LOCA裕度監(jiān)視系統(tǒng)仿真實驗平臺

陳 正，楊 帆

（1.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072；2.武漢電力職業(yè)技術學院動力系，湖北 武漢 430079）

LOCA裕度監(jiān)視系統(tǒng)仿真實驗平臺

陳 正1，楊 帆2

（1.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072；2.武漢電力職業(yè)技術學院動力系，湖北 武漢 430079）

該文針對目前核電教學中存在的實驗、實訓設備不足問題，分析了LSS系統(tǒng)的功能與原理，包括LOCA機核心算法，采用C＃作為開發(fā)語言，開發(fā)了LSS系統(tǒng)仿真實驗平臺。介紹了實驗平臺的組成、功能以及構建方法。該實驗平臺完成了LOCA算法的仿真，并實現(xiàn)對相關數(shù)據(jù)進行圖形化或者表格化的上屏操作。使用表明，仿真實驗平臺較好地完成了LSS系統(tǒng)的功能。

LOCA裕度監(jiān)視系統(tǒng)；仿真；實驗平臺；LOCA裕度

我國核電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，導致對核電專業(yè)人才的需求日益增強。目前，我國核電人才的培養(yǎng)主要依賴于高校，國內眾多高校已紛紛開設核電專業(yè)及核電相關課程［1］。核電專業(yè)人才的培養(yǎng)離不開實踐環(huán)節(jié)，然而，由于我國核電產(chǎn)業(yè)才剛剛起步，配套的培養(yǎng)教育實驗裝置并不完善。因此，核電專業(yè)的許多相關課程的實踐環(huán)節(jié)仍未開展，大大地制約了核電人才教育的質量［2－5］。

反應堆失水事故（LOCA）是核電站嚴重的事故類型之一，LOCA裕度監(jiān)視系統(tǒng)（LSS）是核電站安全運行的重要控制系統(tǒng)之一，也是核電運行、研究、維修等專業(yè)人員必須了解的控制系統(tǒng)［6－8］。因此，本實驗室對LSS系統(tǒng)做了深入的分析，對其運行的基本理論有較為深入的了解。在此基礎上采用C＃作為開發(fā)語言，構建了LSS系統(tǒng)仿真實驗平臺。

1 核電站失水監(jiān)控系統(tǒng)（LSS）介紹

1.1 LSS的功能

核電站的失水事故監(jiān)視系統(tǒng)是一個在線堆芯運行監(jiān)視系統(tǒng)，采集來自核儀表系統(tǒng)（RPN）、過程儀表系統(tǒng)（SIP）、棒控棒位系統(tǒng)（RGL）的邏輯信號（開關量）、模擬信號（模擬量）和數(shù)字信號（串行口數(shù)據(jù)），主要用于計算一回路平均熱功率、最小失水事故裕度、線功率密度和象限傾斜度等數(shù)據(jù)，通過實時或延遲顯示一系列變量數(shù)值及圖表、曲線來幫助主控制室操縱員了解堆芯運行的狀態(tài)，同時對異常運行情況發(fā)出警報以提醒操縱員注意堆芯狀態(tài)的變化［9－10］。

1.2 LSS系統(tǒng)原理

LOCA裕度計算是以多節(jié)堆外功率測量系統(tǒng)為基礎的。RPN多節(jié)堆外功率測量系統(tǒng)有4個6節(jié)測量通道，每個通道采用6個短電離室以取代常規(guī)的兩個長電離室，其目的在于產(chǎn)生堆芯軸向平均功率分布圖形，比常規(guī)的軸向偏移參數(shù)能更好地反應堆芯內的運行狀態(tài)。在4個6節(jié)測量通道中，每個功率測量通道測量一組電流Ik，把該電流矩陣與堆芯功率分布矩陣聯(lián)系，有：

式中：S是一個對角“靈敏度”矩陣（6×6），與每節(jié)的靈敏度有關；T是一個三對角傳輸矩陣（6× 6），代表中子從堆芯傳輸?shù)酵ǖ赖倪^程；P是功率分布矩陣（6×1），其分量表示每一個1／6堆芯高度的功率值。對這6個數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理有：

