基于核電站HTR-PM 工程仿真系統研究

張高劍，張 超

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430000）

HTR-PM常規島熱力系統由凝汽器、主給水系統、再生抽汽系統、加熱器疏水放氣系統、輔助蒸汽系統、電廠循環水和開式循環冷卻水系統、閉式循環冷卻水系統、真空系統組成，HTR-PM采用風冷發電機，并配置輔助系統、變電站和廠外供電系統、化學系統、消防系統以及相應的BOP系統。兩臺反應器共用一套啟停系統進行順序啟停。HTR-PM采用集中控制方式，全廠設置一個主控室，采用統一的設計、樣式和設備-機器接口，實現運行過程中對反應堆、汽輪機和發電機的全數字監控。

1 系統配置

1.1 ESS硬件系統配置

作為一個多功能工程模擬器，ESS并不是簡單地復制HTR-PM主控室如圖1所示。ESS可用于培訓、控制系統驗證和其他目的。

圖1 主控室布置圖Fig.1 Layout of the main control room

在ESS控制室內有一套投影墻系統，用于建模概覽面板和其他輔助顯示。投影馬賽克墻由2×6個由高性能PC和多屏幕控制器控制。主控制臺的尺寸與HTR-PM相同。配備7套操作員站，每個操作員站有2個24英寸顯示器?？蓪?號反應堆、常規島和2號反應堆以及應急電源系統控制盤、火災報警盤等主控室設備進行監控。

1.2 仿真支撐系統

ESS以vPower為建模和運行管理平臺，提供了一個集成的工作環境。vPower通過統一接口提供電廠仿真系統建模的各種功能，包括操作員站、熱工流體網絡建模、電網系統建模、控制邏輯系統組態等，vPower提供開放的二次開發接口，因此，HTR-PM的特定模塊算法可以無縫嵌入到系統中。系統還具有多任務調度的能力。不同系統的模型可以用不同的并行任務來定義，也可以用實時計算來定義。

2 反應堆堆芯模型

核島一回路是核電站的核心系統。核電站仿真的逼真度主要受堆芯仿真精度動態特性的影響。由于以往的研究中已經描述了發電機的建模，因此如何構建高精度的HTR-PM雙電抗器模型是本文討論的ESS項目的關鍵問題。HTR-PM堆芯由單區堆芯、石墨反射器、碳磚絕緣體（由內向外）組成。球形燃料元件將通過堆芯頂部的進料管向反應堆內填充，進料過程將在進料管下方形成一個燃料錐。因此，反應堆堆芯上方有一個備用空間。燃料元件將通過活動區底部的卸載管卸載?；顒訁^高度11 m，卸油管直徑500 mm。第二停堆系統為8根控制棒和22套吸收球停堆系統（每套2個通道）。石墨反射層中有30個冷氦通道。

如圖2所示，HTR-PM的主要氦氣回路是：主氦氣扇向反應堆壓力容器輸送250 ℃的氦氣，通過壓力容器底部的氦氣室，然后在石墨反射器中最多有30個冷卻劑通道；會聚在冷氦真空室中，主氦從上向下流過卵石床并帶出熱量。在750 ℃下完全混合的氦被轉移到蒸汽發生器。在與二次回路中的水進行熱交換后，冷氦通過主氦風扇再次返回反應堆堆芯，從而形成氦的閉環。

圖2 HTR-PM的橫截面Fig.2 Cross section of HTR-PM

為了準確地獲得HTR-PM的動態特性，需要實時計算氦氣流量、固體結構溫度和中子通量分布，由于固體結構的溫度變化率與氦氣流量和壓力變化率相比很小，因此分別對傳熱網絡和流體網絡進行了計算。在每個時間步中，流體網絡首先求解流體節點的壓力和流量分布，然后由傳熱網絡計算傳熱節點的溫度。換熱節點的新溫度將影響下一時間步的流體網絡結果。在動態過程中，傳熱網絡和流體網絡交替計算。

