学     校     名     称

哈尔滨工程大学

实 验 教 学 项 目 名 称

核电站运行虚拟仿真实验

所  属  课  程  名  称

核动力装置虚拟仿真运行实验

所  属  专  业  代  码

082201

实验教学项目负责人姓名

薛若军

实验教学项目负责人电话

13674615386

有  效  链  接  网  址

http://nstvrsim.hrbeu.edu.cn

（http://202.118.177.101）

1-1实验教学项目负责人情况

姓名

薛若军

性别

男

出生年月

1974.6

学历

博士研究生

学位

工学博士

电话

0451-82519302-456

专业技

术职务

副教授

行政

职务

手机

13674615386

院系

核科学与技术学院

电子邮箱

xueruojun@hrbeu.edu.cn

地址

哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学31号楼456室

邮编

150001

教学研究情况：

1、教学研究课题

2、编写教材

3、获得教学奖励

学术研究情况：

1、承担科研工作

2、发表论文

3、获得科研奖励

1-2实验教学项目教学服务团队情况

序号

姓名

所在单位

专业技术职务

行政职务

承担任务

备注

1

薛若军

哈尔滨

工程大学

副教授

项目总体策划/统筹设计

2

彭敏俊

哈尔滨

工程大学

教授

副院长

虚拟仿真教学中心主任

虚仿中心发展规划/教学管理

3

成守宇

哈尔滨

工程大学

副研究员

课程教学

控制软件开发

4

朱海山

哈尔滨

工程大学

讲师

课程教学

平台软件支持

5

赵强

哈尔滨

工程大学

教授

课程 教学

物理教学软件开发

6

刘中坤

哈尔滨

工程大学

讲师

课程教学

三维教学资源制作

7

夏庚磊

哈尔滨

工程大学

助教

课程教学

实时运行软件开发和维护

8

孙觊琳

哈尔滨

工程大学

助研

热力系统教学软件开发

9

张博文

哈尔滨

工程大学

助研

控制系统教学软件开发

10

王策

哈尔滨

工程大学

工程师

网站维护

技术支持

11

白云涛

哈尔滨

工程大学

助研

三维教学资源制作、在线支持

在线教学服务

2-1名称

核电站运行虚拟仿真实验

2-2实验目的

众所周知，核电站是一种技术高度密集的能源系统，工艺系统数量多，运行和控制复杂，而且反应堆具有潜在的放射性物质外泄的危险，一旦发生事故，后果极其严重，例如美国三哩岛核电站事故、前苏联切尔诺贝利核电站事故以及日本福岛核电站事故，不仅震惊了全世界，而且显著地改变了世界核电发展的进程。因此，核电发展的首要问题是确保核安全，从人才培养的角度来看，在核电站设计、建造、运行、维修等各个环节都有数量充足的高素质专业人才，是确保核安全的重要基础。

   。

图1 压水堆核电站厂房        图2 压水堆核电站反应堆厂房

图3 核电站常规岛厂房                    图4 核电站主控制室

由于核动力设施自身的特点，组成复杂，运行过程中还有放射性辐照危险，在教学过程中安排现场实习存在着风险大、费用高、一些涉核系统和设备不能参观等具体困难，使用实体教学模型也存在费用高、规模有限、演示方式单一、不能教学和科研相兼顾等问题。客观上制约了核工程与核技术专业教学水平和教学质量的提高，更重要的是缺乏一个能够让学生综合利用所学专业知识解决实际问题、进行创新研究的平台，导致学生在专业课程学习阶段理论与实际相脱节，对所学对象缺少感性认识，动手能力普遍较差，学生的创新能力没有得到很好的培养和挖掘。核工程与核技术专业实验教学受到了实际设备和系统的限制，而通过虚拟仿真实验教学方式很好地解决了上述问题。