可得到軸向功率分布形狀：

式中：fk（z）為解析函數(shù)；ak為與P矩陣中6個分量相匹配的系數(shù)；Gk為恒定的幾何矩陣（230×6），它將每個測量通道的6個功率值P轉換成230個沿軸向分布的功率值P（z）。

為了計算最大線性功率密度Q（z），還需要知道以下2個參數(shù)。

1）各組控制棒插入堆芯的位置。

2）在以G模式運行的反應堆中，有8種插棒方式。與每組控制棒插棒方式i相關的徑向功率峰因子為Fxyi，該值的堆芯換料計算時已經(jīng)計算出來。其中徑向功率峰因子Fxy由測量和計算得到。通過定期的堆內中子通量測量系統(tǒng)（RIC）測量中子通量，可得到與插棒方式有關的Fxy，因為測中子通量時，要反應堆穩(wěn)定在滿功率運行，各組控制棒提出堆芯。

最大線性功率密度沿軸向分布可得到：

式中，堆芯平均熱功率Pth（avg）由LSS根據(jù)一回路熱平衡計算得到，并且定期由二回路熱平衡計算進行校正，平均線性功率密度為186 W／cm；C為柵格系數(shù)。

2 實驗平臺設計

2.1 總體設計

根據(jù)核電站中LSS的功能，本實驗平臺將采用3大板塊來完成對該系統(tǒng)的仿真。

1）LOCA現(xiàn)場數(shù)據(jù)輸入模塊：該模塊主要是模擬核電站中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測，通過鍵盤輸入48個變量的值；再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至LOCA計算模塊。該模塊還需要發(fā)送堆芯跟蹤模塊的初始化數(shù)據(jù)。

2）LOCA計算模塊：該模塊主要是模擬核電站中的LOCA計算機，通過接收數(shù)據(jù)采集模塊獲得48個變量的數(shù)據(jù)從而完成對最小LOCA裕度的計算，并將計算中間值的結果和最后的結果傳遞給堆芯跟蹤模塊。

3）堆芯跟蹤模塊（CFM）：該模塊的主要是模擬核電站中的CFM板塊。接受上述兩大模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，進行上屏操作；每隔2 s，將歷史數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫。

以上3大模塊的關系如圖1所示。

圖1 三大模塊關系圖

2.2 LOCA現(xiàn)場數(shù)據(jù)輸入模塊

該模塊主要是為了模擬核電站在運行過程中，傳感器對48個參數(shù)的檢測數(shù)據(jù)。這48個參數(shù)分別是：3個回路的冷端溫度（TCL）、3個回路的熱端溫度（THL）、3個回路的穩(wěn)壓器壓力（SPP）、3個回路的反應堆冷卻劑泵泵速（FLOW）、4個通道的電流（其中每個通道有6個電流值）、4個通道的插入棒的位置（PosGroup）、4個通道的LOCA裕度（DPAX）以及4個通道的核功率Pr。

在設計該部分的界面時，通常應遵循讓整個界面布局合理，既要形象、直觀，又要方便用戶操作。每個操作按鈕都要有明確的注釋；按鈕的排列可依據(jù)常用的使用功能、使用頻率的多少或字母順序進行排列。模塊界面如圖所示。

圖2 LOCA數(shù)據(jù)輸入模塊界面圖

2.3 LOCA計算模塊設計

作為LOCA的核心組成部分，該計算模塊承載著整個LSS系統(tǒng)的核心運算部分，其主要作用是將獲取的模擬現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，在通過一系列的計算公式后轉變成堆芯跟蹤模塊所顯示的變量。

計算程序最主要的任務是完成LOCA計算過程，該程序框圖如圖3所示。

圖3 計算模塊流程圖

LSS系統(tǒng)的LOCA裕度計算需要以下變量計算最小LOCA裕度，包括3組冷段溫度、3組熱段溫度、3組反應堆冷卻劑泵泵速、3組穩(wěn)壓器壓力（SPP）、4組功率測量通道，每組6個電流值I、4組核功率Pr、4組軸向功率偏差DPax、控制棒組（R＆G）的棒位。計算結果有：平均熱功率（Pth（avg））、節(jié)功率（Pkj）、徑向功率峰因子（Fxy（z））、單個測量通道軸向功率分布（Pk（z））、單個測量通道線性功率密度分布Qk（z）、單個測量通道的最小LOCA余度（MLOCk）和位置（POSk）、4個通道中的最小LOCA裕度（MLOC（min））和位置（POS）。

