周 華,陳 杰
(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司,武漢 430223)
主給水流量調(diào)節(jié)閥是給水系統(tǒng)重要設(shè)備,在核電廠(chǎng)正常運(yùn)行時(shí),蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)主要是主給水流量的控制,主給水控制包括高功率控制模式和低功率控制模式,兩種模式的切換信號(hào)來(lái)自于給水流量信號(hào),切換定值為15%額定給水流量。當(dāng)給水流量大于15%額定流量,控制模式從低功率模式切換至高功率模式,通過(guò)控制主給水流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)主給水流量,從而實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器液位控制[1]。
本文重點(diǎn)介紹根據(jù)主給水調(diào)節(jié)閥性能參數(shù),如何在RINSIM 1.0仿真平臺(tái),運(yùn)用流體網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論,實(shí)現(xiàn)其仿真并驗(yàn)證其仿真結(jié)果是否滿(mǎn)足要求。
RINSIM 1.0仿真平臺(tái)是CNPO自主研發(fā)的基于Linux的核電仿真支撐軟件平臺(tái)。該平臺(tái)包含以SimBase數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的多個(gè)離線(xiàn)和在線(xiàn)軟件包。
圖形化建模軟件SimGen有強(qiáng)大的部件庫(kù),可實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)以及各類(lèi)控制系統(tǒng)的建模。圖形化調(diào)試工具SimUgd和趨勢(shì)軟件(SimCurv)可實(shí)現(xiàn)各類(lèi)模型的在線(xiàn)調(diào)試和趨勢(shì)監(jiān)視。SimDraw可實(shí)現(xiàn)核電主控室中盤(pán)臺(tái)的仿真,SimWare可實(shí)現(xiàn)各類(lèi)型部件開(kāi)發(fā)。同時(shí),RINSIM1.0仿真平臺(tái)支持多種高級(jí)編程語(yǔ)言的非圖形化建模和調(diào)試,其構(gòu)架圖如圖1所示[2]。
圖1 RINSIM 1.0仿真平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of RINSIM 1.0 simulation platform
為計(jì)算流體網(wǎng)絡(luò)中各處流體的熱工水力參數(shù),首先引入節(jié)點(diǎn)、容積及邊界概念,在此基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及氣體濃度守恒方程建立數(shù)學(xué)模型,基于RNSIM 1.0仿真平臺(tái)最終求解得到各流體參數(shù)。
對(duì)流體網(wǎng)絡(luò)而言,數(shù)學(xué)模型的建立總會(huì)存在相關(guān)假設(shè)。針對(duì)本文的主給水流量調(diào)節(jié)閥,由于是水流網(wǎng),在不影響計(jì)算精度的情況下作以下假設(shè):
1)介質(zhì)為不可壓縮液體水。
2)介質(zhì)密度不變。
3)介質(zhì)溫度T=Ts(H)。
如前所述,流體網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型離不開(kāi)各數(shù)學(xué)微分方程,對(duì)于水流網(wǎng),各方程的具體公式如下:
1)質(zhì)量守恒方程:
M——節(jié)點(diǎn)質(zhì)量;G——管道流量;τ——時(shí)間步長(zhǎng)。
2)能量守恒方程:
H——節(jié)點(diǎn)比焓;p——節(jié)點(diǎn)壓力;ρ——節(jié)點(diǎn)介質(zhì)密度;Q——外熱源;R——內(nèi)熱源。
3)動(dòng)量守恒方程:
L——管道長(zhǎng)度;S——管道橫截面積;ξ——水力摩擦系數(shù);Δp'——管道壓降;H——泵壓頭。
圖2 節(jié)點(diǎn)j,流量 & 狀態(tài)參數(shù)Fig.2 Node j, flow & state parameters
圖3 管道 i -j,流量Fig.3 Pipeline i -j, flow
由動(dòng)量守恒方程式(3)可知,管道流量Gij是管道前后節(jié)點(diǎn)壓力&密度:Pi、Pj、ρi、ρj的函數(shù),根據(jù)其函數(shù)關(guān)系式:Gij= f(Pi,Pj,ρi,ρj),可得出:
根據(jù)介質(zhì)密度與壓力、比焓、不凝氣體濃度的函數(shù)關(guān)系式:ρi= f(pi,hi,Cjk)可得出 :
根據(jù):mi= Vi* ρi有:
將式(4)、式(5)帶入式(6),可得到關(guān)于節(jié)點(diǎn)i的質(zhì)量變化方程式:
經(jīng)整理后,可得到:
考慮到水也具有微弱的可壓縮性,可在上式中加上一項(xiàng):
kass*(1-φ),其中kass=S/c,kass為可壓縮系數(shù),S為節(jié)點(diǎn)所在管道橫截面積總和,g為重力加速度,φ為蒸汽在節(jié)點(diǎn)中所占的容積比,則式(7)變成:
如果對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)和流量列出該方程,就可以得到一個(gè)關(guān)于dp/dτ的n*n矩陣(n為節(jié)點(diǎn)數(shù)),求解該矩陣即可求出n個(gè)節(jié)點(diǎn)中混合流體的壓力,其余的流體參數(shù)可相應(yīng)求解得出。
根據(jù)某核電廠(chǎng)主給水流量調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)文件,其閥門(mén)數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)分別如圖4、圖5所示[3]。
圖4 閥門(mén)數(shù)據(jù)Fig.4 Valve data
圖5 閥門(mén)曲線(xiàn)Fig.5 Valve curves
系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)了輸入輸出變量的相互影響作用以及各主要參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,為了驗(yàn)證主給水流量調(diào)節(jié)閥門(mén)模型的準(zhǔn)確性,利用之前所述的數(shù)學(xué)模型,將其集成到全范圍模擬機(jī)中,對(duì)其穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真計(jì)算分析。
滿(mǎn)功率狀態(tài)下,電功率、閥門(mén)位置和閥門(mén)流量曲線(xiàn)如圖6所示。
由圖6可知,滿(mǎn)功率狀態(tài)下,閥門(mén)的流量為945kg/s,閥門(mén)開(kāi)度為80.2%,和圖4中閥門(mén)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保持一致。
如前所述,主給水控制包括高功率控制模式和低功率控制模式,其切換基于高給水流量信號(hào),切換點(diǎn)設(shè)置在主給水流量的15%,選取22%負(fù)荷降至5%負(fù)荷工況驗(yàn)證閥門(mén)參數(shù)在變工況的特性,如圖7所示。
圖6 100%負(fù)荷各參數(shù)曲線(xiàn)Fig.6 100% Load parameter curves
由圖7可知,22%負(fù)荷狀態(tài)下,閥門(mén)的流量為244.8kg/,閥門(mén)開(kāi)度為24.1%,和圖4中閥門(mén)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保持一致,隨著功率的下降,給水流量以及閥門(mén)開(kāi)度也隨之平滑下降。當(dāng)高給水流量信號(hào)由true變?yōu)閒alse時(shí),即主給水流量低于15%時(shí),主給水由高功率控制切換成低功率控制模式,由圖7可以看出閥門(mén)并無(wú)劇烈波動(dòng),繼續(xù)下降,隨著功率繼續(xù)下降,當(dāng)主給水流量低于5%時(shí),給水路徑發(fā)生變化,由主給水流量調(diào)節(jié)閥切換至啟動(dòng)給水流量調(diào)節(jié)閥,閥門(mén)關(guān)閉。
圖7 降負(fù)荷工況各參數(shù)曲線(xiàn)Fig.7 Parameter curves for load reduction conditions
本文根據(jù)主給水調(diào)節(jié)閥性能參數(shù),基于RINSIM 1.0平臺(tái),運(yùn)用流體網(wǎng)絡(luò)知識(shí)對(duì)閥門(mén)建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)主給水流量調(diào)節(jié)閥穩(wěn)態(tài)性及變工況性能進(jìn)行研究,計(jì)算及測(cè)試結(jié)果表明和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保持一致,從而驗(yàn)證了主給水流量調(diào)節(jié)閥的性能參數(shù),同時(shí)也驗(yàn)證了基于RINSIM仿真平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型的正確性。