核電廠全廠失電狀態下主泵軸封應急供水仿真模擬驗證

黃秋蘭 王雪峰 謝政權 劉全友

（1.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0　前言

隨著核電事業的快速發展，核電運行仿真在核電領域發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中唯一的回轉機械設備。軸封泵的軸封處于旋轉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對軸封進行冷卻，防止發生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，能夠對模擬機各個模塊的每一個結構，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，運行結果驗證，以及在方式方法上對各類模擬機解決流網問題，優化流網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驗教訓，從安全角度規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生軸封小破口事故的應對措施和保持必要的事故后監測能力，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下主泵軸封應急供水仿真模擬功能。

1.2　意義

軸封系統是主泵重要的輔助系統，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。在運行中要嚴密監視軸封系統的參數，一旦出現異常，需要按照相應的事故處理規程和程序進行操作。在核電廠全廠失電狀態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

在開發過程中，主要研究對象包含以下三點：

（1）流體系統建模的主要原理以及組成。主要包括流體建模相關方程、流體網絡的主要組成和模型程序結構等內容；

（2）主泵軸封應急供水建模。主要包括流體網絡模型的改造和系統運行等內容；

（3）模擬驗證。主要包括系統運行工況和驗證結果分析等內容。

2.2　技術指標

根據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）對增加的系統功能模塊的物理過程進行模擬，模型輸出信號的數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　技術創新與攻關

目前國內核電廠已投入使用或正在開發的全范圍模擬機及類似全范圍模擬機類的產品，其工藝系統管網模型均需要基于同一個模型開發平臺，不同系統的流網需要同一套流網子程序才能實現有效的聯調集成運算。本次模擬主泵軸封應急供水的方法是采用RINSIM平臺對增加的管網進行建模，然后通過分析拆解原有模擬機的流網運算，將RINSIM平臺生成的模型與原有模擬機的流網模型進行關鍵參數對應連接，首次實現了不同平臺下不可壓縮流體網絡矩陣的耦合運算，這一創新的方法突破了模型流網異網不能精確交互的技術瓶頸，為今后實現模擬機不同平臺下開發的流網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，下面分三節分別論述研究的方法和技術實施方案

3.1　流體系統建模的主要原理以及組成

3.1.1流體系統建模遵循的主要方程以及計算的主要變量

流體系統建模遵循動量平衡、質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、質量以及能量方程。

動量方程：

質量方程：

流體系統主要計算壓力、流量、焓、溫度、熱傳遞、氣相濃度、沸騰和凝結率、濃度、反應性、電導率、可溶化學濃度等重要參數，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模型的程序結構

模型的程序結構，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執行）處于程序結構的頂端，驅動 RTEXEC（實時執行，由 MST驅動，用于模擬機模型間的集成執行）以及IEXEC（內部執行，用于實時多模型共同測試），均處于系統分析層（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各組件，組件由某些特定編碼的子程序構成。

圖1　模擬機原有程序結構圖

3.1.3流體網絡的主要組成

流體網絡主要是由節點（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。下面簡要介紹節點以及流體通道的類型。

（1）節點（node）

節點主要為常規型與汽輪機型，主泵軸封應急供水主要應用常規型。

（2）連接（link）

也就在這一年冬天，沈家再次失火。原因是已經大腹便便的四太太身子不適，那一晚就請了個郎中來切脈問藥，管家劉二上樓去拿茶葉，不料那燈盞卻倒了，落在了成捆的蠶絲堆上，火勢順勢而起。劉二不得不跳窗逃命，他也因此摔壞了一條腿。沈家不得不又靠賣田來維持生計。

連接有3種為質量流量連接，和簡單連接兩種。其中質量流量連接用于連接節點之間，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流體網絡

蒸汽、給水系統的模型建立在質量、能量和動量守恒的基礎上,無論是蒸汽系統還是給水系統,實際上都是復雜的流體網絡。考慮流體的壓力、流量與焓、溫度特性的差異,在模型中將流體網絡分成兩個通道分別進行計算。現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絡，單相不可壓流體網絡數值用如下方法進行求解。

