秦山三期换料优化计算机系统的建立和应用

Establishment and Application of Refueling Optimization Computer System in Qinshan-III

冯进军

（秦山第三核电有限公司，浙江海盐，314300）

摘 要 阐述了秦山三期换料优化计算机系统的建立过程，包括软件的引进和改进，以及硬件系统的构成和应用。

关键词 秦山三期 换料优化 计算机系统

Abstract This article describes the process of establishment of a refueling optimization computer system in Qinshan-III NPP, the characteristics of refueling for CANDU reactor, the goal of refueling optimization including the introduction and improvement of specific channel selection software as well as the hardware platform.

Key words Qinshan-III NPP Refueling optimization Computer system

秦山三期两个CANDU 6机组是从加拿大引进的728 MW重水反应堆。该堆型采用不停堆有功率换料方式，在运行阶段的换料管理工作主要由现场的换料工程师完成。不停堆频繁换料会导致堆芯局部功率波动，对反应堆的运行裕量有着直接的影响；同时，卸出燃料棒束的燃耗和电厂的发电成本也直接相关。为了实现电厂运行最好的经济性和安全性，我们在国外CANDU电厂运行经验的基础上，结合秦山三期新堆芯的实际情况，制定了秦山三期换料优化工作的目标，改进了换料优化方法，开发了一些换料优化程序，并与从加拿大Gentilly-2电厂引进的换料优化软件结合，建立了自己的换料优化计算机系统，并成功地应用于实际换料工作中。

1 建立换料优化的目标

CANDU 6反应堆换料方案的制定工作是一个动态和复杂的过程，换料工程师必须根据自己的专业知识和工作经验，综合考虑以下的优化目标，在程序的帮助下靠人为判断选择出每天的换料通道清单，并确定通道换料的先后顺序。

（1）最大化卸料燃耗，最小化燃料成本

高燃耗的通道优先考虑，平均卸料燃耗超过时间平均模型计算的目标值，并尽量维持堆芯燃料的燃耗分布接近参考的燃耗分布。

（2）优化堆芯功率分布，并使通道/棒束功率安全限值的运行裕量最大化

选择低功率通道，换料通道在全堆芯内均匀分布，尽量维持堆芯功率分布接近其目标值。

（3）优化液体区域控制器的运行特性

选择低水位区域的换料通道，使每个区域的平均功率尽量接近名义值，使区域水位维持在名义值附近。

（4）优化区域超功率保护（ROPT）系统的运行裕量

选择低功率通道，使通道功率峰因子（CPPF）尽量低。小心地考虑，保证在换料过程中，换料通道附近的ROPT探测器响应在可接受的水平。必要时，换料工程师要求操纵员在换料实施过程中降低一定的运行功率水平。

（5）对称性

所选择的多个通道应具有相对的径向对称性，以防止通量径向倾斜。

（6）双向性

两个流量方向上选择的换料通道数目应近似相等，以防止通量的轴向倾斜。

（7）离散性

避免所选择的换料通道过于集中，以防止热点。

（8）优化换料速率

每周每天的平均换料通道应保持一个合理的常数，以维持平均反应性增益基本不变，并使换料机的负荷合理化。

其中，换料通道选择的主要优化目标会随着电厂运行时间的增加而发生变化。在电厂的运行初期，由于反应堆的运行裕量相对较大，所以优化燃料的卸料燃耗就是换料优化的主要目标。在电厂运行的中后期，由于电厂老化，运行裕量会有一定的减少（主要是停堆系统区域超功率保护（ROPT）的停堆裕量），此时优化反应堆功率分布就明显成为了换料优化的主要目标，优化卸料燃耗就退为了次要的目标，以保证电厂尽量满功率输出，提高年负荷因子。

2 引进换料优化计算机程序和改进换料通道选择的方法

由于运行上时间的限制和换料通道选择的复杂性，以及换料工程师自身经验的缺乏和有限的工作精力，要完全靠手工准确地完成换料方案的设计工作难度相当大。基于以上的考虑，为了保证换料优化的有效性和尽量减少人为分析的误差，我们于2002年6月从Gentilly-2电厂引进了一套成熟的换料优化计算机程序。

