聶曉強，劉永闊，艾鑫，蔣利平

哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

汽水分離再熱器系統(tǒng)是核電站常規(guī)島中的眾多系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)與常規(guī)島中的其他系統(tǒng)之間也存在質(zhì)量和能量交換，同時，該系統(tǒng)內(nèi)部還存在汽液兩相[1-2]。因此，建立一個穩(wěn)定可靠且能反映出系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性的汽水分離再熱器系統(tǒng)仿真模型對于整個常規(guī)島的仿真至關(guān)重要。目前，關(guān)于系統(tǒng)方面的仿真研究較少，對設(shè)備的仿真較多，如汽水分離器的仿真以及再熱器的仿真等[3-4]。本文使用RINSIM 仿真平臺建立了某新型反應(yīng)堆汽水分離再熱器系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型。在建立的仿真模型基礎(chǔ)上，完成了穩(wěn)態(tài)工況及動態(tài)工況下的測試，并對穩(wěn)態(tài)工況下的數(shù)據(jù)進行了分析對比，對動態(tài)工況下的系統(tǒng)整體特性進行了動態(tài)變化趨勢分析。

1 仿真對象

仿真對象為汽水分離再熱器系統(tǒng)，該系統(tǒng)劃分為4 個仿真系統(tǒng)，分別為再熱蒸汽管線系統(tǒng)、汽水分離疏水系統(tǒng)、再熱蒸汽疏水系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。根據(jù)仿真系統(tǒng)中工質(zhì)的類型選擇對應(yīng)的模型圖。在建立的仿真模型圖中，再熱蒸汽管線系統(tǒng)采用液體單相不可壓縮流網(wǎng)（simflow1）模型，汽水分離疏水系統(tǒng)及再熱蒸汽疏水系統(tǒng)采用汽液兩相可壓縮流網(wǎng)（simflow2）模型，控制系統(tǒng)采用輯控制（simctrl）模型[5]。

在再熱蒸汽管線系統(tǒng)中，高壓缸排出的乏汽首先經(jīng)過汽水分離器，分離掉乏汽中的水分，之后蒸汽經(jīng)過兩級加熱，蒸汽品質(zhì)提升，排入到低壓缸中[6]。來自高壓缸的非調(diào)整蒸汽分別為兩級再熱器提供加熱蒸汽，在一、二級再熱器的抽汽管線上均設(shè)置有蒸汽調(diào)節(jié)閥。汽水分離疏水系統(tǒng)主要負責(zé)收集汽水分離器排出的疏水，并將疏水排送至除氧器[7-8]。再熱蒸汽疏水系統(tǒng)主要負責(zé)收集一、二級再熱器排出的疏水，一級再熱疏水箱的疏水輸送至3 號低壓加熱器，二級再熱疏水箱的疏水輸送至7 號高壓加熱器[9]。邏輯控制系統(tǒng)主要對疏水箱下游的疏水調(diào)節(jié)閥及疏水泵進行控制。汽水分離再熱器系統(tǒng)主要包括2 臺汽水分離再熱器、6 只疏水箱、4 臺疏水泵及管線上的各類閥門、監(jiān)測器等[10]。

2 數(shù)學(xué)模型

RINSIM 是武漢核動力運行研究所研發(fā)的大型仿真平臺，具有強大的建模功能，可以對兩相流進行計算，同時也考慮了氣體中可能出現(xiàn)的多組態(tài)成分，如O2、H2、N2及部分放射性元素等。對流網(wǎng)進行計算時，其基本數(shù)學(xué)模型為質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒及濃度平衡等方程，并用矩陣進行求解[11]。本系統(tǒng)采用的數(shù)學(xué)模型是基于以下假設(shè)建立的：

1）整個節(jié)點的參數(shù)取節(jié)點混合物的參數(shù)；

2）蒸汽和不凝氣組成的混合物為理想氣體混合物，蒸汽與不凝氣的常數(shù)根據(jù)蒸汽的真實性質(zhì)進行不斷更正；

3）混合物看作是近似的均勻流，不考慮滑移；

4）蒸汽、不凝氣與水的混合物是飽和的，蒸汽與不凝氣的溫度都是在蒸汽分壓力下的飽和溫度；

5）單個再熱器內(nèi)的換熱管線簡化為單塊換熱板的傳熱。

根據(jù)以上假設(shè)，有如下守恒方程式[12]：

式中：h為節(jié)點混合物的焓值；p為節(jié)點壓力；C為節(jié)點不凝氣濃度；m為節(jié)點質(zhì)量；G為相連節(jié)點之間的質(zhì)量流量；ρ為節(jié)點介質(zhì)密度；Q為換熱量；R為節(jié)點的內(nèi)熱源；J為內(nèi)濃度源；L為管長；S為管道橫截面積；Δp′為管道壓降；n為泵的歸一化轉(zhuǎn)速；k1、k2、k3為泵的特性曲線常數(shù)。當(dāng)流量從i流向j時，h=hi，C=Ci；當(dāng)流量從j流向i時，h=hj，C=Cj。