泵的轉速與出口壓力是根據泵特性曲線進行仿真

式中，P為泵的出口壓力，N為泵的歸一化轉速,F為通過泵的流量，a0，a1，a2由泵的特性曲線確定的常數,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為節點壓力,下標1為上一次的計算值。對于網絡中的每一個壓力點,應用質量守恒方程：

對于 m個壓力點，n條流道，形成一個 m×n矩陣，

式中，[A]為系數矩陣，[X]為未知量由 P、F構成的矩陣，[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。

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

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，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。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的軸封注入水，避免發生LOCA。為了保證在SBO之后持續提供軸封注水，需要對上充系統進行改進，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之后的規定時間內及時啟動，從換料水箱吸水，提供持續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，一部分通過控制泄漏流管線排放到硼回收系統的暫存箱儲存。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臺小型發電機，1臺電動閥，2臺逆止閥，2條相關系統管線，2個壓力儀表、1個流量儀表，相關電氣、控制系統部分。主泵軸封應急供水模擬部分的流程圖如圖2所示。

圖2　主泵軸封應急供水模擬部分的流程圖

3.2.2流網模型改造

主泵軸封應急供水管網從換料水箱出口接入，換料水箱的水經過泵，閥門等一系列設備后注入軸封注水母管。增加的管網采用RINSIM平臺進行建模，管網的入口與出口采用接口邊界處理，設備之間用節點隔開，在模型中設置各條管線的流導，泵的曲線，閥門狀態，兩邊邊界的參數狀態，完成單調。模型圖如圖3所示：

圖3　主泵軸封應急供水模型圖

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

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

根據節點與流道的源項陣計算，從程序中找到增加的接入管網的接入節點，將接入節點的源項進行修改。對于原有模擬機換料水箱邊界處進行質量平衡計算。增加的管網在RINSIM平臺里生成模型程序，將原有模擬機流網流出流進接口節點的壓力，焓值，硼濃度及電解質濃度傳遞給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，裝載文件屬于系統分析層的配置文件，模塊寫入配置文件是裝載調試的必要條件。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據庫中。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流程畫面。

3.2.3系統運行

正常運行時，上充流量的一部分，作為主泵的軸密封水，經軸封過濾器濾掉＞2m的固體顆粒后，經安全殼隔離閥V02-039/V02-040進入主泵軸封水系統。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調節。

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。此時引入全廠失電工況，6KV高壓廠變失效，6KV啟備變失效，柴油機自動啟動失敗，如下圖：

圖4　引入全廠失電故障狀態

在盤臺上手動啟動SBO柴油發電機組S02-100，啟動SBO柴油發電機組后，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。

圖5　盤臺啟動SBO軸封應急供水設備狀態

SBO軸封應急水泵達到額定轉速后，開始對軸封提供持續供水。

圖6　SBO軸封應急供水運行狀態

3.3　模型測試結果

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進行調節,當全廠失電之后，軸封應急供水泵能在規定時間內及時啟動，從換料水箱吸水，提供持續的注水，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，一部分通過控制泄漏流管線排放到硼回收系統的暫存箱中儲存。

4　研究結論與分析

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速cvpmpsbos13藍色曲線。為了讓三個參數的曲線都清晰的呈現在曲線工具窗中，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不重合，都能清晰的顯示在曲線監視窗中，軸封應急供水泵的歸一化轉速cvpmpsbos13的上下限設置為-1至1.2，使轉速狀態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后，軸封應急供水泵的歸一化轉速逐漸上升至1額定轉速后保持穩定運行狀態，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矩陣耦合功能驗證

圖8　不同流網軸封供水流量曲線

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矩陣間傳遞計算的耦合性。

曲線窗中顯示了兩個參數的曲線趨勢，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，由兩邊流網分別計算兩條曲線趨勢一致，數值實時吻合，驗證了不同平臺下不可壓縮流網矩陣計算的耦合性。

4.3　結論

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，流量處于平穩運行狀態，在全廠失電狀態后，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。連續平滑的并且趨勢一致的流量曲線驗證了流網矩陣連接的正確性，實現了流網的有效耦合。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絡矩陣耦合的解決方法，仿真結果驗證了模型的正確性和有效性。