基于霍爾三維結(jié)構(gòu)理論的化學(xué)控制計算軟件的開發(fā)

于洋

摘要：在核電廠中化學(xué)控制計算與機組反應(yīng)性控制、設(shè)備管道腐蝕以及機組運行壽命等方面有著重要聯(lián)系，通過開發(fā)并使用程序化計算軟件可有效提高計算準確率、縮短工時以及降低人因失誤，進一步提升化學(xué)精細化控制水平。根據(jù)霍爾三維結(jié)構(gòu)模型，從邏輯維、時間維和知識維角度分析軟件開發(fā)過程，將化學(xué)科學(xué)專業(yè)知識與軟件開發(fā)和系統(tǒng)管理相融合，形成一套完整的軟件開發(fā)方法。軟件開發(fā)大大提升了化學(xué)控制智能化水平，有效保證機組長期、穩(wěn)定、安全的運行。

關(guān)鍵詞：霍爾三維模型?化學(xué)控制?軟件開發(fā)?核電廠

中圖分類號：O6-04

Development?of?Chemical?Control?Calculation?Software?Based?on?Halls?Three-Dimensional?Structure?Theory

YU?YANG

Jiangsu?Nuclear?Power?Cooperation，?Lianyungang，?Jiangsu?Province，?222000?China

Abstracts：?In?nuclear?power?plants，?chemical?control?calculations?are?closely?related?to?unit?reactivity?control，?equipment?pipeline?corrosion?and?unit?operation?life.?The?development?and?use?of?programmed?calculation?software?can?effectively?improve?the?accuracy?of?calculation，?shorten?working?hours?and?reduce?human?errors，?so?as?to?further?improve?the?level?of?chemical?fine?control.?According?to?Hall's?three-dimensional?structure?model，?the?software?development?process?is?analyzed?from?the?perspectives?of?the?logic?dimension，?time?dimension?and?knowledge?dimension，?and?the?professional?knowledge?of?chemical?science?is?integrated?with?software?development?and?system?management，?so?as?to?form?a?complete?set?of?software?development?methods.?Software?development?has?greatly?improved?the?intelligent?level?of?chemical?control?and?effectively?guaranteed?the?long-term，?stable?and?safe?operation?of?the?unit.

Key?Words：?Halls?three-dimensional?model;?Chemical?control;?Software?development;?Nuclear?power?plant

核電廠化學(xué)控制重點是通過控制電站的化學(xué)狀態(tài)，降低材料腐蝕，避免設(shè)備腐蝕受損，控制放射性水平，確保電站安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行。化學(xué)控制主要包括控制電廠各系統(tǒng)中化學(xué)雜質(zhì)，抑制輻照分解的氧化產(chǎn)物形成，減少堆芯燃料元件表面、蒸汽發(fā)生器傳熱管表面以及其它系統(tǒng)設(shè)備表面的沉積，控制腐蝕產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移，盡可能降低電站輻射劑量等[1]。控制過程涉及核電廠一二回路水化學(xué)、放射化學(xué)和油質(zhì)監(jiān)督、取樣系統(tǒng)和加藥系統(tǒng)運行、水處理系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)督、化學(xué)品管理和實驗室管理等各項操作，包含電解質(zhì)平衡、氧化還原反應(yīng)和可逆反應(yīng)等復(fù)雜計算過程，需要采用系統(tǒng)思維對計算理論進行規(guī)劃、分析和管理。霍爾三維結(jié)構(gòu)模型可以從邏輯、時間和知識角度進行三維立體分析，充分利用到化學(xué)控制計算軟件的開發(fā)中，解決了軟件開發(fā)過程中質(zhì)量控制難點，提升了軟件開發(fā)的質(zhì)量和效率，而軟件的開發(fā)使核電廠化學(xué)控制更加及時、準確，保障了機組安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行。

