桂璐廷

前言

根據(jù)CAP1000化學和容積控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設計和布置情況，利用Flowmaster程序建立了化容系統(tǒng)的凈化回路模型，并進行了典型的瞬態(tài)仿真。分析表明軟件模擬結(jié)果的變化趨勢與手算結(jié)果基本保持一致，F(xiàn)lowmaster的計算結(jié)果能夠更真實的反應瞬態(tài)的變化過程。

1.背景

化容系統(tǒng)是CAP1000重要的輔助系統(tǒng)，主要負責調(diào)節(jié)一回路水化學和控制一回路水裝量。由于化容系統(tǒng)的凈化環(huán)路在正常運行期間與一回路始終保持聯(lián)通，因此在壽期內(nèi)會經(jīng)歷很多設計瞬態(tài)。這些瞬態(tài)計算可用于化容系統(tǒng)相關設備和部件的結(jié)構(gòu)力學和疲勞應力分析。本文根據(jù)CAP1000化容系統(tǒng)的實際布置情況，使用flowmaster程序進行了仿真建模;旨在通過本次模擬為flowmaster在系統(tǒng)瞬態(tài)計算上的應用提供參考。

2.瞬態(tài)描述

化容系統(tǒng)的設計瞬態(tài)包括以下幾種：（1）由于反應堆冷卻劑系統(tǒng)的設計瞬態(tài)而引起的化容設計瞬態(tài)，化容系統(tǒng)在此情況下不采取任何動作。（2）由化容系統(tǒng)運行引起的瞬態(tài)，如凈化隔離、補水泵驅(qū)動。本文模擬的瞬態(tài)工況是電廠全范圍升溫工況。電廠全范圍升溫是每個換料周期必須經(jīng)歷的瞬態(tài)，CAP1000電廠全壽期內(nèi)假設反應堆冷卻劑系統(tǒng)會發(fā)生200次全范圍的升溫瞬態(tài)。

3.模型和程序介紹

3.1模型介紹

由于化容系統(tǒng)在下泄熱交換器下游的溫度基本穩(wěn)定在50℃以下，因此設計瞬態(tài)的計算僅考慮了下泄熱交換器上游的管道、閥門、再生熱交換器和再生熱交換器殼側(cè)下游的凈化返回部分。但整個仿真模型仍按照全系統(tǒng)的真實設計和布置，使用flowmaster V7.9建立。系統(tǒng)簡圖見圖1，其中A、B、C三部分為瞬態(tài)計算的結(jié)果導出部分。

圖1 CVS系統(tǒng)流程示意圖

3.2程序介紹[2]

對多個元器件的管道系統(tǒng)，F(xiàn)lowmaster均把管道系統(tǒng)當做網(wǎng)格來處理，網(wǎng)絡中元器件的壓力、溫度、流量等參數(shù)的求解實際上是求解一個大型矩陣，其中，矩陣中的各系數(shù)由相應元件的參數(shù)決定。在對整個網(wǎng)絡系統(tǒng)模型進行求解時，會采用設置的初始流量進行求解，當完成第一次求解后，得到了各節(jié)點的壓力，而后再通過壓力可以求得一個新的流量，因此，矩陣中的各系數(shù)會被修改，需要再次求解。對于整個網(wǎng)絡模型的求解過程，就是通過這樣的往復迭代過程實現(xiàn)的，直到所有結(jié)果都達到預先設定的殘差時，迭代中止，計算完成。

4.冷卻劑物理參數(shù)和性質(zhì)

4.1物理性質(zhì)

在化容系統(tǒng)中，冷卻劑從一回路引出后溫度較高，經(jīng)過再生和下泄熱交換器后會經(jīng)歷較大的降溫和降壓變化。因此，在計算中需要考慮冷卻劑密度、粘性、導熱系數(shù)等物理性質(zhì)參數(shù)隨溫度和壓力的變化。另外主系統(tǒng)冷卻劑是含有硼酸等化合物的混合溶液，在本計算中近似作為水來處理。

4.2模擬參數(shù)

