核电厂汽轮机仿真培训系统软件的研发

核电厂汽轮机仿真培训系统软件的研发

周泽 占国华

中广核工程有限公司

摘 要 针对核电厂汽轮机调试过程复杂难掌握、成本高和运行参数调试验证不便等问题，本文采用浏览器/服务器(B/S)结构，结合多种计算机技术开发了一套集成的核电厂汽轮机仿真培训系统。该系统可用于核电厂汽轮机冲转及升功率过程中的机组运行情况模拟，也可进行风险提示，并具有历史经验反馈查询功能。目前该系统已应用于国内某核电厂的调试人员培训，有效提升了人员的试验技能与风险分析应对能力。

关键词 压水堆核电厂；仿真培训系统；汽轮机；计算机软件

为保证核电厂的安全运行，在核电厂建设、调试和试运行阶段，有必要运用系统仿真技术对试验和运行人员进行训练、培养。在20世纪，国外就将此技术应用于反应堆设计和核电厂运行分析领域^[1]；为培养运行操纵人员，早在1968—1973年国外多家公司就先后建立了各自的仿真机。我国的电厂仿真技术研究起步较早，成果显著；目前已使用和正在研发的培训仿真机约400台，远超过世界上其他国家的仿真机拥有量^[2]。这些大规模的专用仿真机功能全面、仿真范围大、通用性强；但也存在共同的缺点：价格高、投资大、专用性不足、移植困难、掌握和维护困难。

随着核电厂建设和运行对专业化和精细化的要求越来越高，近年来出现了专用仿真机的研发趋势；通过对核电厂中某一流程单元甚至单一设备进行深度仿真，提高调试和运行的准确性和安全性，较好地弥补了通用仿真机在具体设备或设备单元层面的不足。基于此，本文研发了一种用于常规岛汽轮机运行特性分析、操作培训和控制系统参数优化的汽轮机系统专用仿真软件，下文将对其设计开发过程进行详细论述。

1. 汽轮机仿真培训系统的研发目的及功能

作为核电厂二回路的重要组成部分，汽轮机系统的可靠运行对核电厂安全有重要意义。因此，研发一套满足国内核电机组调试过程中汽轮机冲转及升功率试验风险管控智能化需求的仿真培训系统，为调试人员提供一套促进安全运行、防止人因失误、控制试验风险、提高试验成功率的技术手段和集成软件工具很有必要。汽轮机系统主要是将一回路产生的热能转换为机械能，驱动发电机组持续稳定运行以提供符合要求的电能^[3]。

核电厂二回路汽轮机的主要工作原理是：在满功率状态下，蒸汽发生器产生的饱和蒸汽由主蒸汽管道送到汽轮机的4个高压汽室以调节进入高压缸的蒸汽量。从高压汽室出来的蒸汽通过4根环形蒸汽管道进入高压缸膨胀做功。膨胀过程中，从高压缸前后流管道抽取部分蒸汽送到高压加热器用于加热给水加热，以及送到汽水分离再热器用于加热高压缸排汽。高压缸排汽的一部分送往除氧器，大部分通过8根排气管道排往位于低压缸两侧的2台汽水分离再热器进行汽水分离，并由抽汽和新蒸汽对其进行两次加热。从汽水分离再热器出来的过热蒸汽经6根管道分别送入低压缸内继续膨胀做功。膨胀过程中，从低压缸前后流管道抽取部分蒸汽送往低压加热器加热给水；低压缸的排汽排入冷凝器，并被海水冷却成为凝结水。

因此，研发的汽轮机仿真培训系统主要包括以下功能：

（1）通过对核电厂汽轮机冲转及升功率过程的模拟仿真，在计算机上呈现这一主要试验过程，用于试验过程控制、教学培训及宣传演示。

（2）实现汽轮机冲转前系统在线模块的演示，包括试验准备，全面管控在线过程中的各项细节，以便实现系统在线过程的“零遗漏、零错误、零风险”，确保后续冲转及升功率过程所有相关系统均稳定、安全运行。

（3）实现汽轮机冲转及升功率过程的风险提示，避免人因失误，控制试验风险，提高试验成功率。通过对过往机组启动阶段相关经验的整理、细化、分类，将其转化为相关阶段的风险提示，嵌入到演示动画中，提示需关注的参数和趋势；让试验人员提前知悉过程中的风险，对风险的预防做到心中有数。

