仿真技術在國產三代核電控制系統驗證的應用

王 江， 姜夏嵐， 劉泰麗

（中廣核（北京）仿真技術有限公司， 廣東深圳 518000）

0 引言

國產三代核反應堆的安全性明顯優于第二代核反應堆。安全是核電發展的前提，核電廠的數字儀控系統（DCS）是核電站機組運行控制的關鍵，也是安全的保障，核電廠DCS 在測試和驗收階段， 尚未建立與受控對象的動態連接，難以暴露與設計、人因錯誤相關的問題，難以評估實際DCS 的準確性及動態響應特性。本文利用高精度的國產三代核電廠仿真模型，結合虛擬DCS 平臺，研發了可用于三代核電廠DCS 驗證的測試平臺，可在機組調試啟動前實現對DCS 的組態驗證，動態性能測試和邏輯演練。

1 核電廠過程模型的建立

為實現足夠的核電廠工藝系統模型精度， 采用高精度熱工水力建模工具來建立一回路及蒸汽發生器二次側的熱工水力模型，采用三維中子動力學計算程序進行堆芯中子物理模型建模，核島輔助及專設安全系統則采用流體力學計算程序模擬。該模型可模擬核電廠的正常運行和各類事故，另外該模型可連續地向控制系統提供溫度，壓力等各類控制輸入參數， 同時可接收來自于控制系統的閥位，開關等各類控制參數。

1.1 高精度熱工水力模型的建立

高精度熱工水力模型將包括一回路主要部件和蒸汽發生器二次側等。 一回路局部模型的模擬見圖1。

圖1 一回路局部模型模擬圖Fig.1 Local model simulation diagram of primary circuit

1.2 三維中子物理模型的建立

堆芯中子物理模型采用三維，兩群，六組緩發中子空間擴散模型進行模擬。同時在模型中考慮了氙釤毒物效應、控制棒效應、溫度效應等，與熱工水力模型形成動態耦合。

1.3 輔助系統及專設安全系統的建立

流體力學模型包括化學容積控制系統、余熱排出、蒸汽排放系統，主給水系統，給水加熱系統等，這些系統與一回路模型耦合在一起，形成一個完整的閉環過程模型系統。

1.4 工藝模型的仿真能力

該核電廠工藝系統的模型將包括設計基準事故，各類瞬態工況，包括但不限于以下工況仿真范圍與能力：①階躍負荷變化；②線性負荷變化；③LOCA 等一回路相關故障；④給水或蒸汽系統故障。

1.5 仿真平臺的集成

上述建立的系統都將在專業仿真平臺內集成和運行，平臺的主要功能包括：①系統故障與設備故障的調用和消除；②虛擬仿真驗證系統不同工況的切換；③重要參數的曲線顯示。

2 控制系統的平臺構架設計與功能實現

2.1 控制系統功能設計與分配

儀控系統運用虛擬DCS 平臺環境進行構建，邏輯部分使用組態工具進行組態。組態的構架、通訊及分布與實際DCS 完全一致。

操作站同樣構建在虛擬DCS 平臺下，并與實際操作站保持一致。

虛擬DCS 平臺與實際DCS 一樣，提供歷史數據庫功能，以管理歷史數據。

2.2 控制系統與過程工藝系統的數據交換

虛擬DCS 與過程模型的數據傳遞方式以控制站為單位通過內存區整片拷貝的形式進行交換。

2.3 第三方儀控系統

第三方儀控系統都將在仿真平臺中實現， 通過通訊與其他系統耦合連接。

3 被驗證控制系統的具體內容

核電廠的控制系統主要包括：功率控制系統、冷卻劑平均溫度控制系統、穩壓器壓力和水位控制系統、蒸汽發生器液位控制系統、蒸汽排放控制系統、給水泵轉速控制系統。 另外還包括專設安全系統及二回路汽水循環系統的控制系統等。

4 仿真驗證平臺的使用與測試

利用這套仿真驗證平臺， 我們對國內某三代堆機組的控制系統中的主要部分進行了組態驗證， 邏輯預演和數據分析。通過測試上述控制系統，觀測其系統運行及動態響應，并結合各系統設計手冊，分析排查了大量因軟、硬組態設計而導致的問題， 使得絕大部分組態設計問題在機組實際啟動前得到了有效的處理， 降低了實際機組聯調階段的風險。

其使用驗證包括建立初始工況、比對控制參數、進行瞬態工況測試、數據記錄與比對分析這四個主要步驟。

本文選取機組較為典型的瞬態工況進行測試對比：

仿真測試平臺100%FP 功率運行時跳機不跳堆；系統手冊給出的100%FP 功率狀態下跳機不跳堆。

可以看到由于主蒸汽流量迅速下降， 多余的熱量來不及帶出，一回路溫度在初期迅速上升，而后由于控制棒的下插，核功率下降，冷卻劑溫度也慢慢下降并回到整定值。 穩壓器水位在初期由于一回路水實體的升溫膨脹而迅速升高， 而后隨著一回路溫度的下降加上化學容積控制系統的調節而回到整定值。 蒸汽發生器水位類似于平穩降負荷工況， 在初期因為循環流量的增加而出現大幅下降，而后在給水系統的調解下慢慢回升，調節過程有很多過調，但最終還是能回到穩定值。

從圖2 可看出：仿真測試平臺的瞬態曲線與系統設計手冊相比總體趨勢一致，并且在最終穩定值上相差無幾。

圖2 跳機不跳堆的參數分析Fig.2 Parameter analysis of trip without reactor trip

5 結論

利用專業仿真平臺， 結合各專業仿真計算工具建立的核電廠工藝系統仿真模型具有足夠的精度， 能夠準確模擬核電廠的正常運行、瞬態工況、事故工況下的物理變化及相關參數的變化，是進行儀控系統驗證的有效工具和手段。

虛擬儀控系統采用與實際機組儀控系統同樣的架構和組態，在進行組態驗證的同時還可對儀控系統的結構進行驗證分析，對于機組儀控系統的驗證具有重要的意義。

該驗證平臺的工藝系統模型主要側重于國產三代核電廠的主要工藝系統，與實際核電廠相比，其仿真范圍還未覆蓋到全廠，通過系統的擴展，增加其他系統的開發，可實現全電廠全范圍的儀控系統驗證，這是該系統的改進方向之一。