基于RINSIM仿真平臺(tái)的汽機(jī)蒸汽與疏水系統(tǒng)（CNP600機(jī)組）仿真實(shí)現(xiàn)

黃秋蘭　謝成龍　祁蔚　田波　向俊瑛

【摘 要】CP600全范圍模擬機(jī)以CNP600機(jī)組的電廠系統(tǒng)劃分仿真系統(tǒng)。本文主要介紹了RINSIM平臺(tái)下仿真建模的原理與仿真過程，以CP600汽機(jī)蒸汽與疏水系統(tǒng)的建模過程為例，說明了在RINSIM平臺(tái)下使用SimGen和SimUgd進(jìn)行建模和調(diào)試的方法和過程。

【關(guān)鍵詞】CNP600；汽機(jī)蒸汽；RINSIM；仿真

中圖分類號(hào)： TL364.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）04-0141-003

Simulation of turbine steam and hydrophobic system under RINSIM platform（CNP600 power plant）

HUANG Qiu-lan XIE Cheng-long QI Wei TIAN Bo XIANG Jun-ying

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation， Wuhan， 430223， China）

【Abstract】CP600 full scope simulator was based on CNP600 power plant system division simulation system. This paper mainly introduces the principle and simulation process of simulation modeling under RINSIM platform. Taking the modeling process of steam turbine and hydrophobic system of CP600 as an example， it illustrates the method and process of modeling and debugging using SimGen and SimUgd under RINSIM platform.

【Key words】CNP600； Turbine steam； RINSIM； Simulation

1 RINSIM仿真平臺(tái)介紹

RINSIM是一個(gè)包含了建模，在線調(diào)試，圖形組態(tài)，數(shù)據(jù)庫管理等功能的大型仿真平臺(tái)軟件。該平臺(tái)軟件在多個(gè)核動(dòng)力仿真機(jī)研制項(xiàng)目中使用，包括：ACP1000，CP1000，CP600全范圍模擬機(jī)的研制、330MW機(jī)組全范圍仿真機(jī)改造、CANDU堆型全范圍模擬機(jī)Desktop項(xiàng)目等在內(nèi)的大型仿真機(jī)開發(fā)項(xiàng)目，還為使用全范圍仿真機(jī)的各大專院校等單位提供了RINSIM仿真平臺(tái)用于開發(fā)運(yùn)行。

SimBase仿真支撐軟件系統(tǒng)，是支撐實(shí)時(shí)仿真軟件開發(fā)，調(diào)試和執(zhí)行的軟件工具，是整個(gè)仿真平臺(tái)的底層環(huán)境。它適合大型數(shù)據(jù)庫，F(xiàn)ortran編寫的模型程序，多處理器仿真系統(tǒng)的需要。系統(tǒng)同樣也支持c語言編寫的程序，但一般是用Fortran語言開發(fā)程序。各分用戶能夠在SimBase下開發(fā)和調(diào)試各自用戶的模塊。將模塊裝載編譯后，可在調(diào)試環(huán)境中監(jiān)控中直接觀察實(shí)時(shí)值。

2 汽機(jī)蒸汽和疏水系統(tǒng)簡介

汽輪機(jī)蒸汽和疏水系統(tǒng)是二回路非常重要的一個(gè)系統(tǒng)，汽輪機(jī)蒸汽和疏水系統(tǒng)接受來自主蒸汽系統(tǒng)（VVP）的蒸汽，在汽輪機(jī)中將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。同時(shí)從汽輪機(jī)流道的適當(dāng)位置抽出蒸汽加熱凝結(jié)水和給水，提高熱循環(huán)效率。在汽輪機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行中排除汽輪機(jī)本體范圍內(nèi)高壓蒸汽進(jìn)汽管道的疏水、高壓缸排汽管道的疏水、高低壓汽缸內(nèi)的疏水等，以避免疏水在這些部位積聚，若不及時(shí)排除疏水，則可能導(dǎo)致汽輪機(jī)承受熱沖擊和機(jī)械沖擊，致使部件過度變形、受葉片沖蝕和動(dòng)靜部件摩擦碰撞。

汽機(jī)蒸汽及疏水系統(tǒng)流程：

由主蒸汽系統(tǒng)來的新蒸汽經(jīng)過主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸，在高壓缸內(nèi)膨脹做功后形成濕蒸汽，然后通過高壓缸排汽管線進(jìn)入汽水分離再熱器。在汽水分離再熱器中經(jīng)過去濕和再熱成為微過熱蒸汽，再經(jīng)蒸汽管線和再熱閥進(jìn)入低壓缸。在低壓缸中蒸汽繼續(xù)膨脹做功，最后蒸汽進(jìn)入凝汽器中冷凝成凝結(jié)水。

