CN111312055A - 一种实体+虚拟的压水堆全工况仿真平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于核反应堆领域的一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，该平台由两套环路系统以及安全壳冷却系统、非能动堆芯冷却系统、非能动蒸汽冷却系统和分散控制系统各一套组成。每一套环路系统均包括一个封闭的一回路和对应的二回路；两套一回路系统共用非能动堆芯冷却系统；两套二回路系统共用非能动蒸汽冷却系统；分散控制系统中的控制站与各工艺系统的一次仪表相连。非能动堆芯冷却系统由一次侧非能动储水箱、一次侧余热排出热交换器、一次侧中压安注箱、一次侧高压安注箱通过管道连接压力容器组成。安全壳系统为旁置系统，一回路冷热段和主蒸汽管道分别设旁通管路引入安全壳，可模拟一回路主管道及主蒸汽管道双端断裂事故工况。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆技术领域，具体为一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台。
背景技术
随着核电技术的发展，我国核电堆型正从传统的二代反应堆转向目前大力发展的更为安全的三代反应堆，包括已经商运的AP1000、EPR，以及正在建设的具备自主知识产权的华龙一号等。尤其是AP1000和华龙一号堆型，广泛采用了非能动的安全技术来提高核电站的安全性。目前，高校相关核专业也开始传授三代反应堆的基础知识，但在相关实践教学方面仍存在明显不足，使学生难以对非能动安全系统有一个综合性的整体了解，主要表现为：1)缺乏相关的综合型实体试验台架。目前已有的部分实践教学多是利用仿真软件，使学生通过软件设置来模拟并分析对应的事故进程。学生虽然可以通过软件操作对反应堆各类工况有一个整体了解，但仍然缺乏一个比较真实的实践操作过程，难以获得真实的实践体验；同时，核电行业人才培养的实验环节具有高放射性、高危险性、高成本的特点，使得学生无法进入核电厂核心区域进行现场实践；而对于事故工况，核电厂也无法提供对应实践条件2)缺乏能够全面反映先进三代压水堆非能动技术的环节设置。即使采用上述的仿真机教学，其仍然缺乏一部分目前已用于我国华龙一号反应堆设计的二次侧非能动系统相关设置，学生无法通过软件学习并了解相关的非能动安全系统的运行。
针对这一问题，我们提出了一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，搭建一缩比试验台架，可以实现在实体台架上进行反应堆各类工况的演示教学，同时也可以完成基于实体台架的虚拟仿真，做到虚实结合，能实不虚，更能满足相关零部件的拆装教学的需求，提高学生的综合实践能力。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，其特征在于，包括：一套用于模拟反应堆的压力容器、并联的两套配置相同的回路系统、一套非能动堆芯冷却系统、一套二次侧非能动余热排出系统以及一套旁置安全壳冷却系统和控制操作平台，其中安全壳冷却系统与一套环路系统相连；在两套环路系统中，每一套均包括一个封闭的一回路和对应的二回路，两套环路系统共用一套非能动堆芯冷却系统及非能动蒸汽冷却系统；控制操作平台中的现场控制站与各类测量仪表相连；
单个一回路系统由一个蒸汽发生器、一个泵和管路组成，其中蒸汽发生器和泵通过管道与压力容器相连，而且在至少一套环路系统的一回路上安装有一台稳压器，用于调整两套环路系统中一回路的压力；
单个二环路系统由二次侧冷凝器、二次侧储水箱、二次侧循环泵、二次侧非能动冷却水箱和二次侧余热排出热交换器组成，其中二次侧余热排出热交换器设置于二次侧非能动冷却水箱内；二次侧冷凝器、二次侧储水箱、二次侧循环泵与二次侧非能动冷却水箱、二次侧余热排出热交换器之间形成并联回路，以完成二环路的正常功能及非能动冷却功能；两套环路系统共用同一个二次侧余热排出热交换器和二次侧非能动冷却水箱；
