基于FR-Sdaso和vPower的示范快堆人機交互系統(tǒng)開發(fā)

中圖分類號：TL425 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）20-0038-07

Abstract：Byembedding thesodium-cooled fastreactorsystemprogramFR-Sdaso intothevPower simulation platform，a human-computerinteractionsystemforthe6OOMWDemonstrationFastReactor（CFR6O）wasdevelopedtosupportCFR600 operatingconditionsanalysis，especialltheresearchofcomplexoperatingcondtions，andprovideabasisfor CFR6oooperating conditionsdesign.Thespecialmodelsof sodium-cooledfastreactorssuchasthecore，sodiumpool，steamgenerator，sodiumsodiumheat exchanger，andsodium-airheatexchangeroftheFR-SdasoprogramwereembeddedintovPower，andliquidmetalic sodiumworkingfluidwasaddedtovPower.ThevPowerplatformwasusedtoestablishtheCFR6OOsystemloop（flownetwork） andconventionalislandsystemmodels.Atthesametime，datamanagementandhuman-machineinterfacewererealizedbasedon thevPowerplatform.TheCFR6Oo human-computerinteractionsystemcanbeusedtoanalyze transientacidentprocessesand provide real-time response characteristics.

Keywords： system program; human-computer interaction; FR-Sdaso; vPower; complex operating plan

正在建設中的CFR600是我國閉式核燃料循環(huán)體系的重要一環(huán)，將推動我國核能乃至能源事業(yè)的發(fā)展。

CFR600核島包括堆芯、一回路、二回路和事故余熱排出系統(tǒng)（DHRS）等系統(tǒng)。堆芯采用六角形封閉組件，燃料棒正三角形排列，繞絲定位。一回路采用池式結構，設2個環(huán)路，每環(huán)路包括1個鈉泵、2個中間熱交換器（IHX）。二回路與一回路對應設2個環(huán)路，每環(huán)路包括1個鈉緩沖罐、1個鈉泵、8個蒸汽發(fā)生器（SG）模塊，每個模塊包括一個蒸發(fā)器和一個過熱器。DHRS設在一回路，包括4個獨立的環(huán)路，每個環(huán)路包括1個獨立熱交換器（DHX）和一個空冷器（AHX），4個DHX中2個在熱池、2個在冷池。常規(guī)島主設備包括汽輪機、凝汽器、凝結水泵、低壓加熱器、除氧器、給水泵、高壓加熱器和循環(huán)水泵等。

CFR600是一項科研工程，包括科研、設計和工程建設。開發(fā)鈉冷快堆系統(tǒng)程序FR-Sdaso（FastReac-torStateDesignAnalysisSoftware）是工程科研的重要內(nèi)容。基于系統(tǒng)程序開發(fā)人機交互系統(tǒng)，是協(xié)調(diào)科研、設計、施工工作，加快設計迭代的重要手段。人機交互系統(tǒng)在設計和施工階段用于工況分析和設計、設計驗證、人因工程、設計變更驗證等，將來還可用于人員培訓和運行技術支持等。

人機交互系統(tǒng)基于系統(tǒng)程序和仿真平臺軟件開發(fā)。仿真平臺軟件是在電廠操縱員培訓模擬機的基礎上發(fā)展起來的，目前市場上有GSE、3keymaster、RIN-SIM和vPower等成熟的仿真平臺軟件。其中vPower由國內(nèi)自主開發(fā)，完全基于圖形建模設計軟件架構，具有使用方便、適應性好等特點，曾用于高溫氣冷堆示范電站工程模擬機開發(fā)。基于對各平臺軟件優(yōu)勢的比較，特別是考慮到vPower有新堆型工程經(jīng)驗，本文選擇vPower作為仿真平臺軟件。

相比中國實驗快堆（CEFR），CFR600采用多模塊SG，允許隔離一個模塊后繼續(xù)運行，人機交互系統(tǒng)可用于有關多模塊SG的運行工況方案比選以及其他CFR600不同于CEFR的運行工況設計和分析工作。

