CN107393616B - 一种核电厂反应堆透明监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电站反应堆监测系统，包括：数据监测及储存模块，用于实时监测核电机组实时运行数据以及储存核电生产大数据中心的数据；反应堆模型建立模块，与所述数据监测及储存模块连接，用于建立反应堆数值机理模型；反应堆同化模块，分别与所述数据监测及储存模块和所述反应堆模型建立模块连接，用于校正反应堆模型建立模块建模数据,输出反应堆同化模型。本发明提供的核电站反应堆监测系统实时修正反应堆数据模型参数，使其与真实模型高精度匹配，实现对反应堆3D堆芯功率分布实时显示、运行状态的监测及未来状态的精确预测，有助于提高机组运行的安全性。此外，本发明还提供了一种核电站反应堆监测方法。

Description

一种核电厂反应堆透明监测系统及方法

技术领域

本发明涉及核电厂安全监控技术，尤其涉及一种基于同化技术的核电厂反应堆透明监测系统及方法。

背景技术

核反应堆是核电站的心脏，是一种启动、控制并维持核裂变链式反应的装置。主要作用是维持和控制链式裂变反应，产生核能，并将核能转换成可供使用的热能。其在为人们不断提供稳定、可靠的清洁能源的同时，安全性也一直是人们关注的焦点，反应堆安全监测技术也一直是核电安全领域研究的热点。

由于反应堆压力容器高温、高压、高辐射的环境，目前，对反应堆的监测主要依靠核级传感器探头，实现对反应堆内部温度、压力、水位、计量等特征信号的采集、监测。而操作员主要依靠专业知识、经验、及参数报警限值来分析评估反应堆安全状态。但上述手段不能清晰、直观的反映反应堆整体运行状况，同时，缺少对核反应堆未来状态变化的预测分析，不能够做到有效的事故预警与防控。

因此，为了更近一步提高核反应堆的安全监测水平，辅助操作员更清晰、直观、全面的了解、掌控反应堆的运行状况，有必要在现有技术的基础上，融合大数据同化、高精度仿真建模技术、虚拟可视化技术、高性能并行计算等技术，研究一种核反应堆透明监测方法，实现反应堆的状态变量透明、运行机理透明和安全指标透明。

发明内容

本发明针对现有技术中核电厂反应堆监测存在的不能清晰、直观的反映反应堆整体运行状况，缺少对核反应堆未来状态变化的预测分析，不能够做到有效的事故预警与防控的问题，提供一种核电厂数字化反应堆保护系统软件测试系统及方法，利用数据同化算法，实时修正反应堆数据模型参数，使其与真实模型高精度匹配，实现对反应堆未来状态的精确预测，有助于采用合理的控制策略，提高机组运行的安全性。

本发明提供了一种核电站反应堆监测系统，包括:

数据监测及储存模块，用于实时监测核电机组实时运行数据以及储存核电生产大数据中心的数据；

反应堆模型建立模块，与所述数据监测及储存模块连接，用于根据核电机组实时运行数据以及大数据中心的数据，建立反应堆数值机理模型；

反应堆同化模块，分别与所述数据监测及储存模块和所述反应堆模型建立模块连接，用于比较反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异，并根据差异数据，自动校正所述反应堆数值机理模型,以修正所述反应堆数值机理模型反应堆数值机理模型并输出反应堆同化模型。

优选地，所述数据监测及储存模块包括：

运行数据监测单元，用于实时监测核电机组实时运行数据；

数据中心单元，与所述运行数据监测单元连接，用于接收所述实时运行数据并存储核电生产大数据中心的数据。

反应堆数值机理模型优选地，所述反应堆同化模块包括：

差异计算单元，与所述反应堆模型建立模块连接，用于比较反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异并计算出差异数据；

同化模型建立单元，分别与所述数据中心单元、差异计算单元以及所述仿真模型建立单元连接，用于根据所述差异数据和所述数据中心单元接收到的所述实时运行数据修正同化所述反应堆数值机理模型并建立反应堆同化模型。

优选地，还包括：

三维显示模块,与所述同化模型建立单元连接,用于根据所述反应堆同化模型,三维显示反应堆运行状态。

反应堆模型推演模块,与所述同化模型建立单元连接，用于利用同化模型迭代算法，计算反应堆未来一段时间的运行状态，对可能发生的运行事故提前预警，同时可对不同解决方案的效果进行评估。

