蒸汽发生器的建模及仿真

蒸汽发生器的建模及仿真刘奕伽【摘要】蒸汽发生器能否正常运行直接关系到整个核电站的安全运行。根据蒸汽发生器的结构原理，将蒸汽发生器划分为16个控制体，把蒸汽发生器的上升通道划分为过冷区和沸腾区。为了更好地反映蒸汽发生器的动态过程，在过冷区和沸腾区之间弓1入了可移动边界。在Matlab软件中用编制好的算法和图元搭建蒸汽发生器仿真模型。给出初始状态下的给水流量进行仿真实验，利用阶跃上升的给水流量做动态扰动实验，得出一次侧冷却剂出口水室温度变化的响应曲线和二次侧蒸汽压力的响应曲线，仿真实验的响应曲线与实际蒸汽发生器工作时的物理状态一致。该数学模型和仿真程序可以反映出蒸汽发生器运行阶段一次侧、二次侧动态响应过程，对蒸汽发生器设计以及装置事故分析有一定的参考价值。%ThesafetyofthenuclearpowerplantoperationdirectlydependsontheworkingstatusofSteamGenerator(SG).Thesteamgeneratorisdividedinto16controlvolumesac-cordingtoitsstructureandprinciples,anddividedtheriseofthesteamgeneratorforcoldar-eaandboilingarea.Therisenchannelofthesteamgeneratorisdividedintosub-coolingsec-tionandsuperheatsection.InordertogetbetterreflectionofSG’sdynamicprocess,amovableboundaryhasbeensetbetweenthem.Programmedalgorithmanddrawingunitswereusedinmatlabtobuildsimulationmodelofthesteamgenerator.Doingstepupfeedwaterflowdynamicdisturbancetestunderthegiveninitialstateoffeedwaterflowsimula-tion,theprimarysidecoolantoutletwaterchambertemperatureresponsecurvesandthesecondarysideofsteampressuredecreasedresponsecurvecanbeobtained.ResponsecurvesofthesimulationresultsandtheactualphysicalworkingstateofSGarethesame.Thismathe-maticalmodelandsimulationprogramcanreflecttheprimarysideandsecondarysidedynamicresponseprocessofSGinoperationstage,whichcouldhavecertainreferencevalueinSGdesignandequipmentaccidentanalysis.【期刊名称】《油气田地面工程》【年(卷)，期】2016(035)011【总页数】4页(P81-84)【关键词】蒸汽发生器;工作原理;数学模型;仿真实验【作者】刘奕伽【作者单位】上海交通大学自动化系【正文语种】中文在压水堆核电站中一回路和二回路的换热是通过蒸汽发生器进行的。作为一回路和二回路之间的枢纽，蒸汽发生器的作用不仅仅是将一回路冷却剂从堆芯带出的热量传给二回路，它还是分隔一次侧和二次侧工质的屏障，蒸汽发生器能否正常运行直接关系到整个核电站的安全运行。蒸汽发生器在给水流量尤其是蒸汽流量大范围变化时，会出现〃虚假液位”现象，绝大部分紧急停堆事件都是因〃虚假液位”造成的。美国在役压水堆电站调查表明，核电站停堆事故有30%以上是由于蒸汽发生器主给水系统发生故障，即液位控制不良弓I起的。非预期的紧急停堆会降低核电站可用性，造成巨大的经济损失，因而蒸汽发生器在核动力装置事故中居重要地位，严重影响着核动力装置运行的安全可靠性［1］。1.1工作原理一回路的冷却剂从蒸汽发生器的底部进入进口水室，然后流经传热管将热量传递给二回路工质。二回路的水从蒸汽发生器上部给水进口流入蒸汽发生器，沿管体流到底部，再折回从管体中部流回上部。在这个过程中二回路工质通过U形管壁吸收一回路冷却剂的热量产生蒸汽，以汽水混合物的形式流入蒸汽发生器上部的汽水分离器。汽水混合物经过两级汽水分离器，分离出蒸汽。此时蒸汽湿度低于0.25%，再经过干燥器干燥，成为主蒸汽流出蒸汽发生器去推动汽轮机做功。汽水分离器分离出的水流回给水进口处继续加热［2］。大型压水堆蒸汽发生器的结构原理见图1。1.2数学模型根据蒸汽发生器的结构原理，将蒸汽发生器划分为16个控制体，具体模型节点划分如图2所示。二次侧工质被一次侧工质不断加热，逐渐从过冷水变为汽水混合物，由于这两种状态的换热机理不同，所以把蒸汽发生器的上升通道划分为过冷区和沸腾区［3］。为了更好地反映蒸汽发生器的动态过程，在过冷区和沸腾区之间引入了可移动边界。如图2所示，蒸汽发生器控制体节点划分结果如下：（1） 一次侧包含6个控制体：①一次侧进口水室（PRIN）；②一次侧工质向上流动段过冷区（PR1）；③一次侧工质向上流动段两相区（PR2）；④一次侧工质向下流动段两相区（PR3）；⑤一次侧工质向下流动段过冷区（PR4）:⑥一次侧出口水室（PRO）。（2） U形管金属管壁包含4个控制体：①一次侧工质向上流动段过冷区对应的金属管（M1）；②一次侧工质向上流动段两相区对应的金属管（M2）:③一次侧工质向下流动段两相区对应的金属管（M3）；④一次侧工质向下流动段过冷区对应的金属管（M4）。（3）二次侧包含6个控制体：①二次侧上升通道的过冷区（SC）:②二次侧上升通道的两相区（B）;③二次侧的上升分离区（SR）:④二次侧的给水室区（FW）:⑤二次侧蒸汽室区（SD）:⑥二次侧下降通道（DC）。在建立蒸汽发生器动态模型中引入以下假设：（1） 蒸汽发生器内的工质为一维流动，即工质的状态参数只沿管道的轴向变化，沿径向不变。（2） 二次侧的下降通道与管束围板内的上升通道没有热量交换，且下降通道内的工质始终不发生沸腾。（3） 忽略一、二次侧工质的轴向导热，忽略U形管壁的轴向导热，忽略蒸汽发生器的对外散热，忽略除U形管管壁以外的蒸汽发生器其他设备的热容。（4） 计算二次侧工质热物理性质时，取管束区平均压力。（5） 计算一次侧工质热物理性质时，取一次侧平均温度和平均压力，并假设一次侧压力保持恒定。1.2.1一次侧引入公式为一次侧工质通过一次侧进口水室所用的时间，s；Mpi为一次侧入口水室工质的质量，kg；Wp为一次侧工质的质量流量，kg/s。根据能量平衡方程对一次侧6个控制体分别建立数学模型式中：Tpi为一次侧入口水室工质的平均温度，°C;&为一次侧入口水室工质的入口温度，C;Tp1~Tp4为控制体PR1~PR4工质的平均温度，C;pp1~pp4为控制体PR1~PR4工质的平均密度，kg/m3;Cp1~Cp4为控制体PR1~PR4工质的平均比热，J/（kg・C）;Qpm1~Qpm4为控制体PR1~PR4内流体与其相对应的金属管所传递的热量，W;Tp1i、Tp1o分别为控制体PR1的进出口温度，C;Tp2i、Tp2o分别为控制体PR2的进出口温度，C;Tp3i、Tp3o分别为控制体PR3的进出口温度，C;Tp4i、Tp4o分别为控制体PR4的进出口温度，°C;Ls1、Ls2分别为过冷区和两相区的长度，m;Ap为一次侧工质的流通面积，m2;Tpo为一次侧出口水室工质的平均温度，C；Tpo为一次侧工质通过一次侧出口水室所用的时间，s;。。为一次侧出口水室工质的温度，C。1.2.2U形管金属管壁在处理金属管动态边界时，与一次侧不同的是金属管是固定的，不像一次侧工质是可以流动的。因此，本文假设一次侧的边界以dLs1/dt的速率变化，则对应的金属管的能量同时以pmAmCmTma(dLs1/dt)的速率增大或减小，其中pm为金属管的密度，kg/m3;Am为金属管的横截面积，m2;Cm为金属管的比热，J/(kg・C);Tma为对应边界上的金属管的平均温度，C。根据能量守恒方程，对管壁4个控制体分别建立模型可得式中：Cpm为金属管壁的比热，J/(kg・°C);Tm1~Tm4为金属管壁M1~M4的平均温度，C;Qms1~Qms4分别为单位时间内金属管壁M1~M4向控制体SC所传的热量，kW。1.2.3二次侧在两相区，本文假设其含汽率与两相区的长度为线性关系，二次侧动态模型如下式中：ps为二次侧过冷区工质密度，kg/m3;Cs为二次侧过冷区工质比热，kJ/(kg-C);ps为二次侧压力，MPa;Afs为二次侧上升通道流通面积，m2;Vr为上升分离区体积，m3;Tdw为给水室工质的平均温度，C;hf为饱和水的比焓，J/kg;pf为饱和水的密度，kg/m3;hfg为饱和汽的汽化潜热，J/kg;hb为两相区的平均焓，J/kg;hx£为汽水分离区的比焓，J/kg;pb为两相区的平均密度，kg/m3;xe为二次侧工质出口处的含汽率；vfg为饱和蒸汽和饱和液体比体积的差；vf为饱和水的比体积；hri为两相区控制体出口处工质的比焓，J/kg;Vr为上升分离区的体积，m3;Wsg为汽水分离器出口质量流量，kg/s;Wri、Wro分别为上升分离区的进口和出口工质质量流量，kg/s;Ldw为给水室内工质液面的高度，m;Adw为给水室横截面积，m2;Ws为二次侧给水流量，kg/s;Tdw为给水室工质温度，°C;pg为干饱和蒸汽密度，kg/m3;Vds为蒸汽室的体积，m3;Md为二次侧下降通道工质质量，kg;Tsat为过冷区工质的平均温度，C;Td为二次侧下降通道工质温度，C。在Matlab软件中用编制好的算法和图元搭建蒸汽发生器仿真模型[4],给出初始状态下的给水流量进行仿真实验。在其他条件不变的条件下，利用阶跃变化的给水流量做动态扰动实验，一次侧冷却剂出口水室温度变化的响应曲线如图3所示，二次侧蒸汽压力响应曲线如图4所示。当给水流量阶跃上升后二次侧换热能力增强，因此一次侧出口温度降低。给水流量突然增大并且一直大于蒸汽流量，导致蒸汽发生器二次侧水位快速上升，而蒸汽压力下降。仿真实验的响应曲线与实际蒸汽发生器工作时的物理状态一致，该数学模型和仿真程序可以反映出蒸汽发生器运行阶段一次侧、二次侧动态响应过程。(4)本文用SIMULINK建立的仿真模型对蒸汽发生器设计以及装置事故分析有一定的参考价值。【相关文献】宋京凯，郭海红，姚祺锋，等.蒸汽发生器工作过程建模及仿真分析[J].核科学