唐延澤 鄭海偉 陳玉爽 傅 遠 唐忠鋒 朱海華 孔祥波 王納秀

HYSYS 軟件應用于熔鹽冷卻系統(tǒng)瞬態(tài)分析的可行性研究

唐延澤1,2鄭海偉1,2陳玉爽1傅 遠1唐忠鋒1朱海華1孔祥波1王納秀1

1（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）2（中國科學院大學 北京 100049）

系統(tǒng)軟件對熔鹽堆冷卻劑系統(tǒng)的整體模擬、瞬態(tài)分析和安全研究起到至關重要的作用。針對化工領域系統(tǒng)仿真軟件HYSYS進行二次開發(fā)，植入熔鹽物性，修改熔鹽換熱模型，利用軟件已有模型（等效回路加熱器模型）嘗試分析其對熔鹽冷卻系統(tǒng)仿真的可行性。為驗證修改后的軟件的可靠性，對中國科學院上海應用物理研究所釷基核能中心硝酸鹽熔鹽(KNO3-NaNO2-NaNO3Molten Salt, HTS)實驗裝置進行了系統(tǒng)仿真模擬，并與實驗結果進行了對比。結果顯示，擴展后的軟件對熔鹽冷卻系統(tǒng)的分析研究具有較好的適用性。

熔鹽系統(tǒng)，HYSYS軟件，瞬態(tài)仿真，實驗驗證

反應堆系統(tǒng)安全分析軟件是反應堆設計的重要工具，在反應堆熱工水力設計、運行策略、保護參數正定值的選取和反應堆安全裕量分析等方面發(fā)揮著重要作用。目前第四代先進高溫熔鹽堆的研究還處于起步階段，各項技術理論處于發(fā)展階段，缺少專用的高溫熔鹽堆系統(tǒng)仿真軟件。對現有成熟系統(tǒng)仿真軟件進行擴展或二次開發(fā)，使其適用于高溫熔鹽熱功轉換系統(tǒng)，是發(fā)展高溫熔鹽堆冷卻系統(tǒng)仿真軟件的有效措施。

Aspen Tech公司旗下HYSYS軟件的前身是加拿大HYPROTECH公司開發(fā)的石油化工系統(tǒng)模擬軟件[1]。HYSYS軟件具有穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩種仿真模式，相互之間可以方便地進行互相轉換。軟件主要由物性模塊和操作單元兩部分構成。物性模塊主要是物性包，每個物性包包含物質組分和對應的物性計算方法。單元操作模型主要定義相關操作單元的結構和屬性，主要由反應器、熱交換設備、壓力設備和邏輯控制單元等構成。這些設備模型基本能滿足熔鹽實驗系統(tǒng)的冷卻劑回路仿真需求。HYSYS軟件還具有豐富的用戶自定義和軟件通訊接口，具有良好的軟件的擴展、二次開發(fā)和與其它軟件的鏈接功能[2]。利用這些功能對HYSYS軟件進行深度開發(fā)，使其成為一款適用于熔鹽堆核能系統(tǒng)熱工水力瞬態(tài)仿真的系統(tǒng)軟件。

本文正是基于熔鹽堆的研究背景，針對熔鹽堆的特性，對HYSYS軟件進行了擴展，修改了熔鹽的物性和傳熱公式，使其應用于熔鹽冷卻回路的系統(tǒng)仿真。為驗證擴展后的HYSYS軟件的可靠性，對中國科學院上海應用物理研究所釷基核能中心的硝酸鹽熔鹽(KNO3-NaNO2-NaNO3Molten Salt, HTS)實驗回路進行了動態(tài)仿真，并且與實驗結果進行了對比。

1 仿真模型

1.1 HTS回路

HTS實驗回路見圖1，是由中國科學院戰(zhàn)略先導專項釷基熔鹽堆項目資助的首個熔鹽實驗回路，具有完整的預熱、加熱、散熱循環(huán)功能和可拆卸的實驗測試段[3]。主要用來掌握熔鹽回路的設計、運行技術和開展初步的熔鹽熱工水力特性研究。HTS熔鹽回路的主要能量轉移系統(tǒng)由硝酸鹽回路、冷卻油回路和空氣回路組成。硝酸鹽回路主要由加熱器、泵罐、套管換熱器、管件和相關控制組件組成。加熱器為熔鹽提供熱源，并通過熔鹽-冷卻油套管換熱器將熱量傳遞給冷卻油，冷卻油通過空冷器將熱量傳遞給環(huán)境熱阱。一回路的溫度調節(jié)通過調節(jié)熔鹽加熱器的加熱功率來實現，流量通過調節(jié)泵的轉速來實現，二回路的溫度調節(jié)通過空冷器的風機轉速和油儲罐的加熱功率來實現。HTS回路主要運行參數見表1。

圖1 HTS熔鹽熱工實驗回路系統(tǒng)組成Fig.1 HTS molten salt thermal experimental loop system structure.