1?霍爾三維結(jié)構(gòu)模型

霍爾三維結(jié)構(gòu)又稱霍爾的系統(tǒng)工程，它將系統(tǒng)工程整個活動過程分為前后緊密銜接的

7個階段和7個步驟，同時還考慮了為完成這些階段和步驟所需要的各種專業(yè)知識和技能。形成了由時間維、邏輯維和知識維所組成的三維空間結(jié)構(gòu)。三維結(jié)構(gòu)體系形象地描述了系統(tǒng)工程研究的框架，對其中任一階段和每一個步驟又可進一步展開，形成了分層次的樹狀體系[2]。霍爾三維結(jié)構(gòu)集中體現(xiàn)了系統(tǒng)工程方法的系統(tǒng)化、綜合化、最優(yōu)化、程序化和標準化等特點，是系統(tǒng)工程方法論的重要基礎(chǔ)內(nèi)容。

2?化學(xué)控制計算軟件開發(fā)

• 化學(xué)控制計算與霍爾三維結(jié)構(gòu)

通過霍爾三維結(jié)構(gòu)理論分析，化學(xué)控制計算軟件開發(fā)三維可作如下劃分。

2.1.1?時間維

開發(fā)進程包括：可行性研究、建模、編碼[3]、測試、運行和維護以及升級（如表1所示）。

2.1.2?邏輯維

開發(fā)步驟包括：提出問題、制定目標、系統(tǒng)分析、最優(yōu)化、決策并實施（如表2所示）。

2.1.3?知識維

化學(xué)科學(xué)包括：電位平衡、氧化還原、可逆反應(yīng)、物料守恒和計算化學(xué)[4]（如表3所示）。

計算化學(xué)是理論化學(xué)的一個分支，主要是利用有效的數(shù)學(xué)近似以及電腦程序計算的性質(zhì)實現(xiàn)反應(yīng)活性精準計算

通過以上分析和歸類，化學(xué)控制計算軟件開發(fā)的霍爾三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

• 化學(xué)控制計算軟件

核電廠化學(xué)控制以化學(xué)理論計算為基礎(chǔ)，物料守恒和計算化學(xué)?理論起到舉足輕重的作用。物料守恒，即質(zhì)量守恒定律，在化學(xué)試劑配制中較為常用；計算化學(xué)是理論化學(xué)的一個分支，主要是利用有效的數(shù)學(xué)近似以及電腦程序計算的性質(zhì)實現(xiàn)反應(yīng)活性精準計算，在核電廠一二回路水質(zhì)控制和反應(yīng)性控制中較為常用。物料守恒和計算化學(xué)結(jié)合使用能夠保障核電廠化學(xué)控制的精準和可靠。

• 化學(xué)試劑配制控制

核核電廠機組化學(xué)試劑配制時，一般在化學(xué)試劑箱中加入一定量濃度較高的化學(xué)試劑，再注入清水稀釋至目標液位或體積得到需要濃度的化學(xué)試劑，這一過程遵守物料守恒：C0×V0+C1×V1=C2×V2。?這個公式中：?C0為化學(xué)試劑箱中原有溶液濃度；C1為加入化學(xué)試劑濃度；C2為化學(xué)試劑箱中配制后溶液濃度；V0為化學(xué)試劑箱中原有溶液體積；V1為加入化學(xué)試劑體積；V2為化學(xué)試劑箱中配制后溶液體積。

• 反應(yīng)性和化學(xué)指標控制

核核電廠機組需要通過加入工藝系統(tǒng)添加劑保證反應(yīng)性和化學(xué)指標滿足設(shè)計要求[5]，加入的工藝系統(tǒng)添加劑通過一定的化學(xué)反應(yīng)到達相應(yīng)的化學(xué)控制目的，這一過程遵守物料衡算方程和計算化學(xué)理論：輸入+生成=輸出+消耗+累積。

