核動力裝置動力力學(xué)核動力裝置

核動力裝置動力力學(xué)核動力裝置第1頁/共35頁4/14/202328核動力裝置動力力學(xué)

8.1目的和方法8.2反應(yīng)堆動力學(xué)8.3管道傳輸動力學(xué)8.4蒸汽發(fā)生器的動力學(xué)8.5穩(wěn)壓器動力學(xué)8.6壓水堆核動力裝置的動態(tài)特性第2頁/共35頁4/14/202338.1目的和方法8.1.1研究對象8.1.2研究裝置動力學(xué)的目的8.1.3研究動力學(xué)的方法第3頁/共35頁4/14/202348.1.1研究對象在核動力裝置運行過程中，各熱力設(shè)備所進行的過程可以用兩類參數(shù)描述數(shù)量參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)。描述過程進行的規(guī)律的參數(shù)叫作數(shù)量參數(shù)，例如流量、熱量、扭矩等。描述過程在什么水平上進行的參數(shù)叫質(zhì)量參數(shù)，例如水位、壓力、溫度和轉(zhuǎn)速等。穩(wěn)態(tài)工況：裝置參數(shù)不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為裝置的。動態(tài)過程：任何一個處于平衡狀態(tài)的對象，如果由于干擾或操作破壞了平衡狀態(tài)，即開始了動態(tài)過程，受某種影響又變成一個新的平衡狀態(tài)。壓水堆核動力裝置動力學(xué)所研究的對象，是在各種擾動的情況下裝置參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，也就是裝置在過渡過程中系統(tǒng)和設(shè)備的動態(tài)特性。

第4頁/共35頁4/14/202358.1.2研究裝置動力學(xué)的目的為裝置的設(shè)計提供依據(jù)。為裝置的調(diào)節(jié)、控制提供依據(jù)。對裝置動力學(xué)的研究，有助于正確指導(dǎo)運行。第5頁/共35頁4/14/202368.1.3研究裝置動力學(xué)的方法實驗測定數(shù)學(xué)模擬第6頁/共35頁4/14/20237實驗測定實驗測定是在實際裝置上通過實驗獲得裝置的動態(tài)特性。在核動力船舶的發(fā)展過程中，往往先建造陸上模式堆或核動力實驗船，從這些裝置中獲得必要的實驗數(shù)據(jù)。這種在實際裝置上進行實驗所獲得的第一手資料，比較客觀地反映了裝置的動態(tài)特性，是研究裝置動力學(xué)的重要原始資料。在陸上模式堆或?qū)嶒灤现荒苓M行小擾動下的動態(tài)實驗。對于一些重大事故或極端事故就無法模擬。在實際裝置中很難排除各系統(tǒng)，設(shè)備之間的互相干擾和影響。也很難根據(jù)實驗要求隨時改變設(shè)備尺寸、結(jié)構(gòu)和參數(shù)。實驗結(jié)果往往無法滿足理論分析的需要。也難以排除一些隨機因素的干擾。所有實驗只能在裝置建成后進行，不能及時為裝置設(shè)計提供依據(jù)。臺架模擬，又稱物理模擬，根據(jù)所要研究的課題，建成一比一或按相似理論縮小的實驗臺架。第7頁/共35頁4/14/20238數(shù)值模擬根據(jù)壓水堆核動力裝置的物理和熱工過程的基本原理，建立一組描述裝置動態(tài)特性的微分方程，這組方程稱為裝置的動力學(xué)模型。通過對裝置動力學(xué)模型在給定的邊界條件下求解，找出各參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，以及各參數(shù)之間相互影響的關(guān)系，這種方法叫做數(shù)學(xué)模擬法。分布參數(shù)：用偏微分方程來描述，微分方程組往往又是非線性的，給分析求解帶來許多困難。需要進行若干必要的簡化和假設(shè)，忽略對動態(tài)過程影響不大的次要因素，抓住動態(tài)過程的主要矛盾。第8頁/共35頁4/14/20239數(shù)學(xué)模型的求解方法建立了裝置的動力學(xué)模型后，就可以根據(jù)確定的初始條件和邊界條件，對方程組進行求解。常用的求解方法有三種，即解析法，數(shù)值解法和電模擬計算法。解析法應(yīng)用變量分離法，特征方程法等古典方法求解方程組，得到裝置參量與自變量時間T之間的解析表達式，從而得出在動態(tài)過程中參量隨時間的變化規(guī)律，這種方法稱為解析法。解析法只適用于一些簡單的設(shè)備或系統(tǒng)，在許多情況下，如果模型比較復(fù)雜，或動態(tài)過程中擾動量本身就是一個復(fù)雜的時間函數(shù)，則很難用解析法給出裝置的動態(tài)特性。第9頁/共35頁4/14/202310數(shù)值計算法在建立裝置動力學(xué)模型后，把動態(tài)過程開始后的時間劃分為若干微元(稱為計算時間步長)，只要這一時間間隔取得足夠小，由微分方程描述的動態(tài)特性便可用差分方程或增量方程來描述，這樣就可以由動態(tài)過程開始時起，逐步積分求得t時刻的有關(guān)參數(shù)的值。由于該方法計算工作量大，無法采用人工手算完成，通常都采用數(shù)字電子計算機求解裝置動力學(xué)問題。數(shù)值計算一般要經(jīng)過以下步驟：根據(jù)裝置特性，列出動力學(xué)方程組，確定初始條件和邊界條件。擇適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒ǎ_定解題步驟。編制計算程序。上機計算。計算結(jié)果進行整理，繪制裝置動態(tài)特性曲線，對計算結(jié)果進行分析。第10頁/共35頁4/14/202311電模擬計算法利用電路網(wǎng)絡(luò)中的電物理量來模擬核動力裝置中的參量，通過電路的適當(dāng)聯(lián)接，可以模擬核動力裝置的動態(tài)方程組，這種利用電子模擬計算機求解裝置動態(tài)方程組的方法叫做電模擬計算法。用該方法解裝置動力學(xué)問題，一般要經(jīng)過以下幾個步驟：建立動力學(xué)模型，確定初始條件和邊界條件。選擇適當(dāng)?shù)臅r間比例尺和幅值比例尺，把動力學(xué)原始方程變換成適合機器計算的模擬方程，或叫機器方程。繪制排題圖。根據(jù)排題圖，在模擬機上聯(lián)接電路，進行調(diào)試和計算，并記錄計算結(jié)果。對計算結(jié)果進行分析。第11頁/共35頁4/14/2023128.2反應(yīng)堆動力學(xué)