非能动堆芯冷却系统由一次侧非能动储水箱、一次侧余热排出热交换器、一次侧中压安注箱、一次侧高压安注箱通过管道连接压力容器组成，用于完成正常停堆及事故工况下堆芯的冷却功能。
所述压力容器主体的内部设有可拆装式电加热器。
在所述环路系统中，压力容器的出口、一次侧热管段、蒸汽发生器、一次侧循环泵、一次侧冷管段与压力容器的进口相连形成回路组成一次侧，蒸汽发生器的蒸汽出口、二次侧冷凝器、二次侧储水箱、二次侧给水泵和蒸汽发生器的给水入口顺序相连形成回路组成二次侧；二次侧采用蒸汽冷却系统模拟实际核电厂二回路系统，蒸汽发生器内生成的蒸汽经由主蒸汽管道流入二次侧冷凝器冷凝后，进入二次侧给水泵，由泵将冷凝水重新送回蒸汽发生器二次侧，完成二回路的正常功能。
所述蒸汽发生器的蒸汽出口还通过二次侧余热排出热交换器与所述蒸汽发生器的给水入口相连，二次侧余热排出热交换器设置于二次侧非能动冷却水箱内，构成二回路非能动余热排出系统，完成二回路的非能动冷却功能。
所述旁置安全壳冷却系统由双层安全壳、供气系统、外部的风冷及液膜冷却系统、内部的水冷壁系统以及内部的喷淋系统构成，二次侧冷凝器的入口、压力容器的出口、进口和直接注入口都与旁置安全壳冷却系统相连，用于模拟一回路主管道及主蒸汽管道双端断裂事故工况。
所述稳压器的入口管路设在一次侧热管段上，稳压器的出口接入非能动堆芯冷却系统的一次侧非能动储水箱中。
所述非能动堆芯冷却系统包括：一次侧余热排出热交换器、一次侧非能动储水箱、两个一次侧中压安注箱和两个一次侧高压安注箱，其中一次侧余热排出热交换器设置于一次侧非能动储水箱内，第一环路一次侧热管段上设有一次侧余热排出热交换器的入口管路，一次侧非能动储水箱的出口连接至一次侧注入口管路上；一次侧余热排出热交换器的出口管路与两个环路中一个蒸汽发生器下封头的冷水室相连接，一次侧余热排出热交换器、一次侧冷管段和一次侧热管段一起构成了一个非能动余热排出的自然循环回路；
两个环路的一次侧冷管段通过一次侧高压安注箱、一次侧注入口管路与压力容器的直接注入口相连，一次侧中压安注箱直接通过一次侧注入口管路与直接注入口相连。
所述控制操作平台包括：操作员站、工程师站、管理网、第一实时服务器、第二实时服务器、历史服务器、显示屏、系统网和现场控制站，其中现场控制站分别与系统网和与各类测量仪表相连，第一实时服务器和第二实时服务器都分别与系统网和管理网相连，管理网与操作员站、工程师站、历史服务器和显示屏相连。
适应仿真教学需要，设有不同操作权限和功能的两套人机交互系统，即教练员人机交互系统和人机交互系统。教练员人机交互系统可操作仿真平台中专门设置的执行器，触发一回路失水事故、蒸汽发生器传热管破裂事故等核电厂设计基准事故；并且可以设置事故触发后保护系统不动作的时间或自动保护动作的触发条件，让学员自己先手动执行保护动作，当预留时间结束而学员没有采取有效的保护动作或操作出现严重错误时，才会启用相关自动保护动作；教练员人机交互系统还可以展示正常运行过程中或事故运行过程操作员采取的动作和对应的时间，评估操作员的表现。
所属独立于堆芯主容器(旁置)的严重事故下使堆芯熔融物滞留堆内的堆外冷却系统，其通过DCS的信号采集/输出功能和数据通讯功能将堆芯熔融物堆外冷却系统的测量及控制信号远传至操作员站，用于模拟堆芯熔化后压力容器外壁的温度变化趋势。
本发明的有益效果在于：
1.全工况，全范围。本仿真平台基于先进压水堆AP1000和华龙一号设计，包含完整的一、二回路及对应的非能动系统。相对于实际核电厂只能模拟正常运行及运行瞬态工况而言，本平台可用于模拟反应堆从正常运行及运行瞬态到预计运行工况、稀有事故、极限事故及设计扩展工况等全范围内的二十余种工况，做到了工况全覆盖。
2.安全壳旁置系统布置，即一回路系统置于安全壳外，一回路冷热段和主蒸汽管道分别设旁通管路引入安全壳，可通过管道流程的实现模拟一回路主管道及主蒸汽管道双端断裂事故工况。本发明设置了与原型电厂不同旁置安全壳冷却系统，既可以完成相对应的各类运行工况，又避免了高温高压水喷淋对关键设备的腐蚀破坏，同时还可以方便地对关键设备进行调试、监控及拆装。
