LOCA裕度监视系统仿真实验平台

陈 正，杨 帆

（1.武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072；2.武汉电力职业技术学院动力系，湖北 武汉 430079）

LOCA裕度监视系统仿真实验平台

陈 正1，杨 帆2

（1.武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072；2.武汉电力职业技术学院动力系，湖北 武汉 430079）

该文针对目前核电教学中存在的实验、实训设备不足问题，分析了LSS系统的功能与原理，包括LOCA机核心算法，采用C＃作为开发语言，开发了LSS系统仿真实验平台。介绍了实验平台的组成、功能以及构建方法。该实验平台完成了LOCA算法的仿真，并实现对相关数据进行图形化或者表格化的上屏操作。使用表明，仿真实验平台较好地完成了LSS系统的功能。

LOCA裕度监视系统；仿真；实验平台；LOCA裕度

我国核电产业的快速发展，导致对核电专业人才的需求日益增强。目前，我国核电人才的培养主要依赖于高校，国内众多高校已纷纷开设核电专业及核电相关课程［1］。核电专业人才的培养离不开实践环节，然而，由于我国核电产业才刚刚起步，配套的培养教育实验装置并不完善。因此，核电专业的许多相关课程的实践环节仍未开展，大大地制约了核电人才教育的质量［2－5］。

反应堆失水事故（LOCA）是核电站严重的事故类型之一，LOCA裕度监视系统（LSS）是核电站安全运行的重要控制系统之一，也是核电运行、研究、维修等专业人员必须了解的控制系统［6－8］。因此，本实验室对LSS系统做了深入的分析，对其运行的基本理论有较为深入的了解。在此基础上采用C＃作为开发语言，构建了LSS系统仿真实验平台。

1 核电站失水监控系统（LSS）介绍

1.1 LSS的功能

核电站的失水事故监视系统是一个在线堆芯运行监视系统，采集来自核仪表系统（RPN）、过程仪表系统（SIP）、棒控棒位系统（RGL）的逻辑信号（开关量）、模拟信号（模拟量）和数字信号（串行口数据），主要用于计算一回路平均热功率、最小失水事故裕度、线功率密度和象限倾斜度等数据，通过实时或延迟显示一系列变量数值及图表、曲线来帮助主控制室操纵员了解堆芯运行的状态，同时对异常运行情况发出警报以提醒操纵员注意堆芯状态的变化［9－10］。

1.2 LSS系统原理

LOCA裕度计算是以多节堆外功率测量系统为基础的。RPN多节堆外功率测量系统有4个6节测量通道，每个通道采用6个短电离室以取代常规的两个长电离室，其目的在于产生堆芯轴向平均功率分布图形，比常规的轴向偏移参数能更好地反应堆芯内的运行状态。在4个6节测量通道中，每个功率测量通道测量一组电流Ik，把该电流矩阵与堆芯功率分布矩阵联系，有：

式中：S是一个对角“灵敏度”矩阵（6×6），与每节的灵敏度有关；T是一个三对角传输矩阵（6× 6），代表中子从堆芯传输到通道的过程；P是功率分布矩阵（6×1），其分量表示每一个1／6堆芯高度的功率值。对这6个数据进行数学处理有：

可得到轴向功率分布形状：

式中：fk（z）为解析函数；ak为与P矩阵中6个分量相匹配的系数；Gk为恒定的几何矩阵（230×6），它将每个测量通道的6个功率值P转换成230个沿轴向分布的功率值P（z）。

为了计算最大线性功率密度Q（z），还需要知道以下2个参数。

1）各组控制棒插入堆芯的位置。

2）在以G模式运行的反应堆中，有8种插棒方式。与每组控制棒插棒方式i相关的径向功率峰因子为Fxyi，该值的堆芯换料计算时已经计算出来。其中径向功率峰因子Fxy由测量和计算得到。通过定期的堆内中子通量测量系统（RIC）测量中子通量，可得到与插棒方式有关的Fxy，因为测中子通量时，要反应堆稳定在满功率运行，各组控制棒提出堆芯。

最大线性功率密度沿轴向分布可得到：

式中，堆芯平均热功率Pth（avg）由LSS根据一回路热平衡计算得到，并且定期由二回路热平衡计算进行校正，平均线性功率密度为186 W／cm；C为栅格系数。

2 实验平台设计

2.1 总体设计

根据核电站中LSS的功能，本实验平台将采用3大板块来完成对该系统的仿真。

1）LOCA现场数据输入模块：该模块主要是模拟核电站中的现场数据检测，通过键盘输入48个变量的值；再将这些数据发送至LOCA计算模块。该模块还需要发送堆芯跟踪模块的初始化数据。

2）LOCA计算模块：该模块主要是模拟核电站中的LOCA计算机，通过接收数据采集模块获得48个变量的数据从而完成对最小LOCA裕度的计算，并将计算中间值的结果和最后的结果传递给堆芯跟踪模块。

3）堆芯跟踪模块（CFM）：该模块的主要是模拟核电站中的CFM板块。接受上述两大模块发送来的数据，进行上屏操作；每隔2 s，将历史数据存入到数据库。

以上3大模块的关系如图1所示。

图1 三大模块关系图

2.2 LOCA现场数据输入模块

该模块主要是为了模拟核电站在运行过程中，传感器对48个参数的检测数据。这48个参数分别是：3个回路的冷端温度（TCL）、3个回路的热端温度（THL）、3个回路的稳压器压力（SPP）、3个回路的反应堆冷却剂泵泵速（FLOW）、4个通道的电流（其中每个通道有6个电流值）、4个通道的插入棒的位置（PosGroup）、4个通道的LOCA裕度（DPAX）以及4个通道的核功率Pr。

