CN108665983A - 一种仿真高温气冷堆燃料球系统的生成方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿真高温气冷堆燃料球系统的生成方法及装置，包括用于模拟生成燃料球的燃料球生成模块；用于模拟生成球容器的球容器生成模块；用于模拟生成排放管道的球流管道生成模块；以及用于模拟生成分配组件的分配组件生成模块；所述球流管道生成模块还用于模拟生成输送管道，输送管道用于将燃料球输送回第一球容器。本发明在3KEYMASTER仿真平台上模拟高温气冷堆燃料球系统，保证了高温气冷堆全范围模拟机按时完成，同时，生成的系统可用于运行人员培训，帮助运行人员认识、熟悉高温气冷堆燃料球系统；以及用于燃料球系统控制验证、帮助控制系统设计人员优化燃料球系统控制策略以及帮助运行人员验证系统规程。

Description

一种仿真高温气冷堆燃料球系统的生成方法和装置

技术领域

本发明涉及核电站运行管理领域，尤其涉及一种仿真高温气冷堆燃料球系统的生成方法和装置。

背景技术

模块式球床型反应堆的重要特点之一就是堆芯由流动的球形燃料元件组成，由于其有利的几何形状，可实现不停堆换料。新燃料供应系统、燃料装卸系统和乏燃料贮存系统是实现此功能的主要系统，也是高温气冷堆特有的核岛辅助系统，统称为燃料球系统。燃料球系统利用重力和气动两种方式输送和装卸燃料元件。气动方式是利用气动提升系统实现燃料元件的自下而上输送，实现燃料元件再循环、输送新燃料和卸出乏燃料。

同时，核电站全范围模拟机是核电站操作员培训和考试取照的必备设备，也是其他相关人员培训和设计验证、工程分析的良好工具。而燃料球系统是高温气冷堆的特有系统，系统复杂度大，包含了大量的非标准设备，比如输送单一器、左转向器、右转向器、汇聚器、分配器、停球器、燃耗测量定位器、旋转桥、计数器等，IO点占整个核岛系统的1/3，可以说燃料球系统仿真模拟是全范围模拟机的一项关键工作。

但目前各个核电厂仿真平台上都没有相关的建模工具，没有能力实时模拟燃料球在管道内的运动，也没有能力模拟燃料球系统的各种非标设备。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种仿真高温气冷堆燃料球系统的生成方法，实现了在 3KEYMASTER仿真平台上模拟高温气冷堆燃料球系统，保证了高温气冷堆全范围模拟机按时完成，同时，生成的系统可用于运行人员培训，帮助运行人员认识、熟悉高温气冷堆燃料球系统；以及用于燃料球系统控制验证，帮助控制系统设计人员优化燃料球系统控制策略，以及帮助运行人员验证系统规程。

本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：

提供一种仿真高温气冷堆燃料球系统的生成方法，其特征在于，包括：

S1、模拟生成若干完好和破损的燃料球；

S2、模拟生成第一球容器，用于容纳所述完好和破损的燃料球；

S3、模拟生成与所述第一球容器连通的至少两条排放管道，用于将所述第一球容器中容纳的所述完好和破损的燃料球排出；

S4、模拟生成与每一所述排放管道连通的分配组件，用于对经所述排放管道排放出的完好和破损的燃料球进行分离；

S5、模拟生成与所述分配组件连通的至少两个输送管道，其中，至少一条输送管道用于将经分离后的燃料球输送回所述第一球容器。

优选的，步骤S3中还包括生成两端分别于与所述第一球容器以及排放管道连通的卸料装置，用于对所述第一球容器内容纳的燃料球进行卸料以及分离出所述破损的燃料球，使得完好的燃料球通过所述排放管道排出。

优选的，步骤S3中还包括生成设置于每一所述排放管道上的至少一个第一球阀、至少一个第一球路节点以及至少一个第一计数器；所述第一球阀和第一球路节点用于控制所述完好的燃料球的输送；所述第一计数器用于确定在每一所述排放管道内输送的完好的燃料球的数量以及输送方向。

优选的，步骤S4中，所述分配组件包括模拟生成的至少两个第一分配器、旋转桥以及至少两个汇聚器；每一所述第一分配器一端与所述排放管道对应连通，另一端分别与所述旋转桥以及一汇聚器连通；每一所述汇聚器一端与所述输送管道对应连通，另一端分别与所述旋转桥以及与之对应的第一分配器连通；通过每一所述第一分配器的燃料球部分直接进入与所述第一分配器对应连通的汇聚器，部分通过所述旋转桥进入到其他汇聚器；每一所述汇聚器用于将经与之对应连通的所述第一分配器直接进入的部分燃料球、经其他第一分配器以及所述旋转桥进入的部分燃料球进行混合，以此来实现对于所述完好的燃料球的分配。

优选的，步骤S5中还包括生成至少两个第二球容器以及一条回收管道；每一所述输送管道一端与汇聚器对应连通，另一端与所述第二球容器对应连通，所述第二球容器用于暂存经所述汇聚器混合的燃料球；所述一条回收管道连接任意一第二球容器，形成回收支路，所述回收支路上的第二球容器内暂存的燃料球经所述回收支路输送回所述第一球容器。

优选的，步骤S5中还包括生成设置于所述回收支路上的输送单一器、至少一个第二球阀、第二分配器、至少一个第二计数器以及至少一个第二球路节点；所述回收支路上的第二球容器与所述输送单一器、第二分配器依次设置；所述输送单一器与所述第二分配器之间设有至少一个第二计数器及至少一个第二球阀；所述第二分配器与所述第一球容器之间设有至少一个第二球路节点、至少一个第二球阀以及至少一个第二计数器；