3.适应仿真教学需要，设有不同操作权限和功能的两套人机交互系统，即由教练员人机交互系统和人机交互系统组成的双人机交互系统。该系统即考虑了学员操作界面的真实感，又提供了独特的教练员事故触发和操作评价功能，专门设置的控制\保护系统延迟投入功能，可训练和评价事故情况下，操作员应急处理能力。操纵员人机交互系统参考了国内某三代核电厂主控室操作员站设计，具有多屏操作终端和大屏系统，人机界面采用核电厂DCS系统实现。
4.控制系统采用核电厂实际DCS系统，主控室仿照核电厂主控室设计和布置。DCS系统的高可靠性保证了实验系统的运行安全；由于DCS系统与核电厂的一致性，不仅提升了仿真效果，而且通过DCS系统的工程师站、历史数据库相关软件，可以分析仿真瞬态过程和仿真学员操作情况。
5.设置了两种类型的事故余热排出系统，即基于一次侧非能动储水箱的一回路余热排出系统和基于安全壳外挂水箱的二次侧非能动余热排出系统。阀门系统和管道流程两套系统可自由组合选择。
6.设置了独立于堆芯主容器(旁置)的严重事故下使堆芯熔融物滞留堆内的堆外冷却系统，可模拟堆芯熔化后压力容器外壁的温度变化趋势。
7.基于堆芯热传输实物模拟，堆芯中子动力学计算机虚拟实现了较为完美反应堆热核耦合动力学“实体+虚拟”仿真，有效拓展了模拟的范围。能模拟大部分反应性引入事故(如弹棒\ 掉棒事故、主蒸汽管道破裂事故)、反应性反馈效应、中子毒物效应，可全面深化学员对反应堆动力学的理解，尤其是对反应堆安全运行影响很大的中子动力学效应，如碘坑、氙振荡。
8.采用蒸汽冷却系统模拟实际核电厂二回路系统，去除了实际核电厂的汽轮机等部件，使二回路系统得到了极大的简化。
附图说明
图1为本发明一种“实体+虚拟”的先进压水堆全工况仿真教学平台实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中控制系统的结构示意图。
其中：
1～压力容器，4～稳压器，5～一次侧非能动储水箱，6～一次侧余热排出热交换器，12～二次侧非能动冷却水箱，13～二次侧余热排出热交换器，2-1～第一环路蒸汽发生器，2-2～第二环路侧蒸汽发生器，3-1～第一环路一次侧循环泵，3-2～第二环路一次侧循环泵，7-1～第一环路一次侧中压安注箱，7-2～第二环路一次侧中压安注箱，8-1～第一环路一次侧高压安注箱，8-2～第二环路一次侧高压安注箱，9-1～第一环路二次侧冷凝器，9-2～第二环路二次侧冷凝器，10-1～第一环路二次侧储水箱，10-2～第二环路二次侧储水箱，11-1～第一环路二次侧给水泵，11-2～第二环路二次侧给水泵，14-1～操作员站，14-2～工程师站，14-3～管理网，14-4～第一实时服务器， 14-5～第二实时服务器，14-6～历史服务器，14-7～显示屏，14-8～系统网，14-9～现场控制站，15- 堆芯熔融物堆外冷却系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的本发明实施例，包括：一套用于模拟反应堆的压力容器1、并联的两套配置相同的环路系统、一套非能动堆芯冷却系统、一套二次侧非能动余热排出系统以及一套旁置安全壳冷却系统14和控制操作平台；安全壳冷却系统14与一套环路系统相连；在两套环路系统中，每一套均包括一个封闭的一环路和对应的二环路，两套环路系统共用一套非能动堆芯冷却系统；
单个一环路系统由一个蒸汽发生器、一个泵和管道组成，其中蒸汽发生器和泵通过管道与压力容器相连，而且在至少一套环路系统的一环路上安装有一台稳压器4，用于调整整个一回路的压力；
单个二环路系统由二次侧冷凝器、二次侧储水箱、二次侧循环泵、二次侧非能动冷却水箱12和二次侧余热排出热交换器13组成，其中二次侧余热排出热交换器13设置于二次侧非能动冷却水箱内12；二次侧冷凝器、二次侧储水箱、二次侧循环泵与二次侧非能动冷却水箱12、二次侧余热排出热交换器13之间形成并联回路，以完成二环路的正常功能及非能动冷却功能；两套环路系统共用同一个二次侧余热排出热交换器13和二次侧非能动冷却水箱12。
