張高劍　張超

摘 要：為石島灣核電站HTR-PM示范工程設計的工程仿真系統(tǒng)（ESS）基于仿真平臺vPower，可作為操作人員的初始培訓、控制系統(tǒng)和操作規(guī)程的驗證等，除了電子保護系統(tǒng)外，ESS還建立了全尺寸動態(tài)模型。ESS能準確模擬HTR-PM的啟動、停機、正常運行和事故。介紹了ESS的組成、一回路、堆芯建模、控制系統(tǒng)和主控室仿真。

關鍵詞：HTR-PM;工程仿真系統(tǒng)（ESS）;堆芯建模;控制系統(tǒng);主控室仿真

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0136-04

Research on engineering simulation system based on nuclear power plant HTR-PM

Abstract： The engineering simulation system （ESS）， designed for the demonstration project of HTR-PM in the Shidao Bay Nuclear Power Station， can be served as initial training of the operators， verification of the control system and operational procedures， etc. Based on vPower， the simulation platform， the ESS has established a full-scale dynamic model except the electronic protection system. The ESS can accurately simulate the start-up， shutdown， normal operations and accidents of the HTR-PM. In this paper， the authors introduced the ESS components， primary loop， reactor core modeling， control systems and main control room simulations.

Key words：? HTR-PM;Engineering Simulation System （ESS）;core modeling; control system;simulation of main control room

HTR-PM常規(guī)島熱力系統(tǒng)由凝汽器、主給水系統(tǒng)、再生抽汽系統(tǒng)、加熱器疏水放氣系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、電廠循環(huán)水和開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)組成，HTR-PM采用風冷發(fā)電機，并配置輔助系統(tǒng)、變電站和廠外供電系統(tǒng)、化學系統(tǒng)、消防系統(tǒng)以及相應的BOP系統(tǒng)[1-2]。兩臺反應器共用一套啟停系統(tǒng)進行順序啟停[3]。HTR-PM采用集中控制方式，全廠設置一個主控室，采用統(tǒng)一的設計、樣式和設備-機器接口，實現(xiàn)運行過程中對反應堆、汽輪機和發(fā)電機的全數(shù)字監(jiān)控[4-5]。

1 系統(tǒng)配置

1.1 ESS硬件系統(tǒng)配置

作為一個多功能工程模擬器，ESS并不是簡單地復制HTR-PM主控室如圖1所示。ESS可用于培訓、控制系統(tǒng)驗證和其他目的。

在ESS控制室內有一套投影墻系統(tǒng)，用于建模概覽面板和其他輔助顯示。投影馬賽克墻由2×6個由高性能PC和多屏幕控制器控制。主控制臺的尺寸與HTR-PM相同[6]。配備7套操作員站，每個操作員站有2個24英寸顯示器?？蓪?號反應堆、常規(guī)島和2號反應堆以及應急電源系統(tǒng)控制盤、火災報警盤等主控室設備進行監(jiān)控。

1.2 仿真支撐系統(tǒng)

ESS以vPower為建模和運行管理平臺，提供了一個集成的工作環(huán)境。vPower通過統(tǒng)一接口提供電廠仿真系統(tǒng)建模的各種功能，包括操作員站、熱工流體網(wǎng)絡建模、電網(wǎng)系統(tǒng)建模、控制邏輯系統(tǒng)組態(tài)等，vPower提供開放的二次開發(fā)接口，因此，HTR-PM的特定模塊算法可以無縫嵌入到系統(tǒng)中[7-8]。系統(tǒng)還具有多任務調度的能力。不同系統(tǒng)的模型可以用不同的并行任務來定義，也可以用實時計算來定義。

2 反應堆堆芯模型

核島一回路是核電站的核心系統(tǒng)。核電站仿真的逼真度主要受堆芯仿真精度動態(tài)特性的影響。由于以往的研究中已經(jīng)描述了發(fā)電機的建模，因此如何構建高精度的HTR-PM雙電抗器模型是本文討論的ESS項目的關鍵問題。HTR-PM堆芯由單區(qū)堆芯、石墨反射器、碳磚絕緣體（由內向外）組成。球形燃料元件將通過堆芯頂部的進料管向反應堆內填充，進料過程將在進料管下方形成一個燃料錐。因此，反應堆堆芯上方有一個備用空間。燃料元件將通過活動區(qū)底部的卸載管卸載。活動區(qū)高度11 m，卸油管直徑500 mm。第二停堆系統(tǒng)為8根控制棒和22套吸收球停堆系統(tǒng)（每套2個通道）。石墨反射層中有30個冷氦通道[9-10]。

如圖2所示，HTR-PM的主要氦氣回路是：主氦氣扇向反應堆壓力容器輸送250 ℃的氦氣，通過壓力容器底部的氦氣室，然后在石墨反射器中最多有30個冷卻劑通道;會聚在冷氦真空室中，主氦從上向下流過卵石床并帶出熱量。在750 ℃下完全混合的氦被轉移到蒸汽發(fā)生器。在與二次回路中的水進行熱交換后，冷氦通過主氦風扇再次返回反應堆堆芯，從而形成氦的閉環(huán)。