本文使用基于幾何的高級管殼式換熱器模擬再生熱交換器和下泄熱交換器，根據(jù)換熱器的幾何參數(shù)創(chuàng)建新的換熱器模型，使其能夠適用更多工況的計算。兩個熱交換器的基本數(shù)據(jù)見表1和表2。為了使給整個瞬態(tài)計算標準化、通用化，本文使用Flowmaster軟件中的離散阻力元件來模擬熱交換器外其他管路或設備的阻力特性。因此這些管道和設備的壓降會根據(jù)實際計算結(jié)果而調(diào)整。

4.3邊界條件

在電廠全范圍升溫工況下化容只有凈化環(huán)路運行，瞬態(tài)由反應堆冷卻劑系統(tǒng)的波動引起。主系統(tǒng)的壓力和溫度波動情況作為瞬態(tài)計算的邊界條件，見圖2。

5.計算結(jié)果

根據(jù)4.2節(jié)中全范圍升溫瞬態(tài)的進出口壓力、溫度曲線，設定仿真模型進出口邊界條件。模擬時間設定為36000秒，模擬步長為100秒。最終采用再生熱交換器管側(cè)入口、管側(cè)出口和殼側(cè)出口的狀態(tài)來繪制瞬態(tài)曲線，這三處分別對應圖1中的A部分、C部分和B部分。由于A部分使用的是同樣的設計輸入，因此手算和軟件計算的結(jié)果是一致的。在本文中比較了C部分和B部分的區(qū)別，手算和軟件模擬產(chǎn)生的曲線比較分別見圖3～6。

圖3 ?B部分溫度手算和軟件計算結(jié)果比較

圖4 ?C部分溫度手算和軟件計算結(jié)果比較

圖5 ?B部分壓力手算和軟件計算結(jié)果比較

從模擬結(jié)果來看，B部分和C部分的壓力和溫度均與A部分的變化趨勢一致。對比手算和flowmaster計算結(jié)果，其中壓力的變化曲線基本重合，溫度的變化曲線有一定的差異，偏差在2%～28%。

在手算時，選取了幾個再生熱交換器和下泄熱交換器的工況來計算進出口溫度，并將這些溫度擬合成進口溫度和出口溫度的關系曲線。這樣B、C部分的溫度可以通過A部分的溫度來計算獲得。由于數(shù)據(jù)點有限，在計算某些溫度點時不能較好的體現(xiàn)實際情況，尤其是在A部分溫度較低的情況下。而使用flowmaster模擬時，熱交換器均通過實際結(jié)構(gòu)進行模擬，出口溫度均通過軟件計算產(chǎn)生。

6.結(jié)論

本文使用計算流體軟件Flowmaster7.9對CAP1000的化學和控制系統(tǒng)進行了建模。在此基礎上，針對全范圍升溫瞬態(tài)進行了軟件模擬。根據(jù)比對結(jié)果，總結(jié)如下：（1）Flowmaster軟件模擬的結(jié)果和手算結(jié)果基本保持一致。（2）Flowmaster通過可視化模型，能夠更直觀的展現(xiàn)整個系統(tǒng)的構(gòu)架和全貌。在模型調(diào)試過程中，也更方便調(diào)整系統(tǒng)和設備參數(shù)。（3）Flowmaster可以完整的將整個主系統(tǒng)瞬態(tài)曲線作為設計輸入。而在手算時，由于數(shù)據(jù)量大，一般只能選取數(shù)個有代表性的點進行計算。（4）Flowmaster在設定好設備參數(shù)后，可以自動模擬所有工況下的換熱情況。而在手算時，由于數(shù)據(jù)量大，一般選取數(shù)個工作點來擬合熱交換器進出口溫度關系公式，并通過該擬合公式來計算所有工況，誤差較大。（5）Flowmaster可以根據(jù)設計輸入，較真實的重現(xiàn)瞬態(tài)工況。而在手算時，為了減少工作量，需要進行大量的假設工作。（6）Flowmaster不僅可以給出溫度、壓力的計算結(jié)果，還能同時輸出質(zhì)量流量、體積流量、流速、雷諾數(shù)、壓降等參數(shù)，計算結(jié)果更為全面。