非能动堆芯冷却系统由一个一次侧非能动储水箱5、一个一次侧余热排出热交换器6、两个一次侧中压安注箱、两个一次侧高压安注箱通过管道连接压力容器组成，用于完成正常停堆及事故工况下堆芯的冷却功能。设置的独立于堆芯主容器(旁置)的严重事故下使堆芯熔融物滞留堆内的堆芯冷却系统，通过控制逻辑实现可实现模拟堆芯熔化后压力容器外壁的温度变化趋势。
压力容器1的第一进口和第二进口之间、压力容器1的第一出口和第二出口之间以及压力容器1的一环路直接注入口和二环路直接注入口之间是并联关系，在工作时的初始数值都相同。
在本实施例中，压力容器1主体的内部还设有可拆装式电加热器，用以提供一定的加热功率。
具体在本实施例的第一套环路系统中，
压力容器1的第一出口与第一环路一次侧热管段、第一环路蒸汽发生器2-1、第一环路一次侧循环泵3-1、第一环路一次侧冷管段与压力容器1的第一进口相连形成回路组成一次侧，第一环路蒸汽发生器2-1的蒸汽出口与第一环路二次侧冷凝器9-1、第一环路二次侧储水箱10-1、第一环路二次侧给水泵11-1和第一环路蒸汽发生器2-1的给水入口顺序相连形成回路组成二次侧；二次侧和非能动堆芯冷却系统共同构成了两种类型的事故余热排出系统，即基于一次侧非能动储水箱的一回路余热排出系统和基于二次侧非能动冷却水箱的二次侧非能动余热排出系统。两套系统可自由组合选择。
第一环路一次侧热管段上，设有稳压器4的入口管路，稳压器4的出口接入非能动堆芯冷却系统的一次侧非能动储水箱5中；
第一环路蒸汽发生器2-1的蒸汽出口还通过二次侧余热排出热交换器13与第一环路蒸汽发生器2-1的给水入口相连，二次侧余热排出热交换器13设置于二次侧非能动冷却水箱12内；二次侧余热排出热交换器13与第一环路二次侧冷凝器9-1并联；二次侧余热排出热交换器13、第一环路二次侧储水箱10-1、第一环路二次侧给水泵11-1与二次侧非能动冷却水箱12、二次侧余热排出热交换器13分别形成并联回路，以完成二环路的正常功能，其中蒸汽发生器的蒸汽出口还通过二次侧余热排出热交换器13与蒸汽发生器的给水入口相连，以构成二回路非能动余热排出系统，完成二回路的非能动冷却功能。
具体在本实施例的第二套环路系统中，
压力容器1的第二出口与第二环路一次侧热管段、第二环路侧蒸汽发生器2-2、第二环路一次侧循环泵3-2、第二环路一次侧冷管段与压力容器1的第二进口相连形成回路组成一次侧，
第二环路一次侧热管段上，设有一次侧余热排出热交换器6的入口管路和一台稳压器4 的入口管路，一台稳压器4的出口接入一次侧非能动储水箱5中，一次侧非能动储水箱5的出口连接至一次侧注入口管路上；
第二环路侧蒸汽发生器2-2的蒸汽出口与第二环路二次侧冷凝器9-2、第二环路二次侧储水箱10-2、第二环路二次侧给水泵11-2和第二环路侧蒸汽发生器2-2的给水入口顺序相连形成回路组成二次侧；
第二环路侧蒸汽发生器2-2的蒸汽出口还通过二次侧余热排出热交换器13与第二环路侧蒸汽发生器2-2的给水入口相连，二次侧余热排出热交换器13设置于二次侧非能动冷却水箱 12内；二次侧余热排出热交换器13与第二环路二次侧冷凝器9-2并联；二次侧余热排出热交换器13、第二环路二次侧储水箱10-2、第二环路二次侧给水泵11-2与二次侧非能动冷却水箱 11、二次侧余热排出热交换器13分别形成并联回路，以完成二环路的正常功能及非能动冷却功能。
本实施例的非能动堆芯冷却系统由一次侧余热排出热交换器6、一次侧非能动储水箱5、第一环路一次侧中压安注箱7-1、第一环路一次侧高压安注箱8-1、第二环路一次侧中压安注箱7-2和第二环路一次侧高压安注箱8-2组成，其中第一环路一次侧冷管段通过第一环路一次侧高压安注箱8-1、一次侧注入口管路与压力容器1的第一环路直接注入口相连，第一环路一次侧中压安注箱7-1直接通过一次侧注入口管路与压力容器1的第一环路直接注入口相连；第二环路一次侧冷管段通过第二环路一次侧高压安注箱8-2、一次侧注入口管路与压力容器1的第二环路直接注入口相连，第二环路一次侧中压安注箱7-2直接通过一次侧注入口管路与压力容器1的第二环路直接注入口相连；