所述输送单一器用于接收所述回收支路上的第二球容器内暂存的燃料球，并将所述燃料球送入所述回收管道，并通过所述回收管道输送回所述第一球容器内；

所述第二球阀以及第二球路节点用于控制所述燃料球的输送；所述第二计数器用于确定通过所述回收支路被输送回所述第一球容器内的燃料球的数量以及输送方向。

优选的，步骤S5中还包括生成通用故障，用于产生模拟的输送单一器、汇聚器、第一分配器和第二分配器、第一球阀和第二球阀、旋转桥以及第一计数器和第二计数器故障故障，对所述故障进行提示，并提供所述故障的应对方案。

优选的，所述第一球容器和第二球容器均由球容器模块生成；若卸球标志关闭，则输入球输入脉冲信号，根据所述球输入脉冲信号向所述第一球容器和/或第二球容器中输入燃料球，待输入的燃料球数目达到预定数目时停止输入，并输出球存在标识；

若卸球标志打开，则输入球输入脉冲信号，根据所述球输入脉冲信号计算当前所述第一球容器和/或第二球容器中的总球数，并根据所述总球数以及预设的卸球速率计算球输出脉冲信号，且根据所述球输出脉冲信号从所述第一球容器和/或第二球容器中输出燃料球。

优选的，所述卸料装置由卸料装置模块生成，所述卸料装置接收所述球输出脉冲信号，并根据所述球输出脉冲信号对所述第一球容器内容纳的燃料球进行卸料以及分离出所述破损的燃料球。

优选的，所述排放管道、输送管道以及回收管道均由球流管道模块生成，且所述排放管道、输送管道以及回收管道均包括简单模式和复杂模式；所述简单模式为通过重力驱动所述燃料球从入口到出口单向流动，且流动时间为预设流动时间；所述复杂模式为根据气力输送理论驱动所述燃料球进行双向流动。

优选的，所述输送单一器由输送单一器模块生成，所述输送单一器包括设置在所述输送单一器入口的、用于接收和释放燃料球的第一接球杯以及设置在所述输送单一器出口的、用于释放和接收燃料球的第二接球杯；

若所述第一接球杯有燃料球，则所述第一接球杯顺时针旋转，达到限位死点后在所述输送单一器的入口处释放所述第一接球杯中的燃料球，且所述燃料球被所述第二接球杯接收；

若所述第二接球杯有燃料球，则所述第二接球杯逆时针旋转，达到限位死点后在所述输送单一器的出口处释放所述第二接球杯中的燃料球，且同时所述第一接球杯接收其他燃料球。

另一方面，还提供一种仿真高温气冷堆燃料球系统的生成装置，包括：

燃料球生成模块，用于模拟生成若干完好和破损的燃料球；

球容器生成模块，用于模拟生成第一球容器，所述第一球容器容纳所述完好和破损的燃料球；

流管道模块生成模块，用于模拟生成与所述第一球容器连通的至少两条排放管道，所述排放管道将所述第一球容器中容纳的所述完好和破损的燃料球排出；

分配组件生成模块，用于模拟生成与每一所述排放管道连通的分配组件，所述分配组件用于对经所述排放管道排放出的完好和破损的燃料球进行分离；

所述流管道模块生成模块还用于模拟生成与所述分配组件连通的至少两个输送管道，其中，至少一条输送管道用于将经分离后的燃料球输送回所述第一球容器。

优选的，还包括卸料装置生成模块，其用于生成两端分别于与所述第一球容器以及排放管道连通的卸料装置，用于对所述第一球容器内容纳的燃料球进行卸料以及分离出所述破损的燃料球，使得完好的燃料球通过所述排放管道排出。

优选的，还包括球阀生成模块、球路节点生成模块以及计数器生成模块，其分别用于生成设置于每一所述排放管道上的至少一个第一球阀、至少一个第一球路节点以及至少一个第一计数器；所述第一球阀和第一球路节点用于控制所述完好的燃料球的输送；所述第一计数器用于确定在每一所述排放管道内输送的完好的燃料球的数量以及输送方向。

优选的，所述分配组件包括模拟生成至少两个第一分配器的分配器生成模块、用于生成旋转桥的旋转桥生成模块以及生成至少两个汇聚器的汇聚器生成模块；每一所述第一分配器一端与所述排放管道对应连通，另一端分别与所述旋转桥以及一汇聚器连通；每一所述汇聚器一端与所述输送管道对应连通，另一端分别与所述旋转桥以及与之对应的第一分配器连通；通过每一所述第一分配器的燃料球部分直接进入与所述第一分配器对应连通的汇聚器，部分通过所述旋转桥进入到其他汇聚器；每一所述汇聚器用于将经与之对应连通的所述第一分配器直接进入的部分燃料球、经其他第一分配器以及所述旋转桥进入的部分燃料球进行混合，以此来实现对于所述完好的燃料球的分配。

优选的，所述球容器生成模块还生成至少两个第二球容器，以及所述球流管道模块还生成一条回收管道；每一所述输送管道一端与汇聚器对应连通，另一端与所述第二球容器对应连通，所述第二球容器用于暂存经所述汇聚器混合的燃料球；所述一条回收管道连接任意一第二球容器，形成回收支路，所述回收支路上的第二球容器内暂存的燃料球经所述回收支路输送回所述第一球容器。

优选的，还包括输送单一器生成模块，其用于生成输送单一器；且所述输送单一器生成模块、球阀生成模块、分配器生成模块、计数器生成模块以及球路节点生成模块分别生成设置于所述回收支路上的输送单一器、至少一个第二球阀、第二分配器、至少一个第二计数器以及至少一个第二球路节点；所述回收支路上的第二球容器与所述输送单一器、第二分配器依次设置；所述输送单一器与所述第二分配器之间设有至少一个第二计数器及至少一个第二球阀；所述第二分配器与所述第一球容器之间设有至少一个第二球路节点、至少一个第二球阀以及至少一个第二计数器；