但是，根据运行经验，要把换料工程师人工判断的分析方法和过程完全地转化为计算机语言和程序在目前无法实现，因为即使是当今最先进的计算机也无法完全模拟人的思维过程。所以，换料优化程序也仅仅是人的辅助工具，可以减少人力、提高效率和减少误差，但细节的和最终的判断工作还必须靠人来完成。

换料优化程序由一系列功能相对独立的子程序组成，详细清单见表1。换料优化工作主要由两个独立的优化程序（SELECT和REFUEL）来提供支持，其余程序则实现辅助功能。

表1 换料优化程序清单
RFSP 计算堆芯功率分布和燃耗分布
EXTRDATA 从众多数据中挑选所需数据
COMPARE 将所选数据进行比较
SELECT 选择优化的换料通道
REFUEL 优化通道换料顺序
UNVIEW 验证换料通道合理性
CRS 打印换料清单

2.1 换料通道选择——换料通道选择优化程序（SELECT）

使用一些与换料优化目标相对应的优化准则，通过计算机对大量的数据进行自动筛选和比较，舍弃那些不满足换料目标的通道，显示出筛选后基本满足的可换料通道图，换料工程师再通过计算机显示屏上的直观显示，综合考虑各种因素后，确定2~3天内需实施的换料通道清单。CANDU 6反应堆的代表程序为Gentilly-2电厂的SELECT程序。

2.2 通道换料顺序——通道换料顺序优化程序（REFUEL）

在第一步结果的基础上，通道换料顺序优化程序将根据换料前的反应堆运行状态以及预计的换料实施对运行参数的影响，按照一定的规则，确定通道换料实施的先后顺序。CANDU 6反应堆的代表程序为Gentilly-2电厂的REFUEL程序。

相对来说，换料通道选择优化程序更复杂，考虑的方面更多。

总之，换料优化在CANDU堆换料工作中具有很大的挑战性，它处理的好坏直接影响电厂的正常运行，对于电厂的年发电量和燃料的经济性也意义重大。所以，不断开发和改进换料优化的方法和程序也成为了所有CANDU电厂努力的方向。

2.3 秦山三期的换料优化计算机程序的改进

目前，大多数CANDU电厂通常采用的还是基于硬性舍弃准则的传统方法，我们根据Gentilly-2电厂最新的运行经验，采用了基于模糊逻辑建立的平滑筛选准则，并结合秦山三期新堆芯到平衡堆芯的特殊过渡阶段，对Gentilly-2基于平衡堆芯的换料优化软件进行改良，使之更适用于秦山三期新堆芯的情况，进一步提高了换料优化效果。

理论上，如果堆芯中的换料通道在时间和空间上均匀分布，第2节中列出的所有换料优化目标就可以同时达到。但是，由于实际运行情况千变万化、换料优化的偏差以及时间上的限制，理想化的堆芯功率和燃耗分布是很困难达到的，经常会导致意想不到的“换料通道聚集化”，即多个换料通道在时间和空间上集中在某一区域，造成局部功率峰和很小的运行裕量。特别在电厂老化问题突出后，此问题会更加明显。怎样更好地避免以上的问题，就成为了换料工程师的一大难题。最近几年，换料工程师通过不断的摸索，发现使用硬性的舍弃准则，把通道的特性参数简单归为好和坏（如图1所示），往往会舍弃很多更好的换料方案，而且会忽略现在换料方案对将来换料优化的影响，容易造成“换料通道聚集化”。