一次侧余热排出热交换器6设置于一次侧非能动储水箱5内，第一环路一次侧热管段上设有一次侧余热排出热交换器6的入口管路，一次侧非能动储水箱5的出口连接至一次侧注入口管路上；一次侧余热排出热交换器6的出口管路与第一环路蒸汽发生器2-1下封头的冷水室相连接，一次侧余热排出热交换器6、两个环路的一次侧冷管段和两个一次侧热管段一起构成了一个非能动余热排出的自然循环回路；在非LOCA事故工况下，一次侧余热排出热交换器6 将应急排出压力容器1内的热量；非能动堆芯冷却系统用于完成正常停堆及事故工况下堆芯的冷却功能。
基于上述两种类型的事故余热排出系统，即基于内置换料水箱的一回路余热排出系统和基于二次侧非能动冷却水箱的二次侧非能动余热排出系统，可依据需要通过对应阀门操作自由组合选择。
本实施例的旁置安全壳冷却系统14由双层安全壳、供气系统、外部的风冷及液膜冷却系统、内部的水冷壁系统以及内部的喷淋系统构成，第一环路二次侧冷凝器9-1的入口、压力容器1的第一出口、压力容器1的第一进口和压力容器1的一环路直接注入口都与旁置安全壳冷却系统14相连，在事故工况下，可以从相关破口位置(一次侧冷段、热段、过渡段及二次侧蒸汽管道)引出一条管道至安全壳，使高温高压介质喷放至安全壳内，模拟对应的安全壳相关事故进程及安全壳非能动冷却功能。
本实施例中设有一套独立设置的堆芯熔融物堆外冷却系统15，其通过DCS的信号采集/ 输出功能和数据通讯功能将堆芯熔融物堆外冷却系统的测量及控制信号远传至操作员站 (14-1)，用于模拟堆芯熔化后压力容器外壁的温度变化趋势。
如图2所示的控制操作平台包括：操作员站14-1、工程师站14-2、管理网14-3、第一实时服务器14-4、第二实时服务器14-5、历史服务器14-6、显示屏14-7、系统网14-8和现场控制站14-9，其中现场控制站14-9分别与系统网14-8和与各类测量仪表相连，以实时测量对应点处的压力、流量、温度、水位；第一实时服务器14-4和第二实时服务器14-5都分别与系统网14-8和管理网14-3相连，管理网14-3上还连接有操作员站14-1、工程师站14-2、历史服务器14-6和显示屏14-7。
在本实施例中，各类测量仪表具体为：稳压器4、一次侧余热排出热交换器6、二次侧余热排出热交换器13、第一环路蒸汽发生器2-1、第二环路侧蒸汽发生器2-2、第一环路一次侧循环泵3-1、第二环路一次侧循环泵3-2、第一环路二次侧冷凝器9-1、第二环路二次侧冷凝器 9-2、第一环路二次侧给水泵11-1和第二环路二次侧给水泵11-2上设有的压力表、流量计和温度表，一次侧非能动储水箱5、二次侧非能动冷却水箱12、第一环路一次侧中压安注箱7-1、第二环路一次侧中压安注箱7-2、第一环路一次侧高压安注箱8-1、第二环路一次侧高压安注箱8-2、第一环路二次侧储水箱10-1和第二环路二次侧储水箱10-2上设有压力表、温度表和水位器。
控制操作平台的操作员站14-1、工程师站14-2、第一实时服务器14-4、第二实时服务器 14-5和现场控制站14-9中还包括对应的仿真软件，在操作实验台架监测事故运行的同时，也可以根据一回路实物模拟系统各稳态工况参数和参考核电厂对应工况参数的对应关系，基于分布式控制系统(DCS)的SAMA图组态软件，实现一回路实物模型系统运行参数到参考核电厂对应参数的映射，并在DCS人机界面上呈现虚化后的参数，做到虚实结合。
