黃秋蘭　王雪峰　謝政權　劉全友

【摘 要】主泵軸封應急供水的仿真目的是解決核電廠特殊工況下的培訓功能的技術研究。主泵軸封應急供水的功能是在全廠失電、主泵軸封失去供水的特殊情況下，給主泵提供持續(xù)的應急軸封注入，以防止反應堆冷卻劑通過主泵軸密封泄漏，避免發(fā)生LOCA。本文基于現(xiàn)有310MW核電機組的電廠模擬機狀態(tài)，詳細介紹了反應堆主冷卻劑泵軸封應急供水的模型仿真過程和運行驗證。實現(xiàn)的方法過程包括通過圖形化建模平臺先模擬出新增管網(wǎng)的模型；對原有模擬機模型程序進行分析，解決原有模擬機不同平臺下的不可壓縮流體網(wǎng)絡矩陣的耦合運算；增加設備操作的人機交互模型；對新增模型里的設備增加盤臺界面操作開關按鈕畫面，對新增模型里的管網(wǎng)增加管網(wǎng)流程圖畫面；在全廠失電條件下，通過盤臺啟動主泵軸封應急供水系統(tǒng)，監(jiān)視新增管網(wǎng)流程圖的運行狀態(tài)等；對更新后的模擬機模型進行運行驗證，驗證結(jié)果表明，主泵軸封應急供水方案實現(xiàn)了在全廠失電條件下，主泵軸封能通過應急供水管網(wǎng)得到有效的冷卻，有效的避免了由于主泵軸密封處泄漏而發(fā)生LOCA。本項模型升級工作，切實滿足了核電廠模擬機培訓中對于特殊工況下的培訓功能，對流網(wǎng)問題和優(yōu)化流網(wǎng)模型的算法提供了有效的解決途徑。

【關鍵詞】全廠失電；軸封；供水；仿真

中圖分類號： TM623.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0001-005

Simulation for Emergency Feed water of Reactor Coolant Pump Shaft Seal at Station Black Out

HUANG Qiu-lan1 WANG Xue-feng1 XIE Zheng-quan1 LIU Quan-you2

（1.China Nuclear Power Operation Technology Corporation， Wuhan， 430223， China；2.CNNP Nuclear Power Operations Management Corporation，Haiyan， 314300，China）

【Abstract】The simulation purpose for emergency feed water of reactor coolant pump shaft seal is in order to solve technical research for the training function of special condition exercise. The function of reactor coolant pump shaft seal emergency feed water system is to provide emergency continuously injected to the reactor coolant pump shaft seal to prevent the reactor coolant leak through the shaft seal ，in the special case of station black out and reactor coolant pump shaft seal lost water supply， avoid the occurrence of LOCA. Based on the present state of simulator in Qinshan nuclear power plant， the model simulation process and operation verification of the reactor coolant pump shaft seal emergency feed water system are introduced in detail in this article. The process of implementation methods including through a graphical modeling platform to simulate the new network model， simulation model of the original simulator procedures for analysis， to solve the incompressible net matrix docking calculation in different platform in original simulator， to create the human interaction model of components operation， add the interface panel graphics of switches， buttons and light for the new modeling components， and increase the new flow chart of the pipe network in the flow diagrams， under the condition of station black out， the reactor coolant pump shaft seal emergency feed water system is started through the panel， and the operation state of the new pipe network flow chart is monitored， and the updated simulator model is verified by running。The verification results show that the emergency feed water program achieve emergency water supply for reactor coolant pump shaft seal at the condition of station black out in the plant， the shaft seal can be effectively cooled， effectively solves the reactor coolant pump shaft seal leak and the occurrence of LOCA. The upgrading of this model effectively meets the needs for improving the training function of special condition exercises during the training of nuclear power plant simulator， and provides an effective way to solve flow net problem and optimize the net model algorithm.

