核电厂全厂失电状态下主泵轴封应急供水仿真模拟验证

黄秋兰 王雪峰 谢政权 刘全友

（1.中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430223；2.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

0　前言

随着核电事业的快速发展，核电运行仿真在核电领域发挥着越来越重要的作用。从有效提高运行核电安全的角度，核电仿真技术在核电安全分析、安全评价、事故缓解措施分析、操纵员培训等方面，提供了坚实的技术保障。

目前，我国在运行的核电站基本上是压水堆型，属于第二代核电技术堆型或者是其改进堆型。主泵是反应堆冷却剂系统中唯一的回转机械设备。轴封泵的轴封处于旋转的泵轴和固定的外壳之间，是一种运动中的密封装置，用以限制高温高压带放射性的冷却剂的泄漏。在全厂失电工况下，通过主泵轴封应急供水系统对轴封进行冷却，防止发生LOCA事故。

因而对于主冷却剂泵为轴封泵的核电机组，从安全的角度增加全厂失电工况下，主泵轴封应急供水功能是很有必要的，在核电培训模拟机上模拟出功能效果即可以直观的呈现出这种应急措施的有效性。这种增加仿真模拟功能的工作一方面需要对原有模拟机的状态有较深的认识，对新增加的功能非常熟悉，另一方面需要有强大的模拟机软件算法理论知识背景，能够对模拟机各个模块的每一个结构，每一块算法都能全面掌握并合理运用，才能做好新功能和原模拟机的正确结合。本文就以在原模拟机上增加主泵轴封应急供水的模拟功能为例详细说明了模拟机功能升级改造的具体流程，运行结果验证，以及在方式方法上对各类模拟机解决流网问题，优化流网算法等的实践性意义。

1　选题的背景和意义

1.1　背景

为汲取日本福岛核事故的经验教训，从安全角度规避全厂失电带来的风险，进一步提高运行核电厂安全水平的措施，通过演习培训不断完善核应急能力，综合考虑核电厂在全厂失电 （Station Black Out以下简称SBO）工况下，核电设备需要具备防止反应堆冷却剂泵发生轴封小破口事故的应对措施和保持必要的事故后监测能力，模拟机需要跟随实际机组进行相应的功能升级。2015年320MW机组模拟机进行升级，要在原有模拟机上增加核电厂全厂失电状态下主泵轴封应急供水仿真模拟功能。

1.2　意义

轴封系统是主泵重要的辅助系统，担负着对主泵进行密封防止高温高压有放射性冷却剂泄漏的重任，同时为主泵轴封提供必要的轴封水。主泵轴封系统的正常运行是主泵运行的必要条件，与主泵的安全、可靠运行密切相关。在运行中要严密监视轴封系统的参数，一旦出现异常，需要按照相应的事故处理规程和程序进行操作。在核电厂全厂失电状态下通过应急供水方式可以防止轴封损坏造成放射性冷却剂的泄露。通过对模拟机的升级改造，增加核电厂全厂失电状态下主泵轴封应急供水仿真模拟功能。核电操纵员通过模拟机可以对该状态下的相应操作进行模拟，对提高核应急反应能力具有重要的意义。

2　研究的主要问题

本文研究的主要问题是如何在原有模拟机上增加核电厂全厂失电状态下主泵轴封应急供水功能，并进行模拟验证。

2.1　主要研究问题

在开发过程中，主要研究对象包含以下三点：

（1）流体系统建模的主要原理以及组成。主要包括流体建模相关方程、流体网络的主要组成和模型程序结构等内容；

（2）主泵轴封应急供水建模。主要包括流体网络模型的改造和系统运行等内容；

（3）模拟验证。主要包括系统运行工况和验证结果分析等内容。

2.2　技术指标

根据实际机组增设主泵轴封应急供水功能的设计，模拟机需消除与参考机组的差异，保持与参考机组的一致性，进一步提升模拟机的性能，保障操纵员对模拟机培训功能的特定需求，新增的主泵轴封应急供水模型的主要技术指标体现在如下四个方面：