核电站运行虚拟仿真实验教学项目是核工程与核技术专业本科生必修的实验教学环节之一。该项目依托首批国家级虚拟仿真实验教学中心开设。实验项目的主要目的是使学生在学习《核反应堆物理》、《反应堆热工水力学》、《核动力装置与设备》、《核动力装置用泵与阀门》、《核动力装置控制与保护》等专业课程的基础上，进一步了解压水堆核电站系统的组成、工作原理，并通过虚拟运行仿真实验，掌握压水堆核电站主要系统和设备在正常和事故工况下的运行操作步骤和基本控制原理，加深学生对专业知识的理解，锻炼学生的实践动手能力，培养学生综合运用专业知识解决工程实际问题的能力。

2-3实验原理（或对应的知识点）

本实验项目为综合实验，实验内容涵盖了核电站的结构原理、系统组成、运行原理等内容，包含核电站运行等相关知识点。主要对应的知识点：

（1）反应堆及一回路系统。包括反应堆物理、主冷却剂系统组成、工作原理和运行特性。

（2）一回路辅助系统及专设安全设施。包括化学和容积控制系统、设备冷却水系统、重要厂用水系统、余热排出系统、安注系统以及安全壳喷淋系统等

（3）二回路系统。包括主蒸汽系统、辅助蒸汽系统、蒸汽排放系统、凝水系统、给水系统及循环水系统等。

（4）控制系统、气系统以及核电站运行。

2-4实验仪器设备（装置或软件等）

（1）硬件设备

1）2台HP-640高性能工作站

2）4台1920*1080高分辨显示器

（2）软件

1）仿真支撑软件

2）仿真实验控制软件

3）仿真数据获取软件

4）核电站仿真模型软件

5）实验结果分析软件

2-5实验材料（或预设参数等）

本仿真实验系统根据实验大纲提供不同仿真工况初始边界、故障清单、外部参数，具体如表1、2、3所述。

表1    初始边界工况表

表2    故障清单表

表3    外部参数

2-6 实验教学方法

核电站运行虚拟仿真项目充分利用先进的仿真技术、三维建模等信息化技术，使核工程和核技术专业的实验教学效果得到极大的提高。虚拟仿真项目同时为学生自主学习提供了条件，为学生研究了提供手段和基础数据。核动力装置仿真已成为学生需要掌握的基本技能之一，在核专业相关的用人单位也大量采用与核电站虚拟仿真一样的软件进行设计、研发和系统验证等工作，同时也将是否掌握核电站仿真计算手段作为用人的条件之一。

核电站运行实验项目涉及的相关内容较多，操作步骤较为复杂。为了能够达到实验教学效果。在实验教学过程中分成实验前预习、实验中操作和实验后总结等三个部分。下面以核电站的停止实验为例，核电站的停止实验主要包括功率下降、发电机解裂、汽轮机停机、反应堆停堆、主回路降温降压等。

（1）课前强化实验前的预习、完成预习报告

课前学生需要通过预习了解核电站100%负荷状态、掌握核电站停止重要的操作骤、发电机解列的条件、汽轮机停止过程、控制棒下插的程序、系统降温降压的注意事项等，熟悉重要节点的参数数值。

（2）做好实验课堂教学工作，注重实验过程，通过实验是学生巩固理论知识、

锻炼动手能力、学习操作过程，培养学生核安全意识、协作能力和严谨细致的工作作风。

核电站过程比较复杂，在实验过程中参考核电站运行过程操作员的站位，实验过程中两人一组，一人负责一回路操作，另一个人负责二回路操作两个人相互配合完成操作。在操作过程中两名同学按照操作步骤进行操作，在操作过程中要注意核电站一回路压力、温度等参数的变化。防止系统在运行过程中出现超过参数限值等不正常的现象发生。

（3）强化研讨式教学，加强师生互动

鼓励学生自主组织核电站的操作过程，加强师生互动，给学生更多的发言权，鼓励学生大胆发表意见，完成不同工况运行后，组织学生对实验结果、内容、方法及相关内容进行现场讨论，指导教师适当提出问题，引导学生主动思考，以培养学生对实验结果的分析能力，同时对实验背景知识及相关领域内的发展作进一步了解。

