基于SH_N平臺的熱功率測量實現(xiàn)

藍(lán)海鍵，黨永強(qiáng)，王 剛

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

KME 系統(tǒng)的算法[1]包含熱平衡算法和熱交換算法，以熱平衡算法為關(guān)鍵點(diǎn)，并非所有電站都將熱交換算法通過KME 系統(tǒng)實現(xiàn)。因此，本文討論的KME 系統(tǒng)算法只涉及熱平衡算法。熱平衡算法主要目的是為了獲取高精度的堆芯功率，堆芯功率是表征反應(yīng)堆特性參數(shù)中一個非常重要的物理量。對于一個反應(yīng)堆，其堆芯功率又有核功率和熱功率之分。核功率和中子通量密切相關(guān)，它是隨著堆內(nèi)中子通量的變化而瞬變的。反應(yīng)堆熱功率即堆芯冷卻劑進(jìn)出口焓差，它受核功率和冷卻劑參數(shù)的影響，跟隨核功率的變化而變化，但是有滯后性。在核電廠首次啟動階段，必須對反應(yīng)堆核功率測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定與刻度，確保反應(yīng)堆核功率的準(zhǔn)確監(jiān)測與控制。在反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行期間，其核功率與熱功率是相等的。堆芯產(chǎn)生多少核功率，冷卻劑也就帶出多少熱功率。但是在事故瞬態(tài)工況下（如彈棒事故），熱功率的變化將跟不上核功率的瞬變，會有嚴(yán)重的遲滯，此時的核功率、熱功率是不相等的。由于核功率、熱功率對于反應(yīng)堆運(yùn)行和事故分析而言是很重要的物理參數(shù)，因而如何用儀表精確標(biāo)定出堆芯的實際功率，對于反應(yīng)堆更加經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行，以及更精確地統(tǒng)計反應(yīng)堆的循環(huán)燃耗有著很大的幫助。

圖1 SH_N平臺系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture of SH_N family

在壓水堆核電站中，由于使用一回路參數(shù)精度相對低，且計算方法無法實現(xiàn)高精度逼近，故一回路熱功率算法不能應(yīng)用于校準(zhǔn)核功率。在核電站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及功率緩慢變化期間，一回路與二回路熱力學(xué)參數(shù)穩(wěn)定跟隨，可達(dá)到熱平衡的狀態(tài)，在二回路上計算到增加的熱量即為堆芯核功率。為了準(zhǔn)確獲取堆芯功率準(zhǔn)確參數(shù)，核電站在二回路蒸汽發(fā)生器入口、出口段均部署了高精度的溫度、壓力，以及流量等傳感器。這些傳感器的結(jié)果經(jīng)過KME 算法運(yùn)算，即可獲得高精度的計算結(jié)果。

在過去受技術(shù)條件限制，技術(shù)人員在設(shè)計KME 系統(tǒng)算法時主要以文本化語言開發(fā)。這種方法實現(xiàn)的算法無法在運(yùn)行期間動態(tài)跟蹤中間計算值，因此電站相關(guān)專業(yè)人員很難評估其計算結(jié)果的正確性。同時，在新的計算方案發(fā)布時，由于文本化語言具有編寫方式多樣性、專業(yè)要求高的特點(diǎn)，普通用戶很難及時跟進(jìn)升級到最新的計算方案。根據(jù)過往的經(jīng)驗，即使是經(jīng)驗豐富的開發(fā)人員在更新代碼時也會由于謹(jǐn)慎而降低升級效率。本文提出的基于SH_N 平臺實現(xiàn)KME 算法，則可以充分利用其分布式架構(gòu)、圖形，結(jié)合文本語言開發(fā)方案，克服以上問題。

1 SH_N平臺

SH_N 平臺[2]產(chǎn)品是本公司在SpeedyHold 平臺中的第三代產(chǎn)品，歷時3 年升級研發(fā)的全新通用數(shù)字化儀控系統(tǒng)平臺。該平臺由30 種硬件和21 種軟件組成，功能性能滿足核電廠安全相關(guān)控制系統(tǒng)、非安全級控制系統(tǒng)，及專用控制系統(tǒng)的相關(guān)要求。

SH_N 平臺搭建的系統(tǒng)主要由操作站、服務(wù)器、工程師站、控制站和網(wǎng)關(guān)組成，采用服務(wù)器冗余、控制站冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余配置，提高系統(tǒng)可靠性和可用率。該系統(tǒng)支持64個操作站，88 個控制站，最大支持100000 點(diǎn)。平臺產(chǎn)品使用開放式的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，提供網(wǎng)關(guān)與第三方系統(tǒng)通訊；同時，提供外部標(biāo)準(zhǔn)時鐘源校時接口，實現(xiàn)全系統(tǒng)校時。