【Key words】Station Black Out； Shaft Seal； Feed Water； Simulation

0 前言

隨著核電事業(yè)的快速發(fā)展，核電運行仿真在核電領域發(fā)揮著越來越重要的作用。從有效提高運行核電安全的角度，核電仿真技術在核電安全分析、安全評價、事故緩解措施分析、操縱員培訓等方面，提供了堅實的技術保障。

目前，我國在運行的核電站基本上是壓水堆型，屬于第二代核電技術堆型或者是其改進堆型。主泵是反應堆冷卻劑系統(tǒng)中唯一的回轉(zhuǎn)機械設備。軸封泵的軸封處于旋轉(zhuǎn)的泵軸和固定的外殼之間，是一種運動中的密封裝置，用以限制高溫高壓帶放射性的冷卻劑的泄漏。在全廠失電工況下，通過主泵軸封應急供水系統(tǒng)對軸封進行冷卻，防止發(fā)生LOCA事故。

因而對于主冷卻劑泵為軸封泵的核電機組，從安全的角度增加全廠失電工況下，主泵軸封應急供水功能是很有必要的，在核電培訓模擬機上模擬出功能效果即可以直觀的呈現(xiàn)出這種應急措施的有效性。這種增加仿真模擬功能的工作一方面需要對原有模擬機的狀態(tài)有較深的認識，對新增加的功能非常熟悉，另一方面需要有強大的模擬機軟件算法理論知識背景，能夠?qū)δM機各個模塊的每一個結(jié)構(gòu)，每一塊算法都能全面掌握并合理運用，才能做好新功能和原模擬機的正確結(jié)合。本文就以在原模擬機上增加主泵軸封應急供水的模擬功能為例詳細說明了模擬機功能升級改造的具體流程，運行結(jié)果驗證，以及在方式方法上對各類模擬機解決流網(wǎng)問題，優(yōu)化流網(wǎng)算法等的實踐性意義。

1 選題的背景和意義

1.1 背景

為汲取日本福島核事故的經(jīng)驗教訓，從安全角度規(guī)避全廠失電帶來的風險，進一步提高運行核電廠安全水平的措施，通過演習培訓不斷完善核應急能力，綜合考慮核電廠在全廠失電（Station Black Out以下簡稱SBO）工況下，核電設備需要具備防止反應堆冷卻劑泵發(fā)生軸封小破口事故的應對措施和保持必要的事故后監(jiān)測能力，模擬機需要跟隨實際機組進行相應的功能升級。2015年320MW機組模擬機進行升級，要在原有模擬機上增加核電廠全廠失電狀態(tài)下主泵軸封應急供水仿真模擬功能。

1.2 意義

軸封系統(tǒng)是主泵重要的輔助系統(tǒng)，擔負著對主泵進行密封防止高溫高壓有放射性冷卻劑泄漏的重任，同時為主泵軸封提供必要的軸封水。主泵軸封系統(tǒng)的正常運行是主泵運行的必要條件，與主泵的安全、可靠運行密切相關。在運行中要嚴密監(jiān)視軸封系統(tǒng)的參數(shù)，一旦出現(xiàn)異常，需要按照相應的事故處理規(guī)程和程序進行操作。在核電廠全廠失電狀態(tài)下通過應急供水方式可以防止軸封損壞造成放射性冷卻劑的泄露。

通過對模擬機的升級改造，增加核電廠全廠失電狀態(tài)下主泵軸封應急供水仿真模擬功能。核電操縱員通過模擬機可以對該狀態(tài)下的相應操作進行模擬，對提高核應急反應能力具有重要的意義。

2 研究的主要問題

本文研究的主要問題是如何在原有模擬機上增加核電廠全廠失電狀態(tài)下主泵軸封應急供水功能，并進行模擬驗證。

2.1 主要研究問題

在開發(fā)過程中，主要研究對象包含以下三點：

（1）流體系統(tǒng)建模的主要原理以及組成。主要包括流體建模相關方程、流體網(wǎng)絡的主要組成和模型程序結(jié)構(gòu)等內(nèi)容；

（2）主泵軸封應急供水建模。主要包括流體網(wǎng)絡模型的改造和系統(tǒng)運行等內(nèi)容；

（3）模擬驗證。主要包括系統(tǒng)運行工況和驗證結(jié)果分析等內(nèi)容。

2.2 技術指標

根據(jù)實際機組增設主泵軸封應急供水功能的設計，模擬機需消除與參考機組的差異，保持與參考機組的一致性，進一步提升模擬機的性能，保障操縱員對模擬機培訓功能的特定需求，新增的主泵軸封應急供水模型的主要技術指標體現(xiàn)在如下四個方面：

