張鵬輝，盧國慶，陳榮華，許宛清，蘇光輝，田文喜，秋穗正

(西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049)

RELAP5是經(jīng)過美國核管理委員會認(rèn)證的核動力系統(tǒng)兩相流最佳估算程序[1]。最早的RELAP5程序是針對三哩島小破口事故后續(xù)分析開發(fā)的。此后，程序中的熱工水力模型被不斷優(yōu)化，同時添加了一些新的模型[2-6]，也有很多學(xué)者在程序中增加了液態(tài)鉛鉍、鈉和熔鹽等工質(zhì)的物性方程和相關(guān)流動阻力與傳熱模型[7-11]。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展與大量實(shí)驗數(shù)據(jù)的驗證，RELAP5程序已成為目前核電廠系統(tǒng)設(shè)計、安審評價和操作員培訓(xùn)過程中最常用的軟件之一[12]。

由于RELAP5程序開發(fā)時間較早，當(dāng)時較初級的計算機(jī)語言系統(tǒng)導(dǎo)致程序的部分功能模塊不夠友好。如其輸入輸出方式仍采取編輯文本文件的形式，對新用戶來說使用較為困難，也導(dǎo)致了較低的使用效率。針對RELAP5程序的功能拓展問題，部分學(xué)者做過相關(guān)軟件升級開發(fā)工作。根據(jù)開發(fā)軟件的功能可將其分為兩大類：第1類為可視化建模軟件，用于RELAP5輸入文件的可視化建立，包括國內(nèi)開發(fā)的RVMS軟件[13-14]、美國的SNAP軟件等[15]；第2類為可視化交互平臺軟件，不僅可滿足建模的需求，同時增加了人機(jī)交互操作、計算實(shí)時演示和實(shí)時控制等方面的功能，如韓國的VISA軟件等[16]，但目前國內(nèi)該類軟件的開發(fā)情況仍鮮見文獻(xiàn)。

為滿足RELAP5程序可視化建模、人機(jī)交互操作、計算實(shí)時演示和實(shí)時控制的需求，本文以RELAP5程序為基礎(chǔ)對其進(jìn)行改造，開發(fā)RELAP5的數(shù)據(jù)傳遞接口，同時采用模塊化編程技術(shù)開發(fā)可視化交互平臺軟件(VITARS)及其耦合數(shù)據(jù)處理模塊，并開發(fā)獨(dú)立的反應(yīng)堆邏輯控制仿真模塊以滿足真實(shí)反應(yīng)堆復(fù)雜的控制系統(tǒng)模型的建立，提高RELAP5程序的友好性與功能性。

1 軟件基本結(jié)構(gòu)

VITARS程序基于Java Script語言在Node.js構(gòu)架下采用模塊化編程方式[17]開發(fā)，其結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)框架如圖1所示。為使RELAP5程序能與VITARS平臺之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，基于Fortran語言在RELAP5原始程序基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，開發(fā)了所需的數(shù)據(jù)接口。改造后的RELAP5進(jìn)程與可視化交互平臺進(jìn)程相互獨(dú)立，兩者間數(shù)據(jù)采用管道方式進(jìn)行通信，因此可視化交互平臺可通過調(diào)用多個不同的RELAP5進(jìn)程來進(jìn)行同步計算或耦合計算。VITARS程序分為8個模塊，其功能列于表1。

圖1 VITARS程序結(jié)構(gòu)Fig.1 Program structure of VITARS

表1 VITARS模塊功能Table 1 VITARS module function

在計算模型建立過程中，用戶可通過界面進(jìn)行RELAP5計算模型、控制邏輯模型和運(yùn)行界面模型的建立。通過界面調(diào)用一個RELAP5進(jìn)程來自動讀取所建立的RELAP5輸入文件進(jìn)行計算，并可通過計算控制模塊對所調(diào)用的RELAP5進(jìn)程進(jìn)行暫停、繼續(xù)運(yùn)行、快照和終止等操作。在RELAP5計算過程中，每個步進(jìn)前都會與平臺的數(shù)據(jù)交互模塊進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳遞，RELAP5所輸出的數(shù)據(jù)會進(jìn)入數(shù)據(jù)交互模塊按照控制邏輯模型進(jìn)行計算處理，其原始數(shù)據(jù)或處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)入顯示操作模塊進(jìn)行圖形化顯示，或可直接返回RELAP5進(jìn)程對泵轉(zhuǎn)速、閥門開度和加熱功率等設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可對計算控制信號(TRIP)、時間相關(guān)部件的流量、流速、溫度、壓力和空泡份額等模型參數(shù)進(jìn)行覆蓋。同時顯示操作模塊還可實(shí)時接受來自用戶操作的數(shù)據(jù)，并能在下一步進(jìn)計算中返回給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理。整個運(yùn)行中所生成的文件、數(shù)據(jù)都在運(yùn)行結(jié)果模塊中進(jìn)行管理，以便后續(xù)能重新打開回看。