（1）主泵轴封应急供水模型软件的模型仿真精度与模拟机原模型软件的整体水平保持一致。

（2）对增加的系统功能模块的物理过程进行模拟，模型输出信号的数值及物理趋势与主控室的改造设计一致。

（3）模拟机教控盘台上增加的盘装设备整体布置，操作响应与主控室盘台的改造设计一致。

（4）模拟机操作盘台上增加的盘装设备的外观及操控性能与主控室的改造设计一致。

2.3　技术创新与攻关

目前国内核电厂已投入使用或正在开发的全范围模拟机及类似全范围模拟机类的产品，其工艺系统管网模型均需要基于同一个模型开发平台，不同系统的流网需要同一套流网子程序才能实现有效的联调集成运算。本次模拟主泵轴封应急供水的方法是采用RINSIM平台对增加的管网进行建模，然后通过分析拆解原有模拟机的流网运算，将RINSIM平台生成的模型与原有模拟机的流网模型进行关键参数对应连接，首次实现了不同平台下不可压缩流体网络矩阵的耦合运算，这一创新的方法突破了模型流网异网不能精确交互的技术瓶颈，为今后实现模拟机不同平台下开发的流网模型进行集成运算提供行之有效的技术保障。

3　研究方法及技术方案

针对研究的三个主要问题，下面分三节分别论述研究的方法和技术实施方案

3.1　流体系统建模的主要原理以及组成

3.1.1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：

质量方程：

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，对于轴封应急供水模型，主要关注的物理量为流量和压力。

3.1.2模型的程序结构

模型的程序结构，如图1所示，MST（主计算机同步任务管理，控制主计算机实时系统执行）处于程序结构的顶端，驱动 RTEXEC（实时执行，由 MST驱动，用于模拟机模型间的集成执行）以及IEXEC（内部执行，用于实时多模型共同测试），均处于系统分析层（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，组件由某些特定编码的子程序构成。

图1　模拟机原有程序结构图

3.1.3流体网络的主要组成

流体网络主要是由节点（node）、连接（link）、压力边界（pressure boundary）、流体边界（flow boundary）、热边界（heat boundary）和设备（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。

（1）节点（node）

节点主要为常规型与汽轮机型，主泵轴封应急供水主要应用常规型。

（2）连接（link）

也就在这一年冬天，沈家再次失火。原因是已经大腹便便的四太太身子不适，那一晚就请了个郎中来切脉问药，管家刘二上楼去拿茶叶，不料那灯盏却倒了，落在了成捆的蚕丝堆上，火势顺势而起。刘二不得不跳窗逃命，他也因此摔坏了一条腿。沈家不得不又靠卖田来维持生计。

连接有3种为质量流量连接，和简单连接两种。其中质量流量连接用于连接节点之间，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。主泵轴封应急供水流体网络在设计上运用了以上两种连接。

（3）边界（boundary）

边界有两种，分别为压力边界、流量边界。主泵轴封应急供水流体网络运用了压力边界与流量，与原有电厂模型矩阵通过手动赋值方式进行连接。

3.1.4流体网络

蒸汽、给水系统的模型建立在质量、能量和动量守恒的基础上,无论是蒸汽系统还是给水系统,实际上都是复杂的流体网络。考虑流体的压力、流量与焓、温度特性的差异,在模型中将流体网络分成两个通道分别进行计算。现需要进行仿真模拟的主泵轴封应急供水为单相不可压流体网络，单相不可压流体网络数值用如下方法进行求解。

泵的转速与出口压力是根据泵特性曲线进行仿真

式中，P为泵的出口压力，N为泵的归一化转速,F为通过泵的流量，a0，a1，a2由泵的特性曲线确定的常数,通常用最小二乘法来计算。通过管道阀门的流量进行线性化处理后可写成：