所述输送单一器用于接收所述回收支路上的第二球容器内暂存的燃料球，并将所述燃料球送入所述回收管道，并通过所述回收管道输送回所述第一球容器内；

所述第二球阀以及第二球路节点用于控制所述燃料球的输送；所述第二计数器用于确定通过所述回收支路被输送回所述第一球容器内的燃料球的数量以及输送方向。

优选的，还包括通用故障生成模块，用于产生模拟的输送单一器、汇聚器、第一分配器和第二分配器、第一球阀和第二球阀、旋转桥以及第一计数器和第二计数器故障故障，对所述故障进行提示，并提供所述故障的应对方案。

优选的，若卸球标志关闭，则向所述球容器生成模块输入球输入脉冲信号，所述球容器生成模块根据所述球输入脉冲信号向所述第一球容器和/或第二球容器中输入燃料球，待输入的燃料球数目达到预定数目时停止输入，并输出球存在标识；

若卸球标志打开，则向所述球容器生成模块输入球输入脉冲信号，所述球容器生成模块根据所述球输入脉冲信号计算当前所述第一球容器和/或第二球容器中的总球数，并根据所述总球数以及预设的卸球速率计算球输出脉冲信号，且根据所述球输出脉冲信号从所述第一球容器和/或第二球容器中输出燃料球。

优选的，所述卸料装置接收所述球输出脉冲信号，并根据所述球输出脉冲信号对所述第一球容器内容纳的燃料球进行卸料以及分离出所述破损的燃料球。

优选的，所述排放管道、输送管道以及回收管道均包括简单模式和复杂模式；所述简单模式为通过重力驱动所述燃料球从入口到出口单向流动，且流动时间为预设流动时间；所述复杂模式为根据气力输送理论驱动所述燃料球进行双向流动。

优选的，所述输送单一器包括设置在所述输送单一器入口的、用于接收和释放燃料球的第一接球杯以及设置在所述输送单一器出口的、用于释放和接收燃料球的第二接球杯；

若所述第一接球杯有燃料球，则所述第一接球杯顺时针旋转，达到限位死点后在所述输送单一器的入口处释放所述第一接球杯中的燃料球，且所述燃料球被所述第二接球杯接收；

若所述第二接球杯有燃料球，则所述第二接球杯逆时针旋转，达到限位死点后在所述输送单一器的出口处释放所述第二接球杯中的燃料球，且同时所述第一接球杯接收其他燃料球。

本发明技术方案带来的技术效果：

1)实现了在3KEYMASTER仿真平台上模拟高温气冷堆燃料球系统，保证了高温气冷堆全范围模拟机按时完成；

2)生成的系统可用于运行人员培训，帮助运行人员认识、熟悉高温气冷堆燃料球系统；

3)燃料球系统设备多，控制复杂，使用本发明建立的燃料球系统仿真模型能帮助控制系统设计人员优化燃料球系统控制策略，以及帮助运行人员验证系统规程。

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是本发明实施例一的仿真高温气冷堆燃料球系统的生成方法流程图；

图2是本发明实施例一的直管气力输送燃料元件受力示意图；

图3是本发明实施例一的各模块的连接示意图；

图4a-4c是本发明实施例一的球容器模块的图标；

图5是本发明实施例一的卸料装置模块的图标；

图6是本发明实施例一的球流管道模块的图标；

图7a-7b是本发明实施例一的输送单一器的图标；

图8a-8f是本发明实施例一的分配器模块的图标；

图9是本发明实施例一的旋转桥的图标；

图10a-10b是本发明实施例一的汇聚器的图标；

图11a-11d是本发明实施例一的球阀模块的图标；

图12是本发明实施例一的球路节点模块的图标；

图13a-13d是本发明实施例一的计数器模块的图标；图14是本发明实施例二的仿真高温气冷堆燃料球系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种仿真高温气冷堆燃料球系统的生成方法及装置，实现了在3KEYMASTER仿真平台上模拟高温气冷堆燃料球系统，保证了高温气冷堆全范围模拟机按时完成，同时，生成的系统可用于运行人员培训，帮助运行人员认识、熟悉高温气冷堆燃料球系统；以及用于燃料球系统控制验证，帮助控制系统设计人员优化燃料球系统控制策略，以及帮助运行人员验证系统规程。

实施例一：

如图1所示，本发明中的仿真高温气冷堆燃料球系统的生成方法包括如下步骤：

S1、模拟生成若干完好和破损的燃料球；

S2、模拟生成第一球容器1，用于容纳所述完好和破损的燃料球；

S3、模拟生成与所述第一球容器1连通的至少两条排放管道2,2’，用于将所述第一球容器1中容纳的所述完好和破损的燃料球排出；

S4、模拟生成与每一所述排放管道2,2’连通的分配组件，用于对经所述排放管道2,2’排放出的完好和破损的燃料球进行分离；

S5、模拟生成与所述分配组件连通的至少两个输送管道，其中，至少一条输送管道用于将经分离后的燃料球输送回所述第一球容器。

优选的，步骤S3中还包括生成两端分别于与所述第一球容器1以及排放管道连通的卸料装置3，用于对所述第一球容器1内容纳的燃料球进行卸料以及分离出所述破损的燃料球，使得所述完好的燃料球通过所述排放管道2,2’排出；且进一步的，步骤S3中还包括生成设置于每一所述排放管道2或2’上的至少一个第一球阀4、至少一个第一球路节点5以及至少一个第一计数器6；所述第一球阀4和第一球路节点5 用于控制所述完好的燃料球的输送；所述第一计数器6用于确定在每一所述排放管道2或2’内输送的完好的燃料球的数量以及输送方向。