反應(yīng)堆中子動力學(xué)方程在各種擾動下反應(yīng)堆輸出功率隨時間的變化特性，而不是反應(yīng)堆內(nèi)部功率的空間分布情況。采用集中參數(shù)的反應(yīng)堆中子動力學(xué)模型，或稱點堆中子動力學(xué)方程第12頁/共35頁4/14/2023138.2反應(yīng)堆動力學(xué)

堆內(nèi)熱力系統(tǒng)的微分方程在建立反應(yīng)堆集中參數(shù)熱動力學(xué)方程時，作如下假定：反應(yīng)堆內(nèi)的燃料溫度一致，堆內(nèi)的冷卻劑溫度也一致；冷卻劑的流量為常數(shù)；在動態(tài)過程中，結(jié)構(gòu)材料和介質(zhì)的物性和傳熱系數(shù)保持恒定。燃料元件的熱平衡方程為反應(yīng)堆內(nèi)冷卻劑熱平衡方程為第13頁/共35頁4/14/2023148.3管道傳輸動力學(xué)

在主冷卻劑系統(tǒng)中，主冷卻劑經(jīng)管道由一個設(shè)備傳到另一個設(shè)備需要一定的傳輸時間。當(dāng)裝置穩(wěn)態(tài)運行時，如果管道散熱和壓降均很小，反應(yīng)堆出口熱工參數(shù)和蒸汽發(fā)生器入口熱工參數(shù)基本相同，蒸汽發(fā)生器出口冷卻劑的溫度和反應(yīng)堆入口冷卻劑溫度也基本相同。當(dāng)裝置動態(tài)工況運行時，主冷卻劑系統(tǒng)各部位的熱工參數(shù)隨時間變化，由于管道傳輸?shù)臏笞饔?，使管道前后的熱工參?shù)的變化存在一定的滯后過程。第14頁/共35頁4/14/2023158.3管道傳輸動力學(xué)