表1 HTS回路工作參數Table 1 Operating parameters of the HTS loop.

1.2 HYSYS軟件模型

1.2.1 物性擴展

HYSYS軟件物性模塊提供對指定組分物質的熱力學性質和傳遞性質的多種計算方法[4]，但這些方法多適用于石油化工方面的物質。直接使用HYSYS的物性方法來計算硝酸鹽混合物的物性，計算結果與熔鹽實際物性相差較大，導致軟件模擬結果偏差較大。在本研究過程中，考慮到硝酸鹽在實驗工況下是穩(wěn)定的單相不可壓縮流體，假設硝酸鹽混合物為純物質。使用已有硝酸鹽混合物物性來回歸所定義純物質物性，可以解決物性方法帶來的物性計算不準確的問題。對于回歸物性種類，考慮到模擬工況，主要回歸了熔鹽的密度、熱導率、黏度和質量熱容。

1.2.2 套管式換熱器模型

套管式換熱器(Heat exchanger, HeatX)是HTS回路測試段的主要組成部分。在HTS換熱系數測量實驗中，已經對換熱器的換熱系數進行了測量，并根據實驗結果將D-B公式修正為式(1)。因此在模擬過程中采用換熱關聯式(1)代替軟件已有模型來計算管內換熱系數。

式中，10 000＜Re＜40 000；11＜Pr＜26。

換熱器總的換熱系數由式(2)計算[5]：

式中，hi、ho分別為管內外換熱系數；d為管內徑；λ為管壁熱導率。由于殼側工況基本穩(wěn)定，所以將ho設為定值，大小由初始換熱功率求得。

在瞬態(tài)模式下，將換熱器均勻劃分為三個區(qū)域計算，每個區(qū)域的計算采用如下計算關系式[6]：

式中，M為流量，kg·s?1；H為焓，J；Q為換熱量，J；Qloss為漏熱量，J；ρ為密度，kg·m?3；t為時間，s；V為體積，m3。

1.2.3 加熱器模型

加熱器是整個回路的主要熱源，如圖2所示，其幾何結構與管殼式換熱器結構相似，是一個典型的三維幾何結構。加熱器加熱裝置由加熱絲、氧化鎂填充物和套管構成。加熱裝置的模擬對于系統(tǒng)溫度變化趨勢和響應速度計算至關重要。

加熱絲的熱量傳遞到加熱器的熔鹽要經過熱傳導、輻射傳熱、對流傳熱。這個傳熱過程受到溫度、溫差和流量等諸多因素影響，軟件沒有對應模型來模擬。分析這些因素，發(fā)現對加熱裝置的傳熱起主要作用的是小套管到大套管的輻射傳熱和大套管到熔鹽的對流換熱。因此，可以將加熱裝置的傳熱分為大套管內的輻射換熱和套管外的對流換熱。這個過程和換熱器的傳熱過程一致。所以在軟件模擬中，加熱器加熱模型由管殼式換熱器來等效。為保證等效模型和原加熱模型具有同樣熱容和加熱功率的控制，整個加熱器被等效為一個由加熱器(E-101)、泵(P-101)和換熱器(E-100)構成的閉合循環(huán)回路。

由式(2)可知，換熱器總換熱系數主要由熱阻最大的部分決定，分析加熱器換熱系數分布關系可知加熱器套管內的熱阻遠大于加熱器內熔鹽對流換熱熱阻。所以在HYSYS軟件模型當中，在一定溫度范圍內假設E-100換熱系數與其入口溫度成線性關系。關系式由穩(wěn)態(tài)實驗數據計算得到，計算公式為：

式中，UA為總換熱系數，W·K?1；P為加熱功率，W；ΔT為加熱棒和熔鹽對數平均溫差，K。

圖2 HTS回路加熱器結構示意圖Fig.2 HTS loop heater structure.

