(中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江 三門 317112)
魏 來，陳 森
                                  
    魏來(1981-)男，安徽省淮南市人，工程師，華中科技大學(xué)工學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)槿秶M機(jī)開發(fā)及維護(hù)。

    摘要：三門核電站采用AP1000全范圍模擬機(jī)，所有電站模型按照系統(tǒng)類型和建模工具的不同可以劃分為堆芯系統(tǒng)、一回路熱工水力系統(tǒng)、氣液兩相流體系統(tǒng)、氣體或者液體單相流體系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)。本文主要介紹AP1000電站流體系統(tǒng)的建模原理和仿真過程，以AP1000乏燃料池冷卻系統(tǒng)為例，使用GSE公司的圖形化建模工具JTOPMERET對(duì)建模和仿真過程進(jìn)行說明。

    關(guān)鍵詞：建模；仿真；流體系統(tǒng)

    Abstract: The AP1000 plant adopts full scope real time simulator, all the plant models divide into reactor core models , primary hydraulic fluid system, gas and liquid two phase fluid system, gas or liquid single phase fluid system,instrumentation and control system and electric system. This article mainly introduces the philosophy of the AP1000 plant’s fluid system modeling and process of the simulation, takes the spend fuel cooling system as an example,using the GSE company’s graphic modeling tools Jtopmeret to explain the process of the modeling and simulation.

    Key words: Modeling; Simulation; Fluid

    1 流體系統(tǒng)建模的主要原理以及組成

    1.1 電站模型分類以及JTOPMERET簡(jiǎn)介

    AP1000電站全范圍模擬機(jī)由美國(guó)WEC公司總包，美國(guó)GSE公司分包，CNPO作為GSE的子承包商負(fù)責(zé)一部分核島、常規(guī)島以及公用系統(tǒng)建模。GSE公司和CNPO公司負(fù)責(zé)AP1000電站除儀控系統(tǒng)外的全部系統(tǒng)模型的仿真模型建立，AP1000電站模型根據(jù)系統(tǒng)以及建模工具的不同可以劃分為堆芯模型、一回路熱工水力模型、兩相流系統(tǒng)模型、電氣系統(tǒng)模型以及儀控系統(tǒng)模型，其中流體系統(tǒng)建模使用JTOPMERET圖形化建模軟件。

    JTOPMERET軟件是GSE公司于1990年開始開發(fā)，最初的著眼點(diǎn)是解決兩相流的壓力矩陣，隨后又逐漸完善了熱傳遞方程，并增加了傳感器。1993年開始圖形化編輯界面的開發(fā)，使用核心方程計(jì)算反應(yīng)率，放射性衰變熱等。經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，JTOPMERET已經(jīng)逐漸成為流體系統(tǒng)建模的首要解決方案，其廣泛應(yīng)用于核電、火電、石化等大型行業(yè)，以運(yùn)行穩(wěn)定、仿真精度高、界面友好易掌握獲得大量客戶的好評(píng)。

    1.2 流體系統(tǒng)建模遵循的主要方程以及計(jì)算的主要變量

    流體系統(tǒng)建模遵循動(dòng)量平衡、質(zhì)量平衡以及能量守恒三大定律，對(duì)于氣相以及液相均獨(dú)立計(jì)算動(dòng)量、質(zhì)量以及能量方程。

    動(dòng)量方程

        (1)

    質(zhì)量方程

      (2)

    能量方程

      (3)

    流體系統(tǒng)主要計(jì)算壓力、流量、焓、溫度、熱傳遞、氣相濃度、沸騰和凝結(jié)率、濃度、反應(yīng)性、電導(dǎo)率、可溶化學(xué)濃度等重要參數(shù)。

    1.3 JTOPMERET的程序結(jié)構(gòu)

    首先了解以下幾個(gè)概念，有助了解JTOPMERET的程序結(jié)構(gòu)，如圖1所示，MST以及SST處于程序結(jié)構(gòu)的最頂端，驅(qū)動(dòng)RTEXEC以及IEXEC，均處于服務(wù)器層。工程師層有控制模塊，控制模塊控制各程序段，各程序段控制模型內(nèi)各組件，組件又由某些特定編碼的子程序構(gòu)成：

    (1)MST(Master Synchronization Task)主計(jì)算機(jī)同步任務(wù)管理，控制主計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行；