同时，步骤S4中，所述分配组件包括模拟生成的至少两个第一分配器7、旋转桥8以及至少两个汇聚器9；每一所述第一分配器7一端与所述排放管道2或2’对应连通，另一端分别与所述旋转桥8以及一汇聚器9连通；每一所述汇聚器9一端与所述输送管道10或10’对应连通，另一端分别与所述旋转桥8以及与之对应的第一分配器7连通；通过每一所述第一分配器7的燃料球部分直接进入与所述分配器对应连通的汇聚器9，部分通过所述旋转桥8进入到其他汇聚器；每一所述汇聚器9用于将经与之对应连通的所述第一分配器7直接进入的部分燃料球、经其他第一分配器7以及所述旋转桥8进入的部分燃料球进行混合，以此来实现对于所述完好的燃料球的分配。

优选的，步骤S5中还包括生成至少两个第二球容器11,11’以及一条回收管道；每一所述输送管道10 或10’一端与汇聚器9对应连通，另一端与所述第二球容器11或11’对应连通，所述第二球容器11,11’用于暂存经所述汇聚器9混合的燃料球；所述一条回收管道连接任意一第二球容器11或11’，形成回收支路 12，所述回收支路12上的第二球容器11或11’内暂存的燃料球经所述回收支路输送回所述第一球容器1；且进一步的，步骤S5中还包括生成设置于所述回收支路12上的输送单一器13、至少一个第二球阀14、第二分配器15、至少一个第二计数器16以及至少一个第二球路节点17；所述回收支路12上的第二球容器11与所述输送单一器13、第二分配器14依次设置；所述输送单一器13与所述第二分配器15之间设有至少一个第二计数器16及至少一个第二球阀14；所述第二分配器15与所述第一球容器1之间设有至少一个第二球路节点17、至少一个第二球阀14以及至少一个第二计数器16；

所述输送单一器13用于接收所述回收支路12上的第二球容器11内暂存的燃料球，并将所述燃料球送入所述回收管道，并通过所述回收管道输送回所述第一球容器1内；

所述第二球阀14以及第二球路节点17用于控制所述燃料球的输送；所述第二计数器16用于确定通过所述回收支路被输送回所述第一球容器1内的燃料球的数量以及输送方向。

同时，为模拟各种突发的故障情况，步骤S5中还包括生成通用故障，用于产生模拟的输送单一器13、汇聚器9、第一分配器7和第二分配器14、第一球阀4和第二球阀14、旋转桥8以及第一计数器6和第二计数器16故障，对所述故障进行提示，并提供所述故障的应对方案；其参数表为：

参数名	初值	单位	说明
				imfAction	0		失效参数
myFailure	0		故障状态
				flow	0	kg/s	吹扫流量
flow_s	1	kg/s	额定吹扫流量

算法说明：

若属于输送单一器13、汇聚器9、第一分配器7和第二分配器14、第一球阀4和第二球阀14、旋转桥8以及第一计数器6和第二计数器16失效，经吹扫后故障可消除的故障，则imfAction＝1；

若属于输送单一器13、汇聚器9、第一分配器7和第二分配器14、第一球阀4和第二球阀14、旋转桥8以及第一计数器6和第二计数器16失效，经吹扫后故障无法消除的故障，则imfAction＝2；

优选的，若属于所述输送单一器13模拟卡球的故障，则imfAction＝6；

通过设置imfAction计算myFailure(只要imfAction>0,then myFailure＝1)，myFailure＝1时设备故障/失效；

flow＞flow_s时吹扫成功，故障消除。

优选的，所述输送单一器13、汇聚器9、第一分配器7和第二分配器14、第一球阀4和第二球阀 14、旋转桥8以及第一计数器6和第二计数器16需获取管道流量，可采用TRANSFER进行连接；且需先设置额定吹扫流量；

优选的，所述计数器故障是指计数器不能发出脉冲，导致计数功能失效，imfAction＝1时，计数器故障，其参数表如下：

参数名	初值	单位	说明
				imfAction	0		失效参数

本实施中，如图3所示，所述仿真高温气冷堆燃料球系统的各部件均由对应的模块通过相应的算法生成，以下对此分别进行介绍：

(1)所述第一球容器1和第二球容器11均由球容器模块生成，用于计算反应堆内的燃料球的数量；图4a-4c示出了所述球容器模块的图标。

参数表：

算法说明：

若卸球标志关闭，则向所述球容器生成模块输入球输入脉冲信号，所述球容器生成模块根据所述球输入脉冲信号向所述第一球容器1和/或第二球容器11中输入燃料球，待输入的燃料球数目达到预定数目时停止输入，并输出球存在标识；

若卸球标志打开，则向所述球容器生成模块输入球输入脉冲信号，所述球容器生成模块根据所述球输入脉冲信号计算当前所述第一球容器1和/或第二球容器11中的总球数，并根据所述总球数以及预设的卸球速率计算球输出脉冲信号，且根据所述球输出脉冲信号从所述第一球容器1和/或第二球容器11中输出燃料球。

具体的，当卸球标志discharge＝0时，输入input、sub_sphere参数，根据所述球输入脉冲信号向所述第一球容器和/或第二球容器中输入燃料球，并输出球存在信息existence；

当卸球标志discharge＝1时，输入input，根据所述球输入脉冲信号input计算当前所述第一球容器 1和/或第二球容器11中的总球数，并根据所述第一球容器1和/或第二球容器11中的球数number及预设的卸球速率velocity计算球输出脉冲信号output，根据所述球输出脉冲信号output从所述第一球容器和 /或第二球容器中输出燃料球。其中，所述第一球容器1和/或第二球容器11中的后一时刻的球数number＝前一时刻的球数number+input-sub_sphere。

(2)所述卸料装置3由卸料装置模块生成，所述卸料装置接收所述球输出脉冲信号，并根据所述球输出脉冲信号对所述第一球容器1内容纳的燃料球进行卸料以及分离出所述破损的燃料球。优选的，所述卸料装置3包括对称布置的两套碎球分离机，正常运行时，两套碎球分离机同时工作，并可实现100％热备用，即当一路故障时，另一路可以双倍负荷卸料。图5示出了所述卸料装置模块的图标。

