蒸汽發(fā)生器的建模及仿真

蒸汽發(fā)生器的建模及仿真劉奕伽【摘要】蒸汽發(fā)生器能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)核電站的安全運(yùn)行。根據(jù)蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理，將蒸汽發(fā)生器劃分為16個(gè)控制體，把蒸汽發(fā)生器的上升通道劃分為過冷區(qū)和沸騰區(qū)。為了更好地反映蒸汽發(fā)生器的動(dòng)態(tài)過程，在過冷區(qū)和沸騰區(qū)之間弓1入了可移動(dòng)邊界。在Matlab軟件中用編制好的算法和圖元搭建蒸汽發(fā)生器仿真模型。給出初始狀態(tài)下的給水流量進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，利用階躍上升的給水流量做動(dòng)態(tài)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得出一次側(cè)冷卻劑出口水室溫度變化的響應(yīng)曲線和二次側(cè)蒸汽壓力的響應(yīng)曲線，仿真實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)曲線與實(shí)際蒸汽發(fā)生器工作時(shí)的物理狀態(tài)一致。該數(shù)學(xué)模型和仿真程序可以反映出蒸汽發(fā)生器運(yùn)行階段一次側(cè)、二次側(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，對(duì)蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)以及裝置事故分析有一定的參考價(jià)值。%ThesafetyofthenuclearpowerplantoperationdirectlydependsontheworkingstatusofSteamGenerator(SG).Thesteamgeneratorisdividedinto16controlvolumesac-cordingtoitsstructureandprinciples,anddividedtheriseofthesteamgeneratorforcoldar-eaandboilingarea.Therisenchannelofthesteamgeneratorisdividedintosub-coolingsec-tionandsuperheatsection.InordertogetbetterreflectionofSG’sdynamicprocess,amovableboundaryhasbeensetbetweenthem.Programmedalgorithmanddrawingunitswereusedinmatlabtobuildsimulationmodelofthesteamgenerator.Doingstepupfeedwaterflowdynamicdisturbancetestunderthegiveninitialstateoffeedwaterflowsimula-tion,theprimarysidecoolantoutletwaterchambertemperatureresponsecurvesandthesecondarysideofsteampressuredecreasedresponsecurvecanbeobtained.ResponsecurvesofthesimulationresultsandtheactualphysicalworkingstateofSGarethesame.Thismathe-maticalmodelandsimulationprogramcanreflecttheprimarysideandsecondarysidedynamicresponseprocessofSGinoperationstage,whichcouldhavecertainreferencevalueinSGdesignandequipmentaccidentanalysis.【期刊名稱】《油氣田地面工程》【年(卷)，期】2016(035)011【總頁數(shù)】4頁(P81-84)【關(guān)鍵詞】蒸汽發(fā)生器;工作原理;數(shù)學(xué)模型;仿真實(shí)驗(yàn)【作者】劉奕伽【作者單位】上海交通大學(xué)自動(dòng)化系【正文語種】中文在壓水堆核電站中一回路和二回路的換熱是通過蒸汽發(fā)生器進(jìn)行的。作為一回路和二回路之間的樞紐，蒸汽發(fā)生器的作用不僅僅是將一回路冷卻劑從堆芯帶出的熱量傳給二回路，它還是分隔一次側(cè)和二次側(cè)工質(zhì)的屏障，蒸汽發(fā)生器能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)核電站的安全運(yùn)行。蒸汽發(fā)生器在給水流量尤其是蒸汽流量大范圍變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)〃虛假液位”現(xiàn)象，絕大部分緊急停堆事件都是因〃虛假液位”造成的。美國在役壓水堆電站調(diào)查表明，核電站停堆事故有30%以上是由于蒸汽發(fā)生器主給水系統(tǒng)發(fā)生故障，即液位控制不良弓I起的。