SH_N 平臺的KME 系統(tǒng)算法設(shè)計在LEVEL2 層服務(wù)器中，原因為不同核電站的數(shù)據(jù)源不完全一致。如：部分電站為網(wǎng)絡(luò)變量傳輸，部分電站則通過SH_N 控制站直接采集LEVEL0 傳感器數(shù)據(jù)，也有一些電站將上述兩種方式均采用。在LEVEL2 層設(shè)計算法可以將各種方式傳遞的參數(shù)匯總并最終傳遞至算法輸入接口，實現(xiàn)了采集方式與算法開發(fā)的隔離。

2 KME系統(tǒng)主要功能

KME 系統(tǒng)主要功能為采集現(xiàn)場二回路、RRI/SEC 數(shù)據(jù)，實現(xiàn)熱平衡計算和熱交換計算，所以應(yīng)包括以下幾部分：

1）設(shè)備管理

KME 系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備對系統(tǒng)各設(shè)備的功能、狀態(tài)直觀顯示的能力。功能是指KME 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、算法、自動計算、在線監(jiān)視以及報表等功能，并支持用戶合理部署這些功能在指定設(shè)備上。狀態(tài)體現(xiàn)于系統(tǒng)狀態(tài)圖功能和報警功能中，如報警功能對系統(tǒng)各設(shè)備通過特定算法分析，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)定的限值時，系統(tǒng)會自動啟動報警、寫入報警日志。

2）測點(diǎn)管理

KME 算法計算所需的測點(diǎn)較少，但是由于每年定期試驗的臨時測點(diǎn)約500 點(diǎn)，因而包含測點(diǎn)管理功能是很有必要的。測點(diǎn)管理一方面要實現(xiàn)離線管理，即將測點(diǎn)量程、信號類型等不易改變的信息離線組織存儲；另一方面，需要將測點(diǎn)在線實時運(yùn)行的信息及時準(zhǔn)確展示，如測點(diǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量位等。

3）用戶管理

KME 系統(tǒng)需要具備用戶角色、權(quán)限管理能力。KME 系統(tǒng)的用戶角色較多，如系統(tǒng)管理員、操作員、巡檢員等，并需對這些角色設(shè)置不同的系統(tǒng)使用權(quán)限，以避免人因事故。如巡檢員只具備瀏覽權(quán)限，而不能更改系統(tǒng)的設(shè)置。

4）算法組態(tài)

KME 系統(tǒng)必須具備算法組態(tài)、運(yùn)行的能力。KME 的核心功能是利用現(xiàn)場測點(diǎn)數(shù)據(jù)計算出高精度堆芯功率以及給出熱交換試驗結(jié)論。因而需要將熱力學(xué)公式轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行代碼，并經(jīng)過編譯后在系統(tǒng)內(nèi)實時運(yùn)行，以支持報表等功能的實現(xiàn)。

5）報表組態(tài)

KME 系統(tǒng)應(yīng)具備將具體計算結(jié)果合理組織為報表的能力，KME 系統(tǒng)本質(zhì)上是電站為了保障機(jī)組可靠運(yùn)行而設(shè)計的一個試驗系統(tǒng)。為了確保機(jī)組狀態(tài)可持續(xù)追溯，將計算結(jié)果組織并輸出電子版文件或紙質(zhì)文件是很有效的舉措，所以KME 系統(tǒng)必須具備報表功能。管理要求的升版是可以預(yù)期的一個事件，這意味著KME 報表也可能跟隨發(fā)生變化。因而，KME 系統(tǒng)應(yīng)具備報表的格式、內(nèi)容等組織能力。

6）自動計算

KME 系統(tǒng)應(yīng)以減少重復(fù)工作量，提高用戶工作效率為設(shè)計原則。自動計算指在特定時間、條件下運(yùn)行指定次數(shù)計算的功能，通過利用該功能可以節(jié)約用戶操作時間以及降低具有人因風(fēng)險的工作時長，因而有效地幫助用戶提高了工作質(zhì)量。