    (2)SST(Slave Synchronization Task)從計(jì)算機(jī)同步任務(wù)管理，控制從計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行；

    (3)RTEXEC(Real Time Executive)實(shí)時(shí)執(zhí)行，由MST或者SST驅(qū)動(dòng)，用于模擬機(jī)模型間的集成執(zhí)行；

    (4)IEXEC(Interactive Executive)內(nèi)部執(zhí)行，用于實(shí)時(shí)多模型共同測(cè)試；

    (5)Control Modual控制模塊，其下層為程序段(segment)；

    (6)Segment 程序段，其下層為組件(component)，如泵、閥等；

    (7)Subroutine 子程序，通常為具有某些特定功能的子程序。
                               
                                       圖1  JTOPMERET程序結(jié)構(gòu) 
    1.4 JTOPMERET流體網(wǎng)絡(luò)的主要組成

    JTOPMERET流體網(wǎng)絡(luò)主要由結(jié)點(diǎn)(n o d a l)、連接(link)、壓力邊界(pressure boundary)、流體邊界(flow boundary)、熱邊界(heat boundary)、泵、風(fēng)機(jī)、閥門、熱交換器等組成，下面簡(jiǎn)要介紹節(jié)點(diǎn)以及流體通道的類型以及計(jì)算方程。

    1.4.1 結(jié)點(diǎn)

    JTOPMERET共有9種結(jié)點(diǎn)，依次為常規(guī)型、汽輪機(jī)型、容器型、冷卻塔型、熱交換器殼側(cè)型、熱交換器管側(cè)型、管道型、氣體分離器、液體分離器型，常規(guī)型結(jié)點(diǎn)約占全部結(jié)點(diǎn)使用率的90%，一般型結(jié)點(diǎn)主要用于將系統(tǒng)管道流程圖(P&ID)中的所有管道按照走向、高度以及尺寸劃分為流體網(wǎng)絡(luò)，將管道以及箱體轉(zhuǎn)化為結(jié)點(diǎn)。其中氣體分離器型結(jié)點(diǎn)可以精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)除濕再熱器的模擬。

    1.4.2 結(jié)點(diǎn)的主要計(jì)算方程

    流導(dǎo)(admittance)：
      (4)  
    

      

    水力直徑(Hydraulic Diameter)：

    A代筆面積，Pw代表周長(zhǎng)

    hd=4A/pw

    正方形區(qū)域面積周長(zhǎng)計(jì)算：

    
   
  
          
            

    三角型區(qū)域面積周長(zhǎng)計(jì)算：

      (5)  

      (6)  
         
            

    1.4.3 Link

    JTOPMERET共有3種link，依次為質(zhì)量流量連接，熱流量連接以及簡(jiǎn)單連接三種。其中質(zhì)量流量連接用于連接結(jié)點(diǎn)，熱流量連接用于連接熱邊界，簡(jiǎn)單連接用于連接各種測(cè)量?jī)x表，如壓力變送器，溫度變送器等。連接是沒有任何體積和質(zhì)量的單元，其中質(zhì)量流量連接用于連接兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，閥門放置在連接之上。

    1.4.4 邊界

    邊界(boundary)有四種，分別對(duì)應(yīng)壓力邊界、流量邊界以及熱流量邊界以及熱結(jié)點(diǎn)邊界。流量邊界與壓力邊界總是成對(duì)出現(xiàn)，通常在相互接口的兩個(gè)系統(tǒng)中一個(gè)系統(tǒng)為壓力邊界，則相對(duì)應(yīng)的一個(gè)系統(tǒng)就為流量邊界。熱邊界代表熱源，如乏燃料池中乏燃料釋放的衰變熱就可以用熱邊界來模擬，只需輸入不同工況下的對(duì)應(yīng)熱量釋放即可。敞口容器需要加上壓力邊界，用于連接系統(tǒng)所在區(qū)域環(huán)境，如乏燃料池處于核輔助廠房VAS范圍，那么就使用該壓力邊界連接SFS系統(tǒng)與VAS系統(tǒng)，與之類似換料腔處于安全殼CNS系統(tǒng)內(nèi)。

    2 乏燃料池冷卻系統(tǒng)建模
                     
                                  圖2  乏燃料池冷卻系統(tǒng)過程流程圖
                
                                圖3  乏燃料池冷卻系統(tǒng)JTOPMERET 網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)圖
  2.1 JTOPMERET網(wǎng)絡(luò)圖繪制一般原則