参数表：

算法说明：

status1和status2为输入值，指示两套碎球分离机工作状态；所述卸料装置一般与所述第一球容器一起使用；sub_sphere为总的排球脉冲，包括两套碎球分离机的正常球和碎球，主要通过TRANSFER参数传递工具与第一球容器的sub_sphere参数连接。

(3)所述排放管道2和2’、输送管道10和10’以及回收管道均由球流管道模块生成；图6示出了所述球流管道模块的图标。

参数表：

算法说明：

所述排放管道2和2’、输送管道10和10’以及回收管道均包括简单模式和复杂模式；所述简单模式为通过重力驱动所述燃料球从入口到出口单向流动，且流动时间为预设流动时间；所述复杂模式为根据气力输送理论驱动所述燃料球进行双向流动。

具体的，当mode＝0时，管道模式为简单模式，即球从入口到出口单向流动，流动时间为time，这种情况适用于重力驱动球流动；当mode＝1时，管道模式为复杂模式，球根据气力输送理论进行运动，双向流动，并且球对气体流动也会产生影响；所述气力输送公式推导过程如下：

在反应堆功率运行工况下，气力输送氦气压力为7.2MPa，温度50～60℃，气流速度为6m/s，根据以上参数计算球体的绕流雷诺数Re：

式中，u为流体速度，m/s；D_b为球体直径，m；μ为流体的动力粘度，N·s/m²；ρ_g为流体密度，kg/m³。

由此可知，“近等径”球流管道气力输送处于大雷诺数区，也称为涡流压差阻力区。根据处于此区气力输送提升的特点，提出如下假设：

(1)在球体表面较早地发生附面层分离，可以近似认为气流分离点在接近球体的赤道线；

(2)管道中流体流动属于湍流，在所研究工况范围内，认为流动已进入自模化区，燃料元件绕流阻力系统与雷诺数无关；

(2)在球体后面全部形成漩涡区，压差阻力是产生气动推力的主要原因，不考虑气体与球体间的摩擦阻力。

根据假设，“近等径”球流管道气力输送推力F为：

F＝ΔP·A_s (3)

式中，C为燃料元件阻力系数；A_b为燃料元件截面积，m²；ρ_g为流体密度，kg/m³；v_g为气流速度，m/s；v_b为燃料元件速度，m/s；ΔP为燃料元件前后压差，MPa；A_s为管道截面积，m²。

燃料元件在圆管中的绕流阻力系数可由下述经验公式确定：

k＝D_b/D_s (5)

式中，D_b为球体直径，m；D_s为管道直径，m。

单个燃料元件在气力输送时，根据不同的输送工艺要求及不同结构的管段，表现出不同的运动状态，包括加速段，匀速运行、弯管减速等。燃料球气力输送管段包括了不在同一平面的弯管及直管。为简化系统仿真建模，根据弯管的弯曲率，做如下基本假设：

弯管段简化为分段直管；

(1)忽略燃料元件的径向运动及冲击碰撞。

直管气力输送燃料元件受力示意图见图2。根据动力学基本方程，可得如下方程：

式中，m为燃料元件质量，kg；f为摩擦系数；θ为直管的水平倾角。

对(6)式进行差分，可求得每时刻燃料球速度：

在流体网络中，对于没有输送燃料元件的气体管道，流量与压力表达式为：

式中，A_pass表示Admittance，通流系数(已知，可设置)，m²，与管道截面积及管道阻力系数有关；Δh为气体管路进出口高度差，m。

根据质量流量(通过流体网络传给球流网络)可以计算出管道气体流速：

对于管道内的气体，Δh所产生的压差忽略不计，压差使用流量表示为：

根据“近等径”球流管道气力输送的假设，忽略气流摩擦阻力对气体能量损失的影响，由式(2)和式(3)可得：

进行变换：

以气力输送气体流量表示气体压差：

其中：G表示气体流量，kg/s，由流体网络计算管道流量传给所述输球管道模块；A₁为气体通过燃料元件时的通流系数，与C、Ab、As、Vg、Vb相关，C根据上述公式(4)、(5)可以计算得到；Ab、As分别代表燃料球面积和管道截面积，均已知；

Vb可根据公式(7)确定；Vg可根据公式(9)确定。

对于气力输送燃料元件的流网支路，其压力和流量表达式：

总的(Apass表示设置的管道通流系数，A1表示管道气体流过燃料球的通流系数，两个合起来代表气体通过有燃料球管道时的通流系数)通流系数表达式为：

按照静平衡考虑，燃料元件气力输送启动的临界条件是：加速度为零，燃料元件速度为零。对于垂直直管，临界速度也即是悬浮速度。

临界条件：

(4)所述输送单一器13由输送单一器模块生成，所述输送单一器13包括设置在所述输送单一器入口的、用于接收和释放燃料球的第一接球杯以及设置在所述输送单一器13出口的、用于释放和接收燃料球的第二接球杯；图7a-7b示出了所述输送单一器13的图标。

参数表：

算法说明：

若所述第一接球杯有燃料球，则cup1＝1，所述第一接球杯顺时针旋转180°，达到限位死点status2＝1 后，在所述输送单一器的入口处释放所述第一接球杯中的燃料球，且所述燃料球被所述第二接球杯接收，同时产生一个脉冲；

若所述第二接球杯有燃料球，则则cup1＝2，所述第二接球杯逆时针旋转180°，达到限位死点status1＝1 后，在所述输送单一器的出口处释放所述第二接球杯中的燃料球，且同时所述第一接球杯接收其他燃料球，同时产生一个脉冲。

