Содержание к диссертации
Введение
1 Основные характеристики моделей физических процессов, систем и оборудования энергоблока АЭС 15
1.1 Общие требования к динамическим моделям 15
1.2 Комплекс моделей энергоблока с ЯЭУ 16
1.3 Особенности математических моделей теплового оборудования энергоблока 19
2 Модели физических процессов и оборудования 25
2.1 Нейтронно-физическая модель активной зоны реакторной установки 25
2.2 Моделирование двухфазных систем 31
2.3 Модель для расчета однофазных трубопроводных сетей 34
2.4 Модель турбины 39
2.5 Динамическая модель конденсатора 41
2.6 Моделирование аварий с течью в контейнмент АЭС 47
2.7 Модель эжектора 51
2.8 Моделирование динамики синхронных машин 56
2.9 Моделирование энергетической системы 65
3 Программные инструменты для разработки динамических моделей энергоблоков 68
3.1 Интегрированной среды разработки моделей 70
3.2 Описание программной архитектуры среды разработки моделей 71
3.3 Программные инструменты для создания моделей технологических систем энергоблока 75
3.4 Исходные данные, требования к полноте и достаточности данных 79
4. Применение моделей динамических процессов, систем и оборудования для описания поведения энергоблоков разных типов 81
4.1 Моделирование активной зоны реактора типа PWR 81
4.2 Моделирование динамики технологических систем 88
4.3 Особенности моделирования энергоблоков различных типов. Энергоблоки АЭС 99
4.4 Другие применения динамических моделей 105
Заключение 109
Литература 111
Приложения...
- Комплекс моделей энергоблока с ЯЭУ
- Моделирование двухфазных систем
- Описание программной архитектуры среды разработки моделей
- Моделирование динамики технологических систем
Введение к работе
В соответствии с перечнем перспективных научных исследований и критических технологий, сформулированных Министерством науки и образования РФ, ядерные технологии в настоящий момент имеют первостепенное значение.
Крупные техногенные аварии на АЭС «Три-Майл-Айлендс» США (29.03.79) и на Чернобыльской АЭС (26.04.86) заставили пересмотреть уровень требований к безопасности АЭС, на которые должны ориентироваться ядерные энергетические установки. Современная техническая политика в области безопасности АЭС основывается на том, что дополнительные затраты на предотвращение крупных аварий более эффективны, чем экономические потери при ликвидации таких аварий. Это означает, что атомная энергетика должна развиваться в условиях приемлемого риска, не превышающего по возможным последствиям риски, связанные с неядерными технологиями.
Необходимый уровень безопасности эксплуатации АЭС на всех режимах работы обеспечивается как техническими средствами, так и высокими требованиями к организации работ и квалификации эксплутационного персонала. Последнее обстоятельство ставит важнейшую проблему обеспечения безопасности эксплуатации АЭС - оптимизацию сочетания автоматизации и человеческого фактора. Суть ее состоит в том, что даже при безупречно работающей автоматике отсутствие глубокого понимания оператором механизмов протекания реальных технологических процессов может привести к авариям из-за ошибочной оценки развития событий, на которые могут быть не рассчитаны средства автоматики [1].
В этой связи практически во всех странах, в которых используются ядерные технологии, был взят курс на разработку средств и методов анализа протекания технологических процессов энергоблока ЯЭУ, для использования в проектных проработках и для тренажеров, которые позволяют улучшить теоретическую и практическую подготовку оперативного персонала [2].
5 Поэтому тема диссертации, связанная с разработкой новых вычислительных комплексов программ, моделирующих в режиме реального времени работу всех основных систем и оборудования энергоблока, тесно связана с обеспечением безопасной эксплуатации энергоблоков АЭС и, исходя из вышесказанного, является весьма актуальной.
Цель работы состоит в создании комплекса моделей и программ, позволяющих проводить анализ поведения существующих и проектируемых энергоблоков в реальном масштабе времени в нормальных и аварийных режимах для обеспечения безопасного регламента эксплуатации, а также использовать в имитаторах и тренажерах для поддержания квалификации оперативного персонала действующих энергоблоков.
Для достижения этих целей решены следующие задачи:
разработана концепция построения среды моделирования;
создан комплекс нейтронно-физических, теплогидравлических, электрических, логико-динамических моделей реального времени систем и оборудования АЭС;
разработаны программные инструменты контроля и управления и представления технологической информацией модели энергоблока с ЯЭУ;
разработаны программные инструменты для создания динамических моделей систем и оборудования энергоблока с ЯЭУ;
выполнено тестирование моделей путем сравнения с расчетными кодами, экспериментальными данными и проектными расчетами.
Содержание диссертации представлено в четырех главах и заключении.
В первой главе рассмотрен комплекс моделей и концепция их построения. Автором предложена концепция построения программной среды моделирования динамических процессов их контроля и управления, комплекса программных инструментов, включающего математические модели
реального времени, программные средства контроля и управления моделями, инструменты разработки моделей их применение при проектировании энергоблоков, в аналитических тренажерах и имитаторах [3-8].
Концепция основана на изучении реальных потребностей анализа безопасности, потребностей при проектировании энергоблоков, действий оперативного персонала АЭС [9,10] и содержит требования к комплексу взаимосвязанных динамических моделей:
режим реального времени;
моделирование всего спектра технологических систем, их взаимосвязей и влияния друг на друга;
полное моделирование систем контрольно-измерительных приборов и аппаратуры;
моделирование режимов нормальной эксплуатации, режимов с нарушением нормальной эксплуатации, аварийных режимов, максимальной проектной аварии;
модель удобного графического интерфейса для управления.