管道壓降的計算公式為

式中的管道壓降計算默認管道中工質(zhì)的流向為從i到j(luò)。

設(shè)A2=S2/ξ，求解式（4）可得：

式中Gc為上一時層的流量。

式中：當(dāng)流量的流向為i→j時，括號項取i；當(dāng)流量的流向為j→i時，括號項取j。

由式（1）可知，對于節(jié)點i，可得

考慮水的可壓縮性，在式中添加水的體積壓縮項k·(1-φ)，式中k為可壓縮系數(shù)， φ為節(jié)點中蒸汽所占的體積比，式（8）轉(zhuǎn)換成：

將（9）式代入到（7）式，可得：

3 汽水分離再熱器系統(tǒng)建模過程

3.1 仿真系統(tǒng)初步設(shè)計

1）在建模前，首先需要對系統(tǒng)圖進行仿真范圍劃分，確定需要仿真的設(shè)備、部件及管道等，并將電廠系統(tǒng)劃分為仿真系統(tǒng)；

2）對仿真系統(tǒng)進行節(jié)點劃分，并對系統(tǒng)模型進行部分簡化與等效；

3）確定調(diào)試時的穩(wěn)態(tài)工況，并對系統(tǒng)中各個節(jié)點及邊界進行壓力劃分，計算出管線流導(dǎo)及摩擦系數(shù)；

4）流網(wǎng)及控制圖建模，并進行調(diào)試。

3.2 仿真圖建立

根據(jù)上述假設(shè)及模型圖劃分，建立仿真節(jié)點圖如圖1 所示。按照系統(tǒng)流程圖及節(jié)點劃分圖，建立系統(tǒng)的仿真模型。

圖1 汽水分離再熱器系統(tǒng)節(jié)點劃分

3.3 流導(dǎo)計算

按照節(jié)點劃分圖，對每個管線進行壓力分配及流導(dǎo)計算，如表1 所示，將表中計算得到的流導(dǎo)和其余參數(shù)輸入到流網(wǎng)管線中，對參數(shù)進行初始化賦值。

表1 部分管線流導(dǎo)計算

3.4 模型調(diào)試

對仿真圖中的設(shè)備進行單獨調(diào)試，在滿足設(shè)計要求后，再與已經(jīng)完成初始化的管線及閥門等部件相連，對系統(tǒng)進行調(diào)試，通過不斷修正管線流導(dǎo)以改變節(jié)點的壓力，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時的參數(shù)滿足設(shè)計要求，并將仿真值與設(shè)計值相比，計算誤差。

4 結(jié)果分析

4.1 穩(wěn)態(tài)工況結(jié)果分析

以汽輪機連續(xù)最大出力工況為穩(wěn)態(tài)工況進行調(diào)試，得到穩(wěn)態(tài)工況下的數(shù)據(jù)如表2 所示。表中列出了主要參數(shù)的設(shè)計值、仿真值與相對誤差。由表2 可知，除一級再熱疏水箱出口蒸汽流量與二級再熱疏水箱出口疏水壓力誤差在1%～2.3%，其余參數(shù)的誤差均在1% 以下。模型計算得到的仿真值與設(shè)計值基本吻合，滿足仿真系統(tǒng)的需求。

表2 汽水分離再熱器系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)誤差

4.2 動態(tài)工況結(jié)果分析

4.2.1 降功率工況

在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)工況時，模擬電廠降功率工況，以每分鐘5%功率線性下降，觀察主要節(jié)點的參數(shù)變化，如圖2 所示。由圖2 可知，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行150 s 后，汽輪機功率下降，導(dǎo)致高壓缸出口蒸汽及加熱抽汽的流量及品質(zhì)均下降，因此一、二級再熱后的蒸汽焓值也都降低。由于一、二級再熱器的熱慣性，蒸汽焓值在下降后有小幅度的上升。在主蒸汽量降低后，汽水分離后的疏水流量及蒸汽流量也都降低，導(dǎo)致殼體疏水箱的壓力下降。疏水流量在下降后經(jīng)過一段時間的波動，最終在合理的區(qū)間范圍內(nèi)小幅度震蕩，水箱水位在發(fā)生小范圍波動后，也逐漸趨于穩(wěn)定，水位與降功率前保持一致。

圖2 汽水分離再熱器系統(tǒng)主要參數(shù)曲線

4.2.2 疏水泵故障工況

當(dāng)疏水泵發(fā)生故障時，備用疏水泵啟動，觀察關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢，如圖3 所示。

圖3 汽水分離再熱器系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)變化曲線

由圖3 可知，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行150 s 后，疏水泵在發(fā)生故障后停止轉(zhuǎn)動，備用疏水泵啟動。在疏水泵故障的初始時刻，下游疏水流量驟然減少，水箱的進口流量不變，導(dǎo)致水箱水位升高，水箱壓力也隨著升高；在備用疏水泵投入運行后，下游疏水流量在10 s 內(nèi)恢復(fù)到故障前的水平，水箱水位跟壓力也開始下降，在下游疏水閥的調(diào)節(jié)下，疏水流量經(jīng)過一段時間的波動后達到新的平衡，系統(tǒng)在600 s 時刻也重新達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文介紹了基于RINSIN 仿真平臺的汽水分離再熱器系統(tǒng)的建模過程。該模型可以實時、準確、全工況地模擬系統(tǒng)的工作過程及熱力特性。通過仿真結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論：

1)穩(wěn)態(tài)工況下的汽水分離再熱器系統(tǒng)的主要參數(shù)與設(shè)計值吻合，符合仿真要求；

2)降功率及切換備用疏水泵動態(tài)工況下的關(guān)鍵節(jié)點參數(shù)變化趨勢與理論符合較好, 為操作人員以及后續(xù)該堆型的動態(tài)參數(shù)變化驗證提供理論依據(jù)；

3) 汽水分離再熱器內(nèi)部的動態(tài)流場仍需進一步仿真計算。