优选的，所述输送单一器13还可将所述球输出脉冲output通过TRANSFER回传给所述第一球容器，与sub_sphere参数连接。

(5)所述第一分配器7以及第二分配器15均由分配器模块生成，可将输入的所述燃料球分配为至少一路进行输出；图8a-8f示出了所述分配器模块的图标。

参数表：

(6)所述旋转桥8由旋转桥模块生成，其可实现上下游输入输出的交叉连通，具体的，本实施例中，所述燃料球从两条所述排放管道10,10’输出，经两个第一分配器7输入到所述旋转桥8中，并在所述旋转桥中进行混合后分别进入到两个汇聚器9中，以此来实现交叉联通；图9示出了所述旋转桥8的图标。

参数表：

(7)所述汇聚器9由汇聚器生成模块生成，可将两路燃料球汇聚成一路，具体的，本实施例中，所述汇聚器可将经与之对应连通的所述第一分配器7直接进入的部分燃料球、经其他第一分配器7以及所述旋转桥8进入的部分燃料球进行混合，以此来实现对于所述完好的燃料球的分配；图10a-10b示出了所述汇聚器9的图标。

参数表：

(8)所述第一球阀以及第二球阀均由球阀模块生成，且所述球阀只模拟球流的中断，不模拟气流的中断；图11a-11d示出了所述球阀模块的图标。

参数表：

算法说明：

如果input＝1，则output＝input；如果output＝-1；则input＝output；

Position代表阀位输入，位于0～1之间，position＝1，则status＝1，表示阀门打开，燃料球可以流动；position＝0，则status＝0，表示阀门关闭，燃料球不能流动。

(9)所述第一球路节点5以及第二球路节点17均由球路节点模块生成；图12示出了所述球路节点模块的图标。

参数表：

参数名	初值	单位	描述	备注
					input	0	bool	入球	输入
output	0	bool	出球	输出
					Vinput	0	bool	入球速度	输入
Voutput	0	bool	出球速度	输出
					status	1	bool	节点连通状态	设置

算法说明：

假设多路输入时，多路输入脉冲不重叠，也即假设多路燃料球不同时到达；

如果input＝1，则output＝input；如果output＝-1；则input＝output；如果Vinput＝1，则 Voutput＝Vinput；

如果Voutput＝-1；则Vinput＝Voutput；其中-1代表逆向流动，1代表正向流动。

(10)所述第一计数器6以及第二计数器16均由计数器模块生成，用于对所述排放管道2和2’、输送管道10和10’以及回收管道中的燃料球的动态信息(包括通过方向、数量等)进行实时判断；图13a-13d 示出了所述计数器模块的图标。

参数表：

算法说明：

根据球输入信号input确定所述燃料球通过的方向，其中+1为正向，-1为反向；且通过对所述球输出脉冲output进行计数来计算燃料球的数目，其中正反向输出脉冲输出时间长短不同。

实施例二：

图14示出了一种仿真高温气冷堆燃料球系统的生成装置的结构示意图，其包括：

燃料球生成模块，用于模拟生成若干完好和破损的燃料球；

球容器生成模块，用于模拟生成生成第一球容器，所述第一球容器容纳所述完好和破损的燃料球；

流管道模块生成模块，用于模拟生成与所述第一球容器连通的至少两条排放管道，所述排放管道将所述第一球容器中容纳的所述完好和破损的燃料球排出；

分配组件生成模块，用于模拟生成与每一所述排放管道连通的分配组件，所述分配组件用于对经所述排放管道排放出的完好和破损的燃料球进行分离；

所述流管道模块生成模块还用于模拟生成与所述分配组件连通的至少两个输送管道，其中，至少一条输送管道用于将经分离后的燃料球输送回所述第一球容器。

优选的，还包括卸料装置生成模块，其用于生成两端分别于与所述第一球容器以及排放管道连通的卸料装置，用于对所述第一球容器内容纳的燃料球进行卸料以及分离出所述破损的燃料球，使得所述完好的燃料球通过所述排放管道排出。

优选的，还包括球阀生成模块、球路节点生成模块以及计数器生成模块，其分别用于生成设置于每一所述排放管道上的至少一个第一球阀、至少一个第一球路节点以及至少一个第一计数器；所述第一球阀和第一球路节点用于控制所述完好的燃料球的输送；所述第一计数器用于确定在每一所述排放管道内输送的完好的燃料球的数量以及输送方向。

优选的，所述分配组件包括模拟生成至少两个第一分配器的分配器生成模块、用于生成旋转桥的旋转桥生成模块以及生成至少两个汇聚器的汇聚器生成模块。

优选的，所述球容器生成模块还生成至少两个第二球容器，以及所述球流管道模块还生成一条回收管道。

优选的，还包括输送单一器生成模块，其用于生成输送单一器；且所述输送单一器生成模块、球阀生成模块、分配器生成模块、计数器生成模块以及球路节点生成模块分别生成设置于所述回收支路上的输送单一器、至少一个第二球阀、第二分配器、至少一个第二计数器以及至少一个第二球路节点。

优选的，还包括通用故障生成模块，用于产生模拟的输送单一器、汇聚器、分配器、球阀、旋转桥以及计数器故障，对所述故障进行提示，并提供所述故障的应对方案。

优选的，若卸球标志关闭，则向所述球容器生成模块输入球输入脉冲信号，所述球容器生成模块根据所述球输入脉冲信号向所述第一球容器和/或第二球容器中输入燃料球，待输入的燃料球数目达到预定数目时停止输入，并输出球存在标识；

若卸球标志打开，则向所述球容器生成模块输入球输入脉冲信号，所述球容器生成模块根据所述球输入脉冲信号计算当前所述第一球容器和/或第二球容器中的总球数，并根据所述总球数以及预设的卸球速率计算球输出脉冲信号，且根据所述球输出脉冲信号从所述第一球容器和/或第二球容器中输出燃料球。