一回路中加入氨水，在放射性條件下氨輻照分解產(chǎn)生氫氣，從而抑制水的輻照分解產(chǎn)生氧氣，維持一回路還原性環(huán)境，減緩一回路腐蝕。氨輻照分解產(chǎn)生氫氣的化學(xué)方程式如下：

2NH3=3H2+N2

一二回路需要加入聯(lián)氨溶液，聯(lián)氨與氧氣反應(yīng)進行除氧，減緩一二回路腐蝕。聯(lián)氨與氧氣反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

N2H4+O2=?N2+2H2O

根據(jù)一回路加氨生成溶氫并保持一回路溶氫穩(wěn)定和加聯(lián)氨進行除氧的實際情況，物料衡算方程可簡化為：輸入=消耗，則可根據(jù)需要消耗化學(xué)試劑的量計算化學(xué)試劑需要加入的量，達到反應(yīng)性和化學(xué)指標控制需求。

通過Visual?Basic軟件[6]的編程功能，將邏輯計算過程數(shù)字化。編制化學(xué)控制計算軟件，通過輸入相關(guān)參數(shù)，點擊計算就可以自動計算出相應(yīng)結(jié)果，實現(xiàn)化學(xué)控制計算的軟件化。

• 化學(xué)控制計算軟件的應(yīng)用

化學(xué)控制計算數(shù)字化操作軟件已應(yīng)用于化學(xué)試劑配制過程和反應(yīng)性和化學(xué)指標控制中，理論與實際相符，經(jīng)過機組實際運行的檢驗，化學(xué)控制取得了良好的效果，大大提升了工作效率。

以機組大修前給水系統(tǒng)聯(lián)氨鈍化液配制的過程為例，應(yīng)用數(shù)字化軟件后化學(xué)試劑配制過程計算時間只需3?min，計算時間縮短85?%，便于及時調(diào)整水化學(xué)指標。以除堿工況加氨量和啟動階段提升溶氫加氨量為例，應(yīng)用數(shù)字化軟件后反應(yīng)性和化學(xué)指標控制過程中計算所需時間由30?min縮短到5?min（如圖2所示），計算時間縮短85?%，從而保證水化學(xué)指標能夠提前滿足機組啟動要求。

3?結(jié)論

（1）通過霍爾三維結(jié)構(gòu)理論邏輯維、時間維和知識維的分析，將化學(xué)控制計算軟件開發(fā)過程與其進行有機的結(jié)合，充分考慮軟件全局性和完整性，開發(fā)出高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品，解決了實際生產(chǎn)問題，提升了電站化學(xué)管理水平。

（2）通過化學(xué)控制計算軟件的開發(fā)和使用，實現(xiàn)了電站化學(xué)控制的數(shù)字化和智能化，有效地避免了人因失誤的發(fā)生，極大提升了核電機組化學(xué)控制的安全性和可靠性，有效保障WANO化學(xué)指標始終保持1.00的國際先進水平。

（3）化學(xué)控制計算軟件中包含了化學(xué)知識維度的基礎(chǔ)知識，可通過程序語言變化，適用于不同機型不同系統(tǒng)的化學(xué)控制計算，有很大的推廣價值。

參考文獻

[1]?金碩.核電廠一回路冷卻劑中腐蝕產(chǎn)物對管道的沉積研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2021.

[2]?劉洪偉.基于BIM技術(shù)的裝配式建筑質(zhì)量評價研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2019.

[3]?李明超.電廠熱力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)建模仿真軟件開發(fā)及應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2021.

[4]?高倪.計算化學(xué)應(yīng)用研究進展[J].?山東化工，2020，49（6）：88-89.

[5]?孫晨皓.鋅鋁注入對壓水堆一回路結(jié)構(gòu)材料腐蝕行為影響研究[D].北京：華北電力大學(xué)（北京），2022.

[6]?黃啟恒.計算機應(yīng)用軟件開發(fā)中編程語言的選擇研究[J].貴陽學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，15（3）：10-12.