相比操縱員培訓全范圍模擬機，CFR600人機交互系統(tǒng)基于物理機理模型開發(fā)，可模擬池式鈉冷快堆核電廠的復雜運行工況。人機交互系統(tǒng)沒有硬盤臺，雖然也可以部署在實驗室，但對主控室的還原不如全范圍模擬機。人機交互系統(tǒng)也可以部署在PC機，應用較全范圍模擬機靈活。

1人機交互系統(tǒng)建模

1.1技術指標和架構設計

通過將FR-Sdaso中的主要模型嵌人vPower平臺，實現(xiàn)對vPower平臺的改造，使其具備鈉冷快堆分析能力。基于改造后的vPower平臺，開發(fā)CFR600人機交互系統(tǒng)。

CFR600人機交互系統(tǒng)的計算能力應達到系統(tǒng)程序的水平，在穩(wěn)態(tài)計算中主要參數(shù)與設計值的偏差應低于 1% ，瞬態(tài)計算中的動作響應、主要參數(shù)變化趨勢、斜率、幅度應符合理論分析。

CFR600人機交互系統(tǒng)由模塊、組態(tài)、界面和數(shù)據(jù)庫組成。模塊是構成人機交互系統(tǒng)的基本單元，也是計算的最小單元，一般將設備或部件的模型開發(fā)為模塊。組態(tài)是對特定模擬對象建模的成果，根據(jù)仿真對象的系統(tǒng)構成和設備特性，將各模塊有機組合成為組態(tài)。組態(tài)相當于人機交互系統(tǒng)運行的后臺。而界面則是人機交互系統(tǒng)運行的前臺，通過界面展示運行數(shù)據(jù)和接收操作指令。

組態(tài)的計算結果存人數(shù)據(jù)庫，而界面從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫是溝通組態(tài)和界面的橋梁，居于人機交互系統(tǒng)的中心位置。

CFR600人機交互系統(tǒng)架構如圖1所示，用戶通過界面進行操作和獲取數(shù)據(jù)，組態(tài)和模型開發(fā)則由工程師完成。

1.2 堆芯模型

采用點堆模型計算裂變功率

式中： Φ_t 表示時間， σ_s;N 為裂變功率， W：ρ 為反應性； _?β 為緩發(fā)中子份額； β_i 為第 i 組緩發(fā)中子份額； λ_i 為第 i 組緩發(fā)中子先驅核衰變常數(shù)， s^-1;C_i 為第 i 組緩發(fā)中子引發(fā)的裂變功率， 為中子代時間， s;M 為緩發(fā)中子組數(shù)。

衰變功率模型

式中： H_j 為第 j 組裂變產(chǎn)物或錒系元素總量與每次衰 變釋放能量的乘積，J； E_j 為第 j 組裂變產(chǎn)物或錒系元素 份額； λ_j 為第 j 組裂變產(chǎn)物或錒系元素衰變常數(shù)， s^-1 J 為裂變產(chǎn)物或錒系元素組數(shù)。

總功率 P 為裂變功率與衰變功率之和

$ P （ t ） = N （ t ） + ＼sum { ＼ j _ { j = 1 } ＼lambda _ { j } H _ { j } ＼left（ t ＼right） } ＼$

中子學模型單獨嵌入vPower構成一個模塊，用于計算堆芯功率。

忽略燃料和包殼材料的軸向導熱和環(huán)向導熱，燃料和包殼的溫度方程簡化為極坐標下擴散方程

式中： _：ρ 為密度， kg/m³;c_p 為比熱， J/（kg?K）;T 為溫度， C：t 為時間， s;r 為徑向坐標， m;k 為熱導率，W/（m?K）;q_v 為體積功率， W/m³ ，忽略包殼釋熱，其控制方程中 q_v=0 。