（4）培养学生发现问题和解决问题的能力，培养学生从事核工程与核技术领域工作的实际能力。

2-7实验方法与步骤要求

实验方法主要参考实验教材要求，基本方法为启动仿真系统、选择实现工况、实验数据获取软件设置、仿真实验操作运行、实验数据获取，本仿真实验系统根据实验内容不同其操作步骤不同，下面将列举反应堆降功率实验的实验方法和操作步骤。对于实验学生必须很好理解操作步骤和操作原理，才能较好完成核电站虚拟运行实验项目各实验。

（1）仿真实验系统启动（本步骤是保证仿真实验系统能否工作的步骤）

（2）仿真实验系统操控界面登陆（本步骤是保证仿真实验系统能否对仿真系统进行操作与监视的步骤）

（3）仿真实验系统实验工况选择、复位与运行（本步骤是仿真实验系统对实验内容的选择工作）

1）工况选择，根据预先存储的工况值进行工况的初始状态的设定。

2）仿真系统复位

3）仿真机运行

（4）仿真实验系统实验数据导出设置准备（本步骤是仿真实验数据选取工作）

（5）仿真实验系统实验具体实验内容运行（手动工况降负荷操作，本步骤是最复杂的与仿真实验的关键内容）

1）手动工况降反应堆负荷操作

2）手动减少发电汽轮机负荷操作

3）手工干预一回路系统压力操作

4）手工干预蒸汽发生器给水操作

5）手工干预除氧器压力操作

6）手工干预凝结水系统操作

7）手工干预循环水系统操作

8）手工干预化容系统操作

9）手工干预设备冷却系统操作

10）手工干预一级再热系统操作

11）手工干预二级再热系统操作

（6）仿真实验系统实验数据导出与分析（本步骤仿真实验结果导出与分析部分）

1）数据导出

2）实验数据分析

表4是核电站功率从100到冷停堆的部分操作过程，其中包含自动过程和手动操作。自动控制由程序完成控制，手动控制需要学生进行操作。

表4核电站功率从100%满功率到冷停堆的部分主要操作过程

2-8实验结果与结论要求

根据实验内容要求，通过实验系统得到核电站不同工况下的运行数据，针对运行数据进行分析，给出必要的结论。主要包括：

（1）核电站运行方案分析；

（2）不同运行工况下核电站的主要参数变化规律；

（3）核电站主要设备的运行状态及设备启动和停止对系统影响；

（4）核电站事故工况下系统的系统状态参数变化及系统的运行方案。

2-9考核要求

考核分为课前预习报告（25%）、上机操作（40%）、实验报告（项目分析报告）（35%）三部分

（1）在本课程中预习是十分重要的。核电站运行十分复杂，一个操纵员要经过6年左右的培训才能通过考试上岗。学生无法在课程这么短的时间掌握全部操作。因此核电站运行仿真教学系统进行了操作的整合和简化，可以满足学生进行学习和操作。核电站要求严格按照操作规程进行操作，因此要求学生通过课前观看操作视频进行预习，并完成预习报告。成绩评定的方式依据实习报告和上课的操作。

（2）上机操作考核分为两部分。核电站的运行需要操作员相互配合，分工协作，因此在实验操作过程中，通过在教练员台观察和记录操作步骤及现场的交流进行评判。操作过程中仿真系统能够记录实验数据，并具有报警功能。通过记录学生的操作过程和数据进行实验过程成绩评定。

