可视化交互式核动力系统模拟平台VITARS的开发与验证

张鹏辉，卢国庆，陈荣华，许宛清，苏光辉，田文喜，秋穗正

(西安交通大学 核科学与技术学院，陕西 西安 710049)

RELAP5是经过美国核管理委员会认证的核动力系统两相流最佳估算程序[1]。最早的RELAP5程序是针对三哩岛小破口事故后续分析开发的。此后，程序中的热工水力模型被不断优化，同时添加了一些新的模型[2-6]，也有很多学者在程序中增加了液态铅铋、钠和熔盐等工质的物性方程和相关流动阻力与传热模型[7-11]。经过数十年的发展与大量实验数据的验证，RELAP5程序已成为目前核电厂系统设计、安审评价和操作员培训过程中最常用的软件之一[12]。

由于RELAP5程序开发时间较早，当时较初级的计算机语言系统导致程序的部分功能模块不够友好。如其输入输出方式仍采取编辑文本文件的形式，对新用户来说使用较为困难，也导致了较低的使用效率。针对RELAP5程序的功能拓展问题，部分学者做过相关软件升级开发工作。根据开发软件的功能可将其分为两大类：第1类为可视化建模软件，用于RELAP5输入文件的可视化建立，包括国内开发的RVMS软件[13-14]、美国的SNAP软件等[15]；第2类为可视化交互平台软件，不仅可满足建模的需求，同时增加了人机交互操作、计算实时演示和实时控制等方面的功能，如韩国的VISA软件等[16]，但目前国内该类软件的开发情况仍鲜见文献。

为满足RELAP5程序可视化建模、人机交互操作、计算实时演示和实时控制的需求，本文以RELAP5程序为基础对其进行改造，开发RELAP5的数据传递接口，同时采用模块化编程技术开发可视化交互平台软件(VITARS)及其耦合数据处理模块，并开发独立的反应堆逻辑控制仿真模块以满足真实反应堆复杂的控制系统模型的建立，提高RELAP5程序的友好性与功能性。

1 软件基本结构

VITARS程序基于Java Script语言在Node.js构架下采用模块化编程方式[17]开发，其结构与数据框架如图1所示。为使RELAP5程序能与VITARS平台之间进行数据交互，基于Fortran语言在RELAP5原始程序基础上进行改造，开发了所需的数据接口。改造后的RELAP5进程与可视化交互平台进程相互独立，两者间数据采用管道方式进行通信，因此可视化交互平台可通过调用多个不同的RELAP5进程来进行同步计算或耦合计算。VITARS程序分为8个模块，其功能列于表1。

图1 VITARS程序结构Fig.1 Program structure of VITARS

表1 VITARS模块功能Table 1 VITARS module function

在计算模型建立过程中，用户可通过界面进行RELAP5计算模型、控制逻辑模型和运行界面模型的建立。通过界面调用一个RELAP5进程来自动读取所建立的RELAP5输入文件进行计算，并可通过计算控制模块对所调用的RELAP5进程进行暂停、继续运行、快照和终止等操作。在RELAP5计算过程中，每个步进前都会与平台的数据交互模块进行双向数据传递，RELAP5所输出的数据会进入数据交互模块按照控制逻辑模型进行计算处理，其原始数据或处理过的数据进入显示操作模块进行图形化显示，或可直接返回RELAP5进程对泵转速、阀门开度和加热功率等设备参数进行调节，也可对计算控制信号(TRIP)、时间相关部件的流量、流速、温度、压力和空泡份额等模型参数进行覆盖。同时显示操作模块还可实时接受来自用户操作的数据，并能在下一步进计算中返回给数据处理模块进行处理。整个运行中所生成的文件、数据都在运行结果模块中进行管理，以便后续能重新打开回看。

2 软件功能特征

2.1 RELAP5模块化建模

VITARS程序内置了RELAP5所有的部件模型，作为基本图元供用户选择。通过在画布上对不同图元进行拖拽连接以完成对RELAP5输入模型的建立。完成模型搭建后，可通过程序界面，进一步完成模型参数的选择或填写。最后程序可根据输入信息自动生成RELAP5可读的输入文件。图2为RELAP5模块化建模界面。

图2 RELAP5模块化建模界面Fig.2 Modular modeling interface for RELAP5

除上述基本功能外，为使程序使用更加方便高效，还开发了以下辅助功能：1) 拖拽到画布上的部件会自动编号，以代替RELAP5模型建立时人工设置部件号；2) 所有的控制体具有固定的隐藏锚点，当接管靠近时可自动吸附完成连接，程序会根据接管连接信息自动识别前后部件号，从而自动填写接管的来去向信息；3) 程序会根据RELAP5卡片建立规则对填写的参数进行自动错误检测，对用户进行提示，大幅提高了建模效率；4) 程序增加了模型美化方面的功能，如图样填充、文本框插入、字体格式修改等，可使可视化的模型更加直观。

2.2 反应堆控制逻辑计算系统

为实现更复杂的比例积分微分逻辑控制系统的建立，VITARS设计了一套独立的逻辑控制计算系统，以代替RELAP5程序中原有的控制卡功能。类似于RELAP5建模界面，逻辑控制计算系统通过逻辑控制建模界面，采用基础元件拖拽连接的形式来完成逻辑控制模型的建立。

