分布式并行實時核動力仿真分析系統(tǒng)的研發(fā)及應用.pdf

1、進入21世紀，中國核電進入積極發(fā)展階段，在保證電廠安全性的基礎上，對經(jīng)濟性也提出了更高要求。仿真在核電領域發(fā)揮著越來越重要的作用，它廣泛地應用于反應堆設計安全分析、獨立安全評價、先進主控室設計驗證、事故緩解措施、控制與保護系統(tǒng)設計、操縱員培訓以及教學等方面的研究，有效地提高了電廠的安全性和經(jīng)濟性。為此，作者利用目前先進的分布式并行計算機仿真技術(shù)，基于受到國際認可和廣泛使用的反應堆熱工水力估算程序，將其同控制與保護系統(tǒng)模擬程序、人機交互界

2、面程序等有機集成，自主研究和開發(fā)了更為先進的綜合核動力仿真分析系統(tǒng)，并用于相關(guān)領域研究。 本文所研究的核動力仿真分析系統(tǒng)主要由反應堆熱工水力計算、控制與保護系統(tǒng)模擬、人機交互界面仿真三個主要子系統(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，控制與保護系統(tǒng)采用Simulink和C語言等進行詳細的邏輯模擬，人機界面程序為C++Builder自主開發(fā)的多用戶界面程序。每個程序

3、可在不同的計算機上和操作系統(tǒng)下運行，通過網(wǎng)絡互連。所有獨立子系統(tǒng)之間通過信號通訊的方式建立聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以及并行管理。根據(jù)不同應用環(huán)境需要，本文采用了使用DATABASE、SOCKET和PVM三種通訊方式進行系統(tǒng)有機集成，從而將多個功能有限的子系統(tǒng)合并擴充來完成核電廠綜合仿真這一龐大任務。 作為仿真分析系統(tǒng)主要組成部分之一的反應堆熱工水力程序選用了國際認可的最佳估算程序RELAP5，由于該程序原開發(fā)目的并非用于仿真，因此作者

4、對其進行了多項仿真功能改造包括實時計算、參數(shù)動態(tài)交互和計算流程控制功能開發(fā)。同時為使該程序能夠?qū)Υ煤藙恿ρb置環(huán)形窄縫流道進行準確計算，對其傳熱與流動模型也進行了擴展。程序改造工作的驗證結(jié)果表明：改造后的RELAP5程序功能得到擴大，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RELAP5程序的核心，質(zhì)量、動量和能量守恒等原數(shù)學模型等沒有影響。核電廠控制與保護系統(tǒng)是仿真分析系統(tǒng)另一主要組成部分，根據(jù)簡單模擬、一般模擬和詳細模擬

5、的思路，作者采用了C語言、商用組態(tài)軟件和Simulink三種手段對其進行了模擬。其中價格相對低廉、技術(shù)成熟、效果率高、靈活性好的Simulink軟件被詳細研究，通過二次開發(fā)將Simulink與RELAP5程序有機耦合可進行控制與保護系統(tǒng)設計研究。根據(jù)仿真分析系統(tǒng)的需要，分別對核電廠穩(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)以及停堆和專設安全設施驅(qū)動保護系統(tǒng)進行了詳細模擬，對比驗證結(jié)

6、果表明該系統(tǒng)仿真與實際相吻合。 人機交互界面是仿真分析系統(tǒng)的第三個主要組成部分，作者對新一代核電廠數(shù)字化先進主控室的信息顯示系統(tǒng)進行針對性的研究，主要集中在信息等級顯示結(jié)構(gòu)、幅面導航方式和幅面版式等方面。所有信息顯示幅面按等級分為一級電廠主要狀態(tài)參數(shù)、二級電廠概貌參數(shù)、三級電廠系統(tǒng)主要參數(shù)和四級電廠子系統(tǒng)和設備參數(shù)。該等級式組織成梯形分布，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。幅面間的導航則采用基于幅面和

7、基于樹型菜單的手動導航和自動導航兩種方式，使得操縱員能夠迅速準確地查找到所需幅面。在幅面具體開發(fā)過程中，作者參考核電廠主控室設計與人因工程的相關(guān)法規(guī)、導則和標準以及他人研究成果，對涉及到的諸如模擬圖、顯示器、控制器、儀表、標牌、聲音、燈光、顏色、文字、報警等具體要求進行了總結(jié)，使用C++Builder開發(fā)了多套人機交互界面程序，對先進主控室幅面設計起到了一定的借鑒作用?；谏鲜隼碚摵图夹g(shù)，作者最終以巴基斯坦恰?，敽穗姀S、廣東大亞灣核電廠

8、、船用核動力裝置實驗臺架等為對象成功開發(fā)了多個仿真分析系統(tǒng)，并用于如下相關(guān)領域的應用研究：一、二回路熱工水力系統(tǒng)建模，核電廠設計獨立安全評價、先進主控室設計驗證、嚴重事故仿真、事故緩解措施等。大量應用研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能夠廣泛應用于研究領域，而且在工程領域也能發(fā)揮巨大作用。本文自主改造國際認可的反應堆最佳估算程序RELAP5用于仿真，這在國內(nèi)尚屬首次；開創(chuàng)性地對RELAP5程序進行數(shù)學模型改造，擴大了它的適用范圍；突破傳統(tǒng)的使用單