流體網絡和傳熱網絡的計算都是基于集總參數法，但高溫氣冷堆的溫度分布計算需要得到卵石區域的整體分布，為了簡化網絡設計，將參數相近的部分分離為一個特定的單元。ESS采用三維圓柱多群擴散方程求解燃料球的功率分布。在反應堆物理計算中，采用流動與傳熱網絡計算的溫度分布來更新界面。同時，將由物理計算得到的功率密度分布傳遞到傳熱網絡中，作為能量平衡方程中的熱源輸入。物理計算和傳熱網絡計算將交替進行，圖3所示為ESS堆芯模型計算。

圖3 ESS堆芯計算流程圖Fig.3 ESS core calculation flow chart

由于1堆和2堆氦氣網絡作為一個緊密耦合的系統通過氦氣凈化系統連接，反應堆固體結構的溫度會影響氦氣的流動特性，實際的ESS計算任務分配與1和2反應堆傳熱計算位于同一個過程中。該過程將同時計算1和2堆芯、蒸汽發生器和輔助氦處理系統，以確保完美的收斂性和穩定性。

熱網網格和物理網網格是獨立劃分的，ESS項目提供了專門的接口模塊來連接模型的兩部分。接口模塊將對網絡的這兩部分進行預處理，并根據它們的網格傳輸具體的信息流（溫度和流量）。根據目前的實現模型，物理網絡比熱傳遞網絡具有更密集的網格。這意味著一個傳熱網絡節點可能包含多個物理網絡節點。接口模塊計算傳熱網絡節點幾何空間內的熱功率，然后將熱功率傳遞給相應的傳熱網絡節點。熱節點根據氦氣狀態計算溫度分布，并將計算出的溫度傳回物理網絡。這個過程周期性地重復。

3 結果

在建立了仿真模型后，用設計數據（包括穩態和一些瞬態）進行了驗證。在穩態條件下，在進口溫度和進口壓力與設計值相等的情況下，通過設置適當的出口壓力或壓差，計算了通過移動控制棒調節的熱功率、氦氣流量的一次質量流量和出口溫度。通過高精度的建模和計算，對比表明，所建立的模型在各種穩態下都表現出良好的性能。

以100%全功率正常運行為初始狀態，通過給出入口溫度階躍和質量流量階躍來測試瞬態，其中出口溫度和熱功率的相對變化記錄如圖4、圖5所示。

圖4 10 ℃出口溫度階躍和熱功率的變化Fig.4 10 ℃ exit temperature step and thermal power change

圖5 10%質量流量出口溫度階躍和熱功率的變化Fig.5 10% mass flow outlet temperature step and thermal power change

在+10 ℃進口溫度階躍的前10 s，出口溫度升高；在溫度負反饋的情況下，熱功率迅速下降。這樣，輸入的電源越少，溫度就越低。在數據傳輸和耦合良好的情況下，熱功率和溫度的振蕩保持大約1 000 s，并有4個周期達到另一個穩態，這與HTR-10的結果相似。收斂結束時，熱功率降低了約3%，出口溫度降低約0.5%。

通過突然降低一回路質量流量的10%來測試質量流量階躍。它通過強制對流減少了卵石床的熱量排出，因此由于能量平衡，出口溫度升高。同樣由于溫度反饋，熱功率急劇下降，然后以4個周期振蕩約1 000 s。最后，在質量流量和熱功率的共同作用下，熱功率下降約10%，出口溫度下降約1%。此外，ESS模型還進行了強制冷卻損失事故和啟停過程的試驗。不同子系統之間良好的耦合計算保證了ESS的良好運行。

4 結語

ESS已經建立了HTR-PM示范電廠的全范圍模型，包括所有兩個反應堆和一個渦輪系統。堆芯及其他子系統的穩態和瞬態試驗表明，模型與設計數據吻合良好。它可以模擬各種正常操作和事故情況，用于初步培訓、操作規程驗證和控制系統驗證。