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    (中核集团三门核电有限公司，浙江 三门 317112)
魏 来，陈 森
                                  
    魏来(1981-)男，安徽省淮南市人，工程师，华中科技大学工学学士，研究方向为全范围模拟机开发及维护。

    摘要：三门核电站采用AP1000全范围模拟机，所有电站模型按照系统类型和建模工具的不同可以划分为堆芯系统、一回路热工水力系统、气液两相流体系统、气体或者液体单相流体系统、仪控系统以及电气系统。本文主要介绍AP1000电站流体系统的建模原理和仿真过程，以AP1000乏燃料池冷却系统为例，使用GSE公司的图形化建模工具JTOPMERET对建模和仿真过程进行说明。

    关键词：建模；仿真；流体系统

    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 流体系统建模的主要原理以及组成

    1.1 电站模型分类以及JTOPMERET简介

    AP1000电站全范围模拟机由美国WEC公司总包，美国GSE公司分包，CNPO作为GSE的子承包商负责一部分核岛、常规岛以及公用系统建模。GSE公司和CNPO公司负责AP1000电站除仪控系统外的全部系统模型的仿真模型建立，AP1000电站模型根据系统以及建模工具的不同可以划分为堆芯模型、一回路热工水力模型、两相流系统模型、电气系统模型以及仪控系统模型，其中流体系统建模使用JTOPMERET图形化建模软件。

    JTOPMERET软件是GSE公司于1990年开始开发，最初的着眼点是解决两相流的压力矩阵，随后又逐渐完善了热传递方程，并增加了传感器。1993年开始图形化编辑界面的开发，使用核心方程计算反应率，放射性衰变热等。经过近十几年的发展，JTOPMERET已经逐渐成为流体系统建模的首要解决方案，其广泛应用于核电、火电、石化等大型行业，以运行稳定、仿真精度高、界面友好易掌握获得大量客户的好评。

    1.2 流体系统建模遵循的主要方程以及计算的主要变量

    流体系统建模遵循动量平衡、质量平衡以及能量守恒三大定律，对于气相以及液相均独立计算动量、质量以及能量方程。

    动量方程

        (1)

    质量方程

      (2)

    能量方程

      (3)

    流体系统主要计算压力、流量、焓、温度、热传递、气相浓度、沸腾和凝结率、浓度、反应性、电导率、可溶化学浓度等重要参数。

    1.3 JTOPMERET的程序结构

    首先了解以下几个概念，有助了解JTOPMERET的程序结构，如图1所示，MST以及SST处于程序结构的最顶端，驱动RTEXEC以及IEXEC，均处于服务器层。工程师层有控制模块，控制模块控制各程序段，各程序段控制模型内各组件，组件又由某些特定编码的子程序构成：

    (1)MST(Master Synchronization Task)主计算机同步任务管理，控制主计算机实时系统执行；

    (2)SST(Slave Synchronization Task)从计算机同步任务管理，控制从计算机实时任务执行；

    (3)RTEXEC(Real Time Executive)实时执行，由MST或者SST驱动，用于模拟机模型间的集成执行；

    (4)IEXEC(Interactive Executive)内部执行，用于实时多模型共同测试；

    (5)Control Modual控制模块，其下层为程序段(segment)；

    (6)Segment 程序段，其下层为组件(component)，如泵、阀等；

    (7)Subroutine 子程序，通常为具有某些特定功能的子程序。
                               
                                       图1  JTOPMERET程序结构 
    1.4 JTOPMERET流体网络的主要组成

    JTOPMERET流体网络主要由结点(n o d a l)、连接(link)、压力边界(pressure boundary)、流体边界(flow boundary)、热边界(heat boundary)、泵、风机、阀门、热交换器等组成，下面简要介绍节点以及流体通道的类型以及计算方程。

    1.4.1 结点

    JTOPMERET共有9种结点，依次为常规型、汽轮机型、容器型、冷却塔型、热交换器壳侧型、热交换器管侧型、管道型、气体分离器、液体分离器型，常规型结点约占全部结点使用率的90%，一般型结点主要用于将系统管道流程图(P&ID)中的所有管道按照走向、高度以及尺寸划分为流体网络，将管道以及箱体转化为结点。其中气体分离器型结点可以精确的实现对汽轮机除湿再热器的模拟。

    1.4.2 结点的主要计算方程

    流导(admittance)：
      (4)  
    

      

    水力直径(Hydraulic Diameter)：

    A代笔面积，Pw代表周长

    hd=4A/pw

    正方形区域面积周长计算：

    
   
  
          
            

    三角型区域面积周长计算：

      (5)  

      (6)  
         
            

    1.4.3 Link

    JTOPMERET共有3种link，依次为质量流量连接，热流量连接以及简单连接三种。其中质量流量连接用于连接结点，热流量连接用于连接热边界，简单连接用于连接各种测量仪表，如压力变送器，温度变送器等。连接是没有任何体积和质量的单元，其中质量流量连接用于连接两个结点，阀门放置在连接之上。

