核电仿真系统关键技术分析及自主化策略

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518031 ANALYSIS FOR THE KEY TECHNOLOGIES OF NUCLEAR POWER SIMULATING SYSTEM AND SELF-RELIANCE STRATEGIES

CAO Jian-ting, ZOU Mo-yuan, CAI Rui-zhong, ZHANG Xuan, WU Fan

China Nuclear Power Simulation Technology Co., Ltd, 6/F Science Bldg., 1001 Shangbuzhong Road, Shenzhen

518031

ABSTRACT:Based on the actual requirement for simulating system by the nuclear power plants, this paper discusses the simulation technologies developing trend and the present situation of Chinese nuclear power simulation. The major key technologies of nuclear power simulating system is analyzed to help deeply understanding techinical differences between nuclear power and conventional power. Summarized from actual executing experience, some self-reliance strategies for nuclear simulating system are presented and discussed.

KEY WORD:Nuclear Power Plant；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

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着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