7）在線監(jiān)視

KME 系統(tǒng)需要具有便捷的數(shù)據(jù)查閱能力?，F(xiàn)場工況具有多樣性、復(fù)雜性的特點(diǎn)，為了應(yīng)對這些復(fù)雜多變的工況對系統(tǒng)自身功能的影響，系統(tǒng)設(shè)計了便捷的在線監(jiān)視功能，如在線數(shù)據(jù)庫功能可以通過篩選、搜索等功能，快速獲得指定測點(diǎn)或測點(diǎn)組合的數(shù)據(jù)實時值、歷史值，并以趨勢圖形等形式展示、比對等。此外，還可以通過算法組態(tài)軟件在線監(jiān)視計算過程，如在線計算過程值與人工計算值比對。

3 KME算法的特點(diǎn)與發(fā)展

KME 算法的關(guān)鍵點(diǎn)是熱平衡算法。水與水蒸汽由于易于獲取、成本低廉，在電力工業(yè)中廣泛應(yīng)用。例如，壓水堆核電站一回路、二回路均以輕水為傳熱介質(zhì)。熱平衡算法從物理角度分析，原理為計算以水及水蒸氣為熱介質(zhì)的熱力學(xué)系統(tǒng)在交換熱量前后的焓差，從而獲得在熱力學(xué)系統(tǒng)中吸收的熱量。熱平衡算法的核心特點(diǎn)是高精度，在核電站中長期穩(wěn)定、低成本獲取高精度堆芯功率的方式是利用二回路參數(shù)計算的熱平衡算法。其次，熱平衡算法的使用工況具有限制性，如電站工況必須達(dá)到熱平衡狀態(tài)，如在瞬態(tài)工況下熱平衡的計算結(jié)果無法校準(zhǔn)核功率。一般情況下，按電站規(guī)程升降功率均可滿足應(yīng)用要求（每小時不超過額定功率的3%）。

第六屆國際水蒸氣性質(zhì)會議成立的IFC（國際公式化委員會）制定了計算水、水蒸氣熱力性質(zhì)公式，行業(yè)內(nèi)簡稱IFC 公式。IFC 公式自成立以來就不斷迭代升級，KME系統(tǒng)用戶、設(shè)計方及供應(yīng)商較為熟知的一個版本為1967年的IFC 公式，廣泛在各電站的KME 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書中以“IFC-67 公式”或“67 公式”代指。該公式在很長的一段時間里，一直被國內(nèi)外眾多核電站使用。

1997 年，在德國Erlangen 召開的水和水蒸氣性質(zhì)國際聯(lián)合會（下稱IAPWS），通過了由德、俄、英、加等7 國12 位專家提出的全新水和水蒸氣計算模型。該模型即現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)使用的IAPWS-IF97 公式。自21 世紀(jì)以來，大量先進(jìn)的技術(shù)可靠性已得到長時間驗證，并被核電行業(yè)廣泛接受。在這種背景下，KME 算法對水、水蒸氣熱力性質(zhì)的計算精度、速度要求也相應(yīng)提高?！?7 公式”的缺點(diǎn)也就逐漸明顯，如精度低、迭代時間長、適用范圍窄等。因此，現(xiàn)在核電行業(yè)普遍將KME 算法改為使用“IAPWSIF97 公式”實現(xiàn)。

4 基于SH_N平臺設(shè)計與優(yōu)化KME算法

KME 算法總體原理為能量守恒定律，使用公式（下稱熱平衡方程）[3]表示如下：

其中：

WR——反應(yīng)堆堆芯熱功率，（MW）。

WΔPr——其它熱源傳給反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的熱功率（MW），常數(shù)。

Hsi——蒸汽發(fā)生器SGi 二回路出口濕蒸汽比焓，（kJ/kg）。

Qwi——蒸汽發(fā)生器SGi 二回路入口給水質(zhì)量流量，（kg/s）。

Hwi——蒸汽發(fā)生器SGi 二回路入口給水比焓，（kJ/kg）。

Qpi——蒸汽發(fā)生器SGi 二回路排污質(zhì)量流量，（kg/s），已知。

Hpi——蒸汽發(fā)生器SGi 二回路排污水比焓，（kJ/kg）。

n——蒸汽發(fā)生器數(shù)量，已知。

熱平衡方程中，等式右側(cè)存在4 個未知變量，分別為：Hsi、Qwi、Hwi、Hpi，故需進(jìn)一步分析計算所需輸入量。依據(jù)IAPWS-IF97 計算模型，Hsi、Hpi、Hwi由其測點(diǎn)所在位置的壓力和溫度（溫度在特定情況下可由壓力計算獲得，見下文描述）通過公式計算獲得，即：