关于各模块的参数表、算法说明等均与实施例一相同，在此不再赘述。

综上所述，本发明实现了在3KEYMASTER仿真平台上模拟高温气冷堆燃料球系统，保证了高温气冷堆全范围模拟机按时完成，其生成的系统可用于运行人员培训，帮助运行人员认识、熟悉高温气冷堆燃料球系统；同时由于燃料球系统设备多，控制复杂，使用本发明建立的燃料球系统仿真模型能帮助控制系统设计人员优化燃料球系统控制策略，以及帮助运行人员验证系统规程。

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步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，且上述技术方案和特征可进行任意组合，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种仿真高温气冷堆燃料球系统的生成方法，其特征在于，包括：

S1、模拟生成若干完好和破损的燃料球；

S2、模拟生成第一球容器，用于容纳所述完好和破损的燃料球；

S3、模拟生成与所述第一球容器连通的至少两条排放管道，用于将所述第一球容器中容纳的所述完好和破损的燃料球排出；

S4、模拟生成与每一所述排放管道连通的分配组件，用于对经所述排放管道排放出的完好和破损的燃料球进行分离；

S5、模拟生成与所述分配组件连通的至少两个输送管道，其中，至少一条输送管道用于将经分离后的燃料球输送回所述第一球容器。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中还包括生成两端分别与所述第一球容器以及排放管道连通的卸料装置，用于对所述第一球容器内容纳的燃料球进行卸料以及分离出所述破损的燃料球，使得完好的燃料球通过所述排放管道排出。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S3中还包括生成设置于每一所述排放管道上的至少一个第一球阀、至少一个第一球路节点以及至少一个第一计数器；所述第一球阀和第一球路节点用于控制所述完好的燃料球的输送；所述第一计数器用于确定在每一所述排放管道内输送的完好的燃料球的数量以及输送方向。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述分配组件包括模拟生成的至少两个第一分配器、旋转桥以及至少两个汇聚器；每一所述第一分配器一端与所述排放管道对应连通，另一端分别与所述旋转桥以及一汇聚器连通；每一所述汇聚器一端与所述输送管道对应连通，另一端分别与所述旋转桥以及与之对应的第一分配器连通；通过每一所述第一分配器的燃料球部分直接进入与所述第一分配器对应连通的汇聚器，部分通过所述旋转桥进入到其他汇聚器；每一所述汇聚器用于将经与之对应连通的所述第一分配器直接进入的部分燃料球、经其他第一分配器以及所述旋转桥进入的部分燃料球进行混合，以此来实现对于所述完好的燃料球的分配。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S5中还包括生成至少两个第二球容器以及一条回收管道；每一所述输送管道一端与汇聚器对应连通，另一端与所述第二球容器对应连通，所述第二球容器用于暂存经所述汇聚器混合的燃料球；所述一条回收管道连接任意一第二球容器，形成回收支路，所述回收支路上的第二球容器内暂存的燃料球经所述回收支路输送回所述第一球容器。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S5中还包括生成设置于所述回收支路上的输送单一器、至少一个第二球阀、第二分配器、至少一个第二计数器以及至少一个第二球路节点；所述回收支路上的第二球容器与所述输送单一器、第二分配器依次设置；所述输送单一器与所述第二分配器之间设有至少一个第二计数器及至少一个第二球阀；所述第二分配器与所述第一球容器之间设有至少一个第二球路节点、至少一个第二球阀以及至少一个第二计数器；

所述输送单一器用于接收所述回收支路上的第二球容器内暂存的燃料球，并将所述燃料球送入所述回收管道，并通过所述回收管道输送回所述第一球容器内；

所述第二球阀以及第二球路节点用于控制所述燃料球的输送；所述第二计数器用于确定通过所述回收支路被输送回所述第一球容器内的燃料球的数量以及输送方向。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S5中还包括生成通用故障，用于产生模拟的输送单一器、汇聚器、第一分配器和第二分配器、第一球阀和第二球阀、旋转桥以及第一计数器和第二计数器故障，对所述故障进行提示，并提供所述故障的应对方案。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一球容器和第二球容器均由球容器模块生成；若卸球标志关闭，则输入球输入脉冲信号，根据所述球输入脉冲信号向所述第一球容器和/或第二球容器中输入燃料球，待输入的燃料球数目达到预定数目时停止输入，并输出球存在标识；

若卸球标志打开，则输入球输入脉冲信号，根据所述球输入脉冲信号计算当前所述第一球容器和/或第二球容器中的总球数，并根据所述总球数以及预设的卸球速率计算球输出脉冲信号，且根据所述球输出脉冲信号从所述第一球容器和/或第二球容器中输出燃料球。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述卸料装置由卸料装置模块生成，所述卸料装置接收所述球输出脉冲信号，并根据所述球输出脉冲信号对所述第一球容器内容纳的燃料球进行卸料以及分离出所述破损的燃料球。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述排放管道、输送管道以及回收管道均由球流管道模块生成，且所述排放管道、输送管道以及回收管道均包括简单模式和复杂模式；所述简单模式为通过重力驱动所述燃料球从入口到出口单向流动，且流动时间为预设流动时间；所述复杂模式为根据气力输送理论驱动所述燃料球进行双向流动。

11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述输送单一器由输送单一器模块生成，所述输送单一器包括设置在所述输送单一器入口的、用于接收和释放燃料球的第一接球杯以及设置在所述输送单一器出口的、用于释放和接收燃料球的第二接球杯；

