HYSYS軟件在反應(yīng)堆系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用探索

鄭海偉 鄂彥志 唐延澤 傅 瑤 王納秀

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HYSYS軟件在反應(yīng)堆系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用探索

鄭海偉1,2鄂彥志1,2唐延澤3傅 瑤1王納秀1

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）3（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

系統(tǒng)仿真軟件可以模擬運行工況變化對系統(tǒng)整體運行帶來的影響，在系統(tǒng)瞬態(tài)分析和安全研究中起著重要的作用。Aspen HYSYS軟件是世界知名的油氣過程仿真和優(yōu)化的系統(tǒng)軟件，具有強大的二次開發(fā)功能，可以用于反應(yīng)堆系統(tǒng)仿真。在植入熔鹽物性、修改熔鹽換熱模型的基礎(chǔ)上，建立并調(diào)用點堆模型的動態(tài)鏈接庫，嘗試將HYSYS與點堆耦合起來，彌補HYSYS無法對熔鹽堆等反應(yīng)堆進行仿真的缺憾。在此基礎(chǔ)上，對中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的熔鹽堆設(shè)計進行了系統(tǒng)仿真，給出了熔鹽堆在不同的運行工況下的系統(tǒng)響應(yīng)分析結(jié)果，并與RELAP5仿真結(jié)果進行比較。結(jié)果表明，耦合程序有較高的可用性，能夠達到預(yù)期的效果。

熔鹽堆，HYSYS，耦合，系統(tǒng)仿真

釷基熔鹽堆(Thorium Molten Salt Reactor, TMSR)核能系統(tǒng)項目是中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項之一，其戰(zhàn)略性目標(biāo)是研發(fā)第四代裂變反應(yīng)堆核能系統(tǒng)[1]。隨著熔鹽堆系統(tǒng)研究的不斷深入，熔鹽堆系統(tǒng)分析的需求愈發(fā)凸顯，現(xiàn)有的反應(yīng)堆系統(tǒng)分析程序大多是針對壓水堆系統(tǒng)建立的兩相流一維流動模型無法直接應(yīng)用到熔鹽堆的系統(tǒng)模擬當(dāng)中。需要一個單相一維多工質(zhì)的系統(tǒng)模擬程序用于熔鹽堆的功率升降、流量變化、負(fù)載變化等工況模擬，驗證系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)。

Aspen HYSYS是面向油氣生產(chǎn)、氣體處理和煉油工業(yè)的模擬、設(shè)計和性能監(jiān)測的流程模擬工具[2]，同時具有穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩種仿真模式。其技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油開采、儲運、天然氣加工、石油化工、精細(xì)化工、制藥、煉制等領(lǐng)域，在世界范圍內(nèi)石油化工模擬、仿真技術(shù)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位[3]。該軟件具有豐富的用戶自定義和軟件通訊接口，具有良好的軟件的擴展、二次開發(fā)和與其它軟件的鏈接功能[4]。HYSYS具有強大的物性計算包和物性預(yù)測能力[5]，可以用作單相和多相一維多工質(zhì)的系統(tǒng)模擬。但是HYSYS中缺少反應(yīng)堆中子動力學(xué)計算模塊，該模塊是反應(yīng)堆與化工系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)別，要實現(xiàn)對反應(yīng)堆的仿真，需要將中子計算模塊加入到HYSYS中。HYSYS允許用戶按照自身需求建立物性包、增加新的反應(yīng)方程以及控制參數(shù)的變化等，具有開發(fā)成為一款滿足反應(yīng)堆系統(tǒng)仿真需求的高效系統(tǒng)瞬態(tài)仿真軟件的條件和潛力。

本文對HYSYS進行二次開發(fā)，將中子動力學(xué)計算模塊與HYSYS進行耦合，并對耦合程序進行對比驗證，旨在使HYSYS程序能夠?qū)Ψ磻?yīng)堆系統(tǒng)各種穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況進行可靠、準(zhǔn)確模擬，為反應(yīng)堆設(shè)計和安全分析提供幫助。

1 TMSR-SF1介紹

TMSR-SF1是10 MWth固態(tài)燃料釷基熔鹽堆的簡稱，是中國科學(xué)院TMSR專項的一部分。它具有發(fā)電效率高、安全性好、核燃料有效利用和防止核擴散等優(yōu)點[6]。

1.1 TMSR-SF1系統(tǒng)和設(shè)備

TMSR-SF1包括如下主要系統(tǒng)和設(shè)備：堆本體和堆內(nèi)構(gòu)件、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及設(shè)備、安全相關(guān)系統(tǒng)、核輔助系統(tǒng)、測量和控制系統(tǒng)等，分為帶走堆芯熱量的一回路、中間換熱的二回路和將熱量帶走的空冷側(cè)三個部分。

堆本體由堆芯燃料球、石墨反射層、堆芯支撐機構(gòu)、石墨反射層壓緊機構(gòu)、堆芯圍筒、主容器、控制棒及控制棒驅(qū)動機構(gòu)、堆內(nèi)測量機構(gòu)等組成。采用直徑為6 cm的TRISO (Tri-structural iso-tropic)包覆顆粒燃料球作為燃料。

一回路主要由主循環(huán)泵、中間換熱器(Intermediate Heat Exchanger, IHX)、溢流罐、管路和輔助設(shè)備組成，采用2LiF-BeF2鹽作為冷卻劑。二回路主要由循環(huán)泵、IHX二回路側(cè)、熔鹽-空氣換熱器、溢流罐、管路和輔助設(shè)備組成，采用FLiNaK鹽作為冷卻劑。

正常運行時一回路中熔鹽冷卻劑以強迫循環(huán)的形式從堆芯帶出核裂變能，并通過雙熔鹽熱交換器把熱能從一回路熔鹽轉(zhuǎn)移到二回路熔鹽；然后二回路熔鹽中的熱量通過空氣散熱器轉