非預(yù)期的緊急停堆會(huì)降低核電站可用性，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因而蒸汽發(fā)生器在核動(dòng)力裝置事故中居重要地位，嚴(yán)重影響著核動(dòng)力裝置運(yùn)行的安全可靠性［1］。1.1工作原理一回路的冷卻劑從蒸汽發(fā)生器的底部進(jìn)入進(jìn)口水室，然后流經(jīng)傳熱管將熱量傳遞給二回路工質(zhì)。二回路的水從蒸汽發(fā)生器上部給水進(jìn)口流入蒸汽發(fā)生器，沿管體流到底部，再折回從管體中部流回上部。在這個(gè)過程中二回路工質(zhì)通過U形管壁吸收一回路冷卻劑的熱量產(chǎn)生蒸汽，以汽水混合物的形式流入蒸汽發(fā)生器上部的汽水分離器。汽水混合物經(jīng)過兩級(jí)汽水分離器，分離出蒸汽。此時(shí)蒸汽濕度低于0.25%，再經(jīng)過干燥器干燥，成為主蒸汽流出蒸汽發(fā)生器去推動(dòng)汽輪機(jī)做功。汽水分離器分離出的水流回給水進(jìn)口處繼續(xù)加熱［2］。大型壓水堆蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理見圖1。1.2數(shù)學(xué)模型根據(jù)蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理，將蒸汽發(fā)生器劃分為16個(gè)控制體，具體模型節(jié)點(diǎn)劃分如圖2所示。二次側(cè)工質(zhì)被一次側(cè)工質(zhì)不斷加熱，逐漸從過冷水變?yōu)槠旌衔铮捎谶@兩種狀態(tài)的換熱機(jī)理不同，所以把蒸汽發(fā)生器的上升通道劃分為過冷區(qū)和沸騰區(qū)［3］。為了更好地反映蒸汽發(fā)生器的動(dòng)態(tài)過程，在過冷區(qū)和沸騰區(qū)之間引入了可移動(dòng)邊界。如圖2所示，蒸汽發(fā)生器控制體節(jié)點(diǎn)劃分結(jié)果如下：（1） 一次側(cè)包含6個(gè)控制體：①一次側(cè)進(jìn)口水室（PRIN）；②一次側(cè)工質(zhì)向上流動(dòng)段過冷區(qū)（PR1）；③一次側(cè)工質(zhì)向上流動(dòng)段兩相區(qū)（PR2）；④一次側(cè)工質(zhì)向下流動(dòng)段兩相區(qū)（PR3）；⑤一次側(cè)工質(zhì)向下流動(dòng)段過冷區(qū)（PR4）:⑥一次側(cè)出口水室（PRO）。（2） U形管金屬管壁包含4個(gè)控制體：①一次側(cè)工質(zhì)向上流動(dòng)段過冷區(qū)對(duì)應(yīng)的金屬管（M1）；②一次側(cè)工質(zhì)向上流動(dòng)段兩相區(qū)對(duì)應(yīng)的金屬管（M2）:③一次側(cè)工質(zhì)向下流動(dòng)段兩相區(qū)對(duì)應(yīng)的金屬管（M3）；④一次側(cè)工質(zhì)向下流動(dòng)段過冷區(qū)對(duì)應(yīng)的金屬管（M4）。（3）二次側(cè)包含6個(gè)控制體：①二次側(cè)上升通道的過冷區(qū)（SC）:②二次側(cè)上升通道的兩相區(qū)（B）;③二次側(cè)的上升分離區(qū)（SR）:④二次側(cè)的給水室區(qū)（FW）:⑤二次側(cè)蒸汽室區(qū)（SD）:⑥二次側(cè)下降通道（DC）。在建立蒸汽發(fā)生器動(dòng)態(tài)模型中引入以下假設(shè)：（1） 蒸汽發(fā)生器內(nèi)的工質(zhì)為一維流動(dòng)，即工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)只沿管道的軸向變化，沿徑向不變。（2） 二次側(cè)的下降通道與管束圍板內(nèi)的上升通道沒有熱量交換，且下降通道內(nèi)的工質(zhì)始終不發(fā)生沸騰。（3） 忽略一、二次側(cè)工質(zhì)的軸向?qū)?，忽略U形管壁的軸向?qū)幔雎哉羝l(fā)生器的對(duì)外散熱，忽略除U形管管壁以外的蒸汽發(fā)生器其他設(shè)備的熱容。（4） 計(jì)算二次側(cè)工質(zhì)熱物理性質(zhì)時(shí)，取管束區(qū)平均壓力。（5） 計(jì)算一次側(cè)工質(zhì)熱物理性質(zhì)時(shí)，取一次側(cè)平均溫度和平均壓力，并假設(shè)一次側(cè)壓力保持恒定。1.2.1一次側(cè)引入公式為一次側(cè)工質(zhì)通過一次側(cè)進(jìn)口水室所用的時(shí)間，s；Mpi為一次側(cè)入口水室工質(zhì)的質(zhì)量，kg；Wp為一次側(cè)工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s。根據(jù)能量平衡方程對(duì)一次側(cè)6個(gè)控制體分別建立數(shù)學(xué)模型式中：Tpi為一次側(cè)入口水室工質(zhì)的平均溫度，°C;&為一次側(cè)入口水室工質(zhì)的入口溫度，C;Tp1~Tp4為控制體PR1~PR4工質(zhì)的平均溫度，C;pp1~pp4為控制體PR1~PR4工質(zhì)的平均密度，kg/m3;Cp1~Cp4為控制體PR1~PR4工質(zhì)的平均比熱，J/（kg?C）;Qpm1~Qpm4為控制體PR1~PR4內(nèi)流體與其相對(duì)應(yīng)的金屬管所傳遞的熱量，W;Tp1i、Tp1o分別為控制體PR1的進(jìn)出口溫度，C;Tp2i、Tp2o分別為控制體PR2的進(jìn)出口溫度，C;Tp3i、Tp3o分別為控制體PR3的進(jìn)出口溫度，C;Tp4i、Tp4o分別為控制體PR4的進(jìn)出口溫度，°C;Ls1、Ls2分別為過冷區(qū)和兩相區(qū)的長度，m;Ap為一次側(cè)工質(zhì)的流通面積，m2;Tpo為一次側(cè)出口水室工質(zhì)的平均溫度，C；Tpo為一次側(cè)工質(zhì)通過一次側(cè)出口水室所用的時(shí)間，s;。。為一次側(cè)出口水室工質(zhì)的溫度，C。1.2.2U形管金屬管壁在處理金屬管動(dòng)態(tài)邊界時(shí)，與一次側(cè)不同的是金屬管是固定的，不像一次側(cè)工質(zhì)是可以流動(dòng)的。因此，本文假設(shè)一次側(cè)的邊界以dLs1/dt的速率變化，則對(duì)應(yīng)的金屬管的能量同時(shí)以pmAmCmTma(dLs1/dt)的速率增大或減小，其中pm為金屬管的密度，kg/m3;Am為金屬管的橫截面積，m2;Cm為金屬管的比熱，J/(kg?C);Tma為對(duì)應(yīng)邊界上的金屬管的平均溫度，C。根據(jù)能量守恒方程，對(duì)管壁4個(gè)控制體分別建立模型可得式中：Cpm為金屬管壁的比熱，J/(kg?°C);Tm1~Tm4為金屬管壁M1~M4的平均溫度，C;Qms1~Qms4分別為單位時(shí)間內(nèi)金屬管壁M1~M4向控制體SC所傳的熱量，kW。1.2.3二次側(cè)在兩相區(qū)，本文假設(shè)其含汽率與兩相區(qū)的長度為線性關(guān)系，二次側(cè)動(dòng)態(tài)模型如下式中：ps為二次側(cè)過冷區(qū)工質(zhì)密度，kg/m3;Cs為二次側(cè)過冷區(qū)工質(zhì)比熱，kJ/(kg-C);ps為二次側(cè)壓力，MPa;Afs為二次側(cè)上升通道流通面積，m2;Vr為上升分離區(qū)體積，m3;Tdw為給水室工質(zhì)的平均溫度，C;hf為飽和水的比焓，J/kg;pf為飽和水的密度，kg/m3;hfg為飽和汽的汽化潛熱，J/kg;hb為兩相區(qū)的平均焓，J/kg;hx￡為汽水分離區(qū)的比焓，J/kg;pb為兩相區(qū)的平均密度，kg/m3;xe為二次側(cè)工質(zhì)出口處的含汽率；vfg為飽和蒸汽和飽和液體比體積的差；vf為飽和水的比體積；hri為兩相區(qū)控制體出口處工質(zhì)的比焓，J/kg;Vr為上升分離區(qū)的體積，m3;Wsg為汽水分離器出口質(zhì)量流量，kg/s;Wri、Wro分別為上升分離區(qū)的進(jìn)口和出口工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s;Ldw為給水室內(nèi)工質(zhì)液面的高度，m;Adw為給水室橫截面積，m2;Ws為二次側(cè)給水流量，kg/s;Tdw為給水室工質(zhì)溫度，°C;pg為干飽和蒸汽密度，kg/m3;Vds為蒸汽室的體積，m3;Md為二次側(cè)下降通道工質(zhì)質(zhì)量，kg;Tsat為過冷區(qū)工質(zhì)的平均溫度，C;Td為二次側(cè)下降通道工質(zhì)溫度，C。在Matlab軟件中用編制好的算法和圖元搭建蒸汽發(fā)生器仿真模型[4],給出初始狀態(tài)下的給水流量進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在其他條件不變的條件下，利用階躍變化的給水流量做動(dòng)態(tài)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，一次側(cè)冷卻劑出口水室溫度變化的響應(yīng)曲線如圖3所示，二次側(cè)蒸汽壓力響應(yīng)曲線如圖4所示。當(dāng)給水流量階躍上升后二次側(cè)換熱能力增強(qiáng)，因此一次側(cè)出口溫度降低。給水流量突然增大并且一直大于蒸汽流量，導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位快速上升，而蒸汽壓力下降。仿真實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)曲線與實(shí)際蒸汽發(fā)生器工作時(shí)的物理狀態(tài)一致，該數(shù)學(xué)模型和仿真程序可以反映出蒸汽發(fā)生器運(yùn)行階段一次側(cè)、二次側(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。(4)本文用SIMULINK建立的仿真模型對(duì)蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)以及裝置事故分析有一定的參考價(jià)值?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】宋京凱，郭海紅，姚祺鋒，等.蒸汽發(fā)生器工作過程建模及仿真分析[J].核科學(xué)