基于核电站启动过程仿真系统考核平台的开发

周文平，陈易知，李 楠，李建纬，李 凡，张 旭，杨 阔

（沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136）

核能作为高效清洁的能源正快速发展。然而，由于核电站具有极高的安全等级和特殊的战略意义，有关核电的教学、科研与实验均难以在核电站中进行。此外，相关的科学研究和实践操作往往要在高辐射、高成本、高风险的环境中进行，伴随着未知危险，给绝大多数高校在核电人才的培养过程中设置了极大的障碍，加之对核工程与核技术专业人才的需求愈发增多，对人才实践创新能力培养的要求也日益提高，就需要相关从业人员在计算机模拟的情况下对现实的核电站运行和维修等模块进行学习。

模拟机在核电厂安全运行中所扮演的重要角色已逐步获得核电运行成员的普遍共识［1-3］。在现实的仿真教学活动中，这类教学模式能有效提高操作人员或学员对核电站的认识，但是由于计算机仿真环境要求高，教学时间受限，难以对每个学员的仿真结果进行分析与考核。因此，亟需一个简单易行的考核平台。

1 考核平台中的核电站系统及仿真系统

1.1 压水堆工作原理及组成

核电站压水堆由3 个回路组成：一回路为核岛部分，二回路为常规岛部分，三回路为循环冷却水部分。核电站通过中子与铀核在反应堆堆芯发生链式裂变核反应释放能量，这些能量由流过反应堆堆芯的冷却水带出并进入蒸汽发生器一次侧的传热管，与来自二回路的传热管外的给水进行热交换，然后由主泵再送回反应堆的入水口。被加热的给水形成饱和蒸汽后依次进入汽轮机的高压缸和低压缸做功，做功后的乏汽进入冷凝器被三回路的海水冷凝后分别进入低压加热器、除氧器和高压加热器，在加热器中被高、低压缸的抽气预热后再送回蒸汽发生器的二次侧，进入下一个循环过程，如图1所示。

图1 核电站原理

1.1.1 核电站冷却剂系统

压水堆一回路系统主要有4 种设备：反应堆压力容器、稳压器、蒸汽发生器和主泵。堆芯在稳压器中，由这些设备和相关的管道组成了一回路系统［4］。

1.1.2 一回路辅助系统

一回路辅助系统由化学与容积控制系统、反应堆硼和水补给系统、余热排出系统和核取样系统组成。这些系统与核安全息息相关，与专设安全设施一起来保证反应堆和一回路系统的正常运行。

1.1.3 辅助冷却水系统

辅助冷却水系统包括反应堆水池和乏燃料水池的冷却处理系统、设备冷却水系统、重要厂用水系统、核岛冷却水系统和电气厂房冷却水系统，具有导出堆芯剩余释热和提供冷却水等功能。

1.1.4 专设安全设施

专设安全设施由安全注入系统、安全壳喷淋系统、辅助给水系统和安全壳隔离系统组成，当一回路系统发生失水事故或蒸汽管道破裂时，专设安全设施会及时排出堆芯余热，保证安全壳的完整性，减轻或限制事故发生的后果。

1.2 仿真系统简述

核电站用全范围模拟机是核电站培养和训练操作员的良好手段。核电站用全范围模拟机可模拟商用核电站内的任意操作。因为每一座核电站的功率参数和运行数据等均不相同，所以不同的核电技术方案都应该有与之对应的整套仿真机设备。每个核电基地都会配置1 台全范围的核电模拟仿真机，用其来判断核电站操作员的操作流程是否符合核电领域的规范［5］。核电模拟机是集核电设计、运行、数值计算、信息技术和软件开发技术等为一体的高科技产品，涉及了与核电相关的所有学科。在核电站模拟机开发过程中，需要解决六大关键技术：仿真平台技术、建模工具和过程模拟技术、数字化仪控系统仿真技术、集成技术、配置管理技术和测试技术［6］。

