基于SH_N平台的热功率测量实现

蓝海键，党永强，王 刚

（北京广利核系统工程有限公司，北京 100094）

0 引言

KME 系统的算法[1]包含热平衡算法和热交换算法，以热平衡算法为关键点，并非所有电站都将热交换算法通过KME 系统实现。因此，本文讨论的KME 系统算法只涉及热平衡算法。热平衡算法主要目的是为了获取高精度的堆芯功率，堆芯功率是表征反应堆特性参数中一个非常重要的物理量。对于一个反应堆，其堆芯功率又有核功率和热功率之分。核功率和中子通量密切相关，它是随着堆内中子通量的变化而瞬变的。反应堆热功率即堆芯冷却剂进出口焓差，它受核功率和冷却剂参数的影响，跟随核功率的变化而变化，但是有滞后性。在核电厂首次启动阶段，必须对反应堆核功率测量系统、控制系统进行标定与刻度，确保反应堆核功率的准确监测与控制。在反应堆稳定运行期间，其核功率与热功率是相等的。堆芯产生多少核功率，冷却剂也就带出多少热功率。但是在事故瞬态工况下（如弹棒事故），热功率的变化将跟不上核功率的瞬变，会有严重的迟滞，此时的核功率、热功率是不相等的。由于核功率、热功率对于反应堆运行和事故分析而言是很重要的物理参数，因而如何用仪表精确标定出堆芯的实际功率，对于反应堆更加经济、安全的运行，以及更精确地统计反应堆的循环燃耗有着很大的帮助。

图1 SH_N平台系统架构Fig.1 System architecture of SH_N family

在压水堆核电站中，由于使用一回路参数精度相对低，且计算方法无法实现高精度逼近，故一回路热功率算法不能应用于校准核功率。在核电站稳态运行及功率缓慢变化期间，一回路与二回路热力学参数稳定跟随，可达到热平衡的状态，在二回路上计算到增加的热量即为堆芯核功率。为了准确获取堆芯功率准确参数，核电站在二回路蒸汽发生器入口、出口段均部署了高精度的温度、压力，以及流量等传感器。这些传感器的结果经过KME 算法运算，即可获得高精度的计算结果。

在过去受技术条件限制，技术人员在设计KME 系统算法时主要以文本化语言开发。这种方法实现的算法无法在运行期间动态跟踪中间计算值，因此电站相关专业人员很难评估其计算结果的正确性。同时，在新的计算方案发布时，由于文本化语言具有编写方式多样性、专业要求高的特点，普通用户很难及时跟进升级到最新的计算方案。根据过往的经验，即使是经验丰富的开发人员在更新代码时也会由于谨慎而降低升级效率。本文提出的基于SH_N 平台实现KME 算法，则可以充分利用其分布式架构、图形，结合文本语言开发方案，克服以上问题。

1 SH_N平台

SH_N 平台[2]产品是本公司在SpeedyHold 平台中的第三代产品，历时3 年升级研发的全新通用数字化仪控系统平台。该平台由30 种硬件和21 种软件组成，功能性能满足核电厂安全相关控制系统、非安全级控制系统，及专用控制系统的相关要求。

SH_N 平台搭建的系统主要由操作站、服务器、工程师站、控制站和网关组成，采用服务器冗余、控制站冗余和网络冗余配置，提高系统可靠性和可用率。该系统支持64个操作站，88 个控制站，最大支持100000 点。平台产品使用开放式的系统架构设计，提供网关与第三方系统通讯；同时，提供外部标准时钟源校时接口，实现全系统校时。

SH_N 平台的KME 系统算法设计在LEVEL2 层服务器中，原因为不同核电站的数据源不完全一致。如：部分电站为网络变量传输，部分电站则通过SH_N 控制站直接采集LEVEL0 传感器数据，也有一些电站将上述两种方式均采用。在LEVEL2 层设计算法可以将各种方式传递的参数汇总并最终传递至算法输入接口，实现了采集方式与算法开发的隔离。

2 KME系统主要功能

KME 系统主要功能为采集现场二回路、RRI/SEC 数据，实现热平衡计算和热交换计算，所以应包括以下几部分：

1）设备管理

KME 系统应当具备对系统各设备的功能、状态直观显示的能力。功能是指KME 系统数据采集、数据存储、算法、自动计算、在线监视以及报表等功能，并支持用户合理部署这些功能在指定设备上。状态体现于系统状态图功能和报警功能中，如报警功能对系统各设备通过特定算法分析，当输出数据超过预先设定的限值时，系统会自动启动报警、写入报警日志。

