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    (中核集團三門核電有限公司，浙江 三門 317112)
魏 來，陳 森
                                  
    魏來(1981-)男，安徽省淮南市人，工程師，華中科技大學工學學士，研究方向為全范圍模擬機開發及維護。

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

    關鍵詞：建模；仿真；流體系統

    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 流體系統建模的主要原理以及組成

    1.1 電站模型分類以及JTOPMERET簡介

    AP1000電站全范圍模擬機由美國WEC公司總包，美國GSE公司分包，CNPO作為GSE的子承包商負責一部分核島、常規島以及公用系統建模。GSE公司和CNPO公司負責AP1000電站除儀控系統外的全部系統模型的仿真模型建立，AP1000電站模型根據系統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、兩相流系統模型、電氣系統模型以及儀控系統模型，其中流體系統建模使用JTOPMERET圖形化建模軟件。

    JTOPMERET軟件是GSE公司于1990年開始開發，最初的著眼點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，使用核心方程計算反應率，放射性衰變熱等。經過近十幾年的發展，JTOPMERET已經逐漸成為流體系統建模的首要解決方案，其廣泛應用于核電、火電、石化等大型行業，以運行穩定、仿真精度高、界面友好易掌握獲得大量客戶的好評。

    1.2 流體系統建模遵循的主要方程以及計算的主要變量

    流體系統建模遵循動量平衡、質量平衡以及能量守恒三大定律，對于氣相以及液相均獨立計算動量、質量以及能量方程。

    動量方程

        (1)

    質量方程

      (2)

    能量方程

      (3)

    流體系統主要計算壓力、流量、焓、溫度、熱傳遞、氣相濃度、沸騰和凝結率、濃度、反應性、電導率、可溶化學濃度等重要參數。

    1.3 JTOPMERET的程序結構

    首先了解以下幾個概念，有助了解JTOPMERET的程序結構，如圖1所示，MST以及SST處于程序結構的最頂端，驅動RTEXEC以及IEXEC，均處于服務器層。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各組件，組件又由某些特定編碼的子程序構成：

    (1)MST(Master Synchronization Task)主計算機同步任務管理，控制主計算機實時系統執行；

    (2)SST(Slave Synchronization Task)從計算機同步任務管理，控制從計算機實時任務執行；

    (3)RTEXEC(Real Time Executive)實時執行，由MST或者SST驅動，用于模擬機模型間的集成執行；

    (4)IEXEC(Interactive Executive)內部執行，用于實時多模型共同測試；

    (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程序結構 
    1.4 JTOPMERET流體網絡的主要組成

    JTOPMERET流體網絡主要由結點(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、風機、閥門、熱交換器等組成，下面簡要介紹節點以及流體通道的類型以及計算方程。

    1.4.1 結點

    JTOPMERET共有9種結點，依次為常規型、汽輪機型、容器型、冷卻塔型、熱交換器殼側型、熱交換器管側型、管道型、氣體分離器、液體分離器型，常規型結點約占全部結點使用率的90%，一般型結點主要用于將系統管道流程圖(P&ID)中的所有管道按照走向、高度以及尺寸劃分為流體網絡，將管道以及箱體轉化為結點。其中氣體分離器型結點可以精確的實現對汽輪機除濕再熱器的模擬。

    1.4.2 結點的主要計算方程

    流導(admittance)：
      (4)  
    

      

    水力直徑(Hydraulic Diameter)：

    A代筆面積，Pw代表周長

    hd=4A/pw

    正方形區域面積周長計算：

    
   
  
          
            

    三角型區域面積周長計算：

      (5)  

      (6)  
         
            

    1.4.3 Link

    JTOPMERET共有3種link，依次為質量流量連接，熱流量連接以及簡單連接三種。其中質量流量連接用于連接結點，熱流量連接用于連接熱邊界，簡單連接用于連接各種測量儀表，如壓力變送器，溫度變送器等。連接是沒有任何體積和質量的單元，其中質量流量連接用于連接兩個結點，閥門放置在連接之上。