В концепции представлены также требования к математическим моделям. Автором или с участием автора разработаны адекватные математические модели основных процессов и оборудования, в которых были учтены следующие требования:
математические модели должны обеспечивать реальное время -используются упрощения на уровне, адекватном поставленной задаче;
всережимность - модель создается не только для номинального режима, как в моделях проектных расчетов, но также для работы во всех переходных и аварийных режимах;
устойчивость при любых изменениях параметров связанных систем и входных параметрах - обеспечивается применением двух методов линеаризацией 1 и 2 порядка, и блоков сглаживания возмущений от соседних систем;
наличие двух шагов по времени - автоматический выбор внутреннего шага для обеспечения счета от числа Куранта и большой шаг выдачи параметров на другие модели;
точность моделирования, удовлетворяющая стандартам и не хуже, чем - 1% от точности измерения технологического канала для параметров, важных для безопасности и 2 % для остальных параметров.
Эти противоречивые требования удалось реализовать за счет создания специального комплекса моделей, способных точно описывать поведение моделируемого объекта и работать в реальном масштабе времени. При этом всегда существует компромисс между возможностями вычислительной техники и желанием повышать точность расчетов и учитывать все большее количество факторов, влияющих на поведение объекта моделирования. Новые возможности вычислительной техники вели за собой создание новых моделей и расчетных кодов.
В большинстве случаев неисправность или авария на энергоблоке проявляется в отклонениях теплофизических параметров. Поэтому возможности динамических моделей энергетических установок ограничены моделями прежде всего теплофизического оборудования. Рост производительности ЭВМ позволил ослабить эти ограничения за счет применения более точных моделей, близких к прецизионным расчетным, но учитывающих специфику динамических моделей - расчет в реальном времени.
Во второй главе дано описание моделей важнейших физических процессов, а также методов моделирования. Здесь представлены нейтронно-физическая модель активной зоны реактора, одно и двухфазные модели теплоносителя, динамические модели турбины, конденсатора, эжектора, гермозоны, модели динамики синхронных машин, модель энергосистемы на которую работает энергоблок.
Автором предложен и реализован метод быстрого расчета свойств с использованием заранее рассчитанных теплофизических характеристик, представленных в специальных таблицах, и выбора необходимых параметров путем интерполяции. Это сократило время расчета почти в десять раз по
8 сравнению с расчетом характеристик полиномами в итерациях внутри моделей. Термодинамические производные также оказалось лучше представлять в виде таблиц и при необходимости интерполировать, так как численный расчет правыми или левыми разностями приводит к ошибкам иногда к существенным или даже к смене знака в области линии насыщения.
Такой же интерполяционный метод с заранее подготовленными таблицами макросечений позволил быстро и с необходимой точностью рассчитывать изменения эффективного коэффициента реактивности, что позволило реализовать режим реального времени.
В главе представлены данные по созданию комплекса моделей, включающих модели процессов, систем и оборудования. Технологические системы АЭС моделируются при помощи сетевых моделей на основе уравнений сохранения, используя в качестве переменных давление, расход и энтальпию.
Разработаны математические модели из 3 уравнений для проточной части турбины, проводящие расчет планов скоростей ступеней турбины в динамике [51]. Разработана универсальная нестационарная двухфазная модель теплообменника для подогревателей высокого и низкого давления [49,52], модель конденсатора [25], несколько моделей разной степени сложности для баков с водой и водой и неконденсирующимся газом, модель компенсатора давления, основанная на термодинамическом неравновесном представлении процессов, модель градирни и другие.
Вариант сетевой модели для анализа переходных процессов рассчитывает двумерные нестационарные температурные поля в стенках трубопроводов с применением современных быстрых численных методов. Версия сетевой теплогидравлической модели активной зоны включает модель двумерного нестационарного расчета температурного поля в твэле, на основе полей энерговыделения из трехмерного нестационарного нейтронно -физического расчета.
Трудным для моделирования, по причине физической неустойчивости, является теплообмен в условиях вакуума, в присутствии неконденсирующегося
9 газа. Проведенный анализ позволил преодолеть причину неустойчивости моделей и получить в переменных давление - энтальпия устойчивую модель конденсатора, в том числе рассчитать режим срыва вакуума [25].
Для моделирования реакторов создана комплексная нейтронно-физическая и тепло-гидравлическая модель активной зоны [18]. Пространственное распределение нейтронного потока, как правило, в двух энергетических групп находится решением динамических уравнений переноса в рамках диффузионного приближения. Все обратные связи учитываются перерасчетом макросечений, используя подход предложенный автором, создать заранее насчитанную библиотеку макроконстант. Тепло-гидравлическая часть рассчитывает распределение температур топлива и теплоносителя по высоте в каждой кассете.
Моделируются физические процессы и учитывается следующее: трехмерный нейтронный поток; трехмерное изменение параметров теплоносителя (включая изменение фазы); трехмерное изменение температур топлива; изменение положения органов управления; трехмерное поведение полей шести групп запаздывающих нейтронов и ядер предшественников; трехмерное распределение в трех группах остаточного энерговыделения; трехмерное отравление, включая моделирование изменения концентрации ядер J, Хе, Рт и Sm; пространственное распределение выгорания; концентрацию бора в теплоносителе.
