聶曉強(qiáng)，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(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)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(shí)，該系統(tǒng)內(nèi)部還存在汽液兩相[1-2]。因此，建立一個(gè)穩(wěn)定可靠且能反映出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的汽水分離再熱器系統(tǒng)仿真模型對(duì)于整個(gè)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(duì)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(tái)建立了某新型反應(yīng)堆汽水分離再熱器系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)態(tài)工況下的測(cè)試，并對(duì)穩(wěn)態(tài)工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析對(duì)比，對(duì)動(dòng)態(tài)工況下的系統(tǒng)整體特性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)分析。

1 仿真對(duì)象

仿真對(duì)象為汽水分離再熱器系統(tǒng)，該系統(tǒng)劃分為4 個(gè)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(duì)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(jí)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(jí)再熱器提供加熱蒸汽，在一、二級(jí)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(fù)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(fù)責(zé)收集一、二級(jí)再熱器排出的疏水，一級(jí)再熱疏水箱的疏水輸送至3 號(hào)低壓加熱器，二級(jí)再熱疏水箱的疏水輸送至7 號(hào)高壓加熱器[9]。邏輯控制系統(tǒng)主要對(duì)疏水箱下游的疏水調(diào)節(jié)閥及疏水泵進(jìn)行控制。汽水分離再熱器系統(tǒng)主要包括2 臺(tái)汽水分離再熱器、6 只疏水箱、4 臺(tái)疏水泵及管線上的各類閥門、監(jiān)測(cè)器等[10]。

2 數(shù)學(xué)模型

RINSIM 是武漢核動(dòng)力運(yùn)行研究所研發(fā)的大型仿真平臺(tái)，具有強(qiáng)大的建模功能，可以對(duì)兩相流進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)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(duì)流網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其基本數(shù)學(xué)模型為質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒及濃度平衡等方程，并用矩陣進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)取節(jié)點(diǎn)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(shí)性質(zhì)進(jìn)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(gè)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(diǎn)混合物的焓值；p為節(jié)點(diǎn)壓力；C為節(jié)點(diǎn)不凝氣濃度；m為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量；G為相連節(jié)點(diǎn)之間的質(zhì)量流量；ρ為節(jié)點(diǎn)介質(zhì)密度；Q為換熱量；R為節(jié)點(diǎn)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(shí)，h=hi，C=Ci；當(dāng)流量從j流向i時(shí)，h=hj，C=Cj。

管道壓降的計(jì)算公式為

式中的管道壓降計(jì)算默認(rèn)管道中工質(zhì)的流向?yàn)閺膇到j(luò)。

設(shè)A2=S2/ξ，求解式（4）可得：

式中Gc為上一時(shí)層的流量。

式中：當(dāng)流量的流向?yàn)閕→j時(shí)，括號(hào)項(xiàng)取i；當(dāng)流量的流向?yàn)閖→i時(shí)，括號(hào)項(xiàng)取j。

由式（1）可知，對(duì)于節(jié)點(diǎn)i，可得

考慮水的可壓縮性，在式中添加水的體積壓縮項(xiàng)k·(1-φ)，式中k為可壓縮系數(shù)， φ為節(jié)點(diǎn)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(jì)

1）在建模前，首先需要對(duì)系統(tǒng)圖進(jìn)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(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分，并對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行部分簡化與等效；

3）確定調(diào)試時(shí)的穩(wěn)態(tài)工況，并對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)及邊界進(jìn)行壓力劃分，計(jì)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(jìn)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(diǎn)圖如圖1 所示。按照系統(tǒng)流程圖及節(jié)點(diǎn)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(diǎn)劃分

3.3 流導(dǎo)計(jì)算

按照節(jié)點(diǎn)劃分圖，對(duì)每個(gè)管線進(jìn)行壓力分配及流導(dǎo)計(jì)算，如表1 所示，將表中計(jì)算得到的流導(dǎo)和其余參數(shù)輸入到流網(wǎng)管線中，對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化賦值。

表1 部分管線流導(dǎo)計(jì)算

3.4 模型調(diào)試

對(duì)仿真圖中的設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，在滿足設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，通過不斷修正管線流導(dǎo)以改變節(jié)點(diǎn)的壓力，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，并將仿真值與設(shè)計(jì)值相比，計(jì)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(jī)連續(xù)最大出力工況為穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)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(jì)值、仿真值與相對(duì)誤差。由表2 可知，除一級(jí)再熱疏水箱出口蒸汽流量與二級(jí)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(jì)算得到的仿真值與設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)，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(diǎn)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(yùn)行150 s 后，汽輪機(jī)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(jí)再熱后的蒸汽焓值也都降低。由于一、二級(jí)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(shí)間的波動(dòng)，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(dòng)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(shí)，備用疏水泵啟動(dòng)，觀察關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢(shì)，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(yùn)行150 s 后，疏水泵在發(fā)生故障后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，備用疏水泵啟動(dòng)。在疏水泵故障的初始時(shí)刻，下游疏水流量驟然減少，水箱的進(jìn)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(yùn)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(shí)間的波動(dòng)后達(dá)到新的平衡，系統(tǒng)在600 s 時(shí)刻也重新達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文介紹了基于RINSIN 仿真平臺(tái)的汽水分離再熱器系統(tǒng)的建模過程。該模型可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)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(jì)值吻合，符合仿真要求；

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

3) 汽水分離再熱器內(nèi)部的動(dòng)態(tài)流場仍需進(jìn)一步仿真計(jì)算。