（4）将前期机组启动过程重要的经验反馈，汇总整理形成数据库；以文本的形式供使用者阅读学习，以尽早让知悉以往出现过的典型问题，学习问题处理的经验及处理过程关注点，确保重大试验的成功率。

2 仿真培训系统软件架构设计

2.1 总体架构

系统采用B/S（浏览器/服务器）结构，如图1所示。用户的工作界面通过浏览器来实现，少部分业务逻辑在浏览器端实现，大部分业务逻辑在服务器上实现，形成3层架构。该架构大大缓解了客户端的数据处理压力，减轻了系统维护与升级的成本。

图1 仿真培训系统总体架构

1. 本系统采用S技术构建整体系统框架，并与M软件进行数据交互。前端框架为Bootstrap；试验演示采用B软件的动画引擎实现；模型的构建主要使用C软件完成。项目部署采用T服务器技术其中： S技术为轻量级控制反转（IOC）和面向切面（AOP）的容器框架提供了一个统一、高效的方式构造整个应用系统，并可将单层框架以最佳的方式组合在一起建立一个连贯的体系。本系统将单层框架struts2与Spring结合，实现前、后台数据交互。

2. M软件是一种多平台兼容的关系型数据库，具有体积小、速度快、多语言支持（为C、C++、Python、Java、Perl、PHP、Ruby等多种编程语言提供了应用程序接口API）、访问和使用方便、可移植性好、跨平台、多线程编程、支持大量数据查询和存储等优点。

3. B软件是基于WebGL、HTML5和JavaScript语言的3D引擎，能在浏览器端展现二维、三维对象的动态效果，且性能高效。

4. C软件是一款开源的跨平台全能三维动画制作软件，提供从建模、动画、材质、渲染，到音频处理、视频剪辑等一系列动画短片制作的解决方案。本系统的二维、三维模型都在该软件中生成。

5. T软件是轻量级Web应用服务器，可兼容多平台、处理HTML页面服务，也是Servlet、JSP容器。

6. Bootstrap是一种基于HTML、CSS、JavaScript语言的前端框架，简洁灵活，利于Web开发。

2.2 软件架构

仿真培训系统的功能设置直接决定了软件系统的总体结构。该软件系统由试验模拟、经验反馈和试验管理模块组成，其具体架构如图2所示。

P_n为额定功率。

图2 汽轮机仿真培训系统软件架构

（1）试验模拟模块：该模块由在线投运、冲转过程、平台试验3个子模块组成。其中，在线投运子模块可全面、准确地描述整个在线过程，用于开工准备及风险控制等环节，解决冲转前在线过程的多、乱、杂问题，确保后续冲转及升功率过程所有相关系统的稳定、安全运行。冲转过程子模块用于电厂临界后，验证汽轮机组各项参数是否符合设备参数规定的范围；这种验证是机组继续并网及升负荷试验的前提。平台试验子模块包括并网，50%P_n平台、100%P_n平台的参数显示。另外，风险提示功能包含于试验模拟的各子模块中。

（2）经验反馈模块：由前期机组启动过程中的重要经验反馈（整理后）构成，供培训人员查询与借鉴。

（3）试验管理模块：该模块用于试验模拟模块与经验反馈模块的信息维护。包括步骤管理、组件管理、平台管理和经验管理4个子模块。

2. 仿真培训系统软件应用

3.1 系统登录

系统预设了学员和管理员2种用户登录模式；学员的权限能访问到试验模拟和经验反馈2个模块，管理员则对系统的3个模块均能访问。登录页面中，默认选择学员角色，输入用户名和密码即可完成登录。

3.2 在线投运和冲转过程

在线投运主要仿真模拟各环节设备的顺序投运过程，以训练单个设备及串联设备的投运操作，提高操作的熟练性和准确性。冲转过程主要仿真模拟汽轮机冲转过程试验，其主要操作画面与在线投运相同。实际使用中，点击侧边栏按钮可激活自动播放试验模块、手动播放试验模块和参数显示模块。试验过程中，不同步骤对应的试验场景不同；自动播放和手动播放过程中，场景都可根据步骤自动切换。用户也可通过场景切换按钮切换到不同的试验场景查看试验情况。