2）测点管理

KME 算法计算所需的测点较少，但是由于每年定期试验的临时测点约500 点，因而包含测点管理功能是很有必要的。测点管理一方面要实现离线管理，即将测点量程、信号类型等不易改变的信息离线组织存储；另一方面，需要将测点在线实时运行的信息及时准确展示，如测点数据、质量位等。

3）用户管理

KME 系统需要具备用户角色、权限管理能力。KME 系统的用户角色较多，如系统管理员、操作员、巡检员等，并需对这些角色设置不同的系统使用权限，以避免人因事故。如巡检员只具备浏览权限，而不能更改系统的设置。

4）算法组态

KME 系统必须具备算法组态、运行的能力。KME 的核心功能是利用现场测点数据计算出高精度堆芯功率以及给出热交换试验结论。因而需要将热力学公式转换为可执行代码，并经过编译后在系统内实时运行，以支持报表等功能的实现。

5）报表组态

KME 系统应具备将具体计算结果合理组织为报表的能力，KME 系统本质上是电站为了保障机组可靠运行而设计的一个试验系统。为了确保机组状态可持续追溯，将计算结果组织并输出电子版文件或纸质文件是很有效的举措，所以KME 系统必须具备报表功能。管理要求的升版是可以预期的一个事件，这意味着KME 报表也可能跟随发生变化。因而，KME 系统应具备报表的格式、内容等组织能力。

6）自动计算

KME 系统应以减少重复工作量，提高用户工作效率为设计原则。自动计算指在特定时间、条件下运行指定次数计算的功能，通过利用该功能可以节约用户操作时间以及降低具有人因风险的工作时长，因而有效地帮助用户提高了工作质量。

7）在线监视

KME 系统需要具有便捷的数据查阅能力。现场工况具有多样性、复杂性的特点，为了应对这些复杂多变的工况对系统自身功能的影响，系统设计了便捷的在线监视功能，如在线数据库功能可以通过筛选、搜索等功能，快速获得指定测点或测点组合的数据实时值、历史值，并以趋势图形等形式展示、比对等。此外，还可以通过算法组态软件在线监视计算过程，如在线计算过程值与人工计算值比对。

3 KME算法的特点与发展

KME 算法的关键点是热平衡算法。水与水蒸汽由于易于获取、成本低廉，在电力工业中广泛应用。例如，压水堆核电站一回路、二回路均以轻水为传热介质。热平衡算法从物理角度分析，原理为计算以水及水蒸气为热介质的热力学系统在交换热量前后的焓差，从而获得在热力学系统中吸收的热量。热平衡算法的核心特点是高精度，在核电站中长期稳定、低成本获取高精度堆芯功率的方式是利用二回路参数计算的热平衡算法。其次，热平衡算法的使用工况具有限制性，如电站工况必须达到热平衡状态，如在瞬态工况下热平衡的计算结果无法校准核功率。一般情况下，按电站规程升降功率均可满足应用要求（每小时不超过额定功率的3%）。

第六届国际水蒸气性质会议成立的IFC（国际公式化委员会）制定了计算水、水蒸气热力性质公式，行业内简称IFC 公式。IFC 公式自成立以来就不断迭代升级，KME系统用户、设计方及供应商较为熟知的一个版本为1967年的IFC 公式，广泛在各电站的KME 系统技术规格书中以“IFC-67 公式”或“67 公式”代指。该公式在很长的一段时间里，一直被国内外众多核电站使用。

1997 年，在德国Erlangen 召开的水和水蒸气性质国际联合会（下称IAPWS），通过了由德、俄、英、加等7 国12 位专家提出的全新水和水蒸气计算模型。该模型即现在行业内使用的IAPWS-IF97 公式。自21 世纪以来，大量先进的技术可靠性已得到长时间验证，并被核电行业广泛接受。在这种背景下，KME 算法对水、水蒸气热力性质的计算精度、速度要求也相应提高。“67 公式”的缺点也就逐渐明显，如精度低、迭代时间长、适用范围窄等。因此，现在核电行业普遍将KME 算法改为使用“IAPWSIF97 公式”实现。