（1）主泵軸封應急供水模型軟件的模型仿真精度與模擬機原模型軟件的整體水平保持一致。

（2）對增加的系統(tǒng)功能模塊的物理過程進行模擬，模型輸出信號的數(shù)值及物理趨勢與主控室的改造設計一致。

（3）模擬機教控盤臺上增加的盤裝設備整體布置，操作響應與主控室盤臺的改造設計一致。

（4）模擬機操作盤臺上增加的盤裝設備的外觀及操控性能與主控室的改造設計一致。

2.3 技術創(chuàng)新與攻關

目前國內(nèi)核電廠已投入使用或正在開發(fā)的全范圍模擬機及類似全范圍模擬機類的產(chǎn)品，其工藝系統(tǒng)管網(wǎng)模型均需要基于同一個模型開發(fā)平臺，不同系統(tǒng)的流網(wǎng)需要同一套流網(wǎng)子程序才能實現(xiàn)有效的聯(lián)調(diào)集成運算。本次模擬主泵軸封應急供水的方法是采用RINSIM平臺對增加的管網(wǎng)進行建模，然后通過分析拆解原有模擬機的流網(wǎng)運算，將RINSIM平臺生成的模型與原有模擬機的流網(wǎng)模型進行關鍵參數(shù)對應連接，首次實現(xiàn)了不同平臺下不可壓縮流體網(wǎng)絡矩陣的耦合運算，這一創(chuàng)新的方法突破了模型流網(wǎng)異網(wǎng)不能精確交互的技術瓶頸，為今后實現(xiàn)模擬機不同平臺下開發(fā)的流網(wǎng)模型進行集成運算提供行之有效的技術保障。

3 研究方法及技術方案

針對研究的三個主要問題，下面分三節(jié)分別論述研究的方法和技術實施方案

3.1 流體系統(tǒng)建模的主要原理以及組成

3.1.1 流體系統(tǒng)建模遵循的主要方程以及計算的主要變量

流體系統(tǒng)建模遵循動量平衡、質(zhì)量平衡以及能量守恒三大定律，對于氣相以及液相均獨立計算動量、質(zhì)量以及能量方程。

流體系統(tǒng)主要計算壓力、流量、焓、溫度、熱傳遞、氣相濃度、沸騰和凝結(jié)率、濃度、反應性、電導率、可溶化學濃度等重要參數(shù)，對于軸封應急供水模型，主要關注的物理量為流量和壓力。

3.1.2 模型的程序結(jié)構(gòu)

模型的程序結(jié)構(gòu)，如圖1所示，MST（主計算機同步任務管理，控制主計算機實時系統(tǒng)執(zhí)行）處于程序結(jié)構(gòu)的頂端，驅(qū)動RTEXEC（實時執(zhí)行，由MST驅(qū)動，用于模擬機模型間的集成執(zhí)行）以及IEXEC（內(nèi)部執(zhí)行，用于實時多模型共同測試），均處于系統(tǒng)分析層（服務器層）。工程師層有控制模塊，控制模塊控制各程序段，各程序段控制模型內(nèi)各組件，組件由某些特定編碼的子程序構(gòu)成。

3.1.3 流體網(wǎng)絡的主要組成

流體網(wǎng)絡主要是由節(jié)點（node）、連接（link）、壓力邊界（pressure boundary）、流體邊界（flow boundary）、熱邊界（heat boundary）和設備（泵、風機、閥門、熱交換器）等組成。下面簡要介紹節(jié)點以及流體通道的類型。

（1）節(jié)點（node）

節(jié)點主要為常規(guī)型與汽輪機型，主泵軸封應急供水主要應用常規(guī)型。

（2）連接（link）

連接有3種為質(zhì)量流量連接，和簡單連接兩種。其中質(zhì)量流量連接用于連接節(jié)點之間，簡單連接用于連接各種測量儀表，如壓力變送器，溫度變送器等。主泵軸封應急供水流體網(wǎng)絡在設計上運用了以上兩種連接。

