于洋 吴启涛 芦韡 郭凤晨 刘盈
摘 要
本文建立了核反应堆数字化仿真验证系统的总体设计方案，基于RELAP5程序开发了热工水力仿真模型，采用Matlab/Simulink工业组态软件构建了控制系统仿真模型，采用自主开发的ModelTool组态工具开发了仪控操纵与人机交互界面，从而构成了核反应堆数字化仿真验证系统。降负荷工况仿真测试结果表明，该系统能够实现核反应堆系统瞬态工况的仿真分析，并可用于仪控系统设计方案的验证与优化。
关键词
数字化仿真验证系统;仿真模型;核反应堆系统
中图分类号： TP2 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.025
Abstract
The total design scheme of digital simulation validation system for nuclear reactor has been presented.The thermo-hydraulic model was developed based on RELAP5 software，and the control system model was constructed by using Matlab/Simulink software.Instrument control and man-machine interface was established with autonomous developed configuration tool ModelTool.The results of simulation test for load reducing show that the system could perfectly simulate the transient conditions of nuclear reactor system.
Key Words
Numerical simulation validation system;Simulation model;Nuclear reactor system
0 引言
随着计算机技术的快速发展，计算机仿真越来越多地应用到核反应堆系统设计与验证过程中。利用计算机集成和图形化技术实现多专业的联合仿真，并将计算结果与状态参数直观地展示给设计仿真人员，既可以为设计人员提供快捷的工况分析与验证手段，也可为操作员、工程师提供各种仿真培训，应用范围相对较广。
在此背景下，本文研发了核反应堆数字化仿真验证系统，以RELAP5程序开发的热工水力仿真模型为基础，采用Matlab/Simulink工业组态软件构建了控制系统仿真模型，采用自主开发的ModelTool组态工具开发了仪控操纵与人机交互界面，可用于仪控等系統设计方案的验证与优化。
1 系统设计方案
考虑到跨平台仿真运行环境，本文建立的核反应堆数字化仿真验证系统采用分布式仿真框架，各独立软件可在不同的仿真环境下运行，通过实时共享数据库实现各专业软件的数据交互，整体构成核反应堆数字化仿真验证系统。
本系统采用模块化结构，每个模块独立运行，不同模块之间由系统引擎驱动、同步控制及数据通信，且均采用与实时共享数据库相匹配的标准通信接口，易于软件功能的扩展。根据计算机的硬件配置情况，各独立软件可在一台计算机上运行，也可以分布在多台计算机上运行。
本系统的部署主要包括以下几个部分：仿真显示与用户交互界面SimView、调度控制程序SimAgent、远程控制代理程序RemoteAgent，以及用于仿真计算的各个独立软件，其部署信息如图1所示。
SimView是系统的用户交互终端，实现仿真数据的可视化展示与用户控制指令的交互;SimAgent是系统的调度控制程序，主要用于对系统运行状态的总体控制，处理用户界面的指令、交互数据;RemoteAgent用于对一些因为运行环境的原因必须部署在与SimAgent部署在不同计算机的仿真软件的管理和控制。SimView、SimAgent、RemoteAgent三者之间以网络报文形式进行数据通信，各仿真软件的运行状态控制与数据传递也以网络报文的形式进行。
在仿真软件集成方面，采用RELAP5程序开发了热工水力仿真模型，采用Matlab/Simulink工业组态软件构建了控制系统仿真模型，采用自主开发的ModelTool组态显示工具开发了仪控操纵与人机交互界面。
1.1 热工水力仿真模型
本文采用RELAP5程序实现热工水力仿真模型的开发。热工水力仿真模型主要用于提供核反应堆系统运行的热工水力参数和阀门开启状态、泵转速等设备状态参数，同时接收控制系统仿真模型及人机交互界面反馈的控制信号。
