自然循环蒸汽发生器模块化仿真建模研究

摘 要：目前对于核电站系统二回路的模块化仿真建模技术已较为成熟，而一回路还未完全实现模块化。利用运行在SimExec平台上的THEATRe软件，以秦山一期核电站为仿真对象，建立冷却剂系统仿真模型，进而对模型进行仿真研究，误差可控制在0.5%以内；将主回路中的自然循环蒸汽发生器进行模块化建模，并通过方案优化，采用边界交换的方法将蒸汽发生器模块与系统主回路进行耦合，耦合前后系统运行参数误差不超过1%；通过瞬态提升功率比较模块化模型与环路模型的瞬态特性，最终得出对自然循环蒸汽发生器进行模块化建模仿真方法可行的结论，并由此提出改进方法及其在实际建模仿真中的建议。

关键词：自然循环蒸汽发生器 模块化 THEATRe软件 研究

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（c）-0056-04

ABSTRACT：At present，the modular simulation techniques of the second loop in nuclear reactor system have been mature，while the primary loop can not be fully modular simulated.By using the THEATRe software running on the SimExec platform，taking the Qinshan phase I NPP as the simulation object，a coolant system model can be established，the errors can be controlled within 0.5%；Modular simulating the natural circulation steam generator，then coupled the SG with the primary loop，the distinctions between the modular system with the former system are no more than 1%；Comparing the transient characteristics of the modular model with that of the former loop model by ascending the power transiently，ultimately draw a conclusion on the focus whether the modular simulation techniques of the SG in the primary loop is feasible，and thus give suggestions on improvements and recommendations of the modular simulation methods.

Key Words：Natural circulation steam generator；Modular simulation； THEATRe；Research

核电站主回路系统的二次侧已经可以实现模块化建模仿真，极大的提高了核电站系统的设计与升级的效率，也为系统的维护与更新带来极大的便利。此前已有对蒸汽发生器一次侧单独进行了模块化，但是未将模块与主回路耦合加以验证对蒸汽发生器进行模块化的有效性。本文尝试先将自然循环蒸汽发生器的一次侧进行模块化，然后将该模块与原回路进行耦合，为进一步改进自然循环蒸汽发生器[1]模块化建模与仿真技术提供了有力的理论支持。

该文主要是用运行在SimExec仿真平台上的THEATRe热工水力实时仿真软件对自然循环蒸汽发生器的一次侧进行模块化，并将模块运行参数与核电站运行参数相比较。接着通过边界数据交换的方式将模块化对象与主回路耦合，然后将蒸汽发生器模块的运行参数与模块耦合后的运行参数进行比对，验证模块化技术在稳态下的可行性，并通过对反应堆负荷的阶跃扰动试验，验证了模块化模型在瞬态工况下的有效性，达到了检验自然循环蒸汽发生器动态特性的目的[2]。最终得出结论并提出改进方法，这对于核动力装置的模块化仿真建模有着重要的实际意义。

1 仿真模型的建立

该文采用的是控制体的建模方法，并使用THEATRe热工水力实时仿真软件进行仿真计算[3]，该软件目前需移植到SimExec实时仿真平台上运行。

THEATRe软件作为反应堆热工水力实时仿真工具，采用了“漂移通量模型”，此模型含有6个基本场（不可凝气体质量、蒸汽质量、液体质量、蒸汽能量、液体能量以及混合物动量）方程和1个漂移通量关系式[4]，用以预计分析每一节点处两相流状态。按照传热部件的形状和边界条件，THEATRe采用两种类型的导热计算模型，第一类计算只有一面对流换热的圆柱体导热模型，第二类计算具有两面换热边界条件的导热部件（如核燃料包壳、安全壳、蒸汽发生器的传热管等）中温度场所建立的模型。此外，THEATRe采用的是四象限特性主泵模型[5]。

1.1 建立仿真模型

在本文中THEATRe软件仿真的对象是秦山一期核电站，在建立核电站冷却剂系统主回路仿真模型划分系统节点并输入相关参数时都借鉴秦山一期的数据资料[6]。

根据THEATRE软件对输入卡的要求，秦山一期核电站主系统被划分为三个区，即将一回路系统单独划分为一个区，包括两个环路，每个蒸汽发生器二次侧划分为一个区[7]。无论是在哪个区，在建立该区的仿真系统模型时都要设置尽可能少的节点，以节省计算的时间，但要符合仿真工况的要求以及仿真对象的特点。节点划分后的系统仿真模型如图1所示。