為了準確地獲得HTR-PM的動態(tài)特性，需要實時計算氦氣流量、固體結構溫度和中子通量分布，由于固體結構的溫度變化率與氦氣流量和壓力變化率相比很小，因此分別對傳熱網(wǎng)絡和流體網(wǎng)絡進行了計算[11]。在每個時間步中，流體網(wǎng)絡首先求解流體節(jié)點的壓力和流量分布，然后由傳熱網(wǎng)絡計算傳熱節(jié)點的溫度。換熱節(jié)點的新溫度將影響下一時間步的流體網(wǎng)絡結果。在動態(tài)過程中，傳熱網(wǎng)絡和流體網(wǎng)絡交替計算。

流體網(wǎng)絡和傳熱網(wǎng)絡的計算都是基于集總參數(shù)法，但高溫氣冷堆的溫度分布計算需要得到卵石區(qū)域的整體分布，為了簡化網(wǎng)絡設計，將參數(shù)相近的部分分離為一個特定的單元。ESS采用三維圓柱多群擴散方程求解燃料球的功率分布。在反應堆物理計算中，采用流動與傳熱網(wǎng)絡計算的溫度分布來更新界面[12-15]。同時，將由物理計算得到的功率密度分布傳遞到傳熱網(wǎng)絡中，作為能量平衡方程中的熱源輸入。物理計算和傳熱網(wǎng)絡計算將交替進行，圖3所示為ESS堆芯模型計算。

由于1#堆和2#堆氦氣網(wǎng)絡作為一個緊密耦合的系統(tǒng)通過氦氣凈化系統(tǒng)連接，反應堆固體結構的溫度會影響氦氣的流動特性，實際的ESS計算任務分配與1#和2#反應堆傳熱計算位于同一個過程中。該過程將同時計算1#和2#堆芯、蒸汽發(fā)生器和輔助氦處理系統(tǒng)，以確保完美的收斂性和穩(wěn)定性。

熱網(wǎng)網(wǎng)格和物理網(wǎng)網(wǎng)格是獨立劃分的，ESS項目提供了專門的接口模塊來連接模型的兩部分。接口模塊將對網(wǎng)絡的這兩部分進行預處理，并根據(jù)它們的網(wǎng)格傳輸具體的信息流（溫度和流量）。根據(jù)目前的實現(xiàn)模型，物理網(wǎng)絡比熱傳遞網(wǎng)絡具有更密集的網(wǎng)格。這意味著一個傳熱網(wǎng)絡節(jié)點可能包含多個物理網(wǎng)絡節(jié)點。接口模塊計算傳熱網(wǎng)絡節(jié)點幾何空間內的熱功率，然后將熱功率傳遞給相應的傳熱網(wǎng)絡節(jié)點。熱節(jié)點根據(jù)氦氣狀態(tài)計算溫度分布，并將計算出的溫度傳回物理網(wǎng)絡。這個過程周期性地重復。

3 結果

在建立了仿真模型后，用設計數(shù)據(jù)（包括穩(wěn)態(tài)和一些瞬態(tài)）進行了驗證。在穩(wěn)態(tài)條件下，在進口溫度和進口壓力與設計值相等的情況下，通過設置適當?shù)某隹趬毫驂翰?，計算了通過移動控制棒調節(jié)的熱功率、氦氣流量的一次質量流量和出口溫度。通過高精度的建模和計算，對比表明，所建立的模型在各種穩(wěn)態(tài)下都表現(xiàn)出良好的性能。

以100%全功率正常運行為初始狀態(tài)，通過給出入口溫度階躍和質量流量階躍來測試瞬態(tài)，其中出口溫度和熱功率的相對變化記錄如圖4、圖5所示。

在+10 ℃進口溫度階躍的前10 s，出口溫度升高;在溫度負反饋的情況下，熱功率迅速下降。這樣，輸入的電源越少，溫度就越低。在數(shù)據(jù)傳輸和耦合良好的情況下，熱功率和溫度的振蕩保持大約1 000 s，并有4個周期達到另一個穩(wěn)態(tài)，這與HTR-10的結果相似。收斂結束時，熱功率降低了約3%，出口溫度降低約0.5%。

通過突然降低一回路質量流量的10%來測試質量流量階躍。它通過強制對流減少了卵石床的熱量排出，因此由于能量平衡，出口溫度升高。同樣由于溫度反饋，熱功率急劇下降，然后以4個周期振蕩約1 000 s。最后，在質量流量和熱功率的共同作用下，熱功率下降約10%，出口溫度下降約1%。此外，ESS模型還進行了強制冷卻損失事故和啟停過程的試驗。不同子系統(tǒng)之間良好的耦合計算保證了ESS的良好運行。

4 結語

ESS已經(jīng)建立了HTR-PM示范電廠的全范圍模型，包括所有兩個反應堆和一個渦輪系統(tǒng)。堆芯及其他子系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)試驗表明，模型與設計數(shù)據(jù)吻合良好。它可以模擬各種正常操作和事故情況，用于初步培訓、操作規(guī)程驗證和控制系統(tǒng)驗證。

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收稿日期：2021-06-10;修回日期：2022-04-18

作者簡介：張高劍（1988-），男，本科，工程師，研究方向：核電檢維修技術開發(fā)。

基金項目：華能集團總部科技項目資助（項目編號：HNKJ18-H40）。