如通過給水壓力、給水溫度作為輸入量，即可獲得給水比焓值。特別地，排污水、蒸汽由于已達(dá)到飽和狀態(tài)，故計算模型可以不依賴溫度（溫度由壓力通過公式計算獲得）。因此，比焓值的計算實際上需要的輸入物理量為給水壓力、給水溫度、蒸汽壓力值。

KME 系統(tǒng)中，測量給水流量的傳感器通常為孔板流量計。該傳感器實際測量的是給水壓差，通過傳感器的指定換算方法可以轉(zhuǎn)換為較高精度的給水流量。通常情況下，除了給水壓差仍需要獲得給水密度。在依據(jù)IAPWS-IF97計算模型中，給水密度由溫度、壓力確定。綜合上述，給水流量計算模型為：

在傳統(tǒng)的核電站設(shè)計中，壓力傳感器一般是測量相對壓力，因此需要使用高精度大氣壓力表測量大氣壓力，然后計算出各測點(diǎn)的絕對壓力。經(jīng)過上述的輸入量分析，總結(jié)得到必須的物理測點(diǎn)，見表1。

表1 KME算法所需輸入的物理量Table 1 The physical quantity require for KME algorithm

圖2 計算流程圖Fig.2 Calculation flowchart

從熱平衡方程倒述分析得到輸入物理量的過程中，KME 算法的計算過程也得以體現(xiàn)。行業(yè)內(nèi)也有諸多文獻(xiàn)介紹具體實現(xiàn)方式，故本文不再贅述。值得注意的是，部分科研工作者的論述僅關(guān)心原理部分提高計算精度和減少計算時間。在工程實踐中，仍需在這些基礎(chǔ)上增加考慮質(zhì)量位和無效剔除算法。

質(zhì)量位是指一個物理量的值是否有效。在重要的工業(yè)應(yīng)用中，每一個物理量均需帶上質(zhì)量位參與運(yùn)算，行業(yè)內(nèi)典型的原則是無效的值參與計算時，計算得到結(jié)果也是無效的。SH_N 平臺的IO 板卡以及MPU 主控單元可以在采集完成后進(jìn)行初步的分析（如：是否超量程，是否數(shù)據(jù)波動毛刺），并賦予采集的物理量一個質(zhì)量位。因此，在SH_N平臺上實現(xiàn)KME 算法無需額外開發(fā)物理量采集期間質(zhì)量位判斷程序。這一方面降低了開發(fā)工作量，另一方面也分解了計算服務(wù)的負(fù)荷。

無效剔除算法為求取物理量平均值的前置算法，核心依據(jù)是“3σ 準(zhǔn)則”。具體方式為將連續(xù)采集的某個輸入物理量取均值和方差，并剔除偏離均值3 倍方差的值，使用剩下的值繼續(xù)執(zhí)行上述步驟，直至沒有值被剔除或所有值均被剔除。當(dāng)剔除的值數(shù)量到達(dá)指定閾值或所有值均被剔除時，計算的平均值無效。

總結(jié)以上論述，KME 算法包括前置處理、中間量計算以及堆芯功率計算。

SH_N 平臺支持IEC-61131-3 編程語言，本次開發(fā)使用ST 語言和FBD 語言結(jié)合組態(tài)的辦法開發(fā)。如前置處理和中間量計算功能使用ST 封裝為功能塊，最后統(tǒng)一使用FBD 組織這些功能塊計算堆芯功率。由于FBD 為圖形化開發(fā)語言，僅關(guān)心計算原理但不會編程的用戶也很容易讀懂，具有很好的體驗感。用戶通過SH_N 圖形化在線監(jiān)視，直觀地將手算值與中間量、計算結(jié)果比對，評估計算更清晰直觀。

5 結(jié)論

基于SH_N 平臺實現(xiàn)的算法不僅限于提高精度，還可以在運(yùn)行期間動態(tài)跟蹤中間計算值，有利于電站相關(guān)專業(yè)人員評估產(chǎn)品的計算結(jié)果。同時，在新的計算方案發(fā)布時，由于使用圖形化語言編寫，普通用戶閱讀效率高；圖形化語言通過將文本代碼明確劃分功能界限，故在升級時也更有利于降低人因錯誤，提高正確率。

致謝

本文所述系統(tǒng)的完成，得到了很多業(yè)內(nèi)專家的指導(dǎo)、支持和幫助。其中，高景斌、鄧喜剛共享了他們的研究成果以及廣利核KME 項目團(tuán)隊的一些勞動成果。由于筆者水平有限，本文如有錯誤，請讀者批評指正。