1.2.4 泵模型

在實驗設備中，泵安裝在一個圓柱體容器上方。在HYSYS軟件中，可用罐(V-100)和泵(Pump)的組合來等效泵罐。V-100的作用是等效實驗設備泵罐的容積和調節(jié)回路壓力。由于在本實驗中并不涉及泵的實驗，所以Pump的作用只是為循環(huán)回路提供動力和回路流量的調節(jié)。在現有的模擬中，該等效完全可以滿足模擬要求。

1.2.5 管件和漏熱模型

在HYSYS軟件中的管件模型包括了回路的管道和連接件等設備。軟件管件模型按照實驗設備管道幾何參數建立。

對于高溫熔鹽回路，需要考慮回路漏熱對結果的影響。根據實驗回路的實際情況，在HYSYS的各個幾何模型中增加了漏熱計算。但是軟件漏熱計算是不考慮容器的上下底面的漏熱，也忽略了管道的連接件和測量儀器造成的漏熱，其計算結果小于實際漏熱功率。

基于以上對各設備模型的設置，在HYSYS軟件中建立了HTS回路計算模型，如圖3。

圖3 HTS熔鹽回路模型Fig.3 HTS molten salt loop model.

2 實驗

2.1 溫度瞬態(tài)實驗

溫度瞬態(tài)實驗主要是為了驗證HYSYS系統(tǒng)程序對熔鹽體系的瞬態(tài)仿真能力，為后續(xù)的瞬態(tài)仿真提供參考。瞬態(tài)仿真關注重點是溫度響應曲線，HTS瞬態(tài)實驗開展硝酸鹽回路的溫度瞬態(tài)實驗，實驗工況初始條件見表2。

表2 實驗初始條件Table 2 Initial conditions of experiments.

在瞬態(tài)實驗中，選取加熱器中心溫度、套管換熱器進口溫度、加熱器入口溫度和加熱器加熱功率等體現回路系統(tǒng)變化特性的代表性物理量。由于實驗數據的采集間隔從5 s到300 s不等。為方便數據處理，所有實驗數據采用150 s間隔，這會導致部分實驗數據在隨時間變化過程中與實際數值有一定差異。

實驗開始前，回路在指定流量和加熱功率工況下穩(wěn)定運行。在1 800 s時，加熱器停止加熱，加熱器中心溫度開始下降。由于加熱器中心傳熱系數與加熱器熔鹽罐內溫度有關，溫度越大，傳熱系數越大。較大的換熱系數和溫差導致剛開始加熱棒換熱功率很大，加熱器中心溫度下降迅速，之后隨著溫度下降，換熱功率降低，中心溫度下降速度開始減慢。同時隨著加熱器傳熱功率的下降，整個環(huán)路系統(tǒng)溫度開始下降，但是由于回路較大的熱慣性，回路的溫度變化相對緩慢。等到回路溫度降到250 oC時，加熱器開啟加熱，此時由于加熱棒傳熱功率很小，再加上加熱棒本身的熱容較小，中心溫度開始快速上升。由于換熱器的換熱功率大于加熱器的換熱功率，回路熔鹽溫度繼續(xù)下降，但下降速度逐漸減慢。隨著加熱棒溫度的升高，加熱器傳熱功率大于換熱器換熱功率以后，回路溫度開始逐漸增加。加熱棒傳熱功率的升高使得加熱棒溫度在加熱功率不變的情況下上升速度下降，之后提升加熱功率，中心溫度上升速度再次加快。

2.2 壓損實驗

為研究軟件對熔鹽回路壓損的計算能力，在實驗中測量了回路在300 oC工況穩(wěn)定運行時，不同流量熔鹽通過回路測試段的壓差?；芈窚y試段包含套管式換熱器、混合室、連接件和相關測量傳感器等組件。

3 結果與討論

圖4給出15?30 Hz不同工況下HTS回路功率發(fā)生突變的HYSYS軟件模擬結果和實驗測量結果的對比。圖5是在300 oC工況下，不同流量熔鹽經過測試段的實驗測量總壓降和模擬總壓降的對比。

表3?5是系統(tǒng)監(jiān)測點重要數據的實驗測量和模擬結果的對比。由圖3可知，換熱器入口溫度和加熱器入口溫度變化基本是同步的，所以在表4和表5的實驗結果和模擬結果對比中舍去加熱器進口溫度的對比。

表3是實驗和模擬的各個監(jiān)測點初始溫度對比結果，總體來說，實驗值和模擬值符合得比較好，誤差在3%以內。就誤差變化規(guī)律來看，大流量實驗數據和模擬數據更加接近。主要原因是小流量下實驗測量數據精度下降和軟件計算的系統(tǒng)漏熱功率小于實際漏熱功率。