式中,V 为管道上的有效阀位,Ka为导纳,P为节点压力,下标1为上一次的计算值。对于网络中的每一个压力点,应用质量守恒方程：

对于 m个压力点，n条流道，形成一个 m×n矩阵，

式中，[A]为系数矩阵，[X]为未知量由 P、F构成的矩阵，[C]为已知值的源项阵。逆止阀在模型中也作了考虑,凡通过逆止阀的流体具有单向性。

为了流网系统运行的实时性,采用快速稀疏阵求解；另外采用了图形化建模使系统模型设计变得快捷，调试变得直观。

3.2　主泵轴封应急供水建模

3.2.1主泵轴封应急供水介绍

反应堆冷却剂泵 （主泵）是核电厂的重要设备之一，320MW机组反应堆冷却剂泵选用的是轴封泵，设有主泵轴封水注入系统，并由设备冷却水为泵机组提供冷却，以保证主泵正常运行。全厂失电（SBO）工况下，担任轴封注水功能的上充泵，担任冷源动力的设备冷却水泵都因失电而停止运行，此时主泵停泵，并在3分钟左右完全停止惰转。主泵直接与高温高压的反应堆冷却剂接触，在同时丧失轴封水和设备冷却水的情况下，主泵的轴密封将在15分钟后由于高温损坏，反应堆冷却剂从轴封损坏处泄漏，形成LOCA。为了防止SBO之后冷却剂通过主泵轴封泄漏，需要为主泵提供持续的轴封注入水，避免发生LOCA。为了保证在SBO之后持续提供轴封注水，需要对上充系统进行改进，增设备用的柴油机往复上充泵及相关管道、阀门。改进之后，备用泵能在SBO之后的规定时间内及时启动，从换料水箱吸水，提供持续的注水来冷却主泵轴密封。轴封注水一部分通过泵壳进入主系统，一部分通过控制泄漏流管线排放到硼回收系统的暂存箱储存。对主泵轴封应急供水功能的模拟机主要包括去除原有往复式上冲泵机组B列的设备及管线的模型；模拟增加的1台电动轴封注水泵机组，1台小型发电机，1台电动阀，2台逆止阀，2条相关系统管线，2个压力仪表、1个流量仪表，相关电气、控制系统部分。主泵轴封应急供水模拟部分的流程图如图2所示。

图2　主泵轴封应急供水模拟部分的流程图

3.2.2流网模型改造

主泵轴封应急供水管网从换料水箱出口接入，换料水箱的水经过泵，阀门等一系列设备后注入轴封注水母管。增加的管网采用RINSIM平台进行建模，管网的入口与出口采用接口边界处理，设备之间用节点隔开，在模型中设置各条管线的流导，泵的曲线，阀门状态，两边边界的参数状态，完成单调。模型图如图3所示：

图3　主泵轴封应急供水模型图

从换料水箱来的流网边界与轴封注水母管的流网边界将与模拟机原有流网矩阵进行耦合。原有模拟机流网矩阵换料水箱处的压力传递给增加的RINSIM流网边界，注水母管处的RINSIM流网边界将流量传递给原有模拟机的流网矩阵。根据对于m个压力点，n条流道，形成一个 m×n矩阵，

在被接入的流网中，m个压力点对应化学与容积控制系统模型里的20个压力节点，n条流道对应化学与容积控制系统模型里的60条流道，从源项阵可以看到，当流道数量位于第60条后，开始节点计算。

根据节点与流道的源项阵计算，从程序中找到增加的接入管网的接入节点，将接入节点的源项进行修改。对于原有模拟机换料水箱边界处进行质量平衡计算。增加的管网在RINSIM平台里生成模型程序，将原有模拟机流网流出流进接口节点的压力，焓值，硼浓度及电解质浓度传递给RINSIM平台里生成的模型。

增加和修改的模型程序处于模拟机的工程师层，完成流网模型程序的增加和修改以后，在模拟机的装载文件中写入增加的模块，装载文件属于系统分析层的配置文件，模块写入配置文件是装载调试的必要条件。导出变量以及变量的初始条件，将导出的变量加入到原有模拟机的数据库中。在盘台上增设人机操作接口，包括SBO工况下应急柴油发电机组的启停按钮，轴封应急注水泵的启停按钮，以及轴封应急注水泵入口电动隔离阀的开关带灯按钮，这些操作接口能使整个增加的模块与原有模拟机的模型一起带载运行和操作，在教控台就地图中，增加轴封应急给水管网流程画面。

3.2.3系统运行

正常运行时，上充流量的一部分，作为主泵的轴密封水，经轴封过滤器滤掉＞2m的固体颗粒后，经安全壳隔离阀V02-039/V02-040进入主泵轴封水系统。轴封过滤器由并列的两台组成，一台运行，一台备用，轴封注入水流量通过上充流量分配阀V02-238调节。

全厂失电（SBO）工况下，担任轴封注水功能的上充泵，担任冷源动力的设备冷却水泵都因失电而停止运行。此时引入全厂失电工况，6KV高压厂变失效，6KV启备变失效，柴油机自动启动失败，如下图：

图4　引入全厂失电故障状态

在盘台上手动启动SBO柴油发电机组S02-100，启动SBO柴油发电机组后，盘台上轴封注水泵入口电动隔离阀V02-902，SBO轴封注水泵S02-13得电。开启 V02-902，启动 S02-13。