在设计该部分的界面时，通常应遵循让整个界面布局合理，既要形象、直观，又要方便用户操作。每个操作按钮都要有明确的注释；按钮的排列可依据常用的使用功能、使用频率的多少或字母顺序进行排列。模块界面如图所示。

图2 LOCA数据输入模块界面图

2.3 LOCA计算模块设计

作为LOCA的核心组成部分，该计算模块承载着整个LSS系统的核心运算部分，其主要作用是将获取的模拟现场采集的数据，在通过一系列的计算公式后转变成堆芯跟踪模块所显示的变量。

计算程序最主要的任务是完成LOCA计算过程，该程序框图如图3所示。

图3 计算模块流程图

LSS系统的LOCA裕度计算需要以下变量计算最小LOCA裕度，包括3组冷段温度、3组热段温度、3组反应堆冷却剂泵泵速、3组稳压器压力（SPP）、4组功率测量通道，每组6个电流值I、4组核功率Pr、4组轴向功率偏差DPax、控制棒组（R＆G）的棒位。计算结果有：平均热功率（Pth（avg））、节功率（Pkj）、径向功率峰因子（Fxy（z））、单个测量通道轴向功率分布（Pk（z））、单个测量通道线性功率密度分布Qk（z）、单个测量通道的最小LOCA余度（MLOCk）和位置（POSk）、4个通道中的最小LOCA裕度（MLOC（min））和位置（POS）。

2.4 堆芯跟踪模块设计

在本实验平台中，该模块以图形或者表格的方式来显示输入的模拟数据和LOCA裕度计算结果。包括运行点变化显示、线性功率密度显示、运行趋势显示、倾斜度表显示、输入值显示、中间值显示、警报、故障和失效表显示等。

该模块包含图形界面和表格界面，其中图形界面主要包括趋势图、线性功率分布图和运行点观察图，而其中线性功率分布图是以三维坐标轴的方式显示；而表格界面包含了象限倾斜度显示界面、输入变量显示界面和结果显示界面。如图4、图5所示分别为图形界面和表格界面。

图4 运行点监视界面

3 结束语

在工科学生的培养过程中，实践环节对学生理论知识体系的完善和科研创新能力的培养都起着非常重要的作用，核电专业人才的培养也同样离不开实践环节。该仿真平台将核电站的控制系统“搬进”实验室，在核电站仪表与控制等相关课程教学中，让学生在没有任何安全顾虑的情况下随意操作仿真实验平台，不但能够激发学生的学习兴趣，也使教学更加贴近核电企业对人才的需求。

图5 结果显示界面

［1］叶勇军，李向阳，蒋复量.核安全工程特色专业建设模式探讨［J］.中国电力教育，2012（14）：88－89.

［2］李梅兰.关于核电发展的反思［J］.中国电力教育，2011（15）：88－89.

［3］郭江华，聂矗，谢诞梅.虚拟仿真技术在核工程与核技术专业教学中的应用探讨［J］.中国电力教育，2011（9）：37－39.

［4］孙为民，张玮.高职高专热动专业核电方向职业教育课程体系研究与实践［J］.中国电力教育，2012（12）：78－80.

［5］周涛，彭常宏.《核电站系统及设备》课程“三步法”教学模式的革新与实践［J］.中国电力教育，2008（1）：82－83.

［6］胡汝平，李志军，周骁凌.失水事故监测系统热功率波动原因分析［J］.核动力工程，2013，34（2）：111－113.

［7］马杰，郭立峰，彭俏.基于粒子群优化算法的压水堆失水事故研究［J］.核动力工程，2012，33（3）：89－91.

［8］钮云龙，刘义保，王爱星.事件树分析法在压水堆核电站失水事故中的研究［J］.能源与环境，2013（5）：21－23.

［9］广东核电培训中心.900 MW压水堆核电站系统与设备［M］.北京：原子能出版社，2005.

［10］张益林，王源，王曼.大亚湾核电站失水事故监视系统并机运行探讨［J］.核动力工程，2012，33（6）：110－114.

Simulation Platform for LOCA Supervisory System

CHEN Zheng1，YANG Fan2
（1.School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，WuHan 430072，China；
2.Department of Power Engineering，Wuhan Electric Power Technical College，Wuhan 430079，China）

Aim ing at the problem of inadequate experiment and training facilities in the nuclear power teaching，this paper analyses and comprehends the theory of LOCA surveillance system（LSS）system，including the core algorithm of loss of coolant accident（LOCA）machine.By using C＃as the programming language，the simulation platform of LSS system is developed.The composition，function and construction method of the experimental platform are introduced.The experimental platform completes the simulation of LOCA algorithm and realizes the graphic and tabular display operation of the related data.The simulation results show that the platform is preferable to complete the function of LSS system.

LOCA surveillance system；simulation；experiment platform；LOCA redundant

TL323

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.015

2014－12－15；修改日期：2015－01－20

国家自然科学基金（51475337）。

陈正（1971－），男，博士，讲师，主要从事自动化技术的教学与应用研究工作。