表4是實驗和模擬的加熱器中心溫度和換熱器入口溫度在降溫過程中的最低溫度對比。從圖4(a)可知，2.1 m3·h?1工況實驗溫度瞬態(tài)變化速度與模擬溫度變化速度差別相對較大，模擬溫度瞬態(tài)變化曲線更加平緩。這也導致實驗和模擬的中心最低溫度相對誤差達到了5.7%。之后隨著流量增加，實驗和模擬最低溫度誤差在3%以內，實驗和模擬曲線符合較好，如圖4(b)?(d)。造成小流量曲線變化緩慢，最終導致最低點溫度相差較大的主要原因是在小流量下，系統(tǒng)流體在容器中徑向混合不均勻，而在模擬過程中，采用的是均勻化模型，這樣軟件模型熱容大于實驗熱容，最終導致軟件模擬溫度變化曲線比實際變化緩慢。隨著流量增加，系統(tǒng)均勻化程度提高，試驗和模擬曲線趨向一致。

圖4 流量工況實驗結果與模擬結果對比 (a) 2.1 m3·h?1，(b) 2.8 m3·h?1，(c) 3.5 m3·h?1，(d) 4.5 m3·h?1實驗加熱器中心溫度，實驗換熱器入口溫度，實驗加熱器入口溫度，HYSYS模擬加熱器中心溫度，加熱器功率Fig.4 Comparison of experimental results and simulated results. (a) 2.1 m3·h?1, (b) 2.8 m3·h?1, (c) 3.5 m3·h?1, (d) 4.5 m3·h?1 HYSYS模擬換熱器入口溫度，HYSYS模擬加熱器入口溫度，Experiment heater center temperature,Experiment HeatX inlet temperature,Experiment heater inlet temperature, HYSYS heater center temperature,HYSYS HeatX inlet temperature,HYSYS heater inlet temperature, Heater power

表3 實驗初始溫度與模擬初始溫度對比Table 3 Comparison between experimental initial temperature and simulated initial temperature.

表4 實驗最低溫度與模擬最低溫度對比Table 4 Comparison between experimental minimum temperature and simulated minimum temperature.

表5是系統(tǒng)升溫過程中主要參數，包括加熱器開始加熱后換熱器溫度開始上升所需時間，加熱器加熱2 400 s后相關各點的溫度。從換熱器進口溫度上升所需時間來看，小流量和大流量的實驗值和模擬值并不一致，相差150 s，大流量時誤差達到25%。主要原因是數據采集時間間隔為150 s，這會造成變化時間出現一定誤差。對比系統(tǒng)加熱2 400 s后的實驗值和模擬值，最大誤差為3.8%，實驗值和模擬值符合較好，這也說明實驗值和模擬值在升溫過程中基本一致。

實驗和模擬的回路測試段壓損結果如圖5所示?？梢钥闯?，在測量范圍內，模擬壓損始終小于實驗壓損，隨著流量的增加，模擬壓損和實驗測量值的差值由剛開始的6.1 kPa增加到最后的23 kPa，相對誤差由開始的43%減小到最后的26%。造成這種誤差的原因主要有以下幾個方面：第一，軟件模型為理想的標準化模型，實驗設備在加工安裝過程存在影響和偏差，這導致壓損增加；第二，在測試段安裝了很多測量傳感器，這些測量設備的安裝增加了回路的壓損；第三，軟件壓降計算模型本身的計算誤差導致實驗壓損與模擬壓損的不一致。

表5 升溫過程實驗數據與模擬結果對比Table 5 Comparison between experimental data and simulated results during temperature-rise period.

圖5 300 oC工況下實驗壓降和模擬壓降對比Fig.5 Comparison of experimental results and simulated results under 300 oC operation condition.

總體來看，HYSYS軟件在對HTS回路仿真方面有較好的適用性。但是對小流量的溫度瞬態(tài)仿真和壓降計算也出現了一定誤差，其中壓損誤差達到45%以上。這也說明了軟件在熔鹽堆實驗裝置系統(tǒng)仿真方面的局限性。首先，一維軟件對于三維復雜結構容器的模擬可能會帶來較大誤差；其次，軟件幾何模型都為標準化模型，但是實驗裝置的結構往往是非標準化的，導致有些實驗設備缺乏對應的幾何模型，等效的幾何模型必然會帶來一定的計算誤差；最后，忽略加工安裝和測量設備等因素對壓降計算影響，使得軟件計算壓損與實際壓損相差較大。