（3）实验报告（项目分析）成绩评定。

依据学生提供的实验报告进行成绩评定。报告包括对实验数据的分析，运行方案的分析等内容。

（4）作为基本功，要求学生在校期间必须掌握本仿真软件的使用。

2-10面向学生要求

（1）    专业与年级要求

核工程与核技术专业，三年级。

同时在补充核动力装置相关内容可为热能与动力工程专业上课。

（2）    基本知识和能力要求等

具备热工、流体、传热相关基础知识，核动力装置相关内容

3-1有效链接网址

http://nstvrsim.hrbeu.edu.cn（http://202.118.177.101）

3-2网络条件要求

（1）  说明客户端到服务器的带宽要求（需提供测试带宽服务）

千兆网络

（2）  说明能够提供的并发响应数量（需提供在线排队提示服务）

不小于100

3-3用户操作系统要求（如Windows、Unix、IOS、Android等）

（1）  计算机操作系统和版本要求

Windows7 旗舰版 64位

（2）  其它计算终端操作系统和版本要求

Windows7 旗舰版 64位

3-4用户非操作系统软件配置要求（如浏览器、特定软件等）

（1）计算机非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下载服务）
     CPU：Intel E5-2630 V4；内存：32G；硬盘：256G SSD+1T SATA；显卡：NVIDIA Quadro M2000

（2）其它计算终端非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下载服务）

CPU：Intel   i5-6500；内存：16G；硬盘：128G SSD+1T   SATA；显卡：NVIDIA Quadro GTX1050TI

3-5用户硬件配置要求（如主频、内存、显存、存储容量等）

（1）计算机硬件配置要求

CPU：Intel i5-6500；内存：16G；硬盘：128G SSD+1T SATA；显卡：NVIDIA Quadro GTX1050TI

（2）其它计算终端硬件配置要求

CPU：Intel i5-6500；内存：16G；硬盘：128G SSD+1T SATA；显卡：NVIDIA Quadro GTX1050TI

指标

内容

系统架构图及简要说明

实验教学项目

开发技术：MFC编程技术、TCP/IP技术、仿真建模技术、HMI技术

开发仿真实验系统人机交互界面，建立仿真对象模型，开发基于网络的仿真模型程序与人机界面通讯程序，开发仿真实验数据获取程序。

开发技术（如：3D仿真、VR技术、AR技术、动画技术、WebGL技术、OpenGL技术等）

主要采用VR技术，其中也涉及3D仿真及动画技术，在开发过程中对于特殊的功能需求，也需要利用Direct3D技术进行底层开发。

开发工具：Intel Fortran Compiler、SimExec、Jade、Eclipse、Visual Studio、NetBeans、

Intel   Fortran Compiler用于编译Fortran建立仿真模型程序，SimExec用于开发仿真程序数据库管理、实时调度管理等，Jade用于建立图形化建模，Eclipse和NetBeans用于开发Java程序。Visual Studio用于开发基于MFC界面和网络通讯程序。

开发工具（如：Unity3d、Virtools、Cult3D、Visual Studio、Adobe Flash、百度VR内容展示SDK等）

开发工具软件主要包括：

1）几何建模软件：UG NX、3D Max等；2）仿真程序开发：Unity3d、Visual Studio、Direct3D SDK等。

管理

平台

开发语言：Java、.net、Fortran、C

用于进行仿真实验教学管理平台的集成和部分功能的开发，须要建设通过的管理平台，包括实验选课、学员登陆、实验数据下载、成绩管理等。

开发工具：Eclipse、Visual Studio、NetBeans、 SimExec、Jade，Intel Fortran   Compiler

用于开发实验管理平台的开发。

采用数据库：Access、MySQL

用于网络和本地数据的管理。

依托国家级核科学与技术虚拟仿真实验教学中心的独特优势，将科研成果融入本软件，实现以科研反哺实验教学。该实验项目充分利用信息技术，融合互联网+虚拟仿真的思想，有效地解决了核工程与核技术专业实验涉及放射性、实验设施价格昂贵、运行维护费用较高、实验内容单一等现实问题。学生得到了综合利用所学专业知识解决实际问题的充分训练，提高了动手能力提高和创新能力。