    JTOPMERET 網(wǎng)絡(luò)圖的繪制遵循從上到下，從左到右的原則。建立模型前首先要仔細(xì)閱讀系統(tǒng)建模要求說明書，模擬范圍必需與系統(tǒng)劃定模擬范圍的P&ID圖保持一致，節(jié)點(diǎn)和部件擺放相對(duì)位置考慮P&ID圖以及過程流程圖參照真實(shí)位置高度，節(jié)點(diǎn)的編號(hào)以及連接的次序遵循與工藝流程一致的原則，泵、熱交換器以及過濾器的選擇以電廠設(shè)計(jì)參數(shù)為參考進(jìn)行選擇。邊界的選擇遵循體積大的，流量對(duì)其影響不大的結(jié)點(diǎn)選擇流量邊界，對(duì)應(yīng)的其他系統(tǒng)的邊界選擇壓力邊界。

    一張JTOPMERET結(jié)點(diǎn)圖規(guī)定的最大結(jié)點(diǎn)數(shù)量為200，結(jié)點(diǎn)數(shù)量超過200必需考慮分為兩張圖。JTOPMERET規(guī)定了泵、閥門以及熱交換器等部件的命名規(guī)則。以泵為例，命名規(guī)則為‘系統(tǒng)簡(jiǎn)稱+部件代號(hào)+編號(hào)’，以SFS系統(tǒng)01A泵為例其編號(hào)為SFSMP01A。

    2.2 乏燃料池冷卻系統(tǒng)中非標(biāo)準(zhǔn)部件的建模實(shí)現(xiàn)

    JTOPMERET有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)，一般的泵、風(fēng)機(jī)、閥門、熱交換器等部件均有，但是也并不能完全涵蓋AP1000電廠的所有設(shè)備，比如爆破閥、過濾器等。這些非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備就需要重新建立部件庫(kù)，重新編碼生成，也可使用JTOPMERET自帶的部件庫(kù)中的部件進(jìn)行組合來生成新的滿足功能的部件。以過濾器為例，可以將其根據(jù)體積以及高度差分為上下兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，壓降平均分配，中間使用連接連接，在連接上放置閥門，以閥門的關(guān)閉來模擬過濾器的堵塞故障。

    2.3 故障的模擬

    故障是模型必需重點(diǎn)考慮的組成部分，是操縱員培訓(xùn)必不可少的情景培訓(xùn)。故障的種類和數(shù)量要真實(shí)反映電廠設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行情況，常見的流體系統(tǒng)故障有管道小破口、大破口、泵堵轉(zhuǎn)卡殼、泵失去電源、泵超速、過濾器堵塞、閥門泄露誤動(dòng)作等通用故障。在乏燃料池冷卻系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)說明書，主要考慮設(shè)置了泵出口管道泄漏、熱交換器入口管道泄漏、除鹽器堵塞過濾器堵塞這三個(gè)類型的故障。

    2.4 乏燃料池冷卻系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)圖

    如前2.1所述，按照乏燃料池冷卻系統(tǒng)P&ID以及過程流程圖按照J(rèn)TOPMERET繪制規(guī)則完成乏燃料池冷卻系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)圖的繪制。

    2.5 模型輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

    模型輸入數(shù)據(jù)主要包括結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入、link數(shù)據(jù)輸入、邊界數(shù)據(jù)輸入、泵、風(fēng)機(jī)、熱交換器等部件的數(shù)據(jù)輸入，下面將介紹結(jié)點(diǎn)、link以及泵的數(shù)據(jù)輸入。

    2.5.1 結(jié)點(diǎn)的輸入數(shù)據(jù)

    主要包括結(jié)點(diǎn)類型、雙相流或者單相流、是否過濾器選項(xiàng)、有無化學(xué)反應(yīng)、結(jié)點(diǎn)是否可壓縮、水力直徑、截面積、是否線性體積、高度、體積、表面積、壁厚材料。
                 
                                  圖4  結(jié)點(diǎn)的輸入?yún)?shù)
    輸入數(shù)據(jù)由電廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)直接計(jì)算而來，需要系統(tǒng)的管道軸側(cè)圖來計(jì)算高度，水力直徑、管道截面積、體積以及表面積，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)直接決定模型仿真的精度。

