分布式并行實(shí)時(shí)核動(dòng)力仿真分析系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)核電進(jìn)入積極發(fā)展階段，在保證電廠安全性的基礎(chǔ)上，對(duì)經(jīng)濟(jì)性也提出了更高要求。仿真在核電領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，它廣泛地應(yīng)用于反應(yīng)堆設(shè)計(jì)安全分析、獨(dú)立安全評(píng)價(jià)、先進(jìn)主控室設(shè)計(jì)驗(yàn)證、事故緩解措施、控制與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操縱員培訓(xùn)以及教學(xué)等方面的研究，有效地提高了電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。為此，作者利用目前先進(jìn)的分布式并行計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，基于受到國(guó)際認(rèn)可和廣泛使用的反應(yīng)堆熱工水力估算程序，將其同控制與保護(hù)系統(tǒng)模擬程序、人機(jī)交互界

2、面程序等有機(jī)集成，自主研究和開(kāi)發(fā)了更為先進(jìn)的綜合核動(dòng)力仿真分析系統(tǒng)，并用于相關(guān)領(lǐng)域研究。 本文所研究的核動(dòng)力仿真分析系統(tǒng)主要由反應(yīng)堆熱工水力計(jì)算、控制與保護(hù)系統(tǒng)模擬、人機(jī)交互界面仿真三個(gè)主要子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要采用分布式并行仿真結(jié)構(gòu)。他們分別由不同程序完成，熱工水力系統(tǒng)是由RELAP5程序模擬，控制與保護(hù)系統(tǒng)采用Simulink和C語(yǔ)言等進(jìn)行詳細(xì)的邏輯模擬，人機(jī)界面程序?yàn)镃++Builder自主開(kāi)發(fā)的多用戶界面程序。每個(gè)程序

3、可在不同的計(jì)算機(jī)上和操作系統(tǒng)下運(yùn)行，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互連。所有獨(dú)立子系統(tǒng)之間通過(guò)信號(hào)通訊的方式建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以及并行管理。根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境需要，本文采用了使用DATABASE、SOCKET和PVM三種通訊方式進(jìn)行系統(tǒng)有機(jī)集成，從而將多個(gè)功能有限的子系統(tǒng)合并擴(kuò)充來(lái)完成核電廠綜合仿真這一龐大任務(wù)。 作為仿真分析系統(tǒng)主要組成部分之一的反應(yīng)堆熱工水力程序選用了國(guó)際認(rèn)可的最佳估算程序RELAP5，由于該程序原開(kāi)發(fā)目的并非用于仿真，因此作者

4、對(duì)其進(jìn)行了多項(xiàng)仿真功能改造包括實(shí)時(shí)計(jì)算、參數(shù)動(dòng)態(tài)交互和計(jì)算流程控制功能開(kāi)發(fā)。同時(shí)為使該程序能夠?qū)Υ煤藙?dòng)力裝置環(huán)形窄縫流道進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，對(duì)其傳熱與流動(dòng)模型也進(jìn)行了擴(kuò)展。程序改造工作的驗(yàn)證結(jié)果表明：改造后的RELAP5程序功能得到擴(kuò)大，適用范圍更廣，充分滿足了仿真分析系統(tǒng)的需要；改造工作對(duì)RELAP5程序的核心，質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒等原數(shù)學(xué)模型等沒(méi)有影響。核電廠控制與保護(hù)系統(tǒng)是仿真分析系統(tǒng)另一主要組成部分，根據(jù)簡(jiǎn)單模擬、一般模擬和詳細(xì)模擬

5、的思路，作者采用了C語(yǔ)言、商用組態(tài)軟件和Simulink三種手段對(duì)其進(jìn)行了模擬。其中價(jià)格相對(duì)低廉、技術(shù)成熟、效果率高、靈活性好的Simulink軟件被詳細(xì)研究，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)將Simulink與RELAP5程序有機(jī)耦合可進(jìn)行控制與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。根據(jù)仿真分析系統(tǒng)的需要，分別對(duì)核電廠穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓器液位控制系統(tǒng)、蒸發(fā)器液位控制系統(tǒng)、反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)、主蒸汽排放控制系統(tǒng)以及停堆和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)模擬，對(duì)比驗(yàn)證結(jié)

6、果表明該系統(tǒng)仿真與實(shí)際相吻合。 人機(jī)交互界面是仿真分析系統(tǒng)的第三個(gè)主要組成部分，作者對(duì)新一代核電廠數(shù)字化先進(jìn)主控室的信息顯示系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的研究，主要集中在信息等級(jí)顯示結(jié)構(gòu)、幅面導(dǎo)航方式和幅面版式等方面。所有信息顯示幅面按等級(jí)分為一級(jí)電廠主要狀態(tài)參數(shù)、二級(jí)電廠概貌參數(shù)、三級(jí)電廠系統(tǒng)主要參數(shù)和四級(jí)電廠子系統(tǒng)和設(shè)備參數(shù)。該等級(jí)式組織成梯形分布，起始于提供電廠重要狀態(tài)信息的總覽圖，終止于提供所有信息的詳圖。幅面間的導(dǎo)航則采用基于幅面和

7、基于樹(shù)型菜單的手動(dòng)導(dǎo)航和自動(dòng)導(dǎo)航兩種方式，使得操縱員能夠迅速準(zhǔn)確地查找到所需幅面。在幅面具體開(kāi)發(fā)過(guò)程中，作者參考核電廠主控室設(shè)計(jì)與人因工程的相關(guān)法規(guī)、導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)以及他人研究成果，對(duì)涉及到的諸如模擬圖、顯示器、控制器、儀表、標(biāo)牌、聲音、燈光、顏色、文字、報(bào)警等具體要求進(jìn)行了總結(jié)，使用C++Builder開(kāi)發(fā)了多套人機(jī)交互界面程序，對(duì)先進(jìn)主控室幅面設(shè)計(jì)起到了一定的借鑒作用。基于上述理論和技術(shù)，作者最終以巴基斯坦恰?，敽穗姀S、廣東大亞灣核電廠

8、、船用核動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)架等為對(duì)象成功開(kāi)發(fā)了多個(gè)仿真分析系統(tǒng)，并用于如下相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究：一、二回路熱工水力系統(tǒng)建模，核電廠設(shè)計(jì)獨(dú)立安全評(píng)價(jià)、先進(jìn)主控室設(shè)計(jì)驗(yàn)證、嚴(yán)重事故仿真、事故緩解措施等。大量應(yīng)用研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能夠廣泛應(yīng)用于研究領(lǐng)域，而且在工程領(lǐng)域也能發(fā)揮巨大作用。本文自主改造國(guó)際認(rèn)可的反應(yīng)堆最佳估算程序RELAP5用于仿真，這在國(guó)內(nèi)尚屬首次；開(kāi)創(chuàng)性地對(duì)RELAP5程序進(jìn)行數(shù)學(xué)模型改造，擴(kuò)大了它的適用范圍；突破傳統(tǒng)的使用單