所以，为解决上述问题，换料工程师在经过一段时间的探索和试验后引入了基于“模糊逻辑”的“平滑筛选准则”，即对于通道的特性参数都根据

图1 传统硬性舍弃准则示意图

图2 新优化（平滑筛选）准则示意图

受换料影响的程度，平滑地量化为非常好、好、一般、差、很差等不同的换料优化等级，如图2所示。

同时，在新改进的换料优化准则中，更多地考虑了拟选择通道的临近通道的特性。由于被选择的通道实施换料后，不仅该通道的特性参数（如通道和棒束功率，通道功率波动因子COF等）会发生较大变化（CANDU定义为“Ripple”），而且临近通道的特性参数根据其离选择通道的远近也会受不同程度的影响。从传统的硬性舍弃准则到平滑筛选准则的改进，是思想方法上的进步。新准则不仅能发掘出人工选择难以发现的最优化方案，而且还能够“高瞻远瞩”地预见到所选通道在换料后一段时间内对堆芯各物理参数的影响。采用了这种先进的优化准则，秦山三期重水堆的换料优化计算机系统已经达到了Gentilly-2电厂的先进水平。但是，我们也应该注意到，对于任何引进的新技术，都必须评估其对实际情况的适应性，最“合手”的工具才是最好的工具。Gentilly-2电厂是一个已经拥有20年运行历史的CANDU电厂，在换料优化软件开发的过程中，其反应堆堆芯早已处于平衡堆芯状态，物理人员在开发过程中所使用的数据也都来自于平衡堆芯。因而，进行软件开发工作的物理人员，仅仅针对Gentilly-2电厂的平衡堆芯，配置了软件的各项参数，而没有考虑到新堆芯的特殊情况。对于CANDU堆而言，新堆芯与平衡堆芯，以及从新堆芯到平衡堆芯的过渡阶段，堆芯状况都有着很大的差异。所以，针对秦山三期新堆芯的特殊情况，对引进的Gentilly-2换料优化软件进行改进和本土化，是非常必要的。

在CANDU堆的新堆芯中，除了中间区域的贫铀装载通道燃耗较低外，其余各通道的出口卸料燃耗相差无几。如果按照平衡堆芯的燃耗标准让软件自动选择，就会造成中间区域的贫铀通道无法被选中的不合理结果。因而，我们适当降低了出口卸料燃耗原则的权重，增加了贫铀装载通道的权重。对于新堆芯的第一轮换料工作，通道出口卸料燃耗原则的权重较低，但随着堆芯燃耗的逐步加深，我们必须相应逐步增加通道出口卸料燃耗原则的权重，以达到稳步过渡到平衡堆芯的目的。由于新堆芯的燃料通道具有非常好的轴向对称性，换料在短期内对区域轴向对称性的影响十分小，因此换料优化软件很难判断换料方案在轴向对称性方面的优劣。在这种情况下，必须加入人工判断，以实现换料方案的最优化。

PDS系统（用于电厂运行数据采集和显示）是秦山三期的一大特色，与Gentilly-2电厂的数据采集系统大不相同，这就导致了Gentilly-2换料优化软件的数据接口与我们的PDS系统不兼容。为了对电厂实时运行数据进行准确的采集，我们开发了大量的计算机程序对PDS系统的数据进行自动处理，使引进的Gentilly-2换料优化软件能够更加高效可靠地运行。

3 建立可靠的硬件平台

换料优化软件在秦山三期的日常换料工作中起到了至关重要的作用。为了保证换料优化软件能够安全稳定地运行，我们在2001年10月至2002年6月期间，先后共购买了两套惠普UNIX工作站系统。购置的硬件设备主要包括：

l HPhpHP C3700 UNIX工作站（2台）

l HP X2000 NT终端（1台）

l HP X2100 NT终端（1台）

l HP DDS大容量磁带机（1台）

l APC长延时UPS（1台）

l HP激光打印机（2台）

我们将这些硬件设备构建成了一个独立的点对点局域网，使得两套工作站可以相互热备用，大大提高了整个系统的可靠性。值得一提的是，我们采用了惠普公司最新的Openview技术，配合DDS大容量磁带机，实现了重要数据的自动备份功能。而长延时的UPS系统则为整套工作站系统提供了可靠充足的电力保证。

4 结论

通过学习国外电厂的先进经验，引进国外电厂的先进技术，并结合秦山三期的实际进行技术改进，我们建立了一套可靠的换料优化计算机系统（包括硬件和软件），使秦山三期的换料优化工作在国外电厂成熟经验的基础上更进一步。对于CANDU电厂而言，换料优化工作是一项长期而复杂的工作，拥有这样一套先进的换料优化计算机系统给秦山三期的换料优化工作建立了一个高的起点。合理地使用这套系统，可以有效地保证秦山三期两台CANDU机组换料的经济性和安全性，我们还将在未来的实际工作中进一步摸索，更好地优化这套系统，使其在未来的换料优化工作中发挥更大的作用。