自动播放模式包含4个功能：开始播放、暂停播放、停止播放及当前步骤展示。每个步骤匀速播放，并在当前步骤模块中展示所演示的步骤；主画面上依照步骤关联的动作进行播放，关联的部件将会在画面中闪烁。若步骤关联了相关参数，则参数将在参数表模块展示；若步骤中有风险提示，则提示信息会在风险提示模块中展示。此模块在该步骤完成后自动消失。

手动播放模式由试验步骤模块实现。用户按顺序勾选试验步骤，相应的关联动画、风险提示、试验参数将在对应的模块中显示。

在线投运子模块中，用户登陆系统后，只需在左侧菜单中的“试验模拟”模块下，选择“在线投运”子模块，界面自动弹出二回路的流程及设备；画面最右侧设置自动播放按钮、手动播放步骤选择开关及系统重要参数显示栏。

3.3 平台试验

汽轮机首次冲转完成后，机组开始执行发电机并网前的电气试验及并网过程试验。对于发电机试验，本次开发的系统仅以展示试验参数为主。机组成功并网后，逐渐升功率至50%P_n平台并逐个完成各项试验，再以3%P_n/h的速度从50%P_n升功率至100%P_n平台，并开展所要求的各项试验。各平台试验均可按预先导入的操作单按步骤进行演示，系统界面中将根据不同的试验步骤、不同的机组状态分别联动相应设备，并在参数栏显示重要参数的变化情况。

3.4 经验反馈

用户可在该模块中查询、下载经验反馈总结。经验类型分为系统在线经验反馈、冲转试验经验反馈、瞬态试验经验反馈3种。不同的经验反馈类型有不同的经验文档，可下载到本地。经验反馈数据库信息由管理员在经验管理模块中上传，可随时进行更新。

3.5 试验管理

试验管理模块专为管理员维护系统设计，学员登录后无法查看到该模块。试验管理分为4个子模块，即步骤管理、组件管理、平台管理和经验管理。

步骤管理是整个系统的核心模块，关联整个试验过程与其他附属子模块，主要包含功能栏、步骤数据表、组件表和参数表4个部分。其中，功能栏用于通过试验名称和所属功能查询步骤；导出风险提示模板，批量导出试验风险提示的excel文件，用于管理员针对步骤添加风险提示和风险等级；导入风险提示文件，将编辑好的风险提示上传到系统，自动将数据添加到数据库，并展示出来。管理员可通过步骤数据表对每一类试验的步骤进行维护，该维护信息可在模拟试验中直观体现出来。组件表用来新增、修改、删除各类组件，在操作时须先选中步骤表中相应的步骤，才能对相应的步骤进行数据操作。参数表的操作类似组件表。

组件管理主要是模拟试验中关联部件的维护，一般情况下无需变更。变更情况出现在试验模型文件发生变化时。其功能包括新增组件、修改组件和删除组件。

平台管理主要是将平台试验（并网试验，50%P_n平台试验，100%P_n平台试验）关联的试验文档上传到系统。须填写试验名称，否则上传的文档无法正确关联。

经验管理主要是将试验中相关的经验反馈文档上传到系统。首先填写经验名称，其次选择经验类型，然后选择要上传的文件，最后点提交。若不按此步骤，文档无法正确上传。用户可在经验查询模块下载经验文档。

3. 结论

本文研发的核电厂汽轮机仿真培训系统已成功应用于某核电厂1 000 MW机组，取得了较好的仿真培训效果。实践证明，该系统能达到预期的技术要求、模拟精度和仿真效果，对核电厂建设的调试阶段和商运后的持续稳定运行都有很大帮助；也可用于核电厂二回路系统相关的上岗培训，成为核电厂调试团队和运行人员开展工作时的有力工具。

本文的研发工作仍需在以下方面进一步深入和完善：

1. 可考虑系统向一回路扩展，实现核电厂全流程仿真培训。

2. 可考虑系统的深度功能扩展，增加仿真培训功能，进一步提高模拟精度。

参考文献

［1］毛伟，孔祥风. 核电站人员培训中仿真技术的应用[J]. 科技信息，2012（4）：412.

［2］吕崇德，薛亚丽. 电厂系统仿真技术的发展[J]. 科技导报，2007，25（8）：6-8.

［3］广东核电培训中心. 900MW压水堆核电站系统与设备（下）[M]. 北京：原子能出版社，2005：319-336.

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