基于SH_N平臺的熱功率測量實現

藍海鍵，黨永強，王 剛

（北京廣利核系統工程有限公司，北京 100094）

0 引言

KME 系統的算法[1]包含熱平衡算法和熱交換算法，以熱平衡算法為關鍵點，并非所有電站都將熱交換算法通過KME 系統實現。因此，本文討論的KME 系統算法只涉及熱平衡算法。熱平衡算法主要目的是為了獲取高精度的堆芯功率，堆芯功率是表征反應堆特性參數中一個非常重要的物理量。對于一個反應堆，其堆芯功率又有核功率和熱功率之分。核功率和中子通量密切相關，它是隨著堆內中子通量的變化而瞬變的。反應堆熱功率即堆芯冷卻劑進出口焓差，它受核功率和冷卻劑參數的影響，跟隨核功率的變化而變化，但是有滯后性。在核電廠首次啟動階段，必須對反應堆核功率測量系統、控制系統進行標定與刻度，確保反應堆核功率的準確監測與控制。在反應堆穩定運行期間，其核功率與熱功率是相等的。堆芯產生多少核功率，冷卻劑也就帶出多少熱功率。但是在事故瞬態工況下（如彈棒事故），熱功率的變化將跟不上核功率的瞬變，會有嚴重的遲滯，此時的核功率、熱功率是不相等的。由于核功率、熱功率對于反應堆運行和事故分析而言是很重要的物理參數，因而如何用儀表精確標定出堆芯的實際功率，對于反應堆更加經濟、安全的運行，以及更精確地統計反應堆的循環燃耗有著很大的幫助。

圖1 SH_N平臺系統架構Fig.1 System architecture of SH_N family

在壓水堆核電站中，由于使用一回路參數精度相對低，且計算方法無法實現高精度逼近，故一回路熱功率算法不能應用于校準核功率。在核電站穩態運行及功率緩慢變化期間，一回路與二回路熱力學參數穩定跟隨，可達到熱平衡的狀態，在二回路上計算到增加的熱量即為堆芯核功率。為了準確獲取堆芯功率準確參數，核電站在二回路蒸汽發生器入口、出口段均部署了高精度的溫度、壓力，以及流量等傳感器。這些傳感器的結果經過KME 算法運算，即可獲得高精度的計算結果。

在過去受技術條件限制，技術人員在設計KME 系統算法時主要以文本化語言開發。這種方法實現的算法無法在運行期間動態跟蹤中間計算值，因此電站相關專業人員很難評估其計算結果的正確性。同時，在新的計算方案發布時，由于文本化語言具有編寫方式多樣性、專業要求高的特點，普通用戶很難及時跟進升級到最新的計算方案。根據過往的經驗，即使是經驗豐富的開發人員在更新代碼時也會由于謹慎而降低升級效率。本文提出的基于SH_N 平臺實現KME 算法，則可以充分利用其分布式架構、圖形，結合文本語言開發方案，克服以上問題。

1 SH_N平臺

SH_N 平臺[2]產品是本公司在SpeedyHold 平臺中的第三代產品，歷時3 年升級研發的全新通用數字化儀控系統平臺。該平臺由30 種硬件和21 種軟件組成，功能性能滿足核電廠安全相關控制系統、非安全級控制系統，及專用控制系統的相關要求。

SH_N 平臺搭建的系統主要由操作站、服務器、工程師站、控制站和網關組成，采用服務器冗余、控制站冗余和網絡冗余配置，提高系統可靠性和可用率。該系統支持64個操作站，88 個控制站，最大支持100000 點。平臺產品使用開放式的系統架構設計，提供網關與第三方系統通訊；同時，提供外部標準時鐘源校時接口，實現全系統校時。

SH_N 平臺的KME 系統算法設計在LEVEL2 層服務器中，原因為不同核電站的數據源不完全一致。如：部分電站為網絡變量傳輸，部分電站則通過SH_N 控制站直接采集LEVEL0 傳感器數據，也有一些電站將上述兩種方式均采用。在LEVEL2 層設計算法可以將各種方式傳遞的參數匯總并最終傳遞至算法輸入接口，實現了采集方式與算法開發的隔離。

2 KME系統主要功能

KME 系統主要功能為采集現場二回路、RRI/SEC 數據，實現熱平衡計算和熱交換計算，所以應包括以下幾部分：

1）設備管理

KME 系統應當具備對系統各設備的功能、狀態直觀顯示的能力。功能是指KME 系統數據采集、數據存儲、算法、自動計算、在線監視以及報表等功能，并支持用戶合理部署這些功能在指定設備上。狀態體現于系統狀態圖功能和報警功能中，如報警功能對系統各設備通過特定算法分析，當輸出數據超過預先設定的限值時，系統會自動啟動報警、寫入報警日志。