Все модели объединяет один общий подход - это преимущественно всережимные модели, работающие в реальном времени, с повышенной устойчивостью к отклонению входных параметров. Модели работают на больших временных шагах - от 0,5 до 2 и более секунд, поэтому некоторые из моделей, для обеспечения устойчивости, делают несколько внутренних итераций или малых шагов.
В главе 3 описаны программные инструменты для разработки динамических моделей энергоблоков и требования к полноте исходных данных.
Создание сложных программно-технических комплексов для моделирования динамических процессов энергоблока за разумный промежуток
10 времени невозможно без специальных инструментов. Создана интегрированная среда разработки моделей, которая работает под управлением ОС семейства Windows и позволяет создавать динамические модели технологических систем различной степени сложности [6,11,62]. Использование интегрированной среды разработки моделей позволяет автоматизировать процесс разработки моделей технологических систем, что не только ускоряет и упрощает разработку, но и снижает риск ошибок, совершаемых разработчиком при выполнении рутинных операций.
При создании программного комплекса для разработки моделей технологических систем энергоблока удалось решить следующие задачи:
создать модели технологических систем любой конфигурации и степени сложности;
автоматизировать процесс разработки и интеграции моделей в единый комплекс;
создать комплексы моделей реализующие распределенные вычисления, кластерные системы;
использовать единую реляционной базу данных для хранения всей информации по моделям;
иметь удобный для создания моделей интерфейс;
использовать средства отладки и мониторинга работы моделируемого технологического комплекса;
вести разработку моделей технологических систем нескольким пользователям одновременно;
работать в наиболее распространенной ОС Windows.
Разработка моделей технологических систем при помощи программных инструментов выполняется методом "визуального программирования", когда разработчик с помощью манипулятора мышь размещает на рабочем поле графические изображения базовых элементов схемы, связывает их между собой и задает их внутренние параметры, при этом все необходимые связи между моделями отдельных объектов устанавливаются автоматически. Затем, созданная технологическая схема тестируется в автономном и комплексном
режимах. В ходе тестирования разработчик может контролировать все параметры работы схемы.
При помощи программных инструментов можно создавать динамические модели для следующих технологических типов систем реального энергоблока: теплогидравлические системы; электроэнергетические системы; системы КИПиА; человеко-машинный интерфейс.
В главе 4 описаны примеры практического применения динамических моделей реального времени при проектировании имитатора энергоблока с PWR и пример анализа режима нормальной и аварийной ситуаций в системе смазки и уплотнения турбогенератора энергоблока БН-600.
Оценка критического состояния реактора PWR-1500 была выполнена по следующим расчетным программам: нейтронно-физическая модель, WIMS+CITATION (диффузионная программа) и KENO-Va (Монте-Карло).
Расхождения в КЭфф, рассчитанных нейтронно-физической моделью не превышают 2% по сравнению со значениями, рассчитанных по коду KENO-Va. Полученные незначительные различия объясняются 2-х групповым диффузионным приближением, использованным для решения уравнения переноса нейтронов в нейтронно-физической модели.
В качестве примера приведена модель вспомогательной технологической системы турбогенератора 4 петли 4ТГ установки БН600. В состав моделируемой системы входят система смазки турбины и система маслоснабжения уплотнений вала генератора Обычно моделированию динамики вспомогательных систем энергоблока незаслуженно уделяется существенно меньшее внимание по отношению к основным. Однако отказ или авария во вспомогательной системе (что и случается чаще всего) приводит к частичному или полному останову энергоблока.
Дано краткое описание построенных комплексных моделей для нескольких энергоблоков АЭС и для проектируемых установок [65]. Приведены примеры использования комплексных моделей в построенных аналитических тренажерах.
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
разработана концепция построения среды моделирования, полный набор важнейших динамических моделей энергоблока, программные инструменты контроля, управления и разработки моделей энергоблоков с ЯЭУ в реальном режиме времени;
разработаны инструменты и логически завершенная, регламентированная последовательность операций и процедур создания сложных динамических моделей энергоблоков с ЯЭУ.
На защиту выносится:
концепция построения среды моделирования динамических процессов, систем и оборудовании энергоблоков АЭС;
набор важнейших моделей систем и оборудования АЭС, работающий в режиме реального времени и включающий следующие модели: нейтронно-физические, теплогидравлические, электрические, логико-динамические;
метод создания комплекса динамических моделей систем и оборудования энергоблока с ЯЭУ;
Практическая значимость.
Разработанный автором и с участием автора комплекс математических моделей реального времени использован на нескольких поколениях тренажеров. К первому поколению тренажеров (1988-1995 гг.) относятся тренажеры, разработанные для Обнинского ИАТЭ (ВВЭР-1000), Кольской, Ровенской (ВВЭР-440) и Калининской, Южноукраинской АЭС (ВВЭР-1000). Для Южноукраинской АЭС тренажер модернизирован в 2001 году.
В тренажерах второго поколения (1996-1999гг.) разработаны и внедрены модели для блоков ВВЭР-440 в рамках проекта программы TACIS для АЭС Армении, Болгарии, Словакии, Украины, Чехии и России, а также тренажер для АЭС БН-600 (Белоярская АЭС).
13 С использованием современной версии комплекса динамических моделей
в 2006 году завершены работы по созданию тренажеров для Кольской АЭС
(ВВЭР-440).