2.4 堆芯跟蹤模塊設計

在本實驗平臺中，該模塊以圖形或者表格的方式來顯示輸入的模擬數(shù)據(jù)和LOCA裕度計算結果。包括運行點變化顯示、線性功率密度顯示、運行趨勢顯示、傾斜度表顯示、輸入值顯示、中間值顯示、警報、故障和失效表顯示等。

該模塊包含圖形界面和表格界面，其中圖形界面主要包括趨勢圖、線性功率分布圖和運行點觀察圖，而其中線性功率分布圖是以三維坐標軸的方式顯示；而表格界面包含了象限傾斜度顯示界面、輸入變量顯示界面和結果顯示界面。如圖4、圖5所示分別為圖形界面和表格界面。

圖4 運行點監(jiān)視界面

3 結束語

在工科學生的培養(yǎng)過程中，實踐環(huán)節(jié)對學生理論知識體系的完善和科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都起著非常重要的作用，核電專業(yè)人才的培養(yǎng)也同樣離不開實踐環(huán)節(jié)。該仿真平臺將核電站的控制系統(tǒng)“搬進”實驗室，在核電站儀表與控制等相關課程教學中，讓學生在沒有任何安全顧慮的情況下隨意操作仿真實驗平臺，不但能夠激發(fā)學生的學習興趣，也使教學更加貼近核電企業(yè)對人才的需求。

圖5 結果顯示界面

［1］葉勇軍，李向陽，蔣復量.核安全工程特色專業(yè)建設模式探討［J］.中國電力教育，2012（14）：88－89.

［2］李梅蘭.關于核電發(fā)展的反思［J］.中國電力教育，2011（15）：88－89.

［3］郭江華，聶矗，謝誕梅.虛擬仿真技術在核工程與核技術專業(yè)教學中的應用探討［J］.中國電力教育，2011（9）：37－39.

［4］孫為民，張瑋.高職高專熱動專業(yè)核電方向職業(yè)教育課程體系研究與實踐［J］.中國電力教育，2012（12）：78－80.

［5］周濤，彭常宏.《核電站系統(tǒng)及設備》課程“三步法”教學模式的革新與實踐［J］.中國電力教育，2008（1）：82－83.

［6］胡汝平，李志軍，周驍凌.失水事故監(jiān)測系統(tǒng)熱功率波動原因分析［J］.核動力工程，2013，34（2）：111－113.

［7］馬杰，郭立峰，彭俏.基于粒子群優(yōu)化算法的壓水堆失水事故研究［J］.核動力工程，2012，33（3）：89－91.

［8］鈕云龍，劉義保，王愛星.事件樹分析法在壓水堆核電站失水事故中的研究［J］.能源與環(huán)境，2013（5）：21－23.

［9］廣東核電培訓中心.900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設備［M］.北京：原子能出版社，2005.

［10］張益林，王源，王曼.大亞灣核電站失水事故監(jiān)視系統(tǒng)并機運行探討［J］.核動力工程，2012，33（6）：110－114.

Simulation Platform for LOCA Supervisory System

CHEN Zheng1，YANG Fan2
（1.School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，WuHan 430072，China；
2.Department of Power Engineering，Wuhan Electric Power Technical College，Wuhan 430079，China）

Aim ing at the problem of inadequate experiment and training facilities in the nuclear power teaching，this paper analyses and comprehends the theory of LOCA surveillance system（LSS）system，including the core algorithm of loss of coolant accident（LOCA）machine.By using C＃as the programming language，the simulation platform of LSS system is developed.The composition，function and construction method of the experimental platform are introduced.The experimental platform completes the simulation of LOCA algorithm and realizes the graphic and tabular display operation of the related data.The simulation results show that the platform is preferable to complete the function of LSS system.

LOCA surveillance system；simulation；experiment platform；LOCA redundant

TL323

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.015

2014－12－15；修改日期：2015－01－20

國家自然科學基金（51475337）。

陳正（1971－），男，博士，講師，主要從事自動化技術的教學與應用研究工作。