优选地，所述反应堆模型推演模块包括：

同化模型预测单元，与所述同化模型建立单元连接，用于利用同化模型迭代计算，预测反应堆未来一段时间的状态变化；

异常预警单元，与所述同化模型预测单元连接，用于根据预测反应堆状态变化对可能发生的事故提前预警；

最优操作决策单元，与所述异常预警单元连接，用于根据预测反应堆状态变化以及可能预警情况，联动电厂运行规程与运行经验，自动评估最优的决策方案。

优选地，还包括人机交互模块，分别与所述同化模型预测单元、异常预警单元以及所述最优操作决策单元连接，用于通过人机交互界面，自动控制以及手动控制计算反应堆运行状态、提前预警以及评估不同解决方案的效果。

本发明还提供了一种核电站反应堆监测方法，包括：

S1、实时监测核电机组实时运行数据以及储存核电生产大数据中心的数据；

S2、根据核电机组实时运行数据以及大数据中心的数据，建立反应堆数值机理模型；

S3、比较所述反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异，并根据差异数据，自动校正所述反应堆数值机理模型,以修正所述反应堆数值机理模型反应堆数值机理模型并输出反应堆同化模型。

优选地，所述步骤S1包括：

S11、实时监测核电机组实时运行数据；

S12、接收所述实时运行数据并存储核电生产大数据中心的数据。

反应堆数值机理模型优选地，所述步骤S3包括：

S31、比较所述反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异并计算出差异数据；

S32、根据所述差异数据和所述实时运行数据修正同化所述反应堆数值机理模型并建立反应堆同化模型。

优选地，还包括步骤：

S4、根据所述反应堆同化模型,三维显示反应堆运行状态。

S5、利用同化模型迭代算法，计算反应堆未来一段时间的运行状态，对可能发生的运行事故提前预警，同时可对不同解决方案的效果进行评估。

优选地，所述步骤S5包括：

S51、利用同化模型迭代计算，预测反应堆未来一段时间的状态变化；

S52、根据预测反应堆状态变化对可能发生的事故提前预警；

S53、根据预测反应堆状态变化以及可能预警情况，结合电厂运行规程与运行经验，自动评估最优的决策方案。

优选地，还包括步骤：

S6、通过人机交互界面，自动控制并且同时能够手动控制计算反应堆运行状态、提前预警以及评估不同解决方案。

本发明方案提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：在反应堆数值同化模型基础上，利用虚拟可视化技术，可实现反应堆内部运行状态及特征统计量、设计基准等信息的透明监测三维显示，有助于辅助操作员更清晰、全面的了解核电运行状况；利用数据同化算法，实时修正反应堆数据模型参数，使其与真实模型高精度匹配，一方面能够精确表征真实反应堆运行状态，另一方面，可以通过数值模型监测分析真实反应堆状态特性变化，进行计算实验，为反应堆设计提供可靠数据支撑；利用数值同化模型迭代计算方法，实现对反应堆未来状态的精确预测，有助于采用合理的控制策略，提高机组运行的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例提供的核电站反应堆监测系统结构图；

图2是本发明第二实施例提供的核电站反应堆监测方法流程图；

图3是本发明第三实施例提供的核电站反应堆监测方法流程图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种核电厂数字化反应堆保护系统软件测试系统和方法，解决了现有技术中存在的核电厂反应堆监测存在的不能清晰、直观的反映反应堆整体运行状况，缺少对核反应堆未来状态变化的预测分析，不能够做到有效的事故预警与防控的问题，具体思路如下：建立反应堆数值机理模型，利用数据同化算法，实时修正反应堆数值机理模型建模参数，使反应堆数值机理模型反应堆数值机理模型与真实模型高精度匹配，实现对反应堆状态的监测，及未来状态的精确预测，有助于采用合理的控制策略，提高机组运行的安全性。

为了更好的理解本发明技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本发明提供的核电站反应堆监测系统，包括：数据监测及储存模块1，用于实时监测核电机组实时运行数据以及储存核电生产大数据中心的数据；反应堆模型建立模块2，与所述数据监测及储存模块1连接，用于根据核电机组实时运行数据以及大数据中心的数据，采用先进建模方法、高性能数值计算方法，建立高精度、强耦合的反应堆数值机理模型；反应堆同化模块3，分别与所述数据监测及储存模块1和所述反应堆模型建立模块2连接，用于比较反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异，并根据差异数据，自动校正所述反应堆数值机理模型建模数据,以修正所述反应堆数值机理模型反应堆数值机理模型并输出反应堆同化模型。

