張高劍，張 超

（中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430000）

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(fēng)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(xué)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)以及相應(yīng)的BOP系統(tǒng)。兩臺反應(yīng)器共用一套啟停系統(tǒng)進行順序啟停。HTR-PM采用集中控制方式，全廠設(shè)置一個主控室，采用統(tǒng)一的設(shè)計、樣式和設(shè)備-機器接口，實現(xiàn)運行過程中對反應(yīng)堆、汽輪機和發(fā)電機的全數(shù)字監(jiān)控。

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(fù)制HTR-PM主控室如圖1所示。ESS可用于培訓(xùn)、控制系統(tǒng)驗證和其他目的。

圖1 主控室布置圖Fig.1 Layout of the main control room

在ESS控制室內(nèi)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。配備7套操作員站，每個操作員站有2個24英寸顯示器。可對1號反應(yīng)堆、常規(guī)島和2號反應(yīng)堆以及應(yīng)急電源系統(tǒng)控制盤、火災(zāi)報警盤等主控室設(shè)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(luò)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。系統(tǒng)還具有多任務(wù)調(diào)度的能力。不同系統(tǒng)的模型可以用不同的并行任務(wù)來定義，也可以用實時計算來定義。

2 反應(yīng)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(gòu)建高精度的HTR-PM雙電抗器模型是本文討論的ESS項目的關(guān)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(nèi)向外）組成。球形燃料元件將通過堆芯頂部的進料管向反應(yīng)堆內(nèi)填充，進料過程將在進料管下方形成一個燃料錐。因此，反應(yīng)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?；顒訁^(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。

如圖2所示，HTR-PM的主要氦氣回路是：主氦氣扇向反應(yīng)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(zhuǎn)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(fēng)扇再次返回反應(yīng)堆堆芯，從而形成氦的閉環(huán)。

圖2 HTR-PM的橫截面Fig.2 Cross section of HTR-PM

為了準(zhǔn)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(jié)構(gòu)溫度和中子通量分布，由于固體結(jié)構(gòu)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(luò)和流體網(wǎng)絡(luò)進行了計算。在每個時間步中，流體網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)結(jié)果。在動態(tài)過程中，傳熱網(wǎng)絡(luò)和流體網(wǎng)絡(luò)交替計算。

流體網(wǎng)絡(luò)和傳熱網(wǎng)絡(luò)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(luò)設(shè)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(yīng)堆物理計算中，采用流動與傳熱網(wǎng)絡(luò)計算的溫度分布來更新界面。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(luò)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(luò)計算將交替進行，圖3所示為ESS堆芯模型計算。

圖3 ESS堆芯計算流程圖Fig.3 ESS core calculation flow chart

由于1堆和2堆氦氣網(wǎng)絡(luò)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(yīng)堆固體結(jié)構(gòu)的溫度會影響氦氣的流動特性，實際的ESS計算任務(wù)分配與1和2反應(yīng)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(luò)的這兩部分進行預(yù)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(luò)比熱傳遞網(wǎng)絡(luò)具有更密集的網(wǎng)格。這意味著一個傳熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可能包含多個物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。接口模塊計算傳熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點幾何空間內(nèi)的熱功率，然后將熱功率傳遞給相應(yīng)的傳熱網(wǎng)絡(luò)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(luò)。這個過程周期性地重復(fù)。

3 結(jié)果

在建立了仿真模型后，用設(shè)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(shè)計值相等的情況下，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)某隹趬毫驂翰?，計算了通過移動控制棒調(diào)節(jié)的熱功率、氦氣流量的一次質(zhì)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(zhì)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。

圖4 10 ℃出口溫度階躍和熱功率的變化Fig.4 10 ℃ exit temperature step and thermal power change

圖5 10%質(zhì)量流量出口溫度階躍和熱功率的變化Fig.5 10% mass flow outlet temperature step and thermal power change

在+10 ℃進口溫度階躍的前10 s，出口溫度升高；在溫度負(fù)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(dá)到另一個穩(wěn)態(tài)，這與HTR-10的結(jié)果相似。收斂結(jié)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(zhì)量流量的10%來測試質(zhì)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(zhì)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(jié)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(yīng)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(shè)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(xùn)、操作規(guī)程驗證和控制系統(tǒng)驗證。