在工程师站14-2上的人机界面组态软件上分别针对教练员和学员设计两套不同操作权限和功能的人机界面，并将上述界面文件传送至操作员站14-1实现教练员人机交互系统和操纵员人机交互系统。然后在工程师站14-2上的控制系统和保护系统对应的模拟图和逻辑图中引入操作员对控制系统自动调节动作和保护系统自动触发的延时执行功能，并将上述模拟图和逻辑图下装到现场控制站14-9，从而实现了事故后学员手动操作，若达到指定时间后若学员未采取操作或操作错误，正确的控制或保护动作会自动投入。另外，在工程师站14-2上的控制系统和保护系统对应的模拟图和逻辑图中引入事故触发相关执行器的闭锁功能，并将上述模拟图和逻辑图下装到现场控制站14-9，使学员人机交互系统不可触发事故。在工程师站14-2上数据库软件中，定义学员操作记录相关数据点，通过第一实时服务器14-4、第二实时服务器14-5 和历史服务器14-6存储这些数据，再通过在教练员使用的操作员站14-1上浏览这些数据实现对学员操作的评阅功能。最后，利用控制系统的算法和逻辑组态功能和电加热系统功率调节功能，实现了对堆芯反应性控制、反应性反馈效应及反应性引入事故的模拟。根据参考堆型的控制棒微分价值曲线、反应性温度反馈参数、中子动力学参数等，在DCS组态软件上通过功能块实现点堆动力学方程和反应性方程。在运行时，基于可测的电加热棒功率、堆芯进出口温度、电加热棒壁温等信号在线实时计算总反应性、反应堆功率、氙浓度等，并可根据反应堆功率计算值输出控制指令改变电加热器功率。从而实现了堆芯热传输的实物模拟，堆芯中子动力学的虚拟，做到了堆芯仿真的真正虚实结合。
在工程师站14-2上的数据库软件上定义控制棒棒位、反应性、氙浓度等虚拟物理量，然后根据反应性反馈、中子毒物效应相关动力学方程，构建对应的模拟图，并将模拟图下装到现场控制站14-9实现对反应堆中子动力学的实时仿真；并通过现场控制站14-9的模拟量输入卡获取电加热棒壁温、冷却剂温温度、电加热系统电功率等物理参数，通过模拟量输出卡给出电热器功率调节指令，并对应更改实时数据库第一实时服务器14-4和第二实时服务器14-5上控制棒棒位、反应性、氙浓度等虚拟参数，实现了对堆芯反应性控制、反应性反馈效应及反应性引入事故的模拟。
实验时，压力容器1内生成的热量经热管段送至蒸汽发生器，经过传热交换后，一次侧循环泵驱动低温水重新流入压力容器1；二次侧生成的蒸汽则由冷凝器冷凝成冷凝水后，由给水泵送回蒸汽发生器二次侧给水接管，形成循环，完成二回路的正常功能，二次侧采用蒸汽冷却系统模拟实际核电厂二回路系统。
在非LOCA事故工况下，一次侧余热排出热交换器6将应急排出压力容器1内的热量。一次侧余热排出热交换器6的入口管线与一次侧热管段连接，出口管线与蒸汽发生器下封头的冷水室相连接，与冷、热管段一起构成了一个非能动余热排出的自然循环回路。
在LOCA事故下，一次侧非能动安全注入系统动作流程为：压力下降到给定值时，一次侧高压安注箱通过连接管线向压力容器1注水，压力继续下降到一定程度时由一次侧中压安注箱继续向压力容器1注水，中压安注箱低水位时由一次侧非能动储水箱5继续提供冷却水源。
在堆芯熔融事故下，通过独立于堆芯主容器(旁置)的堆芯熔融物堆外冷却系统15进行严重事故下使堆芯熔融物滞留堆内的堆芯冷却系统的实验，可采集相关温度信号，并通过DCS 的信号采集/输出功能和数据通讯功能将堆芯熔融物堆外冷却系统15的测量及控制信号远传至操作员站14-1，用于模拟堆芯熔化后压力容器外壁的温度变化趋势。
操控人员一方面通过远程控制的工程师站14-2选择不同的运行工况或事故状态，使实体台架实时演化各类进程。同时，设置于实体台架(现场控制站14-9)相关位置的各类测量仪表实时测量对应点处的压力、流量、温度、水位等相关热工参数，并远传至工程师站14-2，在显示屏14-7上实时显示。操控人员可以实时监控各类工况，必要时对事故进程进行干预或结束。这个过程称为实体仿真。另一方面，操控人员也可基于实际实验数据，通过分散控制系统的算法和逻辑组态功能，将对应数据映射到实际核电厂相关工况的运行数据，便于对原型电厂现象的模拟；这个过程称为虚拟仿真。本仿真平台可以实现“实体+虚拟”仿真的结合。