Ведутся работы по созданию имитатора проектируемой реакторной
установки будущего Европейского энергетического реактора (EPR) и
тренажера реактора БН-600 Белоярской АЭС.
Апробация работы. Ниже перечислены Международные, Всероссийские
и Отраслевые конференции и семинары, на которых представлялись материалы
диссертационной работы.
Всесоюзный семинар по проблемам физики реакторов,- М.: 1984г.
Westinghouse Europian Simulator and Training Forum, Nykoping, Sweden, Octoberl6-18,1990.
Meeting "Training simulator for safe operation in nuclear power plants", Hungary, September 1991.
Вторая международная конференция Научно-технические проблемы безопасности АЭС и проблемы подготовки специалистов для нужд ядерной энергетики. Обнинск, 1991г.
Отраслевой конференции Минатома "Теплогидравлические коды для энергетических реакторов (разработка и верификация)", Обнинск, 2001г.
VII Международная конференция Безопасность АЭС и подготовка кадров, Обнинск, 2001г.
Отраслевой научно - технический семинар «Моделирование теплогидравлических процессов в активных зонах реакторов различного назначения» ГНРЦ ФЭИ, Обнинск, 2002г.
Отраслевая научно-техническая конференция, Десногорск, 2003 г.
Отраслевой научный семинар Минатома "Разработка многомерных теплогидравлических кодов", Обнинск, 14-16 мая 2003 г., ГНЦ ФЭИ Обнинск.
Основное содержание диссертации изложено в 19 печатных работах [3,4,6-9,11,18,25,49,51-56,58,60,69].
14 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 156 страниц, 45 рисунков, 16 таблиц. Список литературы 69 наименований.
Благодарности.
Представленная работа не могла быть сделана без участия многих специалистов и без помощи со стороны администрации, автор особенно благодарен Сальникову Николаю Леонидовичу за активную поддержку и неравнодушное отношение к работе автора, Клинову Дмитрию Анатольевичу за содействие в работе, Лукьянову Александру Александровичу за благословление старта направления работ.
Большой вклад в исполнение программных продуктов внесли Калашников Дмитрий Александрович, Поздняков Андрей Николаевич.
Автор благодарит Казанцева Анатолия Александровича в соавторстве с которым опубликовано большинство работ по теплофизическим моделям, Худаско Викентия Владимировича, Доровских Вячеслава Ивановича, Балакина Игоря Павловича, Уварова Александра Александровича и многих соавторов с которыми посчастливилось работать над задачами или проблемами на протяжении столь большого промежутка времени.
Особая признательность и благодарность научному руководителю Казанскому Юрию Алексеевичу за активную позицию, деятельную поддержку и непосредственное участие в работе.
Комплекс моделей энергоблока с ЯЭУ
Для моделирования энергоблоков с ядерной энергетической установкой использована комплексная нейтронно-физическая и тепло-гидравлическая модель активной зоны [45], ее модификация для аналитических тренажеров [18]. Пространственное распределение нейтронного потока в двух энергетических групп находится решением динамических уравнений переноса в рамках диффузионного приближения. Все обратные связи учитываются перерасчетом макросечений, используя полученную заранее библиотеку макроконстант. Тепло-гидравлическая часть рассчитывает распределение температур топлива и теплоносителя по высоте в каждой кассете. Модель рассчитывает физические процессы и учитывает следующее: - трехмерный нейтронный поток; - трехмерное изменение параметров теплоносителя (включая изменение фазы); - трехмерное изменение температур топлива; - изменение положения органов управления; - трехмерное поведение полей шести групп запаздывающих нейтронов и ядер предшественников; - трехмерное распределение в трех группах остаточного энерговыделения; - трехмерное отравление, включая моделирование трансмутации ядер J, Хе, Рт и Sm; - пространственное распределение выгорания; - концентрацию бора в теплоносителе. Для моделирования технологических систем, где возможна двухфазность в трубопроводах (первый контур ВВЭР, прямоточный парогенератор БН и т.д.) используется программный продукт КАНАЛ созданный на базе алгоритмов кода TRAC [48]. Это двухфазная, полностью неравновесная двухжидкостная модель с расширенным диапазоном термодинамических свойств воды и водяного пара и работающая в интерактивном режиме. Каждая фаза имеет свою скорость и теплофизические параметры, а также возможно наличие неконденсируемого газа и растворимой примеси.
Однофазные технологические системы и системы где разделение фаз происходит в сосудах, моделируются специально разработанным кодом GID [19]. Он описывает динамику тепло и массопереноса однофазного или двухфазного гомогенного равновесного потока рабочей среды. Рабочей средой может быть вода, масло, воздух (азот) и гелий.
Для моделирования герметичных помещений или гермозоны АЭС с ВВЭР используется код SIMCO. Код SIMCO предназначен для расчета термодинамических параметров среды в объеме защитных оболочек (30) полного давления для АЭС с ВВЭР при авариях с разрывом трубопроводов и течью теплоносителя под 30. Рассчитываются следующие основные величины: - изменение во времени температуры и давления газа в помещениях 30; - нестационарное распределение температуры в стенах и оборудовании; - временные зависимости плотности азота, кислорода и пара в помещениях 30; - интенсивность конденсации пара и температура образующегося конденсата в каждом помещении 30; - температура сливающейся воды в нижние помещения; - расходы газовой смеси в проходках между помещениями.