图5　盘台启动SBO轴封应急供水设备状态

SBO轴封应急水泵达到额定转速后，开始对轴封提供持续供水。

图6　SBO轴封应急供水运行状态

3.3　模型测试结果

正常运行工况时轴封注入水总流量为4t/h，通过上充流量分配阀V02-238进行调节,当全厂失电之后，轴封应急供水泵能在规定时间内及时启动，从换料水箱吸水，提供持续的注水，压头16.65MPa，流量4t/h，冷却主泵轴密封。轴封注水一部分通过泵壳进入主系统，一部分通过控制泄漏流管线排放到硼回收系统的暂存箱中储存。

4　研究结论与分析

4.1　对主泵轴封应急供水功能有效性验证

采集轴封供水流量运行曲线，来验证在全厂失电状态下主冷却剂泵轴封应急供水功能是否有效。轴封供水流量曲线如图7所示。

曲线窗中显示了三个参数的曲线趋势，分别为主泵A轴封水流量pcxcvc070fz绿色曲线，主泵B轴封水流量pcxcvc080fz红色曲线，轴封应急供水泵的归一化转速cvpmpsbos13蓝色曲线。为了让三个参数的曲线都清晰的呈现在曲线工具窗中，在设置主泵A轴封水流量pcxcvc070fz的时候，将量程的上下限设置为0至10.0t/h，在设置主泵B轴封水流量pcxcvc080fz的时候，将量程的上下限设置为0至8.0t/h，这样使两条曲线的显示状态不重合，都能清晰的显示在曲线监视窗中，轴封应急供水泵的归一化转速cvpmpsbos13的上下限设置为-1至1.2，使转速状态显示在曲线窗的中部。在图14中可看出，正常运行，两列流量分别为2.0t/h左右，轴封应急供水泵的归一化转速为0，在全厂失电后，主泵轴封供水流量由设计额定流量下降为0，启动轴封应急供水系统后，轴封应急供水泵的归一化转速逐渐上升至1额定转速后保持稳定运行状态，两列轴封供水流量逐渐恢复为设计额定流量，分别为2.0t/h左右。供水流量的变化趋势验证了主泵轴封应急供水功能的有效性。

图7　轴封供水流量曲线

4.2　对不同的不可压缩流网矩阵耦合功能验证

图8　不同流网轴封供水流量曲线

通过对RINSIM平台下建模生成的模型计算出的流量输出曲线和原有模拟机的流网矩阵的流量传递变量值曲线的对比，来验证不同平台里流网矩阵间传递计算的耦合性。

曲线窗中显示了两个参数的曲线趋势，分别为RINSIM平台里模型变量主泵轴封应急供水总流量flow1sbo_fpnt(1)绿色曲线，主泵轴封供水母管流量pcxcvc040fz_1红色曲线。两个变量的单位为kg/s，量程范围为-5.0kg/s至5.0kg/s。从图7中可以看出正常运行时，主泵轴封应急供水总流量flow1sbo_fpnt(1)的值为0，曲线趋势位于曲线显示窗的正中间，主泵轴封供水母管流量pcxcvc040fz_1为正常供水设计值1.1kg/s左右。在全厂失电后，主泵轴封供水母管流量由设计额定流量下降为 0，启动轴封应急供水系统后，flow1sbo_fpnt(1)与pcxcvc040fz_1的曲线趋势完全一致，曲线窗中红色和绿色的曲线重合在一起，由两边流网分别计算两条曲线趋势一致，数值实时吻合，验证了不同平台下不可压缩流网矩阵计算的耦合性。

4.3　结论

通过对主冷却剂泵轴封供水流量曲线的分析，机组正常运行时，流量处于平稳运行状态，在全厂失电状态后，轴封供水总流量由设计额定流量降为0，当启动轴封应急供水系统后，主泵轴封供水总流量逐渐恢复到设计额定流量，主泵轴封应急供水功能得到了有效验证。连续平滑的并且趋势一致的流量曲线验证了流网矩阵连接的正确性，实现了流网的有效耦合。通过对改造过程的详细分析、计算、建模和验证，完成了模拟机的升级改造。实践出了适用于不同的不可压缩流体网络矩阵耦合的解决方法，仿真结果验证了模型的正确性和有效性。