主冷卻劑系統(tǒng)冷管段和熱管段傳輸滯后方程泰勒級數(shù)展開第15頁/共35頁4/14/2023168.4蒸汽發(fā)生器的動力學(xué)

蒸汽發(fā)生器一回路側(cè)動力學(xué)方程采用集中參數(shù)法推導(dǎo)蒸汽發(fā)生器的動態(tài)方程。假設(shè)傳熱管束各處傳熱工況都相同。可用單一的傳熱系數(shù)描述整個傳熱工況。蒸汽發(fā)生器一回路側(cè)主冷卻劑的熱平衡方程為：第16頁/共35頁4/14/2023178.4蒸汽發(fā)生器的動力學(xué)

蒸汽發(fā)生器二回路側(cè)動力學(xué)方程蒸汽發(fā)生器二回路側(cè)的動態(tài)特性由質(zhì)量守恒和能量守恒方程描述，為使模型簡化，作如下假設(shè)：蒸汽發(fā)生器二次側(cè)爐水和蒸汽均處于飽和狀態(tài)，忽略預(yù)熱段過冷水的影響；蒸汽發(fā)生器具有良好的熱絕緣，忽略殼體對環(huán)境的散熱。第17頁/共35頁4/14/2023188.4蒸汽發(fā)生器的動力學(xué)

質(zhì)量守恒方程第18頁/共35頁4/14/2023198.4蒸汽發(fā)生器的動力學(xué)

能量守恒方程考慮到第19頁/共35頁4/14/2023208.4蒸汽發(fā)生器的動力學(xué)

液面以下蒸汽容積與壓力和蒸汽產(chǎn)量關(guān)系

第20頁/共35頁4/14/2023218.4蒸汽發(fā)生器的動力學(xué)

新蒸汽節(jié)流閥開度與負荷的關(guān)系二回路負荷與流經(jīng)節(jié)流閥的蒸汽流量之間近似成正比關(guān)系第21頁/共35頁4/14/2023228.5穩(wěn)壓器動力學(xué)基本假設(shè)和熱力系統(tǒng)模型在穩(wěn)壓器中存在著由汽水分界面分開的汽液兩相介質(zhì)，對于汽相和液相分別定義如下：在t時刻進入穩(wěn)壓器的任何蒸汽都包括在汽相（G）內(nèi)；在t時刻進入穩(wěn)壓器的任何液體，除了正在蒸汽空間降落的噴淋液滴外，都包括在液相（L）內(nèi)，液相（L）還包括波動管內(nèi)某一數(shù)量的液體。在動態(tài)過程中，汽相（G）和液相（L）中介質(zhì)的質(zhì)量隨時間連續(xù)變化。雖然液相（L）不包括t時刻正在降落的噴淋液滴，但包括在t時刻之前進入水面的噴淋液滴。第22頁/共35頁4/14/2023238.5穩(wěn)壓器動力學(xué)穩(wěn)壓器中的質(zhì)量變化由波動管進入液相并于液相中原有介質(zhì)混合的波動水質(zhì)量；由噴淋管進入穩(wěn)壓器的噴淋水質(zhì)量；由卸壓閥流出穩(wěn)壓器的蒸汽質(zhì)量；在噴淋的液滴上冷凝的蒸汽質(zhì)量；在蒸汽空間穩(wěn)壓器壁面冷凝的蒸汽質(zhì)量；在汽水分界面上蒸發(fā)的水質(zhì)量；在汽水分界面上冷凝的蒸汽質(zhì)量；由安全閥流出穩(wěn)壓器的蒸汽質(zhì)量。第23頁/共35頁4/14/2023248.5穩(wěn)壓器動力學(xué)穩(wěn)壓器內(nèi)的傳熱過程自蒸汽向噴淋液滴的傳熱自蒸汽向壁面的傳熱在汽水分界面上的傳熱電加熱器向液相水的傳熱第24頁/共35頁4/14/2023258.5穩(wěn)壓器動力學(xué)簡化和假設(shè)在動態(tài)過程開始時，穩(wěn)壓器處于穩(wěn)態(tài)運行工況，汽相和液相均處于飽和狀態(tài)；在動態(tài)過程中，穩(wěn)壓器內(nèi)介質(zhì)與穩(wěn)壓器壁面的熱量交換只發(fā)生在蒸汽空間，在液相中與壁面的熱量交換忽略不計。假定穩(wěn)壓器具有良好的熱絕緣層，不考慮殼體向環(huán)境的散熱；不考慮穩(wěn)壓器蒸汽空間內(nèi)存在的少量不凝性氣體對熱工過程的影響；噴淋液滴下降到汽水分界面時已經(jīng)達到飽和溫度。事實上，只要液滴直徑足夠小，蒸汽空間保持足夠的高度，這一假設(shè)符合實際過程。第25頁/共35頁4/14/2023268.6壓水堆核動力裝置的動態(tài)特性壓水堆核動力裝置的自穩(wěn)自調(diào)特性