При расчете учитываются эффекты нестационарного тепломассопереноса газовой смеси, объемной и поверхностной конденсации пара, естественной конвекции газовой смеси; учитывается функционирование спринклерной системы. Математическая модель тепломассопереноса в помещениях 30 представляет собой систему дифференциальных уравнений сохранения импульса, энергии и компонент газовой смеси, записанных для каждого выделенного контрольного объема. При существенном влиянии сжимаемости на характеристики газового потока вместо уравнения сохранения импульса используются зависимости, полученные для адиабатического истечения газа из сосудов под давлением. В качестве уравнения состояния принят универсальный газовый закон. Модель теплообмена со стенами и различным оборудованием включает одномерное уравнение теплопроводности для плоской стенки, эмпирическую зависимость для суммарного коэффициента теплоотдачи для расчета поверхностной конденсации пара и эмпирические зависимости для конвективных коэффициентов теплоотдачи. Процесс объемной конденсации пара описывается релаксационной формулой [55], в которой интенсивность конденсации пропорциональна перенасыщению.
Различные сосуды под давлением (деаэраторы, ПНД, ПВД, конденсаторы, расширители и т.п.), представляются моделями баков [25,52]. В зависимости от конкретного оборудования и режимов его работы выбирается модель достаточная для описания поведения его теплофизических параметров. Это могут быть равновесные и неравновесные модели с присутствием неконденсируемого газа или без него. Все они базируются на решении системы динамических уравнений законов сохранения энергии, массы, импульса и объема.
Для расчета теплообмена в различном технологическом оборудовании используются модели теплообменников [49]. В зависимости от фазового состояния рабочей среды, геометрии теплообменной поверхности и режимов течения выбираются соответствующие модели. В основе математической модели лежит закон сохранения энергии и эмпирические зависимости для коэффициентов теплоотдачи среда-стенка, учитывается теплопроводность, теплоёмкость и геометрия теплопередающей стенки.
Для моделирования электрических сетей используется разработанный код ELEC. Реальная электрическая сеть преобразуется в однолинейную расчетную схему. Электрические линии, шинопроводы, трансформаторы и другое электрооборудование замещаются активными и реактивными сопротивлениями и шунтами на землю. Расчет токов и напряжений производится методом узловых потенциалов. Метод решения является квази-стационарным, т.е. переходные процессы определяются динамическими характеристиками потребителей и источников генерации энергии [34,35].
Источники генерации (синхронные машины) описывается полной системой уравнений Парка-Горева дополненной уравнением механического движения ротора. Потребители (асинхронные машины) моделируются решением уравнения движения, где электромеханический момент находится решением уравнений приведенных к рабочему процессу трансформатора с переменным скольжением.
Моделирование логико-динамических систем управления и автоматики основано на использовании объектно-ориентированной технологии программирования, механизмов инкапсуляции и множественного наследования, предоставляемых языком C++. Создана библиотека содержащая стандартные логические и математические объекты используя которые можно визуально представить алгоритм любой сложности и назначения.
Моделирование двухфазных систем
Для моделирования технологических систем, имеющих двухфазный теплоноситель (первый контур ВВЭР, прямоточный парогенератор БН и т. д.), "разработан программный код КАНАЛ. Это двухфазная, полностью неравновесная двухжидкостная модель с расширенным диапазоном термодинамических свойств воды и водяного пара. Каждая фаза имеет собственную температуру и скорость, а также учитывается наличие неконденсируемого газа и нерастворимой примеси [49,50]. В коде КАНАЛ для описания теплогидравлических процессов используется нестационарная трехмерная негомогенная и неравновесная математическая модель двухфазного потока из 6 уравнений для основных переменных. Код использует численную схему, разработанную для кода TRAC [48]
На основе тестирования на ряде задач выяснялась пригодность системы замыкающих соотношений и теплофизических свойств кода к расчету отечественных установок. Проведена модификация кода: в нем использованы отечественные корреляции [32,56] вместо устаревших зарубежных корреляций.
Следует отметить большой объём передаваемых и принимаемых параметров между моделью и базой данных всего тренажера. В составе тренажера ЯЭУ с реактором ВВЭР-440 код принимает или передает свыше 600 параметров. При этом тренажер работает в реальном времени в номинальном режиме и большинстве аварийных режимов. 2.3 Модель для расчета однофазных трубопроводных сетей
Систему уравнений (2.6), описывающих сеть трубопроводов, будем аппроксимировать на сетке из узлов и соединяющих их топологических ветвей. Закон сохранения массы. В предположении, что скалярные величины (давление, энтальпия, тепловой поток) относятся к узлам, а векторы (массовый расход и скорость) к ветвям, проинтегрируем уравнение сохранения массы по объему некоторого узла .
Расчет давлений и расходов. Для повышения устойчивости при резких возмущениях при линеаризации используется схема первого порядка точности, имеющая низкую скорость сходимости, но не требующая существования производных у решения: Gk\Gk\ = Gk\Gk-\ (2.13) (здесь индекс к относится к номеру итерации).
Данная система уравнений, имеющая блок термодинамических и транспортных свойств: воды, турбинного масла, смеси идеальных газов, воздуха, азота и. т. п., обеспечивает расчет вспомогательных и однофазных систем реакторного и турбинного отделений, в которых не требуется моделировать фазовые переходы теплоносителя. 2.4 Модель турбины
Модель выполнена на базе системы из трех законов сохранения в гомогенном приближении: массы (с учётом отборов и сепарации влаги), энергии (с учётом технической работы турбины получаемой из планов скоростей и лопаточного КПД); импульса .
