基于核電站HTR-PM工程仿真系統研究

張高劍　張超

摘 要：為石島灣核電站HTR-PM示范工程設計的工程仿真系統（ESS）基于仿真平臺vPower，可作為操作人員的初始培訓、控制系統和操作規程的驗證等，除了電子保護系統外，ESS還建立了全尺寸動態模型。ESS能準確模擬HTR-PM的啟動、停機、正常運行和事故。介紹了ESS的組成、一回路、堆芯建模、控制系統和主控室仿真。

關鍵詞：HTR-PM;工程仿真系統（ESS）;堆芯建模;控制系統;主控室仿真

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0136-04

Research on engineering simulation system based on nuclear power plant HTR-PM

Abstract： The engineering simulation system （ESS）， designed for the demonstration project of HTR-PM in the Shidao Bay Nuclear Power Station， can be served as initial training of the operators， verification of the control system and operational procedures， etc. Based on vPower， the simulation platform， the ESS has established a full-scale dynamic model except the electronic protection system. The ESS can accurately simulate the start-up， shutdown， normal operations and accidents of the HTR-PM. In this paper， the authors introduced the ESS components， primary loop， reactor core modeling， control systems and main control room simulations.

Key words：? HTR-PM;Engineering Simulation System （ESS）;core modeling; control system;simulation of main control room

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[1-2]。兩臺反應器共用一套啟停系統進行順序啟停[3]。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[4-5]。

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。

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[6]。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[7-8]。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[9-10]。

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。

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[11]。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[12-15]。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。

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。

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。

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收稿日期：2021-06-10;修回日期：2022-04-18

作者簡介：張高劍（1988-），男，本科，工程師，研究方向：核電檢維修技術開發。

基金項目：華能集團總部科技項目資助（項目編號：HNKJ18-H40）。