    1.4.4 邊界

    邊界(boundary)有四種，分別對應壓力邊界、流量邊界以及熱流量邊界以及熱結點邊界。流量邊界與壓力邊界總是成對出現，通常在相互接口的兩個系統中一個系統為壓力邊界，則相對應的一個系統就為流量邊界。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應熱量釋放即可。敞口容器需要加上壓力邊界，用于連接系統所在區域環境，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系統與VAS系統，與之類似換料腔處于安全殼CNS系統內。

    2 乏燃料池冷卻系統建模
                     
                                  圖2  乏燃料池冷卻系統過程流程圖
                
                                圖3  乏燃料池冷卻系統JTOPMERET 網絡結點圖
  2.1 JTOPMERET網絡圖繪制一般原則

    JTOPMERET 網絡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閱讀系統建模要求說明書，模擬范圍必需與系統劃定模擬范圍的P&ID圖保持一致，節點和部件擺放相對位置考慮P&ID圖以及過程流程圖參照真實位置高度，節點的編號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計參數為參考進行選擇。邊界的選擇遵循體積大的，流量對其影響不大的結點選擇流量邊界，對應的其他系統的邊界選擇壓力邊界。

    一張JTOPMERET結點圖規定的最大結點數量為200，結點數量超過200必需考慮分為兩張圖。JTOPMERET規定了泵、閥門以及熱交換器等部件的命名規則。以泵為例，命名規則為‘系統簡稱+部件代號+編號’，以SFS系統01A泵為例其編號為SFSMP01A。

    2.2 乏燃料池冷卻系統中非標準部件的建模實現

    JTOPMERET有一個標準組件庫，一般的泵、風機、閥門、熱交換器等部件均有，但是也并不能完全涵蓋AP1000電廠的所有設備，比如爆破閥、過濾器等。這些非標準設備就需要重新建立部件庫，重新編碼生成，也可使用JTOPMERET自帶的部件庫中的部件進行組合來生成新的滿足功能的部件。以過濾器為例，可以將其根據體積以及高度差分為上下兩個結點，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考慮的組成部分，是操縱員培訓必不可少的情景培訓。故障的種類和數量要真實反映電廠設計和實際運行情況，常見的流體系統故障有管道小破口、大破口、泵堵轉卡殼、泵失去電源、泵超速、過濾器堵塞、閥門泄露誤動作等通用故障。在乏燃料池冷卻系統中，根據系統模型設計說明書，主要考慮設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類型的故障。

    2.4 乏燃料池冷卻系統結點圖

    如前2.1所述，按照乏燃料池冷卻系統P&ID以及過程流程圖按照JTOPMERET繪制規則完成乏燃料池冷卻系統結點圖的繪制。

    2.5 模型輸入數據的準備

    模型輸入數據主要包括結點數據輸入、link數據輸入、邊界數據輸入、泵、風機、熱交換器等部件的數據輸入，下面將介紹結點、link以及泵的數據輸入。

    2.5.1 結點的輸入數據

    主要包括結點類型、雙相流或者單相流、是否過濾器選項、有無化學反應、結點是否可壓縮、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  結點的輸入參數
    輸入數據由電廠設計數據直接計算而來，需要系統的管道軸側圖來計算高度，水力直徑、管道截面積、體積以及表面積，設計數據直接決定模型仿真的精度。

    2.5.2 Link的輸入參數

    Link存在有閥門與沒有閥門兩種情況，主要用于計算流導，詳細計算過程參見1.2.2.輸入參數主要有閥門類型、上游壓力、下游壓力、流體速度等。帶節流孔板的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)。連接參數輸入的重點是將流體系統工藝流程的壓降進行分配，這將直接決定流導的大小。

    2.5.3 泵的參數以及運行曲線
                  
                                    圖5  泵的輸入參數
    泵需要輸入凈吸入壓頭(NPSH)，運行曲線以及壓降，選取泵運行曲線上三個工作點，分別填入其壓頭以及對應的流量，所示完成泵的參數輸入。