2）測點管理

KME 算法計算所需的測點較少，但是由于每年定期試驗的臨時測點約500 點，因而包含測點管理功能是很有必要的。測點管理一方面要實現離線管理，即將測點量程、信號類型等不易改變的信息離線組織存儲；另一方面，需要將測點在線實時運行的信息及時準確展示，如測點數據、質量位等。

3）用戶管理

KME 系統需要具備用戶角色、權限管理能力。KME 系統的用戶角色較多，如系統管理員、操作員、巡檢員等，并需對這些角色設置不同的系統使用權限，以避免人因事故。如巡檢員只具備瀏覽權限，而不能更改系統的設置。

4）算法組態

KME 系統必須具備算法組態、運行的能力。KME 的核心功能是利用現場測點數據計算出高精度堆芯功率以及給出熱交換試驗結論。因而需要將熱力學公式轉換為可執行代碼，并經過編譯后在系統內實時運行，以支持報表等功能的實現。

5）報表組態

KME 系統應具備將具體計算結果合理組織為報表的能力，KME 系統本質上是電站為了保障機組可靠運行而設計的一個試驗系統。為了確保機組狀態可持續追溯，將計算結果組織并輸出電子版文件或紙質文件是很有效的舉措，所以KME 系統必須具備報表功能。管理要求的升版是可以預期的一個事件，這意味著KME 報表也可能跟隨發生變化。因而，KME 系統應具備報表的格式、內容等組織能力。

6）自動計算

KME 系統應以減少重復工作量，提高用戶工作效率為設計原則。自動計算指在特定時間、條件下運行指定次數計算的功能，通過利用該功能可以節約用戶操作時間以及降低具有人因風險的工作時長，因而有效地幫助用戶提高了工作質量。

7）在線監視

KME 系統需要具有便捷的數據查閱能力。現場工況具有多樣性、復雜性的特點，為了應對這些復雜多變的工況對系統自身功能的影響，系統設計了便捷的在線監視功能，如在線數據庫功能可以通過篩選、搜索等功能，快速獲得指定測點或測點組合的數據實時值、歷史值，并以趨勢圖形等形式展示、比對等。此外，還可以通過算法組態軟件在線監視計算過程，如在線計算過程值與人工計算值比對。

3 KME算法的特點與發展

KME 算法的關鍵點是熱平衡算法。水與水蒸汽由于易于獲取、成本低廉，在電力工業中廣泛應用。例如，壓水堆核電站一回路、二回路均以輕水為傳熱介質。熱平衡算法從物理角度分析，原理為計算以水及水蒸氣為熱介質的熱力學系統在交換熱量前后的焓差，從而獲得在熱力學系統中吸收的熱量。熱平衡算法的核心特點是高精度，在核電站中長期穩定、低成本獲取高精度堆芯功率的方式是利用二回路參數計算的熱平衡算法。其次，熱平衡算法的使用工況具有限制性，如電站工況必須達到熱平衡狀態，如在瞬態工況下熱平衡的計算結果無法校準核功率。一般情況下，按電站規程升降功率均可滿足應用要求（每小時不超過額定功率的3%）。

第六屆國際水蒸氣性質會議成立的IFC（國際公式化委員會）制定了計算水、水蒸氣熱力性質公式，行業內簡稱IFC 公式。IFC 公式自成立以來就不斷迭代升級，KME系統用戶、設計方及供應商較為熟知的一個版本為1967年的IFC 公式，廣泛在各電站的KME 系統技術規格書中以“IFC-67 公式”或“67 公式”代指。該公式在很長的一段時間里，一直被國內外眾多核電站使用。

1997 年，在德國Erlangen 召開的水和水蒸氣性質國際聯合會（下稱IAPWS），通過了由德、俄、英、加等7 國12 位專家提出的全新水和水蒸氣計算模型。該模型即現在行業內使用的IAPWS-IF97 公式。自21 世紀以來，大量先進的技術可靠性已得到長時間驗證，并被核電行業廣泛接受。在這種背景下，KME 算法對水、水蒸氣熱力性質的計算精度、速度要求也相應提高。“67 公式”的缺點也就逐漸明顯，如精度低、迭代時間長、適用范圍窄等。因此，現在核電行業普遍將KME 算法改為使用“IAPWSIF97 公式”實現。