為了提高循環(huán)熱效率，系統(tǒng)中設(shè)置了3級(jí)雙列表面式低壓加熱器，3級(jí)雙列表面式高壓加熱器，1臺(tái)除氧器和2臺(tái)汽水分離再熱器。除了第2級(jí)再熱器的加熱蒸汽來自主蒸汽外，其余加熱器，除氧器和第1級(jí)再熱器的加熱蒸汽在正常運(yùn)行時(shí)均來自汽輪機(jī)各級(jí)抽汽。

在汽輪機(jī)甩負(fù)荷等瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)投入運(yùn)行，以平衡反應(yīng)堆和汽輪機(jī)之間的功率差，將多余蒸汽量排向凝汽器和大氣，保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行。

汽輪機(jī)控制由汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制，汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)由汽機(jī)疏水閥控制。

CP600100%滿功率運(yùn)行時(shí)，汽機(jī)進(jìn)汽流量為1038kg/s，汽機(jī)輸出機(jī)械功率為686MW，整個(gè)機(jī)組有7級(jí)抽汽，高壓缸排汽經(jīng)過兩級(jí)再熱后送往低壓缸。

3 汽機(jī)蒸汽及疏水系統(tǒng)模擬數(shù)學(xué)模型

本系統(tǒng)建模時(shí)采用simflow2蒸汽流網(wǎng)模型。simflow2的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)以下假設(shè)來建立的：

蒸汽—不凝氣—水的混合物是飽和的，蒸汽和不凝氣的溫度同是蒸汽分壓下的飽和溫度；

混合物流被定義為近似的均勻流，也就是不考慮滑移；

蒸汽和不凝氣組成的是理想氣體混合物，其蒸氣—不凝氣常數(shù)依據(jù)真實(shí)蒸汽性質(zhì)每個(gè)時(shí)間步長都不斷更正；

節(jié)點(diǎn)混合物的參數(shù)為整個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。

根據(jù)這些假設(shè)，我們有以下質(zhì)量、能量和濃度的平衡方程式：

=G（1）

=-G*h+Q+R（2）

=-G*C.+J（3）

其中，h—節(jié)點(diǎn)混合物焓；p—節(jié)點(diǎn)壓力；C—節(jié)點(diǎn)不凝氣濃度；m—節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量；G—兩節(jié)點(diǎn)之間的質(zhì)量流量（如果流向從i到j(luò)，為正向流，反之，為負(fù)）；ρ—節(jié)點(diǎn)介質(zhì)密度；Q—熱交換量（如果該節(jié)點(diǎn)為熱交換器）；R—內(nèi)熱源；J—內(nèi)濃度源；h=hi，C=Ci –在流向?yàn)閺膇到j(luò)時(shí)；h=hj，C=Cj –在流向?yàn)閺膉到i時(shí)；

以及動(dòng)量方程：

*+ξ*-Δp'-k*n-k*n*G-k*G=0（4）

其中，L—管長；Δp'—管道壓降；n—泵的歸一化轉(zhuǎn)速；k1，k2，k3—泵的特性曲線常數(shù)；Δp'=Δp+ρ*g*Δz=pi-pi+ρ*g*Δz；為高差

設(shè)A2=S2/ξ，并將式（4）寫成有限差分形式，得到：

G=-（-k*ρ*A）

其中，Gc為上一步長流量。

又設(shè)，ε=-k*ρ*A，這樣，

G=-ε

將上式等號(hào)右側(cè)分子分母同乘以

+ε

則，

G=

從而，

=-=

又因?yàn)?/p>

G～

經(jīng)過轉(zhuǎn)換可得，

=

把流量寫成全微分方程，

G=Gc+*+*+**|（當(dāng)流量從i—j為i；當(dāng)流量從j—i為j.）（5）

又，對(duì)于節(jié)點(diǎn)i，=-∑Gi，j也就是

Vi**=-∑Gi，j（6）

考慮到水也具有微弱的可壓縮性，我們?cè)谑街屑由弦豁?xiàng)kass*（1-φ），式中kass為可壓縮系數(shù)，φ為蒸汽在節(jié)點(diǎn)中所占的容積比，則（5）變成：