若所述第一接球杯有燃料球，则所述第一接球杯顺时针旋转，达到限位死点后在所述输送单一器的入口处释放所述第一接球杯中的燃料球，且所述燃料球被所述第二接球杯接收；

若所述第二接球杯有燃料球，则所述第二接球杯逆时针旋转，达到限位死点后在所述输送单一器的出口处释放所述第二接球杯中的燃料球，且同时所述第一接球杯接收其他燃料球。

12.一种仿真高温气冷堆燃料球系统的生成装置，其特征在于，包括：

燃料球生成模块，用于模拟生成若干完好和破损的燃料球；

球容器生成模块，用于模拟生成第一球容器，所述第一球容器容纳所述完好和破损的燃料球；

流管道模块生成模块，用于模拟生成与所述第一球容器连通的至少两条排放管道，所述排放管道将所述第一球容器中容纳的所述完好和破损的燃料球排出；

分配组件生成模块，用于模拟生成与每一所述排放管道连通的分配组件，所述分配组件用于对经所述排放管道排放出的完好和破损的燃料球进行分离；

所述流管道模块生成模块还用于模拟生成与所述分配组件连通的至少两个输送管道，其中，至少一条输送管道用于将经分离后的燃料球输送回所述第一球容器。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，还包括卸料装置生成模块，其用于生成两端分别于与所述第一球容器以及排放管道连通的卸料装置，用于对所述第一球容器内容纳的燃料球进行卸料以及分离出所述破损的燃料球，使得完好的燃料球通过所述排放管道排出。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括球阀生成模块、球路节点生成模块以及计数器生成模块，其分别用于生成设置于每一所述排放管道上的至少一个第一球阀、至少一个第一球路节点以及至少一个第一计数器；所述第一球阀和第一球路节点用于控制所述完好的燃料球的输送；所述第一计数器用于确定在每一所述排放管道内输送的完好的燃料球的数量以及输送方向。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述分配组件包括模拟生成至少两个第一分配器的分配器生成模块、用于生成旋转桥的旋转桥生成模块以及生成至少两个汇聚器的汇聚器生成模块；每一所述第一分配器一端与所述排放管道对应连通，另一端分别与所述旋转桥以及一汇聚器连通；每一所述汇聚器一端与所述输送管道对应连通，另一端分别与所述旋转桥以及与之对应的第一分配器连通；通过每一所述第一分配器的燃料球部分直接进入与所述第一分配器对应连通的汇聚器，部分通过所述旋转桥进入到其他汇聚器；每一所述汇聚器用于将经与之对应连通的所述第一分配器直接进入的部分燃料球、经其他第一分配器以及所述旋转桥进入的部分燃料球进行混合，以此来实现对于所述完好的燃料球的分配。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述球容器生成模块还生成至少两个第二球容器，以及所述球流管道模块还生成一条回收管道；每一所述输送管道一端与汇聚器对应连通，另一端与所述第二球容器对应连通，所述第二球容器用于暂存经所述汇聚器混合的燃料球；所述一条回收管道连接任意一第二球容器，形成回收支路，所述回收支路上的第二球容器内暂存的燃料球经所述回收支路输送回所述第一球容器。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括输送单一器生成模块，其用于生成输送单一器；且所述输送单一器生成模块、球阀生成模块、分配器生成模块、计数器生成模块以及球路节点生成模块分别生成设置于所述回收支路上的输送单一器、至少一个第二球阀、第二分配器、至少一个第二计数器以及至少一个第二球路节点；所述回收支路上的第二球容器与所述输送单一器、第二分配器依次设置；所述输送单一器与所述第二分配器之间设有至少一个第二计数器及至少一个第二球阀；所述第二分配器与所述第一球容器之间设有至少一个第二球路节点、至少一个第二球阀以及至少一个第二计数器；

所述输送单一器用于接收所述回收支路上的第二球容器内暂存的燃料球，并将所述燃料球送入所述回收管道，并通过所述回收管道输送回所述第一球容器内；

所述第二球阀以及第二球路节点用于控制所述燃料球的输送；所述第二计数器用于确定通过所述回收支路被输送回所述第一球容器内的燃料球的数量以及输送方向。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，还包括通用故障生成模块，用于产生模拟的输送单一器、汇聚器、第一分配器和第二分配器、第一球阀和第二球阀、旋转桥以及第一计数器和第二计数器故障，对所述故障进行提示，并提供所述故障的应对方案。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，若卸球标志关闭，则向所述球容器生成模块输入球输入脉冲信号，所述球容器生成模块根据所述球输入脉冲信号向所述第一球容器和/或第二球容器中输入燃料球，待输入的燃料球数目达到预定数目时停止输入，并输出球存在标识；

若卸球标志打开，则向所述球容器生成模块输入球输入脉冲信号，所述球容器生成模块根据所述球输入脉冲信号计算当前所述第一球容器和/或第二球容器中的总球数，并根据所述总球数以及预设的卸球速率计算球输出脉冲信号，且根据所述球输出脉冲信号从所述第一球容器和/或第二球容器中输出燃料球。

20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述卸料装置接收所述球输出脉冲信号，并根据所述球输出脉冲信号对所述第一球容器内容纳的燃料球进行卸料以及分离出所述破损的燃料球。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述排放管道、输送管道以及回收管道均包括简单模式和复杂模式；所述简单模式为通过重力驱动所述燃料球从入口到出口单向流动，且流动时间为预设流动时间；所述复杂模式为根据气力输送理论驱动所述燃料球进行双向流动。

22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述输送单一器包括设置在所述输送单一器入口的、用于接收和释放燃料球的第一接球杯以及设置在所述输送单一器出口的、用于释放和接收燃料球的第二接球杯；

若所述第一接球杯有燃料球，则所述第一接球杯顺时针旋转，达到限位死点后在所述输送单一器的入口处释放所述第一接球杯中的燃料球，且所述燃料球被所述第二接球杯接收；

若所述第二接球杯有燃料球，则所述第二接球杯逆时针旋转，达到限位死点后在所述输送单一器的出口处释放所述第二接球杯中的燃料球，且同时所述第一接球杯接收其他燃料球。