在芯塊表面和包殼內(nèi)外表面均為第三類邊界條件

式中： T_u 為燃料表面溫度， ⁹C;T_ci 為包殼內(nèi)壁溫度， C T_co 為包殼外壁溫度， 為冷卻劑溫度， C_λ;r_u 為芯 塊外徑， m;r_ci 為包殼內(nèi)徑， m;r_co 為包殼外徑， m;k_u 為 燃料熱導率， W/（μ_m?K）;k_c 為包殼熱導率， W/（μ_m?K）;h_g 為芯包間隙換熱系數(shù)， W/（m²?K）;h 為冷卻劑與包殼 對流換熱系數(shù)， W/（m²?K） 0

燃料元件的換熱也單獨開發(fā)為一個模塊，計算燃料元件內(nèi)的溫度分布。

1.3 控制體和流網(wǎng)

控制體的能量守恒方程

式中： _;ρ 為冷卻劑密度， kg/m³;V 為控制體體積， m³;c_p 為冷卻劑比熱， J/（kg?K）;T 為控制體溫度， C;t 為時間， s;w 為冷卻劑流量， kg/s;T_in 為流入控制體的冷卻劑溫度， C;T_out 為流出控制體的冷卻劑溫度（等于控制體溫度）， ^C;φ 為源項， W 。

流網(wǎng)由節(jié)點（控制體）和支路組成，基于伯努利方程建立支路方程

式中： P₁，P₂ 分別為支路進出口壓力， Pa;ρ 為工質密度， kg/m³;g 為重力加速度； Δz 為支路高差， m;w 為流量， kg/s;C 為支路流通能力； 為源項，如泵的壓頭等。

對上式在 χ_t 時刻Taylor展開

記

得到支路方程的一般形式

將各支路流量代人節(jié)點連續(xù)方程： ，可得一維流網(wǎng)壓力矩陣，解出流網(wǎng)內(nèi)各點的壓力，從而求出各支路的流量。

1.4 一回路系統(tǒng)

CFR600一回路為池式結構，但是在系統(tǒng)程序和人機交互系統(tǒng)中，均采用一維流網(wǎng)和分區(qū)模型進行簡化，模擬其流動換熱，控制體劃分如圖2所示，流網(wǎng)組態(tài)如圖3、圖4所示。

1.5 熱交換器

兩側均無相變的單相熱交換器控制方程為

式中：下標1、2分別表示一次側和二次側 ?ρ 為密度，kg/m³;c_p 為比熱， J/（kg?K）;A 為流道截面積， m²;T 為溫度， C;t 為時間， s;w 為流量， kg/s;x 為流動方向坐標， m;k 為換熱系數(shù)， W/（m²?K）;l 為換熱周長， m 。

SG殼側為鈉，管側為水，是典型的管內(nèi)流動沸騰過程，基于一維均相流假設，并忽略工質的導熱，建立SG換熱模型

式中：下標 分別表示鈉側和水側： _;ρ 為密度，kg/m³;c_p 為比熱， J/（kg?K）;A 為流道截面積， m²;T 為溫度， C;H 為焓， J/kg;t 為時間， s;w 為流量， kg/s;x 為流動方向坐標， m;k 為換熱系數(shù)， W/（m²?K）;l 為換熱周長， m 。

水側管內(nèi)流動換熱分區(qū)考慮過冷、核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰和過熱4區(qū)，在各區(qū)根據(jù)流量選用適當?shù)膶α鲹Q熱關系式，并采用滑移網(wǎng)格模型求解控制方程。

單相換熱器和SG分別開發(fā)為獨立模塊。

1.6 二回路系統(tǒng)

二回路系統(tǒng)同樣以流網(wǎng)模擬，組態(tài)如圖5所示。

1.7 常規(guī)島

常規(guī)島系統(tǒng)建模基于vPower模型庫實施。根據(jù)CFR600常規(guī)島系統(tǒng)設計（圖6），建立常規(guī)島系統(tǒng)組態(tài)模型。