（kass*（1-φ）+Vi*）*=-∑Gi，j（7）

將（7）帶入（5），有

（+*+kass*（1-φ）+Vi*）*+*+*=-∑G（8）

如果對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)和流量列出該方程，我們就可以得到一個(gè)關(guān)于的n×n矩陣（n為節(jié)點(diǎn)數(shù)），而矩陣的元素也可根據(jù)上述一些列計(jì)算式求出。

現(xiàn)舉例說明：

如果有①—②—③這樣一個(gè)流體網(wǎng)絡(luò)，G1為從節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)2的流量，G2為從節(jié)點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)3的流量。那么，根據(jù)全微分方程，有：

流道一：

-[G+（+*）*+*]=+G1

流道二：

G+（+*）*+*=-G2

以上兩式相加，并利用-（G2-G1）=-（kass*（1-φ）+V2*）*

得到，

-（+*）*+（-++*+kass*（1-φ）+V2*）*+*=（G-G）（9）

在完成三個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算后，我們就會(huì)得到如下的矩陣：

ag（1） ag（2） ag（3）ag（4） ag（5） ag（6）ag（7） ag（8） ag（9）×=y1m（1）G-Gy1m（3）

ag為矩陣元素，可以利用前面的公式計(jì)算得出，，。

這樣，我們就可以解出矩陣，得到

4 汽機(jī)蒸汽及疏水系統(tǒng)建模過程

4.1 建模準(zhǔn)備工作

汽機(jī)蒸汽及疏水系統(tǒng)建模工作大致可分為如下步驟：

（1）建模前準(zhǔn)備：資料收集與分析，并確定系統(tǒng)模擬范圍；

（2）仿真節(jié)點(diǎn)的確定，管路的簡化、合并，仿真節(jié)點(diǎn)圖的繪制

（3）資料的研究、歸納；

（4）確定系統(tǒng)參考基準(zhǔn)（應(yīng)根據(jù)整個(gè)工程來確定，所有系統(tǒng)采用同一個(gè)參考基準(zhǔn)零點(diǎn)）；

（5）節(jié)點(diǎn)壓力分配及管線流導(dǎo)參數(shù)的計(jì)算；

（6）系統(tǒng)控制部分的建模；

（7）系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)試。

4.2 模型建立

確定模擬范圍后使用simgen圖形化建模工具進(jìn)行建模， 根據(jù)仿真節(jié)點(diǎn)圖分配理念，用盡可能少的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)又要滿足模擬機(jī)功能的需要。

本系統(tǒng)的控制包括邏輯與模擬兩部分的控制；根據(jù)GPV系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)文件用simgen進(jìn)行建模。

4.3 系統(tǒng)運(yùn)行及調(diào)試

4.3.1 節(jié)點(diǎn)壓力分配及管線流導(dǎo)參數(shù)的計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)資料提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合本系統(tǒng)的流網(wǎng)模型，對(duì)系統(tǒng)各管線的流導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算如下圖：

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。完成調(diào)試前的準(zhǔn)備。

4.3.2 在SimUgd中調(diào)試

在繪制完節(jié)點(diǎn)圖與控制圖，并完成系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)壓力分配與管線流導(dǎo)后，對(duì)模型進(jìn)行調(diào)試，修改流導(dǎo)及相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)壓力分布及管線流導(dǎo)的合理性。

調(diào)試穩(wěn)定后，將重要的參數(shù)與設(shè)計(jì)資料提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算誤差范圍，確定模擬是否滿足仿真精度要求。

100%功率穩(wěn)態(tài)調(diào)試穩(wěn)定后，進(jìn)行手動(dòng)跳機(jī)瞬態(tài)測試，跳機(jī)后25分鐘后汽機(jī)功率迅速降為0，核功率快速下降，穩(wěn)定在20%左右，通過旁排的蒸汽流量穩(wěn)定。

5 小結(jié)

本文介紹了基于RINSIM平臺(tái)的汽機(jī)蒸汽及疏水系統(tǒng)的建模的方法與過程。經(jīng)過SimGen建模及SimUgd的調(diào)試，汽機(jī)蒸汽及疏水系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)符合電廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)要求，各節(jié)點(diǎn)壓力，溫度，各管線流量均在誤差允許范圍內(nèi)，滿足仿真精度要求，跳機(jī)瞬態(tài)過程也符合電廠設(shè)計(jì)要求。