核电仿真系统关键技术分析及自主化策略

-1-核电仿真系统关键技术分析及自主化策略曹建亭，邹沫元，蔡瑞忠，章旋，吴帆中广核集团中广核仿真技术有限公司，深圳市上步中路1001号科技大厦6楼518031ANALYSISFORTHEKEYTECHNOLOGIESOFNUCLEARPOWERSIMULATINGSYSTEMANDSELF-RELIANCESTRATEGIESCAOJian-ting,ZOUMo-yuan,CAIRui-zhong,ZHANGXuan,WUFanChinaNuclearPowerSimulationTechnologyCo.,Ltd,6/FScienceBldg.,1001ShangbuzhongRoad,Shenzhen518031ABSTRACT:Basedontheactualrequirementforsimulatingsystembythenuclearpowerplants,thispaperdiscussesthesimulationtechnologiesdevelopingtrendandthepresentsituationofChinesenuclearpowersimulation.Themajorkeytechnologiesofnuclearpowersimulatingsystemisanalyzedtohelpdeeplyunderstandingtechinicaldifferencesbetweennuclearpowerandconventionalpower.Summarizedfromactualexecutingexperience,someself-reliancestrategiesfornuclearsimulatingsystemarepresentedanddiscussed.KEYWORD:NuclearPowerPlant；Simulation；Self-Reliance摘要：本文从核电仿真需求分析出发，对核电仿真技术发展趋势和国内现状进行了剖析，明确了核电仿真若干关键技术，根据实践经验提出了核电仿真自主化策略。关键词：核电站；仿真；自主化1核电仿真系统需求与常规火电厂相比，核电站在安全性、可靠性方面的要求更高，因而仿真技术和系统在核电站应用更为广泛和深入，仿真系统在核电站应用大致分为如下三类：1）、满足人员培训需求：对操纵员(RO和SRO)进行持照培训、考试与定期验照复训；对维护人员进行维修技术、故障诊断技术的技能训练；对管理、工程人员进行核电站基础性运行培训及虚拟现实培训。2）、满足工程设计验证需求：进行系统设计验证；进行控制系统功能验证；进行先进主控室设计与验证，包括人机界面、人因工程、事故规程等。3）、满足先进技术研发需求：进行核电站应急状态下事故趋势与后果分析；进行严重事故仿真与相应的对策试验研究；进行特定功能试验例如接口研究、整定值研究；进行操纵员行为可靠性研究。在国家积极发展核电战略下，核电仿真系统也面临着难得的历史发展机遇。以承担操纵员培训功能的全范围模拟机(FSS)为例，按照2007年发布的我国《核电发展专题规划(2005-2020年)》，以及全范围模拟机的能力和配置要求，预计从现阶段到2020年，国内核电站新增全范围模拟机数量将达到20多台，另外还有一批原理模拟机、工程验证模拟机、分析模拟机的需求。2核电仿真技术发展-2-现代系统仿真技术应用于核电工业，是随着核电工业发展、需求增加而逐渐深入的。在美国，核电工业从六十年代中期开始迅速发展，七十年代达到最高峰，期间核电年装机容量达到约十个机组。为满足反应堆设计和动态特性研究的需要，从四、五十年代开始就出现了以运算放大器和模拟计算机为平台的反应堆模拟计算机。六十年代以来，伴随着核电站建设飞速发展，美国有多家核电站设备设计与制造公司先后建成各自的核电站研究型仿真机和培训仿真机，西欧各国也出现了用来培训核电站操作人员的仿真机。