Для поиска и задания параметров используется предварительный теплогидравлический расчет проточной части турбины, алгоритм которого описан в учебном пособии [21] и реализован в виде отдельной программы служащей для проверки и настройки модели.
Здесь c1= pyJ(\-p) 2 H0 - абсолютная скорость выхода потока из соплового аппарата (СА) и угол её направления сії; и - окружная скорость (обозначается ниже также как ur); ф - коэффициент скорости СА при известном располагаемом теплоперепаде Н0; Cju = с і cos(aj)- окружная составляющая входной скорости; a i - относительная скорость входа потока в рабочую решетку и угол её направления Рі (в системе координат связанной с ротором турбины) определяются из входного треугольника скоростей геометрически, по скоростям и, Сі и углу ось сог=у/ сої+р 2 Нй- относительная скорость выхода потока из рабочей решетки и угол её направления (32 (в системе координат связанной с ротором турбины); \\f - коэффициент скорости рабочей решетки; с2 - абсолютная скорость выхода потока из рабочей решетки (из рабочего колеса или ступени) и угол её направления о определяются из выходного треугольника скоростей геометрически, по скоростям и, сої и углу Рг C2U = С2 cos(ot2)- окружная составляющая выходной скорости. Индексами 1 и 2 обозначены входной и выходной треугольники скоростей.
Располагаемый теплоперепад ступени Н0 определяется как разность энтальпии входа и энтальпии выхода, определяемой по давлению на выходе из ступени и величине энтальпии при входных параметрах. Давление на выходе из ступени является основной независимой переменной решаемой системы уравнений и итерационно уточняется на каждом шаге расчета.
Все скорости определяются динамически по приведенным выше формулам, либо геометрическим соотношениям, которые следуют из треугольников скоростей при любом режиме работы ступени.
Работоспособность во всех режимах является важным свойством моделей реального времени, при этом каждая из ступеней, в зависимости от установочных углов, располагаемого перепада и расхода будет иметь свой индивидуальный лопаточный КПД. Этот КПД учитывает автоматически потери в сопловом аппарате, рабочем колесе и учитывает потери с выходной скоростью.
В качестве основных переменных выбраны массовый расход, давление смеси и удельная энтальпия. Метод получения конечно-разностной аппроксимации системы уравнений сохранения аналогичен описанному в предыдущем разделе. Модель тестировалась на турбинах ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 (сравнивались заводские данные планов скоростей и расчеты модели [24] при переменных режимах работы). Для поиска и задания параметров использовался предварительный теплогидравлический расчет проточной части турбины.
Турбинное отделение является сложным для моделирования, прежде всего, из-за наличия оборудования, работающего в двухфазной области, особенно при низких давлениях. Модель конденсатора [25] основана на термодинамическом неравновесном представлении процессов генерации и конденсации пара, на представлении конденсатора в виде двух объёмов с парогазовой смесью и каплями над зеркалом испарения, и конденсатом с пузырями пара под зеркалом испарения [52].
В модели учитываются следующие процессы: - конденсация пара на теплообменных трубках, рассчитывается с учетом "отравления" конденсатора неконденсирующимся газом (воздухом); - объемная конденсация/испарение при распылении капель воды в паровой объем или резком повышении давления учитывается в неравновесном приближении и упрощенно рассматривается процесс осаждения взвешенных капель жидкости на поверхность конденсата в приближении апериодического звена; - вскипание жидкости (конденсата) при понижении давления в неравновесном приближении и всплытие паровых пузырей к поверхности раздела конденсата и парогазового объема в приближении апериодического звена [55].
Модель всережимная и обеспечивает описание процессов вплоть до полного залива или заполнения всего объема конденсатом или парогазовой смесью, либо паром [53]. Расчетная система дифференциальных уравнений, описывающая изменение параметров в конденсаторе турбоустановки [54], включает в себя уравнение Дальтона, уравнение сохранения объема, уравнение сохранения энергии парового объема конденсатора (объем над зеркалом испарения, объем 1), уравнение сохранения энергии водяного объема конденсатора (объем под зеркалом испарения, объем 2).
Описание программной архитектуры среды разработки моделей
Для реализации вышеизложенной концепции выбрана среда программирования C++ Borland Builder. Выбор данной среды обусловлен возможность быстрого создания достаточно сложного графического интерфейса пользователя, и простотой его дальнейшего сопровождения и модификации. В качестве реляционной базы данных для хранения данных был выбран сервер БД Interbase использующий стандартный язык запросов SQL.
Для выполнения поставленных задач в данной среде программирования разработан и реализован набор программных средств включающий в себя. - Редактор базы данных по моделям и систему организации много пользовательского доступа к данных и их редактирования. - Редактор собственно моделей. - Редактор связей между моделями и сервером программного комплекса. - Систему автоматизированного проектирования моделей. - Систему автоматизированного проектирования ЧМИ. - Утилиту мониторинга данных программно-технического комплекса во время его работы - Утилиту создания и запуска различных конфигураций комплекса.
Для описания состояния моделируемого оборудования и его характеристик в базе данных создаются специализированные классы данных. Например, класс данных сенсоров, класс данных актуаторов и т.д. На основе этих классов в БД заносятся списки объектов моделируемого оборудования и их характеристики. Для организации графического интерфейса с БД моделей используется утилита DataBase Editor, входящая в состав программной среды.
