仿真技術在EPR機組定冷水系統(tǒng)調(diào)試中的應用

楊 軍，吳 飛，余剛峰，石 剛，吳 凡

（中廣核工程有限公司調(diào)試中心，深圳 518124）

1 背景

臺山核電廠是第三代核電EPR機組，其發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)（以下簡稱定冷水系統(tǒng)）的設計采用節(jié)流孔板來調(diào)整各管路的流量，節(jié)流孔板決定了系統(tǒng)的流量及壓力分布。此設計給電廠的日常運行維護帶來方便，但在調(diào)試階段的流量調(diào)整試驗卻要準確地調(diào)整節(jié)流孔板的孔徑，以達到設計流量要求。

由于單個孔板調(diào)整對各管路的流量都產(chǎn)生影響，調(diào)試試驗中很難快速地確定孔板孔徑，試驗中往往采用以下方法：（1）先采用同類型機組的經(jīng)驗數(shù)據(jù)對孔板加工以獲得接近設計值的流量，然后結(jié)合下述方法進一步微調(diào)孔板孔徑；（2）實測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式結(jié)合，用線性差值的方法逐步逼近，通過多次嘗試調(diào)整孔板以使流量滿足設計要求。

無論有無經(jīng)驗數(shù)據(jù)參考，試驗均要多次嘗試。調(diào)試過程往往費時費力，不僅需要不斷拆裝及加工孔板，而且要反復進行類似的現(xiàn)場試驗。

由于臺山核電廠的系統(tǒng)是國內(nèi)首臺三代EPR核電機組，對于目前世界上最大單機容量的發(fā)電機，其定冷水系統(tǒng)的參數(shù)值與現(xiàn)有核電機組完全不同，無可借鑒的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，這給調(diào)試工作帶來挑戰(zhàn)。

本文研究通過建立物理的數(shù)值模型，運用仿真技術，實現(xiàn)流網(wǎng)計算來確定各孔板孔徑，以使定冷水系統(tǒng)流量調(diào)整試驗快速方便地達到系統(tǒng)設計流量的要求。

2 建模

物理模型的建立運用集總參數(shù)模型方式，并主要依據(jù)三大平衡定律（即質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律）以及水蒸氣表。

對于流網(wǎng)中的每個節(jié)點（集總參數(shù)模型），滿足質(zhì)量守恒規(guī)律，即進出口流量相等，建立：

式中Fi——入口流量；F0——出口流量。

且各節(jié)點滿足能量守恒規(guī)律，即進出口能量相等，建立：

式中hi——液體入口焓道；h0——液體出口焓道；

Q——交換的熱量。

且各節(jié)點滿足動量守恒規(guī)律，即使用伯努里方程，簡化后

式中F——流量；Cv——流體的流阻系數(shù)；△P——壓差。

同時，為了得到各節(jié)點相關熱力參數(shù)，可通過水蒸氣表進行計算或者查值。

因定冷水系統(tǒng)流量調(diào)整試驗在溫度較恒定的情況下進行的，故為了減少計算的方程組，可忽略系統(tǒng)的能量交換因素，式（2）及水蒸氣表在建模時可不予采用。

對于流網(wǎng)中的特殊節(jié)點（定冷水泵）的模擬仿真，采用以下經(jīng)驗公式（對于定速泵，相當于采用二次曲線擬合泵的流量壓力曲線）：

式中P——泵的壓頭；n——泵的轉(zhuǎn)速；Q——泵的流量；

C1，C2，C3——系數(shù)。

為方便調(diào)整孔板，對孔板可以建立方程式：

式中F——通過孔板的流量；C——孔板的流阻系數(shù)；d——孔板開孔直徑；△P——孔板前后壓差。

由式（1）～式（5），建立數(shù)值方程組，運用計算機編程，采用迭代逼近法或者解方程組的矩陣法等手段可以方便的計算出結(jié)果。本文利用了某仿真軟件進行建模，因其具有較好的人機界面，對參數(shù)的實時調(diào)整十分便利，大大提高了調(diào)整孔板的模擬計算效率。

3 應用

定冷水系統(tǒng)流量調(diào)整試驗調(diào)試中，實際應用采用以下步驟進行：

（1）根據(jù)定冷水系統(tǒng)流程圖（如圖1所示），將主要設備視為集總參數(shù)模型的各節(jié)點，建立流網(wǎng)仿真模型。

（2）由系統(tǒng)設計手冊中的管路及設備流量壓力計算書及泵的流量壓力曲線（即PQ曲線），計算出各方程式中的系數(shù)作為仿真模型的常數(shù)。運行仿真模型，各壓力與流量計算結(jié)果與系統(tǒng)設計的參數(shù)是一致的。此步驟的目的不僅檢驗了建模的正確性，而且為后續(xù)步驟建立了調(diào)整建模常數(shù)的數(shù)據(jù)基礎。

（3）運行現(xiàn)場系統(tǒng)，進行流量及壓力的測量記錄，并整理現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。而后調(diào)整流網(wǎng)仿真模型中各常數(shù)，使流量壓力的計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)保持一致。

（4）運行仿真模型，調(diào)整仿真模型中各孔板直徑值，即式（5）中的d值，反復嘗試使模型的計算結(jié)果與設計值一致。此時，各孔板的直徑值即為所求。

（5）根據(jù)計算的孔徑值加工孔板后復裝，運行現(xiàn)場系統(tǒng)，試驗測量驗證。若有偏差，分析原因，重復第3、4步驟。

圖1 臺山核電廠發(fā)電機定冷水系統(tǒng)簡圖

實際調(diào)試工作中進行了一次模擬計算，同時調(diào)整了4塊孔板的孔徑。流量調(diào)整試驗即滿足驗收準則（即各流量與設計值偏差不大于正負5%）。調(diào)試試驗情況參見表1及表2。