1.8控制

通過控制算法，實現(xiàn)了以功率為目標自動控制控制棒棒位，以一、二回路流量為目標控制一、二回路泵轉速，以SG一次側出口溫度為目標控制給水泵轉速和給水調(diào)節(jié)閥開度等控制策略。建立了全廠協(xié)調(diào)控制模型，實現(xiàn)以堆功率或電功率為目標全廠，自動設定一二三回路各自的控制目標。

1.9界面設計

人機交互系統(tǒng)界面（畫面）包括機組總貌、各系統(tǒng)畫面、控制畫面和參數(shù)曲線畫面等各種不同用途的近百幅畫面。接下來選取部分有代表性的做簡要介紹。

圖7是機組總貌畫面，用于展示全廠主要運行參數(shù)，包括堆功率、電功率、堆芯進出口溫度和一、二、三回路流量等。

圖8為二回路系統(tǒng)一個環(huán)路的畫面，圖9為一個環(huán)路的8個SG模塊畫面。這兩幅畫面展示了二回路的運行狀態(tài)，并可對二回路泵、二回路上的各閥門進行操作。

圖10為控制棒操作畫面，可通過該畫面進行控制棒操作。圖11為控制棒棒位顯示畫面。這2幅畫面模仿了硬盤臺的風格，在配備觸屏的條件下，支持通過觸屏的操作。

圖12是全廠協(xié)調(diào)控制畫面，可通過本畫面實現(xiàn)堆功率、電功率以及3個環(huán)路的流量協(xié)調(diào)匹配控制，可通過設置目標功率和功率變化速率實現(xiàn)功率平臺的過渡。

圖13是參數(shù)曲線畫面，該畫面集中顯示了電廠的運行參數(shù)，有多種顯示模式可選，例如，全廠主要參數(shù)、一回路主要參數(shù)、二回路主要參數(shù)及各主要設備參數(shù)等。

中，反應堆功率以 1500MW 為目標值，通過PI算法調(diào)節(jié)控制棒棒位作為中子學模型計算的輸入；一二回路流量以設計值為目標值，通過PI算法調(diào)節(jié)泵轉速作為流網(wǎng)計算的輸入；而給水流量則以SG出口鈉溫為控制目標，通過給水泵轉速和給水調(diào)節(jié)閥的配合控制給出三回路流網(wǎng)計算的輸入；蒸汽壓力由三回路流網(wǎng)計算得到；其他溫度參數(shù)由各模塊熱工計算得到。總體上計算值與設計值符合得很好，誤差小于 1% ，滿足計算要求。

2 仿真算例

2.1 穩(wěn)態(tài)分析

利用CFR600人機交互系統(tǒng)模擬額定功率穩(wěn)態(tài)運行工況，主要參數(shù)的計算值與設計值比較見表1。其

2.2 瞬態(tài)分析

利用CFR600人機交互系統(tǒng)進行瞬態(tài)工況分析，以控制棒失控提升瞬態(tài)為例。初始機組在額定功率工況運行，運行參數(shù)見表1，由于控制系統(tǒng)故障或人因失誤造成1根調(diào)節(jié)棒失控提升。為更好地體現(xiàn)人機交互系統(tǒng)的特點，本例中采用不同于事故分析的序列，不考慮失去廠外電源，也不引入包括非安全級設備在內(nèi)的其他設備故障。這樣，在緊急停堆后，非安全級供電的設備仍將繼續(xù)運行，電廠進入了緊急停堆后通過常規(guī)島排出余熱的工況。相比事故分析中考慮的最不利假設，這里考慮的工況在電廠的實際運行中更為常見。

圖14給出了堆功率、堆芯流量、功率流量比的變化情況。事故發(fā)生后，堆功率迅速升高，之后觸發(fā)保護停堆，隨著控制棒落棒，堆功率轉而快速降低，一回路泵因保護聯(lián)鎖惰轉到低轉速并維持在低轉速運行。