Далее все технологические системы и оборудование, разбиваются на отдельные подсистемы (модели). Вся информация заносится в БД. На данном этапе используется Редактор моделей.
Для каждой подсистемы (модели) создается свой расчетный программный модуль, представляющий собой отдельный исполняемый (ехе) файл. На данном этапе используется Система автоматизированного проектирования моделей. При создании модели используется информация из БД.
При моделировании уникального оборудования (например активной зоны реактора), т.е. там где нет возможности использовать программные инструменты, для создания уникального расчетного модуля применяется следующий подход.
Исходный текст модуля включает в себя все необходимые функции боты с сервером и вызовы функций моделирования, разработчику в свою очередь, необходимо создать непосредственно функции расчета моделируемых параметров, используя интерфейсные переменные, описанные ранее в таблице соответствий. На данном этапе используется Редактор связей между моделями и сервером программно-технического комплекса.
Разработка модели при помощи программных инструментов происходит с помощью так называемого метода "визуального программирования", когда разработчик с помощью манипулятора мышь размещает на рабочем поле графические изображения базовых элементов схемы, связывает их между собой и задает их внутренние параметры. Затем созданная технологическая схема тестируется в автономном и комплексном режимах. В ходе тестирования разработчик может контролировать все параметры работы схемы.
Все программные инструменты обладают единой графической средой разработки. Функции расчета различных физических процессов вынесены в отдельные динамические библиотеки. Динамические расчетные библиотеки инструментария обладают унифицированным программным интерфейсом что позволяет использовать различные наборы библиотек в зависимости от объема и глубины необходимых действий.
При помощи программных инструментов можно создавать динамические модели для следующих технологических типов систем реального объекта: теплогидравлические системы; электроэнергетические системы; системы КИПиА; человеко-машинный интерфейс.
Следует отметить что в рамках одной модели (одного программного модуля) созданного программным инструментом могут рассчитываться различные типы систем, например теплогидравлическая подсистема + подсистема КИПиА.
Отличительной особенностью по сравнению с аналогичными инструментами [63,65] созданной системы автоматизированного проектирования является возможность автоматической генерации исходного кода созданной модели. Созданный таким образом код представляет собой набор файлов на языке C++ для среды Microsoft Visual Studio 6.0, и включает в себя все необходимые расчетные и интерфейсные функции для работы в составе всего комплекса.
Моделируемая теплогидравлическая сеть представляется набором узлов соединенных ветвями. В узлах рассчитываются скалярные величины (давления, энтальпии и т.д.), а в ветвях векторные (расходы). Связи с другими системами, а также различные баки представляются граничными условиями сети. Пример реализации представлен на рис. 3.4.
Базовые элементы используемые программой HYDRO разбиты на след. библиотеки: библиотека узлов; библиотека арок; библиотека граничных условий;
Моделирование логико-динамических систем управления и автоматики основано на использованием объектно-ориентированной технологии программирования, механизмов инкапсуляции и множественного наследования, предоставляемых языком C++. Создана библиотека содержащая стандартные логические и математические объекты используя которые можно визуально представить алгоритм любой сложности и назначения. Базовые элементы используемые программным инструментом для построения схем КИПиА (рис. 3.5) разбиты на несколько библиотек: логические элементы (И, ИЛИ и т.д.); элементы работающие с целочисленными числами (ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ и т.д.); элементы работающие с вещественными числами (тригонометрические функции т.д.); специфические элементы (РЕГУЛЯТОРЫ и т.д.).
Моделируемая электрическая сеть (рис. 3.6) представляется набором узлов соединенных ветвями. В узлах рассчитываются скалярные величины (напряжения), а в ветвях векторные (токи). Связи с другими системами представляются граничными условиями сети.
Базовые элементы разбиты на следующие библиотеки: библиотека узлов; библиотека арок; библиотека граничных условий. Для создания фрагментов ЧМИ используется программа проектирования человеко-машинного интерфейса, входящая в состав программной среды проектирования.
Фрагменты создаются на основе графических элементов, реализующих визуальное представление и функции управления соответствующего моделируемого объекта (насос, клапан и т.п.), а также статической графики. Для создания новых графических элементов и редактирования уже созданных используется редактор графических элементов, позволяющий: определять внешний вид элемента; задавать анимацию элемента в зависимости от состояния моделируемого объекта; создавать библиотеки элементов.
Объем моделирования по системам АЭС - реакторное, турбинное, электрическое отделения, общестанционные системы. Таблицы, содержащие в полном объеме данные, необходимые для моделирования по: бакам, теплообменникам, насосам, арматуре, генераторам, турбинам, электрическим шинам, трансформаторам, коммутационной аппаратуре, КИПиА. и т.д. Логические диаграммы управления оборудованием, формирования сигналов защит и блокировок, аварийной и предупредительной сигнализации. Описания систем регулирования, управления и защиты реактора, турбины, генератора, их логические диаграммы. Функциональные описания и логические диаграммы моделируемых тепловых регуляторов реакторного и турбинного отделений, системы возбуждения ТГ. Расходные характеристики регулирующих клапанов. Тепловые балансы турбины для различных нагрузок, включая I-S диаграммы для каждой ступени турбины (от отбора к отбору).