具体地，数据监测及储存模块1包括：运行数据监测单元11，用于实时监测核电机组实时运行数据；数据中心单元12，与所述运行数据监测单元11连接，用于接收所述实时运行数据并存储核电生产大数据中心的数据。

反应堆数值机理模型在本实施例中，主要利用全堆芯三维中子输运计算方法、核燃料精细燃耗计算方法、热工水力子通道计算方法、核热耦合分析方法及多物理场耦合的燃料服役性能分析等方法，建立高精度的反应堆数值机理模型。在充分利用当前大规模并行计算机高性能计算的最新技术的基础上，通过直接离散和紧耦合分析技术，尽可能减少模型的近似和简化，刻画核反应堆在稳态和瞬态过程中的物理机理，真实表征各种运行工况和事故工况的物理现象，为反应堆透明监测提供理论支撑和数据引擎。

具体地，反应堆同化模块3包括：差异计算单元31，与所述反应堆模型建立模块2连接，用于比较反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异并计算出差异数据；同化模型建立单元32，分别与所述数据中心单元12、差异计算单元31以及所述反应堆模型建立模块2连接，用于根据所述差异数据和所述数据中心单元12接收到的所述实时运行数据修正同化所述反应堆数值机理模型并建立反应堆同化模型。具体同化过程如下：一方面观察反应堆数值机理模型的运行状态是否与反应堆真实模型状态匹配，存在较小范围内的运行偏差，另一方面将实际机组监测的运行数据，反馈到反应堆数值机理模型中，利用数据同化算法，在线修正反应堆数值机理模型建模参数，使其完成与反应堆真实模型的同化过程。

反应堆运行过程中，系统参数或边界会发生变化，对于大量的测量数据，以及复杂的反应堆模型，在数据同化算法基础上，利用核电实时数据，自动校正反应堆数值机理模型中的相关参数，保证反应堆数值机理模型能真实反应反应堆的实际运行状态；根据生产运维大数据，自动调整模型的边界或输入，并能实现反应堆数值机理模型的自洽。数据同化算法的难点在于准确保持模型的动力学信息、有效地同化海量数据、准确地度量误差传播，需发展稳定和高效的数据同化方法，常用的主要包括三维变分算法、四维变分算法、集合卡尔曼滤波算法、离子滤波算法等，具体项目可对各同化算法进行性能评估，并根据实际情况选择。

为了实现虚拟可视化显示，本实施例提供的核电站反应堆监测系统还包括三维显示模块4,与所述同化模型建立单元32连接,用于根据所述反应堆同化模型,三维实时显示反应堆功率分布、温度场分布、安全运行状态、堆芯特征统计量、设计基准等信息。。通过三维虚拟交互技术、三维虚拟输入与显示技术、自动化网格生成技术，建立可视化的、精确的三维虚拟反应堆几何模型，实现三维多物理计算结果的动态显示和交互。在完成同化过程后，利用三维可视化技术，可直观的显示反应堆内部运行状态及相关特性参数，辅助操作员更全面的了解反应堆运行状况。

具体地，本实施例提供的核电站反应堆监测系统还包括反应堆模型推演模块5,与所述同化模型建立单元32连接，用于利用同化模型迭代算法，计算反应堆未来一段时间的运行状态，对可能发生的运行事故提前预警，同时可对不同解决方案的效果进行评估。反应堆模型推演模块5包括：同化模型预测单元51，与所述同化模型建立单元32连接，用于利用同化模型迭代计算，预测反应堆未来一段时间的状态变化；异常预警单元52，与所述同化模型预测单元51连接，用于根据预测反应堆状态变化对可能发生的事故提前预警；最优操作决策单元53，与所述异常预警单元52连接，用于根据预测反应堆状态变化以及可能预警情况，结合电厂运行规程与运行经验，自动评估最优的决策方案。

为了使操作员能够同时控制监测系统，本实施例中的核电站反应堆监测系统，还包括人机交互模块6，分别与所述同化模型预测单元51、异常预警单元52以及所述最优操作决策单元53连接，用于通过人机交互界面，自动控制以及手动控制计算反应堆运行状态、提前预警以及评估不同解决方案的效果。

实施例二

如图2所示，本发明实施例二提供了一种核电站反应堆监测方法，包括：

S1、实时监测核电机组实时运行数据以及储存核电生产大数据中心的数据；

S2、根据核电机组实时运行数据以及大数据中心的数据，建立反应堆数值机理模型；

S3、比较所述反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异，并根据差异数据，自动校正所述反应堆数值机理模型建模数据,以修正所述反应堆数值机理模型并输出反应堆同化模型；

