(shè)置為 250ms ，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算，此時(shí)用戶的所有指令在下一個(gè)時(shí)間步長即可被響應(yīng)。在小型服務(wù)器上可實(shí)現(xiàn)2＼～8倍加速運(yùn)行。

給出的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)算例均為全廠耦合算例，2個(gè)工況的計(jì)算都需要堆芯、一回路、二回路、DHRS、常規(guī)島和控制系統(tǒng)耦合才能實(shí)現(xiàn)，2個(gè)算例的分析覆蓋了人機(jī)交互系統(tǒng)的全部建模范圍。算例中包括了緊急停堆這樣的快瞬態(tài)過程，這一過程的正確計(jì)算，達(dá)到了測試堆芯中子學(xué)、堆芯熱工、一回路熱工水力、二回路熱工水力、常規(guī)島急停和換熱器變工況等單模塊計(jì)算的目的，同時(shí)也測試了模塊間的數(shù)據(jù)傳遞和耦合計(jì)算。計(jì)算結(jié)果符合預(yù)期，達(dá)到了全面測試系統(tǒng)計(jì)算能力的目的。

3結(jié)論

基于鈉冷快堆系統(tǒng)程序FR-Sdaso和仿真平臺(tái)軟件vPower開發(fā)了CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算結(jié)果與CFR600設(shè)計(jì)值對(duì)比以及瞬態(tài)過程計(jì)算結(jié)果都證明，CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)可很好地模擬CFR600穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況。CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，可實(shí)時(shí)交互操作，計(jì)算精度高等特點(diǎn)，在CFR600設(shè)計(jì)、建設(shè)以及將來的運(yùn)行階段都有很好的應(yīng)用。

CFR600人機(jī)交互系統(tǒng)基于用于設(shè)計(jì)和安全分析的系統(tǒng)程序FR-Sdaso開發(fā)，其計(jì)算能力超出傳統(tǒng)模擬機(jī)，達(dá)到了設(shè)計(jì)軟件的水平。本系統(tǒng)發(fā)揮仿真平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，預(yù)制了大量數(shù)據(jù)分析模板，極大地提高了分析效率。本系統(tǒng)集成了系統(tǒng)程序和仿真程序的優(yōu)點(diǎn)，并在方面都達(dá)到了較高的水平。

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