教学用的仿真机可以模拟真实核电站的正常运行工况、启停堆过程和各种事故状态，可以弥补核电专业学员所学的核电相关知识，可以为学员展示核电站的模拟场景，让学员置身于核电站之中，实际操作核电站的任意设备和系统，监测任意参数的变化，提高学员实际运用核电知识的能力。因为仿真机系统比较庞大，一般采取几台电脑联机的方式来操作［7-8］。

在参考国外仿真机支撑平台的基础上，我国的仿真机支撑平台技术已经可以和众多国家相媲美，接近了国际仿真机支撑平台研发的第一梯队。

2 平台考核方案

2.1 考核模块

考核平台主要以2 个考核过程为主，分别是RRA 隔离至提棒达临界过程以及从热备用至满功率过程。其中，RRA 隔离至提棒达临界过程考核分为4 个考核子模块：余热排出系统隔离、一回路升温升压、热停堆工况和提棒达临界。热备用至满功率过程考核分为2 个考核子模块：热备用和汽机同步并网。考核平台的关键是对2个过程的6个模块分别抽取考核目标，每个模块的考核目标要素是学员能够在5 个操作面板（CORE、RCV、PZR、RRA、MS）获取相应的实时数据并作出相应的操作，然后由系统对学员的操作进行评价，从而达到对目标的考核要求，形成相应的反馈报告，如表1和表2所示。

表1 RRA隔离至提棒达临界过程

表2 从热备用至满功率过程考核表

表2（续）

表2（续）

2.2 考核界面的设计

考核系统提供操作平台并对学员的操作进行实时监控与判断，及时给出相应的反馈。图2、图3、图4 分别为余热排出系统隔离模拟考核操作界面、提棒达临界模拟考核操作界面、从热备用至满功率过程考核选择界面。学员可通过界面选择按钮进入到不同工况的考核过程：如一回路升温升压和热备用汽机同步并网等。进入每个工况后都会出现许多考核步骤，对学员的操作进行实时监控与判断，并及时给出反馈，学员将每个步骤的操作正确完成后方可得分。

图2 余热排出系统隔离模拟考核操作界面

图3 提棒达临界模拟考核操作界面

图4 从热备用至满功率过程考核选择界面

图5 是学员进入从热备用至满功率过程考核界面的第17 个考核步骤，该学员已在前面步骤中累计得分为8分。

图5 从热备用至满功率过程考核界面

3 平台使用情况

目前，该考核平台已应用于某高校核工程与核技术专业的核电站仿真机实习考核中。原考核需要教师通过仿真系统全程跟踪各组学生的操作过程，不但耗时长，而且由于系统的自动停堆设置，学生的误操作会频繁造成停堆，需要重新开始才能继续完成下一步过程，费时费力，使教师很难跟踪所有过程。因此，对学生的考核评价会有所偏差。应用该考核平台系统后，教师能够轻松地完成对学生操作的考核，针对重点的操作步骤，平台会自动判定是否正确并给出评分。该平台一方面可以节省时间，考核学生是否真正掌握整体操作步骤；另一方面也避免了由于仿真机自动停堆造成考核的不连续性。由此可见，考核平台的应用效果良好，可以进一步推广运用。

4 结语

该考核系统应用FLASH 软件，以Action‐Script2.0 为基础，搭建了核电站启动过程仿真系统考核平台，实现了在核电站启堆过程中从RRA 隔离至提棒达临界过程以及从热备用至满功率过程的考核，使学员熟悉了仿真机系统图的设备并掌握了核对阀门位置等操作步骤。学员通过该系统进行操作时，若出现错误，会得到系统提示，对错误进行分析并纠正，使学员加深对核电知识的理解并快速掌握正确的操作过程。该考核系统建立了友好直观的人机交互界面，使用方法简单，适应性广，性能要求低，可以达到良好的教学和培训效果。