    2.5.2 Link的輸入?yún)?shù)

    Link存在有閥門與沒有閥門兩種情況，主要用于計(jì)算流導(dǎo)，詳細(xì)計(jì)算過程參見1.2.2.輸入?yún)?shù)主要有閥門類型、上游壓力、下游壓力、流體速度等。帶節(jié)流孔板的flow path 選擇choke flow。沒有閥門的link閥門類型選擇固定(fix)類型，有閥門的link閥門類型選擇線性(linear)。連接參數(shù)輸入的重點(diǎn)是將流體系統(tǒng)工藝流程的壓降進(jìn)行分配，這將直接決定流導(dǎo)的大小。

    2.5.3 泵的參數(shù)以及運(yùn)行曲線
                  
                                    圖5  泵的輸入?yún)?shù)
    泵需要輸入凈吸入壓頭(NPSH)，運(yùn)行曲線以及壓降，選取泵運(yùn)行曲線上三個(gè)工作點(diǎn)，分別填入其壓頭以及對(duì)應(yīng)的流量，所示完成泵的參數(shù)輸入。

    2.5.4 模型數(shù)據(jù)格式

    如前所述結(jié)點(diǎn)、連接、泵、閥門、熱交換器等參數(shù)輸入，實(shí)際是對(duì)模擬機(jī)模型計(jì)算方程和矩陣的參數(shù)輸入，圖形化的編程界面實(shí)際是提供了一個(gè)友好的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)輸入格式，便于生成標(biāo)準(zhǔn)矩陣代碼。所有的變量以及常量全部在JTOPMERET數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件DBM(database management system)中分配地址，在完成所有的參數(shù)輸入后就可以生成模型運(yùn)行數(shù)據(jù)并鏈接可執(zhí)行程序進(jìn)行調(diào)試，下面將以乏燃料池冷卻系統(tǒng)(sfs)為例介紹JTOPMERET生成的主要模型數(shù)據(jù)格式，子模塊在此就不作介紹。

    再完成源程序編譯后，我們得到一些主要的數(shù)據(jù)輸入塊以及控制模塊，JTOPMERET源代碼主要由C語言以及Fortran語言編譯。

    bk.sfs1 常量數(shù)據(jù)輸入塊

    bv.sfs1 變量常量數(shù)據(jù)輸入塊

    d.globla_k 常量數(shù)據(jù)庫(kù)文件

    d.global_v 變量數(shù)據(jù)庫(kù)文件

    sfs1.dbmc 常量數(shù)據(jù)庫(kù)輸入文件

    sfs1.dbmv 變量數(shù)據(jù)庫(kù)輸入文件

    sfs1.dbmb 邊界數(shù)據(jù)庫(kù)輸入文件

    sfs1.data 生成的模型輸入數(shù)據(jù)文件

    Ssfsd01t 外部參數(shù)輸入模塊

    Ssfsd02t 模型參數(shù)輸出模塊

    Sfsm16t1 控制模塊

    Sfsd11t 流導(dǎo)計(jì)算方程

    Sfsd12t 矩陣計(jì)算方程

    Sfsd13t 網(wǎng)絡(luò)流量計(jì)算方程

    Sfsd14t 焓、溫度、質(zhì)量、密度方程

    Sfsd15t 結(jié)點(diǎn)物理特性方程

    Sfsd18t 傳感器過程輸入方程

    3 單系統(tǒng)測(cè)試

    3.1 單系統(tǒng)調(diào)試步驟

    單系統(tǒng)測(cè)試是對(duì)單個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，沒有考慮與其他系統(tǒng)的接口。下面以乏燃料池冷卻系統(tǒng)為例，介紹模型的編譯調(diào)試步驟。

