核反應堆數字化仿真驗證系統的研發

于洋 吳啟濤 蘆韡 郭鳳晨 劉盈

摘 要

本文建立了核反應堆數字化仿真驗證系統的總體設計方案，基于RELAP5程序開發了熱工水力仿真模型，采用Matlab/Simulink工業組態軟件構建了控制系統仿真模型，采用自主開發的ModelTool組態工具開發了儀控操縱與人機交互界面，從而構成了核反應堆數字化仿真驗證系統。降負荷工況仿真測試結果表明，該系統能夠實現核反應堆系統瞬態工況的仿真分析，并可用于儀控系統設計方案的驗證與優化。

關鍵詞

數字化仿真驗證系統;仿真模型;核反應堆系統

中圖分類號： TP2 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.025

Abstract

The total design scheme of digital simulation validation system for nuclear reactor has been presented.The thermo-hydraulic model was developed based on RELAP5 software，and the control system model was constructed by using Matlab/Simulink software.Instrument control and man-machine interface was established with autonomous developed configuration tool ModelTool.The results of simulation test for load reducing show that the system could perfectly simulate the transient conditions of nuclear reactor system.

Key Words

Numerical simulation validation system;Simulation model;Nuclear reactor system

0 引言

隨著計算機技術的快速發展，計算機仿真越來越多地應用到核反應堆系統設計與驗證過程中。利用計算機集成和圖形化技術實現多專業的聯合仿真，并將計算結果與狀態參數直觀地展示給設計仿真人員，既可以為設計人員提供快捷的工況分析與驗證手段，也可為操作員、工程師提供各種仿真培訓，應用范圍相對較廣。

在此背景下，本文研發了核反應堆數字化仿真驗證系統，以RELAP5程序開發的熱工水力仿真模型為基礎，采用Matlab/Simulink工業組態軟件構建了控制系統仿真模型，采用自主開發的ModelTool組態工具開發了儀控操縱與人機交互界面，可用于儀控等系統設計方案的驗證與優化。

1 系統設計方案

考慮到跨平臺仿真運行環境，本文建立的核反應堆數字化仿真驗證系統采用分布式仿真框架，各獨立軟件可在不同的仿真環境下運行，通過實時共享數據庫實現各專業軟件的數據交互，整體構成核反應堆數字化仿真驗證系統。

本系統采用模塊化結構，每個模塊獨立運行，不同模塊之間由系統引擎驅動、同步控制及數據通信，且均采用與實時共享數據庫相匹配的標準通信接口，易于軟件功能的擴展。根據計算機的硬件配置情況，各獨立軟件可在一臺計算機上運行，也可以分布在多臺計算機上運行。

本系統的部署主要包括以下幾個部分：仿真顯示與用戶交互界面SimView、調度控制程序SimAgent、遠程控制代理程序RemoteAgent，以及用于仿真計算的各個獨立軟件，其部署信息如圖1所示。

SimView是系統的用戶交互終端，實現仿真數據的可視化展示與用戶控制指令的交互;SimAgent是系統的調度控制程序，主要用于對系統運行狀態的總體控制，處理用戶界面的指令、交互數據;RemoteAgent用于對一些因為運行環境的原因必須部署在與SimAgent部署在不同計算機的仿真軟件的管理和控制。SimView、SimAgent、RemoteAgent三者之間以網絡報文形式進行數據通信，各仿真軟件的運行狀態控制與數據傳遞也以網絡報文的形式進行。

在仿真軟件集成方面，采用RELAP5程序開發了熱工水力仿真模型，采用Matlab/Simulink工業組態軟件構建了控制系統仿真模型，采用自主開發的ModelTool組態顯示工具開發了儀控操縱與人機交互界面。

1.1 熱工水力仿真模型

本文采用RELAP5程序實現熱工水力仿真模型的開發。熱工水力仿真模型主要用于提供核反應堆系統運行的熱工水力參數和閥門開啟狀態、泵轉速等設備狀態參數，同時接收控制系統仿真模型及人機交互界面反饋的控制信號。

本文對RELAP5程序的數據接口與控制流程進行了改造，可以實現調度控制程序對RELAP5的靈活控制。另外，基于自主開發的RELAP5圖形化建模工具，如圖2所示，采用圖形化（非文本）、組態化的建模方式輸入參數，通過可視化拖拽的方式將圖元組合起來形成反應堆及一回路系統的熱工水力仿真模型。建模工具自動將圖形化的建模信息解析轉換為文本輸入卡，并以可視化的形式對系統模型的節點劃分進行檢查，避免純文本操作易出現的錯誤。

1.2 控制系統仿真模型

本文通過OPC通訊協議集成Matlab/Simulink工業組態軟件來構建控制系統仿真模型，包括反應堆功率調節、穩壓器壓力和水位控制、蒸汽發生器給水控制、蒸汽旁排控制，用于實現對核反應堆系統的主要控制功能。

以反應堆功率調節系統為例，后臺通訊程序通過Matlab引擎將RELAP5程序的輸出數據（包括反應堆進出口溫度、蒸汽流量及反應堆功率等）輸入到Matlab的工作空間，反應堆功率調節系統模型運行后，首先從Matlab工作空間讀取輸入參數，經過預處理后，進入到控制系統內部進行控制仿真運算，得到控制輸出（控制棒移動速度）并寫入到Matlab工作空間，后臺通訊程序通過Matlab引擎將數據傳給RELAP5程序，形成閉環的仿真運算，如圖3所示。

1.3 人機交互界面

人機交互界面主要用于監視核反應堆系統的運行狀態和控制參數，并實現對重要閥門、泵等部件的操作。

本文采用自主開發的組態工具ModelTool繪制人機交互界面，在組態工具中集成了反應堆流體系統的組件庫，例如壓力容器、閥門、蒸汽發生器等，如圖4所示，通過拖拽的方式添加顯示組件，并對組件進行連接。組態工具根據用戶操作建立的場景生成場景配置文件，場景配置以XML格式進行存儲，規定了組件的大小、位置等顯示信息，以及設備組件與仿真數據的綁定。顯示系統解析場景配置，根據組件信息生成顯示對象，并根據組件的數據綁定信息對組件顯示數據進行更新，最終形成完整的人機交互界面，如圖5所示。

2 工況測試結果分析

本文采用快速降負荷工況對系統進行測試。該瞬態工況為？類工況，當t=200s時，外負荷由100%FP快速線性降低至60%FP，反應堆功率變化由儀控系統Matlab/Simulink建立的反應堆功率調節系統自動進行調節。工況部分測試結果如圖6-圖7所示。

快速降負荷會引起一、二回路溫度和壓力的大幅度變化。在瞬態過程中，反應堆功率調節系統自動跟蹤外負荷變化。在200s時刻，由于外負荷下降，蒸汽發生器二次側出口蒸汽流量減少，一、二回路熱能失去平衡，一回路系統向二回路系統的傳熱能力降低，二回路溫度和壓力上升，因而一回路溫度和壓力也略有升高。隨后，在反應堆控制系統的自動調節作用下，反應堆功率開始下降，一、二回路溫度和壓力也開始降低。同時，由于一回路溫度和壓力的變化會導致穩壓器電加熱器的投入和切除。最終一、二回路溫度和壓力會逐漸趨于穩定，達到一個新的穩態運行工況。

3 結束語

核反應堆數字化仿真驗證系統實現了多專業的聯合仿真，完成了主要控制系統的控制功能和降負荷瞬態工況仿真測試，為實現核反應堆系統設計方案的快速評估、驗證與優化提供了技術手段。

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