    1.4.4 边界

    边界(boundary)有四种，分别对应压力边界、流量边界以及热流量边界以及热结点边界。流量边界与压力边界总是成对出现，通常在相互接口的两个系统中一个系统为压力边界，则相对应的一个系统就为流量边界。热边界代表热源，如乏燃料池中乏燃料释放的衰变热就可以用热边界来模拟，只需输入不同工况下的对应热量释放即可。敞口容器需要加上压力边界，用于连接系统所在区域环境，如乏燃料池处于核辅助厂房VAS范围，那么就使用该压力边界连接SFS系统与VAS系统，与之类似换料腔处于安全壳CNS系统内。

    2 乏燃料池冷却系统建模
                     
                                  图2  乏燃料池冷却系统过程流程图
                
                                图3  乏燃料池冷却系统JTOPMERET 网络结点图
  2.1 JTOPMERET网络图绘制一般原则

    JTOPMERET 网络图的绘制遵循从上到下，从左到右的原则。建立模型前首先要仔细阅读系统建模要求说明书，模拟范围必需与系统划定模拟范围的P&ID图保持一致，节点和部件摆放相对位置考虑P&ID图以及过程流程图参照真实位置高度，节点的编号以及连接的次序遵循与工艺流程一致的原则，泵、热交换器以及过滤器的选择以电厂设计参数为参考进行选择。边界的选择遵循体积大的，流量对其影响不大的结点选择流量边界，对应的其他系统的边界选择压力边界。

    一张JTOPMERET结点图规定的最大结点数量为200，结点数量超过200必需考虑分为两张图。JTOPMERET规定了泵、阀门以及热交换器等部件的命名规则。以泵为例，命名规则为‘系统简称+部件代号+编号’，以SFS系统01A泵为例其编号为SFSMP01A。

    2.2 乏燃料池冷却系统中非标准部件的建模实现

    JTOPMERET有一个标准组件库，一般的泵、风机、阀门、热交换器等部件均有，但是也并不能完全涵盖AP1000电厂的所有设备，比如爆破阀、过滤器等。这些非标准设备就需要重新建立部件库，重新编码生成，也可使用JTOPMERET自带的部件库中的部件进行组合来生成新的满足功能的部件。以过滤器为例，可以将其根据体积以及高度差分为上下两个结点，压降平均分配，中间使用连接连接，在连接上放置阀门，以阀门的关闭来模拟过滤器的堵塞故障。

    2.3 故障的模拟

    故障是模型必需重点考虑的组成部分，是操纵员培训必不可少的情景培训。故障的种类和数量要真实反映电厂设计和实际运行情况，常见的流体系统故障有管道小破口、大破口、泵堵转卡壳、泵失去电源、泵超速、过滤器堵塞、阀门泄露误动作等通用故障。在乏燃料池冷却系统中，根据系统模型设计说明书，主要考虑设置了泵出口管道泄漏、热交换器入口管道泄漏、除盐器堵塞过滤器堵塞这三个类型的故障。

    2.4 乏燃料池冷却系统结点图

    如前2.1所述，按照乏燃料池冷却系统P&ID以及过程流程图按照JTOPMERET绘制规则完成乏燃料池冷却系统结点图的绘制。

    2.5 模型输入数据的准备

    模型输入数据主要包括结点数据输入、link数据输入、边界数据输入、泵、风机、热交换器等部件的数据输入，下面将介绍结点、link以及泵的数据输入。

    2.5.1 结点的输入数据

    主要包括结点类型、双相流或者单相流、是否过滤器选项、有无化学反应、结点是否可压缩、水力直径、截面积、是否线性体积、高度、体积、表面积、壁厚材料。
                 
                                  图4  结点的输入参数
    输入数据由电厂设计数据直接计算而来，需要系统的管道轴侧图来计算高度，水力直径、管道截面积、体积以及表面积，设计数据直接决定模型仿真的精度。

    2.5.2 Link的输入参数

    Link存在有阀门与没有阀门两种情况，主要用于计算流导，详细计算过程参见1.2.2.输入参数主要有阀门类型、上游压力、下游压力、流体速度等。带节流孔板的flow path 选择choke flow。没有阀门的link阀门类型选择固定(fix)类型，有阀门的link阀门类型选择线性(linear)。连接参数输入的重点是将流体系统工艺流程的压降进行分配，这将直接决定流导的大小。

    2.5.3 泵的参数以及运行曲线
                  
                                    图5  泵的输入参数
    泵需要输入净吸入压头(NPSH)，运行曲线以及压降，选取泵运行曲线上三个工作点，分别填入其压头以及对应的流量，所示完成泵的参数输入。

    2.5.4 模型数据格式

    如前所述结点、连接、泵、阀门、热交换器等参数输入，实际是对模拟机模型计算方程和矩阵的参数输入，图形化的编程界面实际是提供了一个友好的标准参数输入格式，便于生成标准矩阵代码。所有的变量以及常量全部在JTOPMERET数据库管理软件DBM(database management system)中分配地址，在完成所有的参数输入后就可以生成模型运行数据并链接可执行程序进行调试，下面将以乏燃料池冷却系统(sfs)为例介绍JTOPMERET生成的主要模型数据格式，子模块在此就不作介绍。