2 軟件功能特征

2.1 RELAP5模塊化建模

VITARS程序內(nèi)置了RELAP5所有的部件模型，作為基本圖元供用戶選擇。通過在畫布上對不同圖元進(jìn)行拖拽連接以完成對RELAP5輸入模型的建立。完成模型搭建后，可通過程序界面，進(jìn)一步完成模型參數(shù)的選擇或填寫。最后程序可根據(jù)輸入信息自動生成RELAP5可讀的輸入文件。圖2為RELAP5模塊化建模界面。

圖2 RELAP5模塊化建模界面Fig.2 Modular modeling interface for RELAP5

除上述基本功能外，為使程序使用更加方便高效，還開發(fā)了以下輔助功能：1) 拖拽到畫布上的部件會自動編號，以代替RELAP5模型建立時人工設(shè)置部件號；2) 所有的控制體具有固定的隱藏錨點(diǎn)，當(dāng)接管靠近時可自動吸附完成連接，程序會根據(jù)接管連接信息自動識別前后部件號，從而自動填寫接管的來去向信息；3) 程序會根據(jù)RELAP5卡片建立規(guī)則對填寫的參數(shù)進(jìn)行自動錯誤檢測，對用戶進(jìn)行提示，大幅提高了建模效率；4) 程序增加了模型美化方面的功能，如圖樣填充、文本框插入、字體格式修改等，可使可視化的模型更加直觀。

2.2 反應(yīng)堆控制邏輯計算系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的比例積分微分邏輯控制系統(tǒng)的建立，VITARS設(shè)計了一套獨(dú)立的邏輯控制計算系統(tǒng)，以代替RELAP5程序中原有的控制卡功能。類似于RELAP5建模界面，邏輯控制計算系統(tǒng)通過邏輯控制建模界面，采用基礎(chǔ)元件拖拽連接的形式來完成邏輯控制模型的建立。

圖3為VITARS程序的邏輯控制建模界面。邏輯運(yùn)行部件相比原有的RELAP5控制系統(tǒng)部件有所拓展。同時，VITARS程序中的控制邏輯計算系統(tǒng)可以與原有的RELAP5控制系統(tǒng)部件和TRIP聯(lián)合使用。

圖3 VITARS反應(yīng)堆控制邏輯計算系統(tǒng)建模界面Fig.3 Modeling interface for reactor control logic calculation system in VITARS

圖4展示了反應(yīng)堆控制邏輯計算系統(tǒng)可以處理的信號類型。如圖4所示，來自RELAP5計算進(jìn)程、人機(jī)交互接口和其他邏輯控制模型的參數(shù)均可作為一個邏輯控制模型的輸入，經(jīng)過模型計算后，可根據(jù)設(shè)置返回到RELAP5計算進(jìn)程、其他邏輯控制進(jìn)程或顯示操作進(jìn)程。改造后的RELAP5進(jìn)程可輸出變量包括了所有可通過小編輯定義的變量，同時可讀取變量到交互式輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)而傳遞到TRIP、時間相關(guān)部件、閥泵等相關(guān)模型參數(shù)。

圖4 參數(shù)交互處理樞紐Fig.4 Interaction hub for different parameters

2.3 計算運(yùn)行控制

完成輸入文件的生成后，用戶可通過VITARS界面點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕來進(jìn)行計算。運(yùn)行過程中，VITARS程序可通過改造后的RELAP5程序接口來實(shí)時對RELAP5計算進(jìn)程進(jìn)行控制，包括暫停、繼續(xù)運(yùn)行、快照和終止。當(dāng)RELAP5程序計算錯誤異常退出后，VITARS程序會自動檢索RELAP5輸出文件中的運(yùn)行錯誤信息，并將其復(fù)制在界面運(yùn)行信息框中進(jìn)行直接顯示，方便用戶進(jìn)行檢查。