1979年，美国发生三哩岛事故，操纵员岗位技能培训的重要性被进一步认识，造价昂贵的核电厂全范围培训模拟机作为操作员轮训和考试取照的工具应用于核电厂被人们普遍接受，各专业核电仿真公司迅速崛起，核电仿真开发制造领域成为全球核电工业产业链中的重要一环，自此经历了约15年左右的黄金发展期。然而，由于前苏联1986年切尔诺贝利核电站事故的影响，全球核电工业渐入低谷，核电仿真机市场也自90年代中后期开始出现较大萎缩，市场环境恶化，中国市场成为国际上几家著名核电仿真公司的必争之地。近20年来核电工业良好的运行业绩、以及全球经济发展对新能源需求的日益迫切，给核电工业注入了新的发展动力。中国、印度等亚洲国家宏伟的核电中长期发展规划、美国大批核电机组陆续面临退役所形成的巨大的能源供给缺口、以及三代核电技术成型并进入工业应用阶段等种种事实，都预示着全球核电工业面临第二次起飞机会。初步预计，全球核电仿真市场将随着核电工业的起飞而迎来长达20年以上的高速发展周期。仿真技术涉及计算机软硬件、反应堆工程、热工流体、电气仪控、数值计算、以及通用仿真等多个专业学科。通过约30年左右的专业化、规模化发展，核电仿真已经形成成熟和持续发展的开发技术与工程管理体系，并形成了群雄逐鹿、数强鼎立的市场割据和竞争格局。近年来，核电仿真技术的发展呈现出以下特点：1）、建模工具的自动化程度和界面友好性不断提高，确保了仿真软件编程的规范性，并由此进一步提高了开发的效率和质量、降低了人力成本。2）、随着计算机技术的发展，目前世界上主要仿真公司的仿真技术平台大多已从早期的大型机转移到基于Windows或Linux操作系统的微型计算机上，为仿真技术应用的进一步普及推广创造了条件。3）、工程分析程序逐渐被用于核蒸汽供应系统(NSSS)的仿真建模，仿真逼真度和可信度不断提高。4）、各种传统意义上的部分功能模拟机或专门用途模拟机逐渐为全范围模拟机所取代。5）、随着分散控制系统(DCS)在核电站的普遍应用，核电站的监测水平和自动化水平大大提-3-高，但同时也对仿真模型开发提出了更高的要求，需要仿真计算的参数更多、精度要求更高。另外，DCS系统的仿真方案和实现手段也成为仿真技术热点研发课题之一。6）、仿真机开发与电站设计同步进行的需求，对仿真机开发效率和工程管理技术提出了更高的要求。3核电仿真关键技术分析核电仿真的主要核心技术有：大型实时数据库算法、模块化建模方法、图形化建模技术、各种设备实时仿真算法、大型热工流体网络实时算法、大型电网络实时算法、控制系统仿真技术、虚拟硬盘台技术等，这些核心技术构成了核电站仿真系统开发平台的基础。在热工对象动态建模理论方面，需要建立全工况全范围的机理性数学模型，需要解决模型精度要求和仿真实时性要求的矛盾。在数值计算方面，则涉及到大型稀疏非线性“病态”微分方程组的求解问题。核电仿真支撑软件和建模工具主要由以下各功能软件包组成：实时仿真驱动和数据库管理支撑平台；教控台和仿真监控站；图形编辑和支持系统；面向对象的模块化建模工具：反应堆和一回路热工水力两相流模型反应堆中子物理和时空动力学模型安全壳模型两相流体网络模型单相流体网络模型电气网络模型控制逻辑模型各种电站设备模型库控制系统仿真技术，包括虚拟DCS仿真技术；I/O接口和硬件模拟技术；配置管理系统。与常规火电厂相比，核电站对仿真实时数据库功能没有特殊要求，适用于常规火电厂的数学模型也可以满足核电站二回路、主设备辅助系统、控制及电气的仿真要求。核电仿真的关键还是在于核岛热工水力学实时模型和中子动力学实时模型。RELAP5是美国Idaho国家实验室开发的轻水反应堆热工水力国际通用程序，至今已经有25年的历史，该程序得到了国际原子能机构(IAEA)认可,是少数得到核工业认可的程序之一。目前国际上已逐渐采用RELAP5实时版进行核岛一回路系统实时仿真，其优点是模型的精度、可靠性大大高于一般培训用模型，这样的核电仿真机不仅可以用于培训，也可以在工程设计分析方面发挥作用。