（3）邊界（boundary）

邊界有兩種，分別為壓力邊界、流量邊界。主泵軸封應急供水流體網(wǎng)絡運用了壓力邊界與流量，與原有電廠模型矩陣通過手動賦值方式進行連接。

3.1.4 流體網(wǎng)絡

蒸汽、給水系統(tǒng)的模型建立在質(zhì)量、能量和動量守恒的基礎上，無論是蒸汽系統(tǒng)還是給水系統(tǒng)， 實際上都是復雜的流體網(wǎng)絡?？紤]流體的壓力、流量與焓、溫度特性的差異， 在模型中將流體網(wǎng)絡分成兩個通道分別進行計算?，F(xiàn)需要進行仿真模擬的主泵軸封應急供水為單相不可壓流體網(wǎng)絡，單相不可壓流體網(wǎng)絡數(shù)值用如下方法進行求解。

泵的轉(zhuǎn)速與出口壓力是根據(jù)泵特性曲線進行仿真

式中，P為泵的出口壓力，N為泵的歸一化轉(zhuǎn)速， F為通過泵的流量，a0，a1，a2由泵的特性曲線確定的常數(shù)， 通常用最小二乘法來計算。通過管道閥門的流量進行線性化處理后可寫成：

式中， V 為管道上的有效閥位， Ka為導納， P 為節(jié)點壓力，下標1 為上一次的計算值。對于網(wǎng)絡中的每一個壓力點， 應用質(zhì)量守恒方程：

對于m個壓力點，n條流道，形成一個m×n矩陣，

式中，[A]為系數(shù)矩陣，[X]為未知量由P、F構(gòu)成的矩陣，[C]為已知值的源項陣。逆止閥在模型中也作了考慮， 凡通過逆止閥的流體具有單向性。

為了流網(wǎng)系統(tǒng)運行的實時性， 采用快速稀疏陣求解；另外采用了圖形化建模使系統(tǒng)模型設計變得快捷，調(diào)試變得直觀。

3.2 主泵軸封應急供水建模

3.2.1 主泵軸封應急供水介紹

反應堆冷卻劑泵（主泵）是核電廠的重要設備之一，320MW機組反應堆冷卻劑泵選用的是軸封泵，設有主泵軸封水注入系統(tǒng)，并由設備冷卻水為泵機組提供冷卻，以保證主泵正常運行。全廠失電（SBO）工況下，擔任軸封注水功能的上充泵，擔任冷源動力的設備冷卻水泵都因失電而停止運行，此時主泵停泵，并在3分鐘左右完全停止惰轉(zhuǎn)。主泵直接與高溫高壓的反應堆冷卻劑接觸，在同時喪失軸封水和設備冷卻水的情況下，主泵的軸密封將在15分鐘后由于高溫損壞，反應堆冷卻劑從軸封損壞處泄漏，形成LOCA。為了防止SBO之后冷卻劑通過主泵軸封泄漏，需要為主泵提供持續(xù)的軸封注入水，避免發(fā)生LOCA。為了保證在SBO之后持續(xù)提供軸封注水，需要對上充系統(tǒng)進行改進，增設備用的柴油機往復上充泵及相關管道、閥門。改進之后，備用泵能在SBO之后的規(guī)定時間內(nèi)及時啟動，從換料水箱吸水，提供持續(xù)的注水來冷卻主泵軸密封。軸封注水一部分通過泵殼進入主系統(tǒng)，一部分通過控制泄漏流管線排放到硼回收系統(tǒng)的暫存箱儲存。對主泵軸封應急供水功能的模擬機主要包括去除原有往復式上沖泵機組B列的設備及管線的模型；模擬增加的1臺電動軸封注水泵機組，1臺小型發(fā)電機，1臺電動閥，2臺逆止閥，2條相關系統(tǒng)管線，2個壓力儀表、1個流量儀表，相關電氣、控制系統(tǒng)部分。