表1 孔板調(diào)整對照表 mm

表2 流量數(shù)據(jù)對照表 m3／h

實際應用的關鍵是要提高模擬精度，準確計算孔板孔徑，相關數(shù)據(jù)的準確獲得尤為重要。而現(xiàn)場測量條件是有限的，實測往往無法獲得全部建模數(shù)據(jù)。實踐中要把建模所需數(shù)據(jù)與現(xiàn)場的實際條件結(jié)合起來考慮，采用一定技巧和方法來提高模擬的準確度，故需要做好以下工作：

（1）做適當?shù)募僭O和簡化。采用集總參數(shù)模型，假設某些管段流阻集中到一個節(jié)點，如將連接閥門管段的沿途阻力假設到閥門這個節(jié)點上。同時為突出重點要簡化建模，比如將系統(tǒng)中兩臺定冷水泵簡化成一臺。應用中將現(xiàn)場定冷水系統(tǒng)按照圖1所示簡圖進行仿真模型的建立。

（2）不可忽略系統(tǒng)安裝高差。定冷水系統(tǒng)設備安裝位置最大高差約20m，位于系統(tǒng)中間的某個節(jié)點在運用伯努里方程式時，不能忽略高差，否則仿真計算時系統(tǒng)的壓力無法與實際保持一致。

（3）泵的方程式中常數(shù)的確定要注重選取泵具有代表性的運行點。在上述第三步驟中確定式（4）中的C1、C2及C3時，為準確反映現(xiàn)場泵的實際運行情況，需要用實測值來計算?，F(xiàn)場試驗通過操作相應的閥門開度，測量運行中泵的三組流量壓力數(shù)據(jù)：一般包括流量為零時，泵進出口壓力；以及在泵額定工況附近的兩組流量壓力數(shù)據(jù)。

（4）孔板壓差要準確取值模擬?？装迨顷P鍵的研究對象，每個需要調(diào)整的孔板必須作為一個節(jié)點來考慮，重要的是其前后壓差一定要盡量準確模擬。然而，現(xiàn)場系統(tǒng)壓力測點有限，往往無法獲得其準確壓差。這時，可以利用設備運行維護手冊中的以下經(jīng)驗公式來取值模擬：

式中 Q——流量（m3／h）；ε——可壓縮系數(shù)；α——流量系數(shù)；d——孔 板 孔 徑 （mm）；P——壓 力 （Pa）；ρ——流體密度（Kg／m3）。

在進行上文第4步時，調(diào)整孔板的流阻系數(shù)，使孔板壓差維持在由式（6）計算的壓差值，這將提高后續(xù)步驟中調(diào)整孔徑計算的準確度。

4 比較分析

定冷水系統(tǒng)流量調(diào)整試驗的常規(guī)方法是利用在流量一定范圍內(nèi)變化時，特定管道流量與其孔板孔徑的平方成近似的正比例關系來計算，即

式中 Q——流量；K——比例系數(shù)；d——孔板孔徑。

利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可計算出K值，而后根據(jù)流量的設計值，計算需要調(diào)整的孔徑。因式（7）為比較粗略的經(jīng)驗公式，計算雖然便捷，但是不準確。以中性點短路管處的孔板計算為例：現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為：流量14.5m3／h，孔板孔徑19.0mm，而設計流量為12.0m3／h。根據(jù)式（7）計算，為達到設計流量，孔板孔徑應調(diào)整為17.3mm，而實際上孔徑調(diào)整到15.5mm才能滿足設計要求。即使采用線性差值逐漸逼近的方法，為了得到滿足要求的孔徑，至少也需要2～3次的嘗試后才能試驗合格，這還是在沒有考慮其他支路流量調(diào)整對其影響的情況下。

究其原因，參照式（6），經(jīng)驗公式式（7）忽略了孔板前后壓差變化的影響，而且在流網(wǎng)中，任何支路的流量壓力變化的影響都是全局的，即某一支路的變化會影響其他支路的流量壓力。故常規(guī)的方法不僅比較粗略，而且無法兼顧全局影響，故調(diào)試中往往需要多次嘗試，并憑調(diào)試經(jīng)驗反復試驗才能使孔板調(diào)整到滿足要求的孔徑。而采用流網(wǎng)仿真計算，物理模型不僅模擬了設備壓差的影響，而且模型本身具有全局性，考慮了需要調(diào)整的孔板對整個系統(tǒng)壓力流量的相互影響，故模型的計算更能客觀地反映現(xiàn)場系統(tǒng)運行的實際情況。

5 結(jié)語

本文運用仿真技術，在發(fā)電機定冷水系統(tǒng)的流量調(diào)整試驗中采用流網(wǎng)仿真計算的方法，在較短的調(diào)試時間內(nèi)，試驗并計算出系統(tǒng)中孔板的孔徑，一次性使試驗結(jié)果滿足了試驗驗收標準的要求，實際應用取得了良好結(jié)果。本文的研究嘗試說明對于具有復雜流量壓力關系的系統(tǒng)調(diào)試工作，流網(wǎng)仿真計算具有極大的推廣價值。推而廣之，仿真技術由于可以事先在模型上進行模擬研究，減少了實體工作，省時省力，節(jié)約成本，對實際調(diào)試工作具有很大的指導作用。