第一、实验教学项目深度融合实验教学与课堂教学，切实提升了教学效果。

利用自主研发的内容全面，技术先进虚拟仿真实验教学平台开设的实验项目，为核工程专业学生提供了一个良好的实验条件，促进了实验教学内容与实际现场环境的有机结合，创设了教、学、做合一的特殊课堂，切实提升了教学效果。

第二、实验教学项目深度融合实验教学与学生科技创新，切实提升了学生的实践创新能力。

为学生提供了综合应用所学知识解决实际问题的环境，激发了学生主动学习、探索求知的兴趣。如核动力装置软件分析平台将核动力装置设计、分析等相关的软件进行集合在一个服务器上，学生可以通过计算机终端登陆服务器，实现优质软件资源共享为本科生和研究生提供一个开放的创新环境，成为了学生课外科技创新活动的新载体，在此平台上开设了学生创新课程，在人才培养中发挥了重要作用。

第三、深度融合实验教学与企业需求，切实满足了国家对核专业创新人才的需求。

实验教学项目的实验内容和操作过程与实际核电站的过程保持一致，教学目的与核电企业需求相结合，结合企业培训相关要求，培养学生的操作能力，使专业教育符合社会的发展需求，满足了国家对社会紧缺的复合型拔尖创新人才和应用人才的需要。为推进人才培养模式创新探索了一条新路，在国内具有借鉴价值。

第四、积极创新实验教学方法，充分利用互联网+开放式实验教学的理念。

将实验教学与互联网有机结合，充分利用互联网的优势，逐步实现学生能够在自主选作实验，不受时间和场地的限制，提高教学的灵活性和实验资源的最大化利用。

实现教学资源共享是虚拟仿真教学平台发挥更大作用的必然选择。中国科技大学派4名教师和同学到我校虚拟仿真实验教学中心进行了为期3天的培训和学习，计划本学期采用本套系统用于核电站运行实验教学。

目前核电站运行虚拟仿真实验已经能够实现在网络运行。但是也存在核电站虚拟三维仿真模型数据量较大，在网络上进行运行时速度较慢，需要下载必要的加载程序和相应的内容才能运行，因此程序需要授权才可以使用。

为了使该实验教学项目能够在网络上面积的推广和应用，计划开展以下几方面工作。首先进行服务器和局域高速网络访问的建设，实现虚拟仿真教学系统所支撑的内部网络访问。其次是对虚拟仿真程序进行优化，减小数据量，并关注虚拟仿真方面大数据量流数据传输技术的发展，充分跟进计算机和网络技术的进步，实现公共网络资源共享；同时，也要研究对下载内容的授权控制方法，如果方法完善，方便实现资源共享。结合即将进行的高速公共校园网络的建设，研究高速网络下的资源共享策略与方法。计划实现在2年内完成校园内部网不受限制使用，可将该实验项目在其他高校的内部网进行运行，在5年内完成在互联网上实现不受限制的运行，为更多的开始核工程与核技术专业的学生提供网络学习的资源。

另一方面的计划是持续进行虚拟仿真教学资源的开发与建设。本实验项目是以压水堆核电站为对象进行研制的。随着我国核电技术不断的发展，例如“华龙一号”、第四代堆型不断出现。虚拟仿真实验教学中心将持续跟进新型堆型的发展不断开发新的仿真系统，并在实验教学中加以应用。

本人已认真填写并检查以上材料，保证内容真实有效。

实验教学项目负责人（签字）：

年    月    日

本学校已按照申报要求对申报的虚拟仿真实验教学项目在校内进行公示，并审核实验教学项目的内容符合申报要求和注意事项、符合相关法律法规和教学纪律要求等。经评审评价，现择优申报。

本虚拟仿真实验教学项目如果被认定为“示范性虚拟仿真实验教学项目”，学校承诺将监督和保障该实验教学项目面向高校和社会开放并提供教学服务不少于5年，支持和监督教学服务团队对实验教学项目进行持续改进完善和服务。

主管校领导（签字）：

（学校公章）

年    月    日