S4、根据所述反应堆同化模型,三维显示反应堆运行状态，包括堆芯功率分布、温度场分布等；

S5、利用同化模型迭代算法，计算反应堆未来一段时间的运行状态，对可能发生的运行事故提前预警，同时可对不同解决方案的效果进行评估；

S6、通过人机交互界面，自动控制并且同时能够手动控制计算反应堆运行状态、提前预警以及评估不同解决方案。

实施例三

具体地，步骤S1包括：

S11、实时监测核电机组实时运行数据；

S12、接收所述实时运行数据并存储核电生产大数据中心的数据。

在本实施例中，主要利用全堆芯三维中子输运计算方法、核燃料精细燃耗计算方法、热工水力子通道计算方法、核热耦合分析方法及多物理场耦合的燃料服役性能分析等方法，建立高精度的反应堆数值机理模型。在充分利用当前大规模并行计算机高性能计算的最新技术的基础上，通过直接离散和紧耦合分析技术，尽可能减少模型的近似和简化，刻画核反应堆在稳态和瞬态过程中的物理机理，真实表征各种运行工况和事故工况的物理现象，为反应堆透明监测提供理论支撑和数据引擎。

在本实施例中，所述步骤S3包括：

S31、比较所述反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异并计算出差异数据；

S32、根据所述差异数据和所述实时运行数据修正同化所述反应堆数值机理模型并建立反应堆同化模型。具体同化过程如下：一方面观察反应堆数值机理模型的运行状态是否与反应堆真实模型状态匹配，是否超出偏差量化指标，另一方面将实际机组监测的运行数据，反馈到反应堆数值机理模型中，利用数据同化算法，在线修正反应堆数值机理模型建模参数，使其完成与反应堆真实模型的同化过程。

反应堆运行过程中，系统参数或边界会发生变化，对于大量的测量数据，以及复杂的反应堆模型，在数据同化算法基础上，利用核电实时数据，自动校正反应堆数值机理模型中的相关参数，保证反应堆数值机理模型能真实反应反应堆的实际运行状态；根据生产运维大数据，自动调整模型的边界或输入，并能实现反应堆数值机理模型的自洽。数据同化算法的难点在于准确保持模型的动力学信息、有效地同化海量数据、准确地度量误差传播，需发展稳定和高效的数据同化方法，常用的主要包括三维变分算法、四维变分算法、集合卡尔曼滤波算法、离子滤波算法等，具体项目可对各同化算法进行性能评估，并根据实际情况选择。本项目采用的主要为组合数据同化算法，实现对多参量的模型参数数据同化。

具体地，所述步骤S5包括：

S51、利用同化模型迭代计算，预测反应堆未来一段时间的状态变化；

S52、根据预测反应堆状态变化对可能发生的事故提前预警；

S53、根据预测反应堆状态变化以及可能预警情况，结合电厂运行规程与运行经验，自动评估最优的决策方案。

综上所述，本申请方案相对于现有技术至少具有以下有益技术效果：

1)核反应堆运行状态透明监测：在反应堆数值同化模型基础上，利用虚拟可视化技术，可实现反应堆内部3D堆芯功率分布、运行状态及特征统计量、设计基准等信息的透明监测三维显示，有助于辅助操作员更清晰、全面的了解核电运行状况。

2)实现数值模型与真实物理模型的高精度匹配：利用数据同化算法，实时修正反应堆数值机理模型参数，使其与反应堆真实模型高精度匹配，一方面能够精确表征真实反应堆运行状态，另一方面，可以通过数值模型监测分析真实反应堆状态特性变化，进行计算实验，为反应堆设计提供可靠数据支撑。

3)未来运行状态在线推演预测：利用数值同化模型迭代计算方法，实现对反应堆未来状态的精确预测，有助于采用合理的控制策略，提高机组运行的安全性。

根据上面的描述，上述核电站反应堆监测系统用于实施上述核电站反应堆监测方法，所以，该系统的实施方式与上述方法的一个或多个实施方式相同，在此就不再一一赘述了。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (12)