圖15給出了堆芯進出口溫度的變化情況。堆芯進出口溫差變化規(guī)律與功率流量比趨同。因事故中未失去正常熱阱，堆芯入口溫度一直都保持在低于額定值的水平，并在長期過程中逐漸降低。

圖16給出了二回路流量和給水流量的變化情況。保護停堆后，二回路泵因保護聯(lián)鎖惰轉到低轉速并維持在低轉速運行。長期排余熱的過程中，二回路相對流量高于一回路相對流量，以維持一回路較好的冷卻狀態(tài)。給水流量以維持SG鈉側出口溫度 308^°C 為目標自動調(diào)節(jié)，總體變化趨勢與二回路流量相同，但在快瞬態(tài)過程中，受系統(tǒng)控制特性呈現(xiàn)出明顯的波動特征。

圖17給出了IHX一次側出口溫度（即一回路冷端溫度）和SG一次側出口溫度（即二回路冷端溫度，穩(wěn)態(tài)工況還近似等于IHX二次側入口溫度，瞬態(tài)工況變化超前于IHX二次側入口溫度）的變化過程。緊急停堆后二回路相對流量大于一回路相對流量，使IHX出現(xiàn)過冷卻，表現(xiàn)為一次側出口溫度向二次側入口溫度靠近的特征。因為二回路采用定流量控制，IHX二次側入口溫度因緩沖罐的混合作用幾乎不波動，所以IHX一次側溫度變化平緩，沒有明顯的波動。SG一次側出口溫度受給水流量的影響，快瞬態(tài)過程中有明顯的波動特征。

這些瞬態(tài)工況下主要參數(shù)變化過程的計算結果均符合理論預期，由此表明，CFR600人機交互系統(tǒng)可較好地模擬瞬態(tài)工況。

在瞬態(tài)工況的分析中，本系統(tǒng)可對用戶的操作做出實時響應，在PC機上運行時，將主程序時間步長設置為 250ms ，可實現(xiàn)實時計算，此時用戶的所有指令在下一個時間步長即可被響應。在小型服務器上可實現(xiàn)2＼～8倍加速運行。

給出的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)算例均為全廠耦合算例，2個工況的計算都需要堆芯、一回路、二回路、DHRS、常規(guī)島和控制系統(tǒng)耦合才能實現(xiàn)，2個算例的分析覆蓋了人機交互系統(tǒng)的全部建模范圍。算例中包括了緊急停堆這樣的快瞬態(tài)過程，這一過程的正確計算，達到了測試堆芯中子學、堆芯熱工、一回路熱工水力、二回路熱工水力、常規(guī)島急停和換熱器變工況等單模塊計算的目的，同時也測試了模塊間的數(shù)據(jù)傳遞和耦合計算。計算結果符合預期，達到了全面測試系統(tǒng)計算能力的目的。

3結論

基于鈉冷快堆系統(tǒng)程序FR-Sdaso和仿真平臺軟件vPower開發(fā)了CFR600人機交互系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)工況計算結果與CFR600設計值對比以及瞬態(tài)過程計算結果都證明，CFR600人機交互系統(tǒng)可很好地模擬CFR600穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況。CFR600人機交互系統(tǒng)具有友好的人機界面，可實時交互操作，計算精度高等特點，在CFR600設計、建設以及將來的運行階段都有很好的應用。

CFR600人機交互系統(tǒng)基于用于設計和安全分析的系統(tǒng)程序FR-Sdaso開發(fā)，其計算能力超出傳統(tǒng)模擬機，達到了設計軟件的水平。本系統(tǒng)發(fā)揮仿真平臺優(yōu)勢，預制了大量數(shù)據(jù)分析模板，極大地提高了分析效率。本系統(tǒng)集成了系統(tǒng)程序和仿真程序的優(yōu)點，并在方面都達到了較高的水平。

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