Моделирование динамики технологических систем
В качестве примера приведена модель вспомогательной технологической системы турбогенератора 4 петли 4ТГ установки БН600. В состав моделируемой системы входят система смазки турбины и система маслоснабжения уплотнений вала генератора Обычно моделированию динамики вспомогательных систем энергоблока незаслуженно уделяется существенно меньшее внимание по отношению к основным [68]. Однако отказ или авария во вспомогательной системе (что и случается чаще всего) приводит к частичному или полному останову энергоблока. Система смазки турбины предназначена для питания маслом системы регулирования при давлении 20кгс/см и смазки подшипников турбины при давлении 1 кгс/см на уровне подшипников. Система маслоснабжения уплотнений вала генератора предназначена для бесперебойного питания его уплотнений по водороду маслом с целью герметизации корпуса генератора в местах выхода вала ротора.
Модели для тренажеров АЭС с реакторами ВВЭР (PWR) включают в себя пространственную нейтронно-физическую модель активной зоны реактора, двухфазную модель первого контура, модель гермооболочки или герметичных помещений, полную модель турбинного цикла, модели вспомогательных систем и модель электроцеха. Наряду с моделированием физических процессов эмулируется работа систем защит и автоматики, повторяются алгоритмы всех защит, блокировок, автоматического регулирования и сигнализации [62,64].
Модель герметичных помещений STMCO включает в себя установленный после очередной реконструкции струйно-вихревой конденсатор (СВК) позволивший уменьшить максимальное повышение давление в гермозоне в случае течей первого контура и исключить выход радиоактивности за пределы герметичных помещений.
Модель первого контура на базе кода КАНАЛ, моделирует и позволяет задавать инструктору течи различной величины, расположенные в различных местах контура (как отключаемые, так и не отключаемые) (рис. 4.ІЗ).
Модель электрической части, кроме моделей основных генераторов и генераторов собственного расхода включает в себя модели потребителей, основные из которых, такие как ГЦН, ПЭН и ЦН представлены как синхронные машины. Кроме штатной системы синхронизации генераторов, моделируется возможность синхронизации блока с энергосистемой по стороне 330 кВ с центрального щита управления, позволяющая вводить блок в работу после аварий приводящих к переходу на собственные нужды. Моделируется реализованная после очередной модернизации трехканальная система надежного питания, а так же резервный дизель генератор. Для каждого канала моделируется алгоритм ступенчатого пуска оборудования.
ЧМИ операторов включает в себя форматы, предназначенные для управления технологическим оборудованием и представляющими собой узнаваемые изображения частей пультов управления.
Кроме того, в составе тренажера эмулируются информационные системы установленные на блоке, такие как ИВС и СППД (SPDS). Фрагменты ИВС отображают значения основных измеряемых параметров и сигнализируют, изменением цвета, об отклонении этих величин от нормальных значений и достижении уставок предупредительной сигнализации. Система SPDS получает основные параметры технологического процесса, вычисляет и определяет по этой информации состояние Функций Безопасности. Таким образом, целью SPDS является оказание дополнительного, представления информации персоналу БЩУ о текущем состоянии уровня безопасности 1 энергоблока Кольской АЭС.
Первый блок Кольской АЭС с реактором ВВЭР-440 проекта В-230 после нескольких реконструкций и модернизаций являлся прототипом тренажера третьего поколения. Моделирование энергоблока с реактором ВВЭР-1000 (проект 338) принципиально не отличается от приведенного примера, принимая во внимание отличия этих двух установок и корректировку моделей главных циркуляционных петель с уточнением коэффициентов гидравлического сопротивления [69]. Иные особенности моделирования БН-600. Различия в выборе моделей реактора, первого контура и парогенераторов определяются принципиальным различием технологии и физики процессов. Малые размеры активной зоны реактора и жесткий энергетический спектр нейтронов, использование натрия в качестве теплоносителя и трехконтурная схема ЯППУ, прямоточные парогенераторы и турбины высоких параметров, основные факторы, определяющие отличие физического моделирования. ЧМИ тренажера так же претерпело существенные изменения, связанные с наличием аппаратного имитатора щита управления.
Модели реактора, первого и второго контуров были разработаны специально для тренажера БН-600. Модель активной зоны одномерная, с эмпирическими характеристиками обратных связей [44,45]. Сетевые модели натриевых контуров рассчитывают все возможные рабочие и аварийные режимы работы, включая дренирование второго контура в случае течи парогенераторов [46].
Основное преимущество парогенераторов БН-600 - их модульность. При возникновении течи, в каком либо модуле, он может быть изолирован и дренирован без остановки работы остальных. Для отработки на тренажере таких ситуаций необходимо сохранение в модели парогенератора полного количества модулей. Таким образом, модель каждого парогенератора представляет собой двухфазную (код КАНАЛ) сеть, объединяющую: восемь испарительных модулей, коллектор слабо перегретого пара и восемь модулей основных пароперегревателей.
Примером использования тренажерного комплекса в качестве имитатора энергоблока БН-600 является проектирование, разработка и верификация человеко-машинного интерфейса информационно вычислительной системы (ИВС) БЩУ БН-600 при его модернизации. На имитаторе выполнен весь проектный комплекс работ и полная отладка интерфейса. Для осуществления этих работ был задействован весь спектр динамических моделей, включая логико-динамические модели систем КИПиА. На рис. 4.17 и на рис. 4.18 приведены примеры фрагмента тренажерного комплекса и формата ИВС БЩУ. Отличие в разности управления. На БЩУ управление осуществляется реальными ключами, в имитаторе посредством изменения имиджа ключа.