图3为VITARS程序的逻辑控制建模界面。逻辑运行部件相比原有的RELAP5控制系统部件有所拓展。同时，VITARS程序中的控制逻辑计算系统可以与原有的RELAP5控制系统部件和TRIP联合使用。

图3 VITARS反应堆控制逻辑计算系统建模界面Fig.3 Modeling interface for reactor control logic calculation system in VITARS

图4展示了反应堆控制逻辑计算系统可以处理的信号类型。如图4所示，来自RELAP5计算进程、人机交互接口和其他逻辑控制模型的参数均可作为一个逻辑控制模型的输入，经过模型计算后，可根据设置返回到RELAP5计算进程、其他逻辑控制进程或显示操作进程。改造后的RELAP5进程可输出变量包括了所有可通过小编辑定义的变量，同时可读取变量到交互式输入数据，进而传递到TRIP、时间相关部件、阀泵等相关模型参数。

图4 参数交互处理枢纽Fig.4 Interaction hub for different parameters

2.3 计算运行控制

完成输入文件的生成后，用户可通过VITARS界面点击运行按钮来进行计算。运行过程中，VITARS程序可通过改造后的RELAP5程序接口来实时对RELAP5计算进程进行控制，包括暂停、继续运行、快照和终止。当RELAP5程序计算错误异常退出后，VITARS程序会自动检索RELAP5输出文件中的运行错误信息，并将其复制在界面运行信息框中进行直接显示，方便用户进行检查。

2.4 计算结果实时显示

RELAP5程序在计算过程中可实时将计算数据输出给VITARS界面进行显示处理，从而使用户能实时对RELAP5计算参数进行监视。显示具有动态仪表显示和动态曲线显示两种格式，数据刷新频率可进行人为调节，方便用户根据需要进行选择。同时，数据也可直接输出成文本格式进行进一步处理。

2.5 人机交互控制

VITARS除了可实时读取RELAP5计算数据进行处理外，也可通过人机操作接口在计算过程中实时读取人工输入的参数进行处理，可在计算过程中实时对阀门开度、主泵转速、加热器开关、边界温度、压力、流量等参数进行直接手动调节，使用户可实时对计算模型参数进行操作控制。在此基础上，可衍生出LOCA等破口事故手动触发的功能。

2.6 自定义运行界面

由于VITARS内置有底层的绘图模块和数据交互模块，因此基于这些模块开发了自定义运行界面功能。该功能集成了VITARS的大多数子功能模块，使得RELAP5程序可形成一个如同模拟机的系统供用户使用。

利用模型建立模块，用户可用不同的元素与显示单元在画布上进行绘图叠加。图5为所建立的运行界面。界面上可添加的显示或控制部件具体如下：1) 动态仪表显示部件，可显示如控制体温度、压力等的RELAP5计算变量；2) 指示灯，可根据控制逻辑计算系统得到的信号进行指示灯显示，方便用户设置报警、预警等信号指示；3) 输入部件，即前文描述的人机操作接口。

图5 基于VITARS针对岭澳机组设计的运行界面Fig.5 Developed operating interface for Ling’ao reactor system by VITARS

该功能保证用户可以建立一个自定义的界面，对RELAP5计算结果、逻辑控制系统计算结果等数据进行实时监测，同时该界面可以根据实时参数点亮或熄灭各种不同的信号指示灯。在计算过程中，用户还可以模拟操作员指令对阀门开度、主泵转速等参数进行调节。程序支持针对一个计算进程建立多个不同的运行界面，同时支持跨屏幕显示，大幅提高了工程应用潜力。

3 反应堆系统模拟验证

为验证VITARS程序的可靠性，本文分别采用原始RELAP5程序与VITARS分别针对岭澳机组进行了稳态模拟。

反应堆冷却剂系统的分析模型节点如图6所示。模型包括压力容器、稳压器、蒸汽发生器、反应堆冷却剂泵与热管段、冷管段及过渡段等管道部分，在此基础上引入反应堆压力控制系统、蒸汽发生器给水控制系统、主给水流量控制系统及稳压器压力保护系统、蒸汽发生器压力保护系统等反应堆控制与保护系统，实现满功率运行稳态计算。

图6 VITARS界面中建立的反应堆一回路节点图Fig.6 Node of reactor system model created by VITARS

将采用VITRAS程序计算的结果与采用原始RELAP5程序计算的结果进行对比，如表2所列。从表2可发现，VITARS程序不影响原始RELAP5程序的计算精度。

表2 稳态计算结果Table 2 Steady-state calculation result

4 总结

本文基于RELAP5开发了可视化交互式核动力系统模拟平台VITARS。VITARS程序可实现从图形化建模、计算控制、结果显示到数据处理的整个核动力系统可视化热工模拟分析。同时其具备一个与RELAP5连接的反应堆逻辑控制系统与数据交互处理枢纽，可读取、处理、分发来自RELAP5、逻辑控制计算系统或用户实时输入的数据，使整个运行过程类似模拟机进行实时操作显示，极大提高了RELAP5的使用效率与交互性。