分布式并行实时核动力仿真分析系统的研发及应用
进入21世纪，中国核电进入积极发展阶段，在保证电厂安全性的基础上，对经济性也提出了更高要求。仿真在核电领域发挥着越来越重要的作用，它广泛地应用于反应堆设计安全分析、独立安全评价、先进主控室设计验证、事故缓解措施、控制与保护系统设计、操纵员培训以及教学等方面的研究，有效地提高了电厂的安全性和经济性。为此，作者利用目前先进的分布式并行计算机仿真技术，基于受到国际认可和广泛使用的反应堆热工水力估算程序，将其同控制与保护系统模拟程序、人机交互界面程序等有机集成，自主研究和开发了更为先进的综合核动力仿真分析系统，并用于相关领域研究。
本文所研究的核动力仿真分析系统主要由反应堆热工水力计算、控制与保护系统模拟、人机交互界面仿真三个主要子系统组成，系统结构主要采用分布式并行仿真结构。他们分别由不同程序完成，热工水力系统是由RELAP5程序模拟，控制与保护系统采用Simulink和C语言等进行详细的逻辑模拟，人机界面程序为C++Builder自主开发的多用户界面程序。每个程序可在不同的计算机上和操作系统下运行，通过网络互连。所有独立子系统之间通过信号通讯的方式建立联系，实现数据交换以及并行管理。根据不同应用环境需要，本文采用了使用DATABASE、SOCKET和PVM三种通讯方式进行系统有机集成，从而将多个功能有限的子系统合并扩充来完成核电厂综合仿真这一庞大任务。
作为仿真分析系统主要组成部分之一的反应堆热工水力程序选用了国际认可的最佳估算程序RELAP5，由于该程序原开发目的并非用于仿真，因此作者对其进行了多项仿真功能改造包括实时计算、参数动态交互和计算流程控制功能开发。同时为使该程序能够对船用核动力装置环形窄缝流道进行准确计算，对其传热与流动模型也进行了扩展。程序改造工作的验证结果表明：改造后的RELAP5程序功能得到扩大，适用范围更广，充分满足了仿真分析系统的需要；改造工作对RELAP5程序的核心，质量、动量和能量守恒等原数学模型等没有影响。核电厂控制与保护系统是仿真分析系统另一主要组成部分，根据简单模拟、一般模拟和详细模拟的思路，作者采用了C语言、商用组态软件和Simulink三种手段对其进行了模拟。其中价格相对低廉、技术成熟、效果率高、灵活性好的Simulink软件被详细研究，通过二次开发将Simulink与RELAP5程序有机耦合可进行控制与保护系统设计研究。根据仿真分析系统的需要，分别对核电厂稳压器压力控制系统、稳压器液位控制系统、蒸发器液位控制系统、反应堆功率控制系统、主蒸汽排放控制系统以及停堆和专设安全设施驱动保护系统进行了详细模拟，对比验证结果表明该系统仿真与实际相吻合。
人机交互界面是仿真分析系统的第三个主要组成部分，作者对新一代核电厂数字化先进主控室的信息显示系统进行针对性的研究，主要集中在信息等级显示结构、幅面导航方式和幅面版式等方面。所有信息显示幅面按等级分为一级电厂主要状态参数、二级电厂概貌参数、三级电厂系统主要参数和四级电厂子系统和设备参数。该等级式组织成梯形分布，起始于提供电厂重要状态信息的总览图，终止于提供所有信息的详图。幅面间的导航则采用基于幅面和基于树型菜单的手动导航和自动导航两种方式，使得操纵员能够迅速准确地查找到所需幅面。在幅面具体开发过程中，作者参考核电厂主控室设计与人因工程的相关法规、导则和标准以及他人研究成果，对涉及到的诸如模拟图、显示器、控制器、仪表、标牌、声音、灯光、颜色、文字、报警等具体要求进行了总结，使用C++Builder开发了多套人机交互界面程序，对先进主控室幅面设计起到了一定的借鉴作用。基于上述理论和技术，作者最终以巴基斯坦恰希玛核电厂、广东大亚湾核电厂、船用核动力装置实验台架等为对象成功开发了多个仿真分析系统，并用于如下相关领域的应用研究：一、二回路热工水力系统建模，核电厂设计独立安全评价、先进主控室设计验证、严重事故仿真、事故缓解措施等。大量应用研究结果表明，该系统不仅能够广泛应用于研究领域，而且在工程领域也能发挥巨大作用。本文自主改造国际认可的反应堆最佳估算程序RELAP5用于仿真，这在国内尚属首次；开创性地对RELAP5程序进行数学模型改造，扩大了它的适用范围；突破传统的使用单一程序进行核电厂仿真分析的方法，引进分布式并行仿真结构，该方法能够与世界上商用核电厂全范围仿真程序接轨；开发的核电厂综合仿真分析系统全部基于普通微机，用途广泛，具有一定的先进性。
核动力;仿真分析系统;分布式并行结构
上海交通大学
博士
核能科学与工程
杨燕华;郑明光
2006
中文
TL99;TP391.9
148
2007-07-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）