基于霍尔三维结构理论的化学控制计算软件的开发

于洋

摘要：在核电厂中化学控制计算与机组反应性控制、设备管道腐蚀以及机组运行寿命等方面有着重要联系，通过开发并使用程序化计算软件可有效提高计算准确率、缩短工时以及降低人因失误，进一步提升化学精细化控制水平。根据霍尔三维结构模型，从逻辑维、时间维和知识维角度分析软件开发过程，将化学科学专业知识与软件开发和系统管理相融合，形成一套完整的软件开发方法。软件开发大大提升了化学控制智能化水平，有效保证机组长期、稳定、安全的运行。

关键词：霍尔三维模型 化学控制 软件开发 核电厂

中图分类号：O6-04

Development of Chemical Control Calculation Software Based on Halls Three-Dimensional Structure Theory

YU YANG

Jiangsu Nuclear Power Cooperation， Lianyungang， Jiangsu Province， 222000 China

Abstracts： In nuclear power plants， chemical control calculations are closely related to unit reactivity control， equipment pipeline corrosion and unit operation life. The development and use of programmed calculation software can effectively improve the accuracy of calculation， shorten working hours and reduce human errors， so as to further improve the level of chemical fine control. According to Hall's three-dimensional structure model， the software development process is analyzed from the perspectives of the logic dimension， time dimension and knowledge dimension， and the professional knowledge of chemical science is integrated with software development and system management， so as to form a complete set of software development methods. Software development has greatly improved the intelligent level of chemical control and effectively guaranteed the long-term， stable and safe operation of the unit.

Key Words： Halls three-dimensional model; Chemical control; Software development; Nuclear power plant

核電厂化学控制重点是通过控制电站的化学状态，降低材料腐蚀，避免设备腐蚀受损，控制放射性水平，确保电站安全稳定经济运行。化学控制主要包括控制电厂各系统中化学杂质，抑制辐照分解的氧化产物形成，减少堆芯燃料元件表面、蒸汽发生器传热管表面以及其它系统设备表面的沉积，控制腐蚀产物的转移，尽可能降低电站辐射剂量等[1]。控制过程涉及核电厂一二回路水化学、放射化学和油质监督、取样系统和加药系统运行、水处理系统设备状态监督、化学品管理和实验室管理等各项操作，包含电解质平衡、氧化还原反应和可逆反应等复杂计算过程，需要采用系统思维对计算理论进行规划、分析和管理。霍尔三维结构模型可以从逻辑、时间和知识角度进行三维立体分析，充分利用到化学控制计算软件的开发中，解决了软件开发过程中质量控制难点，提升了软件开发的质量和效率，而软件的开发使核电厂化学控制更加及时、准确，保障了机组安全经济稳定运行。

1 霍尔三维结构模型

霍尔三维结构又称霍尔的系统工程，它将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的

7个阶段和7个步骤，同时还考虑了为完成这些阶段和步骤所需要的各种专业知识和技能。形成了由时间维、逻辑维和知识维所组成的三维空间结构。三维结构体系形象地描述了系统工程研究的框架，对其中任一阶段和每一个步骤又可进一步展开，形成了分层次的树状体系[2]。霍尔三维结构集中体现了系统工程方法的系统化、综合化、最优化、程序化和标准化等特点，是系统工程方法论的重要基础内容。

2 化学控制计算软件开发

• 化学控制计算与霍尔三维结构

通过霍尔三维结构理论分析，化学控制计算软件开发三维可作如下划分。

2.1.1 时间维

开发进程包括：可行性研究、建模、编码[3]、测试、运行和维护以及升级（如表1所示）。

2.1.2 逻辑维

开发步骤包括：提出问题、制定目标、系统分析、最优化、决策并实施（如表2所示）。

2.1.3 知识维

化学科学包括：电位平衡、氧化还原、可逆反应、物料守恒和计算化学[4]（如表3所示）。

计算化学是理论化学的一个分支，主要是利用有效的数学近似以及电脑程序计算的性质实现反应活性精准计算

通过以上分析和归类，化学控制计算软件开发的霍尔三维结构模型如图1所示。

• 化学控制计算软件

核电厂化学控制以化学理论计算为基础，物料守恒和计算化学 理论起到举足轻重的作用。物料守恒，即质量守恒定律，在化学试剂配制中较为常用；计算化学是理论化学的一个分支，主要是利用有效的数学近似以及电脑程序计算的性质实现反应活性精准计算，在核电厂一二回路水质控制和反应性控制中较为常用。物料守恒和计算化学结合使用能够保障核电厂化学控制的精准和可靠。