壓水堆核動力裝置由于反應(yīng)堆具有負的溫度系數(shù)，因此它具有良好的負荷跟蹤能力和抗反應(yīng)性干擾能力，即具有良好的自穩(wěn)自調(diào)特性。在船舶核動力推進中，人們選擇了壓水堆核動力裝置。理論和實踐都證明了這種裝置具有良好的機動性能和安全性能。第26頁/共35頁4/14/202327壓水堆核動力裝置的自穩(wěn)特性

壓水堆核動力裝置對反應(yīng)堆內(nèi)反應(yīng)性擾動具有的自平衡能力，叫做壓水堆核動力裝置的自穩(wěn)特性壓水堆的自穩(wěn)特性是由反應(yīng)堆的負燃料溫度系數(shù)和負慢化劑溫度系數(shù)提供的。反應(yīng)堆的燃料溫度系數(shù)和慢化劑溫度系數(shù)絕對值越大，裝置的自穩(wěn)特性越好。壓水堆核動力裝置的自穩(wěn)特性，保證了反應(yīng)堆抗干擾能力，增加了反應(yīng)堆的安全程度。第27頁/共35頁4/14/202328壓水堆核動力裝置的自穩(wěn)特性壓水堆核動力裝置在穩(wěn)態(tài)功率運行時，如果出現(xiàn)來自反應(yīng)堆內(nèi)的反應(yīng)性擾動例如：控制棒組的動作、冷水事故等，引起反應(yīng)性的增加，反應(yīng)堆功率將隨之上升。在這種情況下，如果二回路負荷保持不變，反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于解列狀態(tài)，運行人員也沒有進行干預(yù)，那么反應(yīng)堆功率的增加使反應(yīng)堆和一回路主冷卻劑系統(tǒng)的熱平衡受到破壞，燃料元件的溫度和冷卻劑的溫度隨之上升。第28頁/共35頁4/14/202329壓水堆核動力裝置的自穩(wěn)特性第29頁/共35頁4/14/202330壓水堆核動力裝置的自調(diào)特性壓水堆核動力裝置在穩(wěn)態(tài)功率運行時，如果出現(xiàn)來自二回路負荷的擾動，例如汽輪機負荷的突然階躍上升、下降、主汽門速關(guān)等，在這種情況下我們假定反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于解列狀態(tài)，運行人員也沒有進行干預(yù)，那么反應(yīng)堆功率與二回路負荷失去平衡先假定汽輪機負荷階躍上升的工況。此時汽輪機負荷大于反應(yīng)堆功率，冷卻劑平均溫度首先下降。由于反應(yīng)堆具有負的慢化劑溫度系數(shù)，在反應(yīng)堆內(nèi)引入一個正的反應(yīng)性，使反應(yīng)堆功率自動跟隨二回路功率的上升而增加，直到達到新的平衡為止。第30頁/共35頁4/14/202331壓水堆核動力裝置的自調(diào)特性第31頁/共35頁4/14/202332負荷變化時主冷卻劑系統(tǒng)的壓力響應(yīng)特性

負荷階躍下降時的壓力響應(yīng)特性當(dāng)裝置在穩(wěn)態(tài)功率運行時負荷突然階躍下降，由于反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)的滯后，以及裝置本身傳熱過程的滯后，在一段時間內(nèi)二回路負荷小于反應(yīng)堆輸出的熱功率，一、二回路熱量的產(chǎn)生和傳遞失去平衡，主冷卻劑平均溫度逐漸上升，從而引起冷卻