2.4 計算結(jié)果實(shí)時顯示

RELAP5程序在計算過程中可實(shí)時將計算數(shù)據(jù)輸出給VITARS界面進(jìn)行顯示處理，從而使用戶能實(shí)時對RELAP5計算參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。顯示具有動態(tài)儀表顯示和動態(tài)曲線顯示兩種格式，數(shù)據(jù)刷新頻率可進(jìn)行人為調(diào)節(jié)，方便用戶根據(jù)需要進(jìn)行選擇。同時，數(shù)據(jù)也可直接輸出成文本格式進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.5 人機(jī)交互控制

VITARS除了可實(shí)時讀取RELAP5計算數(shù)據(jù)進(jìn)行處理外，也可通過人機(jī)操作接口在計算過程中實(shí)時讀取人工輸入的參數(shù)進(jìn)行處理，可在計算過程中實(shí)時對閥門開度、主泵轉(zhuǎn)速、加熱器開關(guān)、邊界溫度、壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行直接手動調(diào)節(jié)，使用戶可實(shí)時對計算模型參數(shù)進(jìn)行操作控制。在此基礎(chǔ)上，可衍生出LOCA等破口事故手動觸發(fā)的功能。

2.6 自定義運(yùn)行界面

由于VITARS內(nèi)置有底層的繪圖模塊和數(shù)據(jù)交互模塊，因此基于這些模塊開發(fā)了自定義運(yùn)行界面功能。該功能集成了VITARS的大多數(shù)子功能模塊，使得RELAP5程序可形成一個如同模擬機(jī)的系統(tǒng)供用戶使用。

利用模型建立模塊，用戶可用不同的元素與顯示單元在畫布上進(jìn)行繪圖疊加。圖5為所建立的運(yùn)行界面。界面上可添加的顯示或控制部件具體如下：1) 動態(tài)儀表顯示部件，可顯示如控制體溫度、壓力等的RELAP5計算變量；2) 指示燈，可根據(jù)控制邏輯計算系統(tǒng)得到的信號進(jìn)行指示燈顯示，方便用戶設(shè)置報警、預(yù)警等信號指示；3) 輸入部件，即前文描述的人機(jī)操作接口。

圖5 基于VITARS針對嶺澳機(jī)組設(shè)計的運(yùn)行界面Fig.5 Developed operating interface for Ling’ao reactor system by VITARS

該功能保證用戶可以建立一個自定義的界面，對RELAP5計算結(jié)果、邏輯控制系統(tǒng)計算結(jié)果等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，同時該界面可以根據(jù)實(shí)時參數(shù)點(diǎn)亮或熄滅各種不同的信號指示燈。在計算過程中，用戶還可以模擬操作員指令對閥門開度、主泵轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。程序支持針對一個計算進(jìn)程建立多個不同的運(yùn)行界面，同時支持跨屏幕顯示，大幅提高了工程應(yīng)用潛力。

3 反應(yīng)堆系統(tǒng)模擬驗證

為驗證VITARS程序的可靠性，本文分別采用原始RELAP5程序與VITARS分別針對嶺澳機(jī)組進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬。

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的分析模型節(jié)點(diǎn)如圖6所示。模型包括壓力容器、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑泵與熱管段、冷管段及過渡段等管道部分，在此基礎(chǔ)上引入反應(yīng)堆壓力控制系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器給水控制系統(tǒng)、主給水流量控制系統(tǒng)及穩(wěn)壓器壓力保護(hù)系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器壓力保護(hù)系統(tǒng)等反應(yīng)堆控制與保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行穩(wěn)態(tài)計算。

圖6 VITARS界面中建立的反應(yīng)堆一回路節(jié)點(diǎn)圖Fig.6 Node of reactor system model created by VITARS

將采用VITRAS程序計算的結(jié)果與采用原始RELAP5程序計算的結(jié)果進(jìn)行對比，如表2所列。從表2可發(fā)現(xiàn)，VITARS程序不影響原始RELAP5程序的計算精度。

表2 穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果Table 2 Steady-state calculation result

4 總結(jié)

本文基于RELAP5開發(fā)了可視化交互式核動力系統(tǒng)模擬平臺VITARS。VITARS程序可實(shí)現(xiàn)從圖形化建模、計算控制、結(jié)果顯示到數(shù)據(jù)處理的整個核動力系統(tǒng)可視化熱工模擬分析。同時其具備一個與RELAP5連接的反應(yīng)堆邏輯控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)交互處理樞紐，可讀取、處理、分發(fā)來自RELAP5、邏輯控制計算系統(tǒng)或用戶實(shí)時輸入的數(shù)據(jù)，使整個運(yùn)行過程類似模擬機(jī)進(jìn)行實(shí)時操作顯示，極大提高了RELAP5的使用效率與交互性。