4 基于SH_N平臺設計與優化KME算法

KME 算法總體原理為能量守恒定律，使用公式（下稱熱平衡方程）[3]表示如下：

其中：

WR——反應堆堆芯熱功率，（MW）。

WΔPr——其它熱源傳給反應堆冷卻系統的熱功率（MW），常數。

Hsi——蒸汽發生器SGi 二回路出口濕蒸汽比焓，（kJ/kg）。

Qwi——蒸汽發生器SGi 二回路入口給水質量流量，（kg/s）。

Hwi——蒸汽發生器SGi 二回路入口給水比焓，（kJ/kg）。

Qpi——蒸汽發生器SGi 二回路排污質量流量，（kg/s），已知。

Hpi——蒸汽發生器SGi 二回路排污水比焓，（kJ/kg）。

n——蒸汽發生器數量，已知。

熱平衡方程中，等式右側存在4 個未知變量，分別為：Hsi、Qwi、Hwi、Hpi，故需進一步分析計算所需輸入量。依據IAPWS-IF97 計算模型，Hsi、Hpi、Hwi由其測點所在位置的壓力和溫度（溫度在特定情況下可由壓力計算獲得，見下文描述）通過公式計算獲得，即：

如通過給水壓力、給水溫度作為輸入量，即可獲得給水比焓值。特別地，排污水、蒸汽由于已達到飽和狀態，故計算模型可以不依賴溫度（溫度由壓力通過公式計算獲得）。因此，比焓值的計算實際上需要的輸入物理量為給水壓力、給水溫度、蒸汽壓力值。

KME 系統中，測量給水流量的傳感器通常為孔板流量計。該傳感器實際測量的是給水壓差，通過傳感器的指定換算方法可以轉換為較高精度的給水流量。通常情況下，除了給水壓差仍需要獲得給水密度。在依據IAPWS-IF97計算模型中，給水密度由溫度、壓力確定。綜合上述，給水流量計算模型為：

在傳統的核電站設計中，壓力傳感器一般是測量相對壓力，因此需要使用高精度大氣壓力表測量大氣壓力，然后計算出各測點的絕對壓力。經過上述的輸入量分析，總結得到必須的物理測點，見表1。

表1 KME算法所需輸入的物理量Table 1 The physical quantity require for KME algorithm

圖2 計算流程圖Fig.2 Calculation flowchart

從熱平衡方程倒述分析得到輸入物理量的過程中，KME 算法的計算過程也得以體現。行業內也有諸多文獻介紹具體實現方式，故本文不再贅述。值得注意的是，部分科研工作者的論述僅關心原理部分提高計算精度和減少計算時間。在工程實踐中，仍需在這些基礎上增加考慮質量位和無效剔除算法。

質量位是指一個物理量的值是否有效。在重要的工業應用中，每一個物理量均需帶上質量位參與運算，行業內典型的原則是無效的值參與計算時，計算得到結果也是無效的。SH_N 平臺的IO 板卡以及MPU 主控單元可以在采集完成后進行初步的分析（如：是否超量程，是否數據波動毛刺），并賦予采集的物理量一個質量位。因此，在SH_N平臺上實現KME 算法無需額外開發物理量采集期間質量位判斷程序。這一方面降低了開發工作量，另一方面也分解了計算服務的負荷。

無效剔除算法為求取物理量平均值的前置算法，核心依據是“3σ 準則”。具體方式為將連續采集的某個輸入物理量取均值和方差，并剔除偏離均值3 倍方差的值，使用剩下的值繼續執行上述步驟，直至沒有值被剔除或所有值均被剔除。當剔除的值數量到達指定閾值或所有值均被剔除時，計算的平均值無效。

總結以上論述，KME 算法包括前置處理、中間量計算以及堆芯功率計算。

SH_N 平臺支持IEC-61131-3 編程語言，本次開發使用ST 語言和FBD 語言結合組態的辦法開發。如前置處理和中間量計算功能使用ST 封裝為功能塊，最后統一使用FBD 組織這些功能塊計算堆芯功率。由于FBD 為圖形化開發語言，僅關心計算原理但不會編程的用戶也很容易讀懂，具有很好的體驗感。用戶通過SH_N 圖形化在線監視，直觀地將手算值與中間量、計算結果比對，評估計算更清晰直觀。

5 結論

基于SH_N 平臺實現的算法不僅限于提高精度，還可以在運行期間動態跟蹤中間計算值，有利于電站相關專業人員評估產品的計算結果。同時，在新的計算方案發布時，由于使用圖形化語言編寫，普通用戶閱讀效率高；圖形化語言通過將文本代碼明確劃分功能界限，故在升級時也更有利于降低人因錯誤，提高正確率。

致謝

本文所述系統的完成，得到了很多業內專家的指導、支持和幫助。其中，高景斌、鄧喜剛共享了他們的研究成果以及廣利核KME 項目團隊的一些勞動成果。由于筆者水平有限，本文如有錯誤，請讀者批評指正。