1.一种核电站反应堆监测系统，其特征在于，包括：

数据监测及储存模块(1)，用于实时监测核电机组实时运行数据以及储存核电生产大数据中心的数据；

反应堆模型建立模块(2)，与所述数据监测及储存模块(1)连接，用于根据核电机组实时运行数据以及大数据中心的数据，建立反应堆数值机理模型；

反应堆同化模块(3)，分别与所述数据监测及储存模块(1)和所述反应堆模型建立模块(2)连接，用于比较反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异，并根据差异数据和所述实时运行数据，自动校正所述反应堆数值建模参数,以修正所述反应堆数值机理模型并输出反应堆同化模型。

2.根据权利要求1所述的核电站反应堆监测系统，其特征在于，所述数据监测及储存模块(1)包括：

运行数据监测单元(11)，用于实时监测核电机组实时运行数据；

数据中心单元(12)，与所述运行数据监测单元(11)连接，用于接收所述实时运行数据并存储核电生产大数据中心的数据。

3.根据权利要求2所述的核电站反应堆监测系统，其特征在于，所述反应堆同化模块(3)包括：

差异计算单元(31)，与所述反应堆模型建立模块(2)连接，用于比较反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异并计算出差异数据；

同化模型建立单元(32)，分别与所述数据中心单元(12)、差异计算单元(31)以及所述反应堆模型建立模块(2)连接，用于根据所述差异数据和所述数据中心单元(12)接收到的所述实时运行数据修正同化所述反应堆数值机理模型并建立反应堆同化模型。

4.根据权利要求3所述的核电站反应堆监测系统，其特征在于，还包括：

三维显示模块(4),与所述同化模型建立单元(32)连接,用于根据所述反应堆同化模型,三维显示反应堆运行状态；

反应堆模型推演模块(5),与所述同化模型建立单元(32)连接，用于利用同化模型迭代算法，计算反应堆未来一段时间的运行状态，对可能发生的运行事故提前预警，同时可对不同解决方案的效果进行评估。

5.根据权利要求4所述的核电站反应堆监测系统，其特征在于，所述反应堆模型推演模块(5)包括：

同化模型预测单元(51)，与所述同化模型建立单元(32)连接，用于利用同化模型迭代计算，预测反应堆未来一段时间的状态变化；

异常预警单元(52)，与所述同化模型预测单元(51)连接，用于根据预测反应堆状态变化对可能发生的事故提前预警；

最优操作决策单元(53)，与所述异常预警单元(52)连接，用于根据预测反应堆状态变化以及可能预警情况，联动电厂运行规程与运行经验，自动评估最优的决策方案。

6.根据权利要求5所述的核电站反应堆监测系统，其特征在于，还包括人机交互模块(6)，分别与所述同化模型预测单元(51)、异常预警单元(52)以及所述最优操作决策单元(53)连接，用于通过人机交互界面，自动控制以及手动控制计算反应堆运行状态、提前预警以及评估不同解决方案的效果。

7.一种核电站反应堆监测方法，其特征在于，包括：

S1、实时监测核电机组实时运行数据以及储存核电生产大数据中心的数据；

S2、根据核电机组实时运行数据以及大数据中心的数据，建立反应堆数值机理模型；

S3、比较反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异，并根据差异数据和所述实时运行数据，自动校正反应堆数值机理模型建模数据,以修正所述反应堆数值机理模型并输出反应堆同化模型。

8.根据权利要求7所述的核电站反应堆监测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、实时监测核电机组实时运行数据；

S12、接收所述实时运行数据并存储核电生产大数据中心的数据。

9.根据权利要求8所述的核电站反应堆监测方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、比较所述反应堆真实模型和所述反应堆数值机理模型的差异并计算出差异数据；

S32、根据所述差异数据和所述实时运行数据修正同化所述反应堆数值机理模型并建立反应堆同化模型。

10.根据权利要求9所述的核电站反应堆监测方法，其特征在于，还包括步骤：

S4、根据所述反应堆同化模型,三维显示反应堆运行状态；

S5、利用同化模型迭代算法，计算反应堆未来一段时间的运行状态，对可能发生的运行事故提前预警，同时可对不同解决方案的效果进行评估。

11.根据权利要求10所述的核电站反应堆监测方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S51、利用同化模型迭代计算，预测反应堆未来一段时间的状态变化；

S52、根据预测反应堆状态变化对可能发生的事故提前预警；

S53、根据预测反应堆状态变化以及可能预警情况，结合电厂运行规程与运行经验，自动评估最优的决策方案。

12.根据权利要求11所述的核电站反应堆监测方法，其特征在于，还包括步骤：

S6、通过人机交互界面，自动控制并且同时能够手动控制计算反应堆运行状态、提前预警以及评估不同解决方案。