對于一維軟件在模擬三維幾何結構方面的問題，在建模時對幾何對象進行三維空間劃分，將一維的熱工水力基本單元通過三維的拓撲結構進行連接，并添加特殊的用于模擬橫向流動的單元，從而更真實地模擬這種三維幾何結構中的復雜流動[7]。對于模型不足的問題，這個可以利用軟件完備的二次開發(fā)功能進行完善。目前較為常見的是通過MATLAB開發(fā)一些特有模型，然后通過HYSYS接口將MATLAB開發(fā)模型接入軟件計算當中。對于壓降計算的問題，需要實驗來驗證各種因素的影響大小，據此來修正已有壓降計算模型。

4 結語

據熔鹽實驗回路的特點，本文將HYSYS軟件進行了擴展，在軟件中回歸了熔鹽的物性；加入了修正過的換熱系數計算公式；用換熱器回路等效了加熱器的加熱過程。通過軟件模擬和實驗測量的對比結果來看，擴展后的HYSYS軟件成功地模擬了硝酸鹽實驗系統(tǒng)的瞬態(tài)過程。軟件計算的回路溫度隨時間的變化趨勢、溫度峰值的大小和瞬態(tài)響應時間都和實驗結果符合得較好。

HYSYS軟件較準確地模擬了HTS回路的瞬態(tài)過程，顯示其在熔鹽堆回路瞬態(tài)仿真中的適用性和可靠性。在現在熔鹽堆瞬態(tài)仿真缺乏專用軟件的背景下，將HYSYS進行改造后用于熔鹽堆瞬態(tài)仿真對現階段熔鹽堆的熱工水力和安全研究具有重要的意義。

1 李惠茗. 常用化工流程軟件淺析[J]. 甘肅石油和化工, 2010, 3: 45?48 LI Huiming. Brief analysis of common chemical industry process software[J]. Gansu Petroleum and Chemical Industry, 2010, 3: 45?48

2 Aspen Technology Incorporated. Aspen HYSYS customization guide[EB/OL]. http://www.aspentech.com, 2010

3 韓利峰, 陳永忠, 周大勇, 等. HTS熔鹽實驗回路分布式控制系統(tǒng)設計[J]. 核技術, 2013, 36(9): 090603 HAN Lifeng, CHEN Yongzhong, ZHOU Dayong, et al. Design of the distributed control system for HTS molten salt test loop[J]. Nuclear Techniques, 2013, 36(9): 090603

4 Aspen Technology Incorporated. Aspen physical property system[EB/OL]. http://www.aspentech.com, 2010

5 楊世民, 陶文銓. 傳熱學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006 YANG Shimin, TAO Wenquan. Heat transfer[M]. Beijing: Higher Education Press, 2006

6 Aspen Technology Incorporated. Aspen HYSYS unit operations guide[EB/OL]. http://www.aspentech.com, 2010

7 周翀, Klaus H, 程旭. ATHLET程序的鈉冷快堆應用擴展及其驗證[J]. 原子能科學技術, 2013, 47(11): 2053?2058 ZHOU Chong, Klaus H, CHENG Xu. Modification and validation of ATHLET code for sodium-cooled fast reactor application[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(11): 2053?2058

CLC TL333

Feasibility study of HYSYS code for molten salt cooled system in dynamics analysis

TANG Yanze1,2ZHENG Haiwei1,2CHEN Yushuang1FU Yuan1TANG Zhongfeng1ZHU Haihua1KONG Xiangbo1WANG Naxiu1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China) 2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: System code is important for the dynamic simulation and safety analysis of the molten salt cooling system. There is no professional system code for molten salt-cooled system yet. The HYSYS code is a process simulation environment designed to serve many processing industries. It has a potential ability for the global simulation of the molten salt cooling system as well as transient and accident safety analysis. Purpose: The aim is to validate the modified HYSYS code for molten salt cooling system application. Methods: Based on the KNO3-NaNO2-NaNO3molten salt (HTS) experiment device, the thermal-dynamic and transport properties were implemented into the HYSYS code, and a precise and complete model was built for HYSYS code. The model was used to simulate the HTS loop under different conditions. The corresponding experiments were also executed, and then the simulated results were compared with the experimental data to validate the HYSYS code application. Results: The simulated temperature data are in good agreement with the experimental results. Conclusion: The modified HYSYS code is available in simulating molten salt-cooled loop system.

Molten salt system, HYSYS code, Transient simulation, Experimental validation

TL333

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.040601

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(No.XDA0201002)資助

唐延澤，男，1989年出生，2012年畢業(yè)于華東理工大學，現為碩士研究生，研究領域為反應堆熱工水力學

王納秀，E-mail: wangnaxiu@sinap.ac.cn

2015-01-21，

2015-03-05