控制操作平台中设有不同操作权限和功能的两套人机交互系统以适应仿真教学需要，操纵员人机交互系统和教练员人机交互系统。操纵员人机交互系统参考了国内某三代核电厂主控室操作员站设计，具有多屏操作终端和大屏系统，人机界面采用核电厂DCS软件实现，在硬件配置和界面设计上都非常接近核电厂操作员站；教练员人机交互系统除所有常规操作功能外，还具有故障加入\解除、控制系统手\自动切换、保护系统切除\投入、操作员操作记录审阅和评分等功能。通过设置两套交互系统，既保证了模拟的保真度，又满足了仿真培训的各项要求，尤其是便于考察操作员手动操作水平和故障加入后的应对能力。
本实施例解决了实际核电厂不能模拟事故工况开展培训的困难，用于模拟反应堆从正常运行、运行瞬态事件、稀有事故、极限事故及设计扩展事故等二十余种工况，具体特征表现为： 1)适应仿真教学需要，设有不同操作权限和功能的两套人机交互系统，即教练员控制系统和操纵员控制系统；2)设置了两种类型的事故余热排出系统，即基于一次侧非能动储水箱的一回路余热排出系统和基于二次侧非能动冷却水箱的二回路非能动余热排出系统。两套系统可自由组合选择；3)设置了独立于堆芯主容器(旁置)的严重事故下使堆芯熔融物滞留堆内的堆外冷却系统，可模拟堆芯熔化后压力容器外壁的温度变化趋势；4)利用分散控制系统的算法和逻辑组态功能以及电加热系统的功率调节，实现了对堆芯反应性控制、反应性反馈效应及反应性引入事故的模拟；5)采用蒸汽冷却系统模拟实际核电厂二回路系统。
Claims (10)
1.一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，其特征在于，包括：一套用于模拟反应堆的压力容器(1)、并联的两套配置相同的回路系统、一套非能动堆芯冷却系统、一套二次侧非能动余热排出系统以及一套旁置安全壳冷却系统(14)和控制操作平台，其中安全壳冷却系统(14)与一套环路系统相连；在两套环路系统中，每一套均包括一个封闭的一回路和对应的二回路，两套环路系统共用一套非能动堆芯冷却系统及非能动蒸汽冷却系统；控制操作平台中的现场控制站(14-9)与各类测量仪表相连；
单个一回路系统由一个蒸汽发生器、一个泵和管路组成，其中蒸汽发生器和泵通过管道与压力容器相连，而且在至少一套环路系统的一回路上安装有一台稳压器(4)，用于调整两套环路系统中一回路的压力；
单个二环路系统由二次侧冷凝器、二次侧储水箱、二次侧循环泵、二次侧非能动冷却水箱(12)和二次侧余热排出热交换器(13)组成，其中二次侧余热排出热交换器(13)设置于二次侧非能动冷却水箱内(12)；二次侧冷凝器、二次侧储水箱、二次侧循环泵与二次侧非能动冷却水箱(12)、二次侧余热排出热交换器(13)之间形成并联回路，以完成二环路的正常功能及非能动冷却功能；两套环路系统共用同一个二次侧余热排出热交换器(13)和二次侧非能动冷却水箱(12)；
非能动堆芯冷却系统由一次侧非能动储水箱(5)、一次侧余热排出热交换器(6)、一次侧中压安注箱、一次侧高压安注箱通过管道连接压力容器(1)组成，用于完成正常停堆及事故工况下堆芯的冷却功能。
2.根据权利要求1所述的一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，其特征在于，所述压力容器(1)主体的内部设有可拆装式电加热器。
3.根据权利要求1所述的一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，其特征在于，在所述环路系统中，压力容器的出口、一次侧热管段、蒸汽发生器、一次侧循环泵、一次侧冷管段与压力容器的进口相连形成回路组成一次侧，蒸汽发生器的蒸汽出口、二次侧冷凝器、二次侧储水箱、二次侧给水泵和蒸汽发生器的给水入口顺序相连形成回路组成二次侧；二次侧采用蒸汽冷却系统模拟实际核电厂二回路系统，蒸汽发生器内生成的蒸汽经由主蒸汽管道流入二次侧冷凝器冷凝后，进入二次侧给水泵，由泵将冷凝水重新送回蒸汽发生器二次侧，完成二回路的正常功能。