4 基于SH_N平台设计与优化KME算法

KME 算法总体原理为能量守恒定律，使用公式（下称热平衡方程）[3]表示如下：

其中：

WR——反应堆堆芯热功率，（MW）。

WΔPr——其它热源传给反应堆冷却系统的热功率（MW），常数。

Hsi——蒸汽发生器SGi 二回路出口湿蒸汽比焓，（kJ/kg）。

Qwi——蒸汽发生器SGi 二回路入口给水质量流量，（kg/s）。

Hwi——蒸汽发生器SGi 二回路入口给水比焓，（kJ/kg）。

Qpi——蒸汽发生器SGi 二回路排污质量流量，（kg/s），已知。

Hpi——蒸汽发生器SGi 二回路排污水比焓，（kJ/kg）。

n——蒸汽发生器数量，已知。

热平衡方程中，等式右侧存在4 个未知变量，分别为：Hsi、Qwi、Hwi、Hpi，故需进一步分析计算所需输入量。依据IAPWS-IF97 计算模型，Hsi、Hpi、Hwi由其测点所在位置的压力和温度（温度在特定情况下可由压力计算获得，见下文描述）通过公式计算获得，即：

如通过给水压力、给水温度作为输入量，即可获得给水比焓值。特别地，排污水、蒸汽由于已达到饱和状态，故计算模型可以不依赖温度（温度由压力通过公式计算获得）。因此，比焓值的计算实际上需要的输入物理量为给水压力、给水温度、蒸汽压力值。

KME 系统中，测量给水流量的传感器通常为孔板流量计。该传感器实际测量的是给水压差，通过传感器的指定换算方法可以转换为较高精度的给水流量。通常情况下，除了给水压差仍需要获得给水密度。在依据IAPWS-IF97计算模型中，给水密度由温度、压力确定。综合上述，给水流量计算模型为：

在传统的核电站设计中，压力传感器一般是测量相对压力，因此需要使用高精度大气压力表测量大气压力，然后计算出各测点的绝对压力。经过上述的输入量分析，总结得到必须的物理测点，见表1。

表1 KME算法所需输入的物理量Table 1 The physical quantity require for KME algorithm

图2 计算流程图Fig.2 Calculation flowchart

从热平衡方程倒述分析得到输入物理量的过程中，KME 算法的计算过程也得以体现。行业内也有诸多文献介绍具体实现方式，故本文不再赘述。值得注意的是，部分科研工作者的论述仅关心原理部分提高计算精度和减少计算时间。在工程实践中，仍需在这些基础上增加考虑质量位和无效剔除算法。

质量位是指一个物理量的值是否有效。在重要的工业应用中，每一个物理量均需带上质量位参与运算，行业内典型的原则是无效的值参与计算时，计算得到结果也是无效的。SH_N 平台的IO 板卡以及MPU 主控单元可以在采集完成后进行初步的分析（如：是否超量程，是否数据波动毛刺），并赋予采集的物理量一个质量位。因此，在SH_N平台上实现KME 算法无需额外开发物理量采集期间质量位判断程序。这一方面降低了开发工作量，另一方面也分解了计算服务的负荷。

无效剔除算法为求取物理量平均值的前置算法，核心依据是“3σ 准则”。具体方式为将连续采集的某个输入物理量取均值和方差，并剔除偏离均值3 倍方差的值，使用剩下的值继续执行上述步骤，直至没有值被剔除或所有值均被剔除。当剔除的值数量到达指定阈值或所有值均被剔除时，计算的平均值无效。

总结以上论述，KME 算法包括前置处理、中间量计算以及堆芯功率计算。

SH_N 平台支持IEC-61131-3 编程语言，本次开发使用ST 语言和FBD 语言结合组态的办法开发。如前置处理和中间量计算功能使用ST 封装为功能块，最后统一使用FBD 组织这些功能块计算堆芯功率。由于FBD 为图形化开发语言，仅关心计算原理但不会编程的用户也很容易读懂，具有很好的体验感。用户通过SH_N 图形化在线监视，直观地将手算值与中间量、计算结果比对，评估计算更清晰直观。

5 结论

基于SH_N 平台实现的算法不仅限于提高精度，还可以在运行期间动态跟踪中间计算值，有利于电站相关专业人员评估产品的计算结果。同时，在新的计算方案发布时，由于使用图形化语言编写，普通用户阅读效率高；图形化语言通过将文本代码明确划分功能界限，故在升级时也更有利于降低人因错误，提高正确率。

致谢

本文所述系统的完成，得到了很多业内专家的指导、支持和帮助。其中，高景斌、邓喜刚共享了他们的研究成果以及广利核KME 项目团队的一些劳动成果。由于笔者水平有限，本文如有错误，请读者批评指正。