• 化学试剂配制控制

核核电厂机组化学试剂配制时，一般在化学试剂箱中加入一定量浓度较高的化学试剂，再注入清水稀释至目标液位或体积得到需要浓度的化学试剂，这一过程遵守物料守恒：C0×V0+C1×V1=C2×V2。 这个公式中： C0为化学试剂箱中原有溶液浓度；C1为加入化学试剂浓度；C2为化学试剂箱中配制后溶液浓度；V0为化学试剂箱中原有溶液体积；V1为加入化学试剂体积；V2为化学试剂箱中配制后溶液体积。

• 反应性和化学指标控制

核核电厂机组需要通过加入工艺系统添加剂保证反应性和化学指标满足设计要求[5]，加入的工艺系统添加剂通过一定的化学反应到达相应的化学控制目的，这一过程遵守物料衡算方程和计算化学理论：输入+生成=输出+消耗+累积。

一回路中加入氨水，在放射性条件下氨辐照分解产生氢气，从而抑制水的辐照分解产生氧气，维持一回路还原性环境，减缓一回路腐蚀。氨辐照分解产生氢气的化学方程式如下：

2NH3=3H2+N2

一二回路需要加入联氨溶液，联氨与氧气反应进行除氧，减缓一二回路腐蚀。联氨与氧气反应的化学方程式如下：

N2H4+O2= N2+2H2O

根据一回路加氨生成溶氢并保持一回路溶氢稳定和加联氨进行除氧的实际情况，物料衡算方程可简化为：输入=消耗，则可根据需要消耗化学试剂的量计算化学试剂需要加入的量，达到反应性和化学指标控制需求。

通过Visual Basic软件[6]的编程功能，将逻辑计算过程数字化。编制化学控制计算软件，通过输入相关参数，点击计算就可以自动计算出相应结果，实现化学控制计算的软件化。

• 化学控制计算软件的应用

化学控制计算数字化操作软件已应用于化学试剂配制过程和反应性和化学指标控制中，理论与实际相符，经过机组实际运行的检验，化学控制取得了良好的效果，大大提升了工作效率。

以机组大修前给水系统联氨钝化液配制的过程为例，应用数字化软件后化学试剂配制过程计算时间只需3 min，计算时间缩短85 %，便于及时调整水化学指标。以除碱工况加氨量和启动阶段提升溶氢加氨量为例，应用数字化软件后反应性和化学指标控制过程中计算所需时间由30 min缩短到5 min（如图2所示），计算时间缩短85 %，从而保证水化学指标能够提前满足机组启动要求。

3 结论

（1）通过霍尔三维结构理论逻辑维、时间维和知识维的分析，将化学控制计算软件开发过程与其进行有机的结合，充分考虑软件全局性和完整性，开发出高质量的软件产品，解决了实际生产问题，提升了电站化学管理水平。

（2）通过化学控制计算软件的开发和使用，实现了电站化学控制的数字化和智能化，有效地避免了人因失误的发生，极大提升了核电机组化学控制的安全性和可靠性，有效保障WANO化学指标始终保持1.00的国际先进水平。

（3）化学控制计算软件中包含了化学知识维度的基础知识，可通过程序语言变化，适用于不同机型不同系统的化学控制计算，有很大的推广价值。

参考文献

[1] 金硕.核电厂一回路冷却剂中腐蚀产物对管道的沉积研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.

[2] 刘洪伟.基于BIM技术的装配式建筑质量评价研究[D].青岛：青岛理工大学，2019.

[3] 李明超.电厂热力系统稳态建模仿真软件开发及应用[D].杭州：浙江大学，2021.

[4] 高倪.计算化学应用研究进展[J]. 山东化工，2020，49（6）：88-89.

[5] 孫晨皓.锌铝注入对压水堆一回路结构材料腐蚀行为影响研究[D].北京：华北电力大学（北京），2022.

[6] 黄啟恒.计算机应用软件开发中编程语言的选择研究[J].贵阳学院学报（自然科学版），2020，15（3）：10-12.