    (1)生成數(shù)據(jù)文件 SFS1.data；

    (2)生成源代碼；

    (3)在data base management 中加載常量(constant)，變量(variable)以及邊界(boundary)；

    (4)加載控制模塊以及子程序；

    (5)編譯所有控制模塊以及子程序；

    (6)生成模型可執(zhí)行文件C.TESTSFS1文件；

    (7)鏈接可執(zhí)行文件并啟動(dòng)S3serv；

    (8)啟動(dòng)調(diào)試窗口并加載生成的邊界文件；

    (9)運(yùn)行模型并實(shí)現(xiàn)與JTOPMERET的通訊；

    (10)設(shè)置正確的部件開啟次序(閥門、泵等)，對(duì)初始狀態(tài)進(jìn)行快照(snap IC)；

    (11)重啟初始條件(reset IC)；

    (12)驗(yàn)證流體模型不同工況下的溫度、流量、壓力、液位等參數(shù)。

    3.2 單系統(tǒng)測(cè)試原則

    單系統(tǒng)測(cè)試的目的主要是驗(yàn)證流體模型不同工況的溫度、流量、壓力、液位等重要參數(shù)以及初始條件和邊界的設(shè)置，做好記錄與電廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)與電廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不一致則需要重新檢查模型輸入數(shù)據(jù)以及初始條件設(shè)置，直到模型數(shù)據(jù)與電廠設(shè)計(jì)保持一致為止。以乏燃料池冷卻系統(tǒng)為例，就需要測(cè)試正常運(yùn)行工況、事故工況下的系統(tǒng)功能，驗(yàn)證正常運(yùn)行工況下乏燃料池的冷卻凈化，換料腔的冷卻凈化以及反應(yīng)堆冷卻劑轉(zhuǎn)移等功能，驗(yàn)證溫度、壓力、流量、液位值、熱量等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)驗(yàn)值是否與設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致。驗(yàn)證事故工況下如乏燃料池沸騰，乏燃料池的補(bǔ)充裝量等功能。

    單系統(tǒng)測(cè)試作為集成測(cè)試(聯(lián)合調(diào)試)前的重要步驟具有重要意義，聯(lián)合調(diào)試的時(shí)間以及成敗很大程度上取決于單系統(tǒng)調(diào)試的質(zhì)量，在單系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)越多的錯(cuò)誤越有助于節(jié)省聯(lián)合調(diào)試的時(shí)間，保證聯(lián)合調(diào)試的成功。

    3.3 乏燃料池冷卻系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果
                     
                                   圖6  乏燃料池冷卻系統(tǒng)單系統(tǒng)測(cè)試
    圖6是乏燃料池冷卻系統(tǒng)的單系統(tǒng)調(diào)試圖，目前正常運(yùn)行工況以及事故工況下的各回路管線的流量、液位、水池溫度、結(jié)點(diǎn)壓力等參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間誤差在容許范圍內(nèi)，單系統(tǒng)測(cè)試成功。由于目前AP1000 核島系統(tǒng)模型開發(fā)還未進(jìn)入聯(lián)調(diào)階段，因此聯(lián)調(diào)內(nèi)容就不在本文中做介紹。

    4 小結(jié)

    模擬機(jī)需要最大限度的反應(yīng)電廠真實(shí)設(shè)計(jì)，模型開發(fā)作為模擬機(jī)的核心直接決定了模擬機(jī)的仿真精度。工欲善其事，必先利其器，一套好的仿真建模工具是模型開發(fā)工程師最好的助手，掌握好模擬機(jī)模型開發(fā)的步驟與調(diào)試對(duì)于后續(xù)模擬機(jī)的運(yùn)行維護(hù)以及技術(shù)改造升級(jí)具有重要意義。因?yàn)槠邢蓿胁荒軐⑺薪Ｕ{(diào)試步驟一一詳述，僅希望以乏燃料池冷卻系統(tǒng)作為AP1000電站流體系統(tǒng)的例子讓更多的人了解模擬機(jī)模型的開發(fā)過程。

    其他作者：陳森(1969-)，男，湖北人，高級(jí)工程師，哈爾濱工程大學(xué)工學(xué)學(xué)士、研究方向?yàn)槿秶M機(jī)開發(fā)及應(yīng)用維護(hù)。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] GSE.JTOPMERET USER GUIDE，2005:30~270.

    [2] WEC.APP-SFS-M3-001_01,1版乏燃料池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書，2008.

    [3] WEC.APP-STS-J4-156，0版乏燃料池冷卻系統(tǒng)模型需求說明書，2008.

    [4] WEC.APP-SFS-M6-001_03，3版乏燃料池冷卻系統(tǒng)P&ID圖，2008.

    [5] WEC. APP-SFS-M6-002_03，3版乏燃料池冷卻系統(tǒng)P&ID圖，2008.

    [6] WEC. APP-SFS-M6-003_03，3版乏燃料池冷卻系統(tǒng)P&ID圖，2008.

    [7] WEC.APP-SFS-M6K-001_01，1版乏燃料池冷卻系統(tǒng)過程流圖，2008.

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第二期