陳 正，楊 帆

（1.武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院動力系，湖北 武漢 430079）

LOCA裕度監(jiān)視系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺

陳 正1，楊 帆2

（1.武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院動力系，湖北 武漢 430079）

該文針對目前核電教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足問題，分析了LSS系統(tǒng)的功能與原理，包括LOCA機(jī)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(shí)驗(yàn)平臺。介紹了實(shí)驗(yàn)平臺的組成、功能以及構(gòu)建方法。該實(shí)驗(yàn)平臺完成了LOCA算法的仿真，并實(shí)現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化或者表格化的上屏操作。使用表明，仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺；LOCA裕度

我國核電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致對核電專業(yè)人才的需求日益增強(qiáng)。目前，我國核電人才的培養(yǎng)主要依賴于高校，國內(nèi)眾多高校已紛紛開設(shè)核電專業(yè)及核電相關(guān)課程［1］。核電專業(yè)人才的培養(yǎng)離不開實(shí)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(shí)驗(yàn)裝置并不完善。因此，核電專業(yè)的許多相關(guān)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)仍未開展，大大地制約了核電人才教育的質(zhì)量［2－5］。

反應(yīng)堆失水事故（LOCA）是核電站嚴(yán)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(yùn)行的重要控制系統(tǒng)之一，也是核電運(yùn)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(shí)驗(yàn)室對LSS系統(tǒng)做了深入的分析，對其運(yùn)行的基本理論有較為深入的了解。在此基礎(chǔ)上采用C＃作為開發(fā)語言，構(gòu)建了LSS系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(guān)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(jì)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(shí)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(yùn)行的狀態(tài)，同時對異常運(yùn)行情況發(fā)出警報(bào)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(jì)算是以多節(jié)堆外功率測量系統(tǒng)為基礎(chǔ)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(yīng)堆芯內(nèi)的運(yùn)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(guān)；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(jìn)行數(shù)學(xué)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(zhuǎn)換成230個沿軸向分布的功率值P（z）。

為了計(jì)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(yùn)行的反應(yīng)堆中，有8種插棒方式。與每組控制棒插棒方式i相關(guān)的徑向功率峰因子為Fxyi，該值的堆芯換料計(jì)算時已經(jīng)計(jì)算出來。其中徑向功率峰因子Fxy由測量和計(jì)算得到。通過定期的堆內(nèi)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(guān)的Fxy，因?yàn)闇y中子通量時，要反應(yīng)堆穩(wěn)定在滿功率運(yùn)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(jì)算得到，并且定期由二回路熱平衡計(jì)算進(jìn)行校正，平均線性功率密度為186 W／cm；C為柵格系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)核電站中LSS的功能，本實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)算模塊：該模塊主要是模擬核電站中的LOCA計(jì)算機(jī)，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(jì)算，并將計(jì)算中間值的結(jié)果和最后的結(jié)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(jìn)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(guān)系如圖1所示。

圖1 三大模塊關(guān)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(yùn)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(yīng)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(shè)計(jì)該部分的界面時，通常應(yīng)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(jìn)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(jì)算模塊設(shè)計(jì)

作為LOCA的核心組成部分，該計(jì)算模塊承載著整個LSS系統(tǒng)的核心運(yùn)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(jì)算公式后轉(zhuǎn)變成堆芯跟蹤模塊所顯示的變量。

計(jì)算程序最主要的任務(wù)是完成LOCA計(jì)算過程，該程序框圖如圖3所示。

圖3 計(jì)算模塊流程圖

LSS系統(tǒng)的LOCA裕度計(jì)算需要以下變量計(jì)算最小LOCA裕度，包括3組冷段溫度、3組熱段溫度、3組反應(yīng)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(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)

在本實(shí)驗(yàn)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(jì)算結(jié)果。包括運(yùn)行點(diǎn)變化顯示、線性功率密度顯示、運(yùn)行趨勢顯示、傾斜度表顯示、輸入值顯示、中間值顯示、警報(bào)、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(yùn)行點(diǎn)觀察圖，而其中線性功率分布圖是以三維坐標(biāo)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(jié)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(yùn)行點(diǎn)監(jiān)視界面

3 結(jié)束語

在工科學(xué)生的培養(yǎng)過程中，實(shí)踐環(huán)節(jié)對學(xué)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(shí)踐環(huán)節(jié)。該仿真平臺將核電站的控制系統(tǒng)“搬進(jìn)”實(shí)驗(yàn)室，在核電站儀表與控制等相關(guān)課程教學(xué)中，讓學(xué)生在沒有任何安全顧慮的情況下隨意操作仿真實(shí)驗(yàn)平臺，不但能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也使教學(xué)更加貼近核電企業(yè)對人才的需求。

圖5 結(jié)果顯示界面

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

［2］李梅蘭.關(guān)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(shù)在核工程與核技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探討［J］.中國電力教育，2011（9）：37－39.

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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(xué)基金（51475337）。

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