4.根据权利要求3所述的一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，其特征在于，所述蒸汽发生器的蒸汽出口还通过二次侧余热排出热交换器(13)与蒸汽发生器的给水入口相连，二次侧余热排出热交换器(13)设置于二次侧非能动冷却水箱(12)内，构成二回路非能动余热排出系统，完成二回路的非能动冷却功能。
5.根据权利要求1所述的一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，其特征在于，所述旁置安全壳冷却系统(14)由双层安全壳、供气系统、外部的风冷及液膜冷却系统、内部的水冷壁系统以及内部的喷淋系统构成，二次侧冷凝器的入口、压力容器(1)的出口、进口都与旁置安全壳冷却系统(14)相连，用于模拟一回路主管道及主蒸汽管道双端断裂事故工况。
6.根据权利要求1所述的一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，其特征在于，所述稳压器(4)的入口管路设在一次侧热管段上，稳压器(4)的出口接入非能动堆芯冷却系统的一次侧非能动储水箱(5)中。
7.根据权利要求1所述的一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，其特征在于，所述非能动堆芯冷却系统包括：一次侧余热排出热交换器(6)、一次侧非能动储水箱(5)、两个一次侧中压安注箱和两个一次侧高压安注箱，其中一次侧余热排出热交换器(6)设置于一次侧非能动储水箱(5)内，第一环路一次侧热管段上设有一次侧余热排出热交换器(6)的入口管路，一次侧非能动储水箱(5)的出口连接至一次侧注入口管路上；一次侧余热排出热交换器(6)的出口管路与两个环路中一个蒸汽发生器下封头的冷水室相连接，一次侧余热排出热交换器(6)、一次侧冷管段和一次侧热管段一起构成了一个非能动余热排出的自然循环回路；
两个环路的一次侧冷管段通过一次侧高压安注箱、一次侧注入口管路与压力容器(1)的直接注入口相连，一次侧中压安注箱直接通过一次侧注入口管路与直接注入口相连。
8.根据权利要求1所述的一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，其特征在于，所述控制操作平台包括：操作员站(14-1)、工程师站(14-2)、管理网(14-3)、第一实时服务器(14-4)、第二实时服务器(14-5)、历史服务器(14-6)、显示屏(14-7)、系统网(14-8)和现场控制站(14-9)，其中现场控制站(14-9)与系统网(14-8)相连，第一实时服务器(14-4)和第二实时服务器(14-5)都分别与系统网(14-8)和管理网(14-3)相连，管理网(14-3)与操作员站(14-1)、工程师站(14-2)、历史服务器(14-6)和显示屏(14-7)相连。
9.根据权利要求8所述的一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，其特征在于，所述工程师站(14-2)上分别针对教练员和学员设计两套不同操作权限和功能的人机界面，并在操作员站(14-1)实现教练员人机交互系统和操纵员人机交互系统；在工程师站(14-2)上根据反应性反馈、中子毒物效应相关动力学方程，构建对应的模拟图，并将模拟图下装到现场控制站(14-9)实现对反应堆中子动力学的实时仿真；并结合电加热系统功率控制、电加热棒壁温和冷却剂温测量，实现了对堆芯反应性控制、反应性反馈效应及反应性引入事故的模拟。
10.根据权利要求1所述的一种“实体+虚拟”的压水堆全工况仿真平台，其特征在于，所述仿真平台设置了一套独立于压力容器(1)的堆芯熔融物堆外冷却系统(15)，其通过DCS的信号采集/输出功能和数据通讯功能将堆芯熔融物堆外冷却系统(15)的测量及控制信号远传至操作员站(14-1)，用于模拟堆芯熔化后压力容器外壁的温度变化趋势。
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