    再完成源程序编译后，我们得到一些主要的数据输入块以及控制模块，JTOPMERET源代码主要由C语言以及Fortran语言编译。

    bk.sfs1 常量数据输入块

    bv.sfs1 变量常量数据输入块

    d.globla_k 常量数据库文件

    d.global_v 变量数据库文件

    sfs1.dbmc 常量数据库输入文件

    sfs1.dbmv 变量数据库输入文件

    sfs1.dbmb 边界数据库输入文件

    sfs1.data 生成的模型输入数据文件

    Ssfsd01t 外部参数输入模块

    Ssfsd02t 模型参数输出模块

    Sfsm16t1 控制模块

    Sfsd11t 流导计算方程

    Sfsd12t 矩阵计算方程

    Sfsd13t 网络流量计算方程

    Sfsd14t 焓、温度、质量、密度方程

    Sfsd15t 结点物理特性方程

    Sfsd18t 传感器过程输入方程

    3 单系统测试

    3.1 单系统调试步骤

    单系统测试是对单个系统进行测试，没有考虑与其他系统的接口。下面以乏燃料池冷却系统为例，介绍模型的编译调试步骤。

    (1)生成数据文件 SFS1.data；

    (2)生成源代码；

    (3)在data base management 中加载常量(constant)，变量(variable)以及边界(boundary)；

    (4)加载控制模块以及子程序；

    (5)编译所有控制模块以及子程序；

    (6)生成模型可执行文件C.TESTSFS1文件；

    (7)链接可执行文件并启动S3serv；

    (8)启动调试窗口并加载生成的边界文件；

    (9)运行模型并实现与JTOPMERET的通讯；

    (10)设置正确的部件开启次序(阀门、泵等)，对初始状态进行快照(snap IC)；

    (11)重启初始条件(reset IC)；

    (12)验证流体模型不同工况下的温度、流量、压力、液位等参数。

    3.2 单系统测试原则

    单系统测试的目的主要是验证流体模型不同工况的温度、流量、压力、液位等重要参数以及初始条件和边界的设置，做好记录与电厂设计数据对比，如果发现模型数据与电厂设计数据不一致则需要重新检查模型输入数据以及初始条件设置，直到模型数据与电厂设计保持一致为止。以乏燃料池冷却系统为例，就需要测试正常运行工况、事故工况下的系统功能，验证正常运行工况下乏燃料池的冷却净化，换料腔的冷却净化以及反应堆冷却剂转移等功能，验证温度、压力、流量、液位值、热量等关键参数实验值是否与设计参数保持一致。验证事故工况下如乏燃料池沸腾，乏燃料池的补充装量等功能。

    单系统测试作为集成测试(联合调试)前的重要步骤具有重要意义，联合调试的时间以及成败很大程度上取决于单系统调试的质量，在单系统调试中发现越多的错误越有助于节省联合调试的时间，保证联合调试的成功。

    3.3 乏燃料池冷却系统的测试结果
                     
                                   图6  乏燃料池冷却系统单系统测试
    图6是乏燃料池冷却系统的单系统调试图，目前正常运行工况以及事故工况下的各回路管线的流量、液位、水池温度、结点压力等参数与设计参数之间误差在容许范围内，单系统测试成功。由于目前AP1000 核岛系统模型开发还未进入联调阶段，因此联调内容就不在本文中做介绍。

    4 小结

    模拟机需要最大限度的反应电厂真实设计，模型开发作为模拟机的核心直接决定了模拟机的仿真精度。工欲善其事，必先利其器，一套好的仿真建模工具是模型开发工程师最好的助手，掌握好模拟机模型开发的步骤与调试对于后续模拟机的运行维护以及技术改造升级具有重要意义。因为篇幅有限，所有不能将所有建模调试步骤一一详述，仅希望以乏燃料池冷却系统作为AP1000电站流体系统的例子让更多的人了解模拟机模型的开发过程。

    其他作者：陈森(1969-)，男，湖北人，高级工程师，哈尔滨工程大学工学学士、研究方向为全范围模拟机开发及应用维护。

    参考文献：

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

    [2] WEC.APP-SFS-M3-001_01,1版乏燃料池冷却系统设计说明书，2008.

    [3] WEC.APP-STS-J4-156，0版乏燃料池冷却系统模型需求说明书，2008.

    [4] WEC.APP-SFS-M6-001_03，3版乏燃料池冷却系统P&ID图，2008.

    [5] WEC. APP-SFS-M6-002_03，3版乏燃料池冷却系统P&ID图，2008.

    [6] WEC. APP-SFS-M6-003_03，3版乏燃料池冷却系统P&ID图，2008.

    [7] WEC.APP-SFS-M6K-001_01，1版乏燃料池冷却系统过程流图，2008.

    摘自《自动化博览》2010年第二期