本文对RELAP5程序的数据接口与控制流程进行了改造，可以实现调度控制程序对RELAP5的灵活控制。另外，基于自主开发的RELAP5图形化建模工具，如图2所示，采用图形化（非文本）、组态化的建模方式输入参数，通过可视化拖拽的方式将图元组合起来形成反应堆及一回路系统的热工水力仿真模型。建模工具自动将图形化的建模信息解析转换为文本输入卡，并以可视化的形式对系统模型的节点划分进行检查，避免纯文本操作易出现的错误。
1.2 控制系统仿真模型
本文通过OPC通讯协议集成Matlab/Simulink工业组态软件来构建控制系统仿真模型，包括反应堆功率调节、稳压器压力和水位控制、蒸汽发生器给水控制、蒸汽旁排控制，用于实现对核反应堆系统的主要控制功能。
以反应堆功率调节系统为例，后台通讯程序通过Matlab引擎将RELAP5程序的输出数据（包括反应堆进出口温度、蒸汽流量及反应堆功率等）输入到Matlab的工作空间，反应堆功率调节系统模型运行后，首先从Matlab工作空间读取输入参数，经过预处理后，进入到控制系统内部进行控制仿真运算，得到控制输出（控制棒移动速度）并写入到Matlab工作空间，后台通讯程序通过Matlab引擎将数据传给RELAP5程序，形成闭环的仿真运算，如图3所示。
1.3 人机交互界面
人机交互界面主要用于监视核反应堆系统的运行状态和控制参数，并实现对重要阀门、泵等部件的操作。
本文采用自主开发的组态工具ModelTool绘制人机交互界面，在组态工具中集成了反应堆流体系统的组件库，例如压力容器、阀门、蒸汽发生器等，如图4所示，通过拖拽的方式添加显示组件，并对组件进行连接。组态工具根据用户操作建立的场景生成场景配置文件，场景配置以XML格式进行存储，规定了组件的大小、位置等显示信息，以及设备组件与仿真数据的绑定。显示系统解析场景配置，根据组件信息生成显示对象，并根据组件的数据绑定信息对组件显示数据进行更新，最终形成完整的人机交互界面，如图5所示。
2 工况测试结果分析
本文采用快速降负荷工况对系统进行测试。该瞬态工况为？类工况，当t=200s时，外负荷由100%FP快速线性降低至60%FP，反应堆功率变化由仪控系统Matlab/Simulink建立的反应堆功率调节系统自动进行调节。工况部分测试结果如图6-图7所示。
快速降负荷会引起一、二回路温度和压力的大幅度变化。在瞬态过程中，反应堆功率调节系统自动跟踪外负荷变化。在200s时刻，由于外负荷下降，蒸汽发生器二次侧出口蒸汽流量减少，一、二回路热能失去平衡，一回路系统向二回路系统的传热能力降低，二回路温度和压力上升，因而一回路温度和压力也略有升高。随后，在反应堆控制系统的自动调节作用下，反应堆功率开始下降，一、二回路温度和压力也开始降低。同时，由于一回路温度和压力的变化会导致稳压器电加热器的投入和切除。最终一、二回路温度和压力会逐渐趋于稳定，达到一个新的稳态运行工况。
3 结束语
核反应堆數字化仿真验证系统实现了多专业的联合仿真，完成了主要控制系统的控制功能和降负荷瞬态工况仿真测试，为实现核反应堆系统设计方案的快速评估、验证与优化提供了技术手段。
参考文献
[1]金正宾.论数字化设计及仿真[J].现代商贸工业，2010，22（11）：298-299.
[2]周刚，伊雄鹰.核动力仿真技术及发展[J].原子能科学技术，2006，9（40）：24-28.
[3]刘朝红.华能福州电厂350MW火电机组全工况实时仿真与多功能在线综合研究系统[J].热力发电，1999，28（1）：48-51.
[4]龚湛，林萌，刘鹏飞，等.AP1000核电站仿真分析平台的研发[J].热能基础研究，2011：32-36.
[5]胡建宏，高叔开，范海红，等.STAR-90通用图形建模环境的设计与实现[J].华北电力大学学报（自然科学版），2000，27（4）：39-43.
[6]RELAP5 Code Development Team，RELAP5/MOD 3.3 Code Manual，Vol 18， NUREG/CR-5535/Rev1，2001.
[7]SCDAP/RELAP5 Development Team，SCDAP/RELAP5/MOD3.2 Code Manual，Vol.15，NUREG/CR-6150，INEL-96/0422，July 1998.
[8]林桦，林萌，侯东，等.反应堆功率控制系统的建模及闭环验证[J].核动力工程，2009，30（4）：96-99.
[9]侯东，林萌，许志红.用Simulink扩展RELAP5的控制与保护系统仿真功能[J].核动力工程，2007（6）.
[10]吕子安.热工对象建模方法的研究及其应用[D].清华大学博士论文，1988.
[11]谈理，唐胜利.热力系统图形化建模软件的开发[J].计算机仿真，2004，21（11）：239-241.