4国内核电仿真现状国内在上世纪70年代就开始了核能和火电的仿真技术研究。上世纪90年代初期，核工业部105所引进技术开发了秦山核电一期的工程仿真机，珠海亚仿公司总包承接了秦山核电一期核电-4-站全范围模拟机开发任务。1998年亚仿公司和105所合作承担了秦山核电二期全范围模拟机开发任务。此后，国内又有多家单位不同程度地参与了国内核电/核动力仿真机的研究和开发工作。然而，与国际先进水平相比，国内核电仿真力量无论从技术平台的先进性上、还是从项目经验上都有一定差距，主要体现在：1）、支撑软件较落后，建模工具效率和方便性不能满足核电工程进度要求。2）、核电站关键系统模型（核岛热工水力模型、堆芯中子动力学实时模型）的精度有差距。3）、国内有限的核电仿真技术力量分散在不同单位中，没有形成合力，人员不断流失，不同单位的特长没有得到充分发挥。在国家核电自主化、国产化战略指引下，国内仿真专业公司、研究单位抓住机遇，采取各种手段解决核电仿真能力“短板”问题，在较短时间内基本形成了承接核电大型仿真项目的工程管理和开发技术能力，基本扭转了国内核电站全范围模拟机依赖于国外公司的局面，目前中广核仿真公司、105所等单位已承担了宁德核电站、阳江核电站、方家山核电站、福清核电站等1000MW等级二代加核电工程的全范围模拟机项目总包工作，并正在向三代核电站、高温堆核电站等先进核电的仿真市场进军。5核电仿真自主化策略核电仿真系统开发一般针对特定核电站，是一项以软件开发为主、软硬件一体化的系统工程，是热工动态建模理论、数值计算理论、计算机软件硬件等多学科的综合。核电仿真国产化工作本身也是一个系统工程，需要系统地分析国内现有技术的长处与缺陷，研究核电仿真技术发展趋势，把握核电工程和运营特点，建立与需求相适应的自主化队伍和技术体系。针对目前国内现状，我们认为核电仿真自主化工作重点要抓住如下几方面：1）、建立全寿期仿真的理念，对核电站仿真技术服务贯穿到仿真机开发、维护、优化、升级改造等各个阶段，这样才能保证仿真技术的连贯性和不断发展，确保仿真机长期稳定、可靠运行。需要研究和建立全寿期统筹维护管理体系。2）、引进国际先进仿真技术平台和建模工具，在短时间内跨越国内技术平台与国外先进水平的差距。在引进先进技术平台基础上，组织力量开发自主知识产权的仿真技术平台和建模工具。3）、加强知识产权保护力度，避免出现象火电仿真市场无序价格竞争的局面，把市场竞争定位于技术进步竞争，而不是低价恶性竞争，否则吃亏的是国内单位。目前我国在火电仿真领域只能说是大国，不是强国。4）、核电仿真机开发周期历时5年时间，对项目管理提出很高要求，因此要建立与核电工程与运行相吻合的仿真系统开发管理、质量保证体系，加强团队能力建设。5）、建立核电仿真研发队伍，不断开发新技术和产品，确保我国核电仿真技术的可持续发展。-5-鉴于国内核电仿真研发资源十分有限并且分散在不同单位（主要是高校）的实际情况，需要加强合作，尤其是加强企校合作，充分发挥各自的技术优势、市场优势。6）、国家在国产化政策扶持、研发投入方面应加大向核电仿真领域的投入，同时从事核电仿真的单位也应积极向国家申报核电仿真相关研发课题。7）、逐步形成和完善我国核电仿真开发、维护、管理的技术标准体系。6结束语国家核电大发展的局面为核电仿真技术进步提供了广阔舞台，目前我国在核电仿真方面距世界先进水平尚有一定差距，随着核电技术和仿真技术的发展，不断有新的需求提出，有新的技术涌现，因此核电仿真自主化是一个需要长期努力的工作。参考文献[1]曹建亭，邹沫元，等.国内外核电仿真技术发展状况报告[R].深圳：中科华核电技术研究院，2007.[2]王明新，邹沫元.现代仿真技术在核电工业中的应用与发展，中国核学会2001年学术年会论文集[C].武汉：中国核学会，2001：89-92.[3]核工业标准化研究所.EJ/T1043-1998核电厂操纵员执照考核标准[S]北京：1998.[4]陆玮，曾晓晖，安军靖.广东核电模拟机培训综述[J].核科