    2.5.4 模型數據格式

    如前所述結點、連接、泵、閥門、熱交換器等參數輸入，實際是對模擬機模型計算方程和矩陣的參數輸入，圖形化的編程界面實際是提供了一個友好的標準參數輸入格式，便于生成標準矩陣代碼。所有的變量以及常量全部在JTOPMERET數據庫管理軟件DBM(database management system)中分配地址，在完成所有的參數輸入后就可以生成模型運行數據并鏈接可執行程序進行調試，下面將以乏燃料池冷卻系統(sfs)為例介紹JTOPMERET生成的主要模型數據格式，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據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 常量數據輸入塊

    bv.sfs1 變量常量數據輸入塊

    d.globla_k 常量數據庫文件

    d.global_v 變量數據庫文件

    sfs1.dbmc 常量數據庫輸入文件

    sfs1.dbmv 變量數據庫輸入文件

    sfs1.dbmb 邊界數據庫輸入文件

    sfs1.data 生成的模型輸入數據文件

    Ssfsd01t 外部參數輸入模塊

    Ssfsd02t 模型參數輸出模塊

    Sfsm16t1 控制模塊

    Sfsd11t 流導計算方程

    Sfsd12t 矩陣計算方程

    Sfsd13t 網絡流量計算方程

    Sfsd14t 焓、溫度、質量、密度方程

    Sfsd15t 結點物理特性方程

    Sfsd18t 傳感器過程輸入方程

    3 單系統測試

    3.1 單系統調試步驟

    單系統測試是對單個系統進行測試，沒有考慮與其他系統的接口。下面以乏燃料池冷卻系統為例，介紹模型的編譯調試步驟。

    (1)生成數據文件 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)生成模型可執行文件C.TESTSFS1文件；

    (7)鏈接可執行文件并啟動S3serv；

    (8)啟動調試窗口并加載生成的邊界文件；

    (9)運行模型并實現與JTOPMERET的通訊；

    (10)設置正確的部件開啟次序(閥門、泵等)，對初始狀態進行快照(snap IC)；

    (11)重啟初始條件(reset IC)；

    (12)驗證流體模型不同工況下的溫度、流量、壓力、液位等參數。

    3.2 單系統測試原則

    單系統測試的目的主要是驗證流體模型不同工況的溫度、流量、壓力、液位等重要參數以及初始條件和邊界的設置，做好記錄與電廠設計數據對比，如果發現模型數據與電廠設計數據不一致則需要重新檢查模型輸入數據以及初始條件設置，直到模型數據與電廠設計保持一致為止。以乏燃料池冷卻系統為例，就需要測試正常運行工況、事故工況下的系統功能，驗證正常運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堆冷卻劑轉移等功能，驗證溫度、壓力、流量、液位值、熱量等關鍵參數實驗值是否與設計參數保持一致。驗證事故工況下如乏燃料池沸騰，乏燃料池的補充裝量等功能。

    單系統測試作為集成測試(聯合調試)前的重要步驟具有重要意義，聯合調試的時間以及成敗很大程度上取決于單系統調試的質量，在單系統調試中發現越多的錯誤越有助于節省聯合調試的時間，保證聯合調試的成功。

    3.3 乏燃料池冷卻系統的測試結果
                     
                                   圖6  乏燃料池冷卻系統單系統測試
    圖6是乏燃料池冷卻系統的單系統調試圖，目前正常運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、結點壓力等參數與設計參數之間誤差在容許范圍內，單系統測試成功。由于目前AP1000 核島系統模型開發還未進入聯調階段，因此聯調內容就不在本文中做介紹。

    4 小結

    模擬機需要最大限度的反應電廠真實設計，模型開發作為模擬機的核心直接決定了模擬機的仿真精度。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工程師最好的助手，掌握好模擬機模型開發的步驟與調試對于后續模擬機的運行維護以及技術改造升級具有重要意義。因為篇幅有限，所有不能將所有建模調試步驟一一詳述，僅希望以乏燃料池冷卻系統作為AP1000電站流體系統的例子讓更多的人了解模擬機模型的開發過程。

    其他作者：陳森(1969-)，男，湖北人，高級工程師，哈爾濱工程大學工學學士、研究方向為全范圍模擬機開發及應用維護。

    參考文獻：

    [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設計說明書，2008.

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

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

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

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

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

    摘自《自動化博覽》2010年第二期