3.2.2 流網(wǎng)模型改造

主泵軸封應急供水管網(wǎng)從換料水箱出口接入，換料水箱的水經(jīng)過泵，閥門等一系列設備后注入軸封注水母管。增加的管網(wǎng)采用RINSIM平臺進行建模，管網(wǎng)的入口與出口采用接口邊界處理，設備之間用節(jié)點隔開，在模型中設置各條管線的流導，泵的曲線，閥門狀態(tài)，兩邊邊界的參數(shù)狀態(tài)，完成單調(diào)。

從換料水箱來的流網(wǎng)邊界與軸封注水母管的流網(wǎng)邊界將與模擬機原有流網(wǎng)矩陣進行耦合。原有模擬機流網(wǎng)矩陣換料水箱處的壓力傳遞給增加的RINSIM流網(wǎng)邊界，注水母管處的RINSIM流網(wǎng)邊界將流量傳遞給原有模擬機的流網(wǎng)矩陣。根據(jù)對于m個壓力點，n條流道，形成一個m×n矩陣，

在被接入的流網(wǎng)中，m個壓力點對應化學與容積控制系統(tǒng)模型里的20個壓力節(jié)點，n條流道對應化學與容積控制系統(tǒng)模型里的60條流道，從源項陣可以看到，當流道數(shù)量位于第60條后，開始節(jié)點計算。

根據(jù)節(jié)點與流道的源項陣計算，從程序中找到增加的接入管網(wǎng)的接入節(jié)點，將接入節(jié)點的源項進行修改。對于原有模擬機換料水箱邊界處進行質(zhì)量平衡計算。增加的管網(wǎng)在RINSIM平臺里生成模型程序，將原有模擬機流網(wǎng)流出流進接口節(jié)點的壓力，焓值，硼濃度及電解質(zhì)濃度傳遞給RINSIM平臺里生成的模型。

增加和修改的模型程序處于模擬機的工程師層，完成流網(wǎng)模型程序的增加和修改以后，在模擬機的裝載文件中寫入增加的模塊，裝載文件屬于系統(tǒng)分析層的配置文件，模塊寫入配置文件是裝載調(diào)試的必要條件。導出變量以及變量的初始條件，將導出的變量加入到原有模擬機的數(shù)據(jù)庫中。在盤臺上增設人機操作接口，包括SBO工況下應急柴油發(fā)電機組的啟停按鈕，軸封應急注水泵的啟停按鈕，以及軸封應急注水泵入口電動隔離閥的開關帶燈按鈕，這些操作接口能使整個增加的模塊與原有模擬機的模型一起帶載運行和操作，在教控臺就地圖中，增加軸封應急給水管網(wǎng)流程畫面。

3.2.3 系統(tǒng)運行

正常運行時，上充流量的一部分，作為主泵的軸密封水，經(jīng)軸封過濾器濾掉>2m的固體顆粒后，經(jīng)安全殼隔離閥V02-039/V02-040進入主泵軸封水系統(tǒng)。軸封過濾器由并列的兩臺組成，一臺運行，一臺備用，軸封注入水流量通過上充流量分配閥V02-238調(diào)節(jié)。

在盤臺上手動啟動SBO柴油發(fā)電機組S02-100，啟動SBO柴油發(fā)電機組后，盤臺上軸封注水泵入口電動隔離閥V02-902，SBO軸封注水泵S02-13得電。開啟V02-902，啟動S02-13。

SBO軸封應急水泵達到額定轉(zhuǎn)速后，開始對軸封提供持續(xù)供水。

3.3 模型測試結(jié)果

正常運行工況時軸封注入水總流量為4t/h， 通過上充流量分配閥V02-238進行調(diào)節(jié)， 當全廠失電之后，軸封應急供水泵能在規(guī)定時間內(nèi)及時啟動，從換料水箱吸水，提供持續(xù)的注水，壓頭16.65MPa，流量4t/h， 冷卻主泵軸密封。軸封注水一部分通過泵殼進入主系統(tǒng)，一部分通過控制泄漏流管線排放到硼回收系統(tǒng)的暫存箱中儲存。

4 研究結(jié)論與分析

4.1 對主泵軸封應急供水功能有效性驗證

采集軸封供水流量運行曲線，來驗證在全廠失電狀態(tài)下主冷卻劑泵軸封應急供水功能是否有效。軸封供水流量曲線如圖7所示。

曲線窗中顯示了三個參數(shù)的曲線趨勢，分別為主泵A軸封水流量pcxcvc070fz綠色曲線，主泵B軸封水流量pcxcvc080fz紅色曲線，軸封應急供水泵的歸一化轉(zhuǎn)速cvpmpsbos13藍色曲線。為了讓三個參數(shù)的曲線都清晰的呈現(xiàn)在曲線工具窗中，在設置主泵A軸封水流量pcxcvc070fz的時候，將量程的上下限設置為0至10.0t/h，在設置主泵B軸封水流量pcxcvc080fz的時候，將量程的上下限設置為0至8.0t/h，這樣使兩條曲線的顯示狀態(tài)不重合，都能清晰的顯示在曲線監(jiān)視窗中，軸封應急供水泵的歸一化轉(zhuǎn)速cvpmpsbos13的上下限設置為-1至1.2，使轉(zhuǎn)速狀態(tài)顯示在曲線窗的中部。在圖14中可看出，正常運行，兩列流量分別為2.0t/h左右，軸封應急供水泵的歸一化轉(zhuǎn)速為0，在全廠失電后，主泵軸封供水流量由設計額定流量下降為0，啟動軸封應急供水系統(tǒng)后，軸封應急供水泵的歸一化轉(zhuǎn)速逐漸上升至1額定轉(zhuǎn)速后保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，兩列軸封供水流量逐漸恢復為設計額定流量，分別為2.0t/h左右。供水流量的變化趨勢驗證了主泵軸封應急供水功能的有效性。

圖7 軸封供水流量曲線

4.2 對不同的不可壓縮流網(wǎng)矩陣耦合功能驗證

通過對RINSIM平臺下建模生成的模型計算出的流量輸出曲線和原有模擬機的流網(wǎng)矩陣的流量傳遞變量值曲線的對比，來驗證不同平臺里流網(wǎng)矩陣間傳遞計算的耦合性。

圖8 不同流網(wǎng)軸封供水流量曲線

曲線窗中顯示了兩個參數(shù)的曲線趨勢，分別為RINSIM平臺里模型變量主泵軸封應急供水總流量flow1sbo_fpnt（1）綠色曲線，主泵軸封供水母管流量pcxcvc040fz_1紅色曲線。兩個變量的單位為kg/s，量程范圍為-5.0kg/s至5.0kg/s。從圖7中可以看出正常運行時，主泵軸封應急供水總流量flow1sbo_fpnt（1）的值為0，曲線趨勢位于曲線顯示窗的正中間，主泵軸封供水母管流量pcxcvc040fz_1為正常供水設計值1.1kg/s左右。在全廠失電后，主泵軸封供水母管流量由設計額定流量下降為0，啟動軸封應急供水系統(tǒng)后， flow1sbo_fpnt（1）與pcxcvc040fz_1的曲線趨勢完全一致，曲線窗中紅色和綠色的曲線重合在一起，由兩邊流網(wǎng)分別計算兩條曲線趨勢一致，數(shù)值實時吻合，驗證了不同平臺下不可壓縮流網(wǎng)矩陣計算的耦合性。

4.3 結(jié)論

通過對主冷卻劑泵軸封供水流量曲線的分析，機組正常運行時，流量處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，在全廠失電狀態(tài)后，軸封供水總流量由設計額定流量降為0，當啟動軸封應急供水系統(tǒng)后，主泵軸封供水總流量逐漸恢復到設計額定流量，主泵軸封應急供水功能得到了有效驗證。連續(xù)平滑的并且趨勢一致的流量曲線驗證了流網(wǎng)矩陣連接的正確性，實現(xiàn)了流網(wǎng)的有效耦合。通過對改造過程的詳細分析、計算、建模和驗證，完成了模擬機的升級改造。實踐出了適用于不同的不可壓縮流體網(wǎng)絡矩陣耦合的解決方法，仿真結(jié)果驗證了模型的正確性和有效性。