考虑在同一区域内，沿轴向的对流换热量或温度、换热系数等参数沿轴向分布不同，可将每一个传热区域沿轴向进一步划分成许多节点，并假定在每一个节点内温度、压力、水力直径、换热系数等参数都相等。此外，对每一个区段的摩擦系数等因子也作同样的处理，这种处理方法考虑了系统分布参数的特点[8]。

THEATRe软件关于仿真对象的系统文件确定并编译好之后，就需要根据THEATRe软件调试方法对仿真模型进行调试，调试完成加载仿真模型系统开始运行后如出现问题，则需要对输入卡文件或控制程序进行修改，直到系统能稳定运行为止。

1.2 仿真模型的验证

该文以秦山一期核电站为仿真对象，建立核电站冷却剂系统仿真模型并调试完成后，需要记录仿真模型稳态运行时的常用参量数据，且需要将一些重要参数与秦山一期核电站系统所提供的基准数据相比较，验证通过THEATRe软件进行仿真建模的有效性以及准确性。表1为核电站冷却剂系统仿真模型稳态运行参数与秦山一期核电站系统基准数据的比较。

根据以上分析可知，该文所建立的核电站主系统仿真模型稳态主要运行参数与秦山一期核电站运行基准数据相比，最大误差不超过0.5%，很好的满足了对于关键参数误差的要求。

2 自然循环蒸汽发生器的模块化处理

建立系统仿真模型后，对自然循环蒸汽发生器建立模块化处理，并按照边界数据交换的方法，将蒸汽发生器模块与主回路模块实现耦合，组成能满足要求的冷却剂主系统模型。

2.1 建立模块

待系统仿真模型建立后，将蒸汽发生器与主回路的连接接管断开，分别在主回路和蒸汽发生器的断开处加上一个边界（所加边界等同于节点具有压力、温度、流量等函数值），将其分别作为一个独立模块。建成的蒸汽发生器模块化模型如图2所示。

2.2 模块边界赋值

启动THEATRe软件加载秦山一期冷却剂系统环路仿真模型，待系统运行各项参数达到稳定后，说明冷却剂系统运行达到稳定状态，此时对各边界节点的压力以及连接这些节点的“接管”流量并进行记录，以得到主回路和蒸汽发生器模块化建模所需的边界条件。

参照所绘制的节点图2，具体需要监测并记录的数据主要有节点2、节点39和节点8、节点45的压力，可理解为它们分别为主回路和蒸汽发生器提供边界压力，接着监测并记录接管7、接管44和接管1、接管38的流量，分别将其作为主回路和蒸汽发生器的边界流量。监测并记录的上述各节点的压力和各接管的流量稳定值如表2所示。

可认为，具有边界压力和边界流量等边界条件，主回路和蒸汽发生器就可以稳定运行，成为独立的模块。

将各边界节点压力和对应接管流量确定后，接下来就可对主回路和蒸汽发生器的边界进行赋值。采用进口流量、出口压力的方式，即将各个模块的冷却剂进口边界节点作为流量边界，出口边界节点作为压力边界。以节点图2为参照，将61、63、66、68节点作为压力边界，62、64、65、67节点作为流量边界。然后将上面记录的对应的边界处节点压力流量分别赋给这些压力边界和流量边界，赋值是在s.theatre主程序文件中进行，赋值过程如下表3所示。

对模块进行边界赋值后，输入卡也需要进行相应的修改，接着对蒸汽发生器驱动和系统流程等相关程序适当修改并进行编译。编译成功后，加载该程序，在界面上输入需要监测分析的参量，就可以观测已经加载的参量变化情况，并由此得知系统的实时运行情况。

2.3 边界数据交换

该文中不同模块进行耦合所采用的方式是边界数据交换，但进行数据动态交换是建立在各独立模块运行稳定的基础上的，否则交换数据会剧烈波动而导致模块耦合失败。

该文中借助SimExec平台，在边界数据动态交换开始前调取系统模块运行稳态工况，然后采用进口流量、出口压力的方式进行模块间边界数据交换，数据交换过程表4所示。

按照该方案进行边界数据交换时，最初模块间进行数据交换能够初步稳定，随后稳压器水位出现较大上升，一回路压力也随之上升，且主回路模块中两侧环路压力、流量等相差较大，出现两侧不对称现象。针对该问题，按照进口压力、出口流量的边界数据交换方式提出第二种方案，但不同模块按照该方案进行耦合时出现了与第一种方案同样的问题，如此初步推断可能是稳压器的影响导致回路中的压力不断上升。针对上面推断原因，将稳压器作为系统的第四个区将其从主回路中拆开，暂时隔断其通过波动管与主回路中冷却剂的交换，以此消除稳压器对系统压力的影响。经过以上调整，仍采用进口流量、出口压力的方式进行模块间边界数据交换，可观测到系统刚开始进行边界数据交换时较为稳定，未出现较大波动，但经过一段时间运行后，系统各节点的压力会一直出现小幅度的下降。针对第三种方案中存在的问题，推断系统回路中压力不能稳定的部分原因是由于缺少稳压器的作用，为此提出第四种优化方案，即通过引入稳压器对主回路中压力和流量进行调节，同时为了模拟稳压器的波动流入和流出，根据算定的一回路所有节点质量变化量和主回路上充、下泄的冷却剂流量计算出稳压器和主回路交换的冷却剂流量。

经过方案优化后，蒸汽发生器模块和主回路模块可以通过平稳的边界数据交换进行耦合，并能最终运行达到稳态。记录几项系统主要参数与模块化之前的环路仿真模型进行比较，发现在该种方案下模块化前后参数相差不大。由此说明，第四种方案基本达到了本文进行自然循环蒸汽发生器的模块化仿真建模的目的，在实践上是可行的。

2.4 边界数据交换前后重要参数的比较

由上文可知，采用最终方案系统进行模块化前后运行参数基本相等。表5是对一些重要参数的比较。

根据以上分析计算可知，采用第四种模块化方案将模块化后的蒸汽发生器与主回路模块通过边界交换进行耦合后造成的最大误差不超过1%，说明该种方案基本成熟。

3 瞬态工况分析

该文采用的瞬态工况是将反应堆核功率均匀提升到原功率的1.07倍（秦山一期的加强工况），然后通过观察系统功率瞬态提升后几项重要参数变化来比较环路模型和模块化模型的瞬态反应特性，以达到检验模块化方案在瞬态工况下的稳定性。

图3，图4，图5，图6是系统功率瞬态提升后几项重要参数发生变化的瞬态特性曲线。

由图3，图4，图5，图6图线可看出，模块化模型和环路模型特性曲线大致吻合，且随反应堆核功率瞬态提升后的变化情况也基本相同，进一步证明了系统模块化仿真模型具有较好的瞬态特性，能够较好的反映核电站系统在瞬态工况下的响应。通过瞬态提升功率，说明该文中的自然循环蒸汽发生器模块化方案在瞬态工况下同样有效。

4 结语

该文以秦山一期核电站冷却剂系统为仿真对象，建立了核电站冷却剂系统环路仿真模型。然后将两台蒸汽发生器分别从环路中拆出并进行模块化处理，最终通过方案优化采用边界数据动态交换的方法，将蒸汽发生器模块与主回路模块实现耦合，并验证了模块化方案在稳态和瞬态下的可行性，从而达到了该文仿真研究的目的。

通过研究分析该文的仿真结果可以得知，对自然循环蒸汽发生器的一回路进行模块化的尝试是可行的，结合蒸汽发生器已经较为成熟的二回路模块化仿真技术，自然循环蒸汽发生器可以完全实现模块化。

参考文献

[1]孙中宁.核动力设备[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005：54.

[2]殷素芳，王广军.直流锅炉蒸汽发生器的模块化建模与仿真[J].计算机仿真，2009，26（4）：274.

[3]黎华，阎昌琪.反应堆主冷却剂系统实时仿真计算[J].核动力工程，2005，26（5）：492.

[4]Modeling Techniques For THEATRe[M].GSE Power System，Inc.2005：21-22.

[5]THEATRe[M].GSE Power Systems，Inc.2003：245-253.

[6]欧阳予.秦山核电工程[M].北京：原子能出版社，2000：90-92，193-195.

[7]郭海红.蒸汽发生器工作过程动态仿真[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文，2007：29-30.

[8]熊健，付龙舟.核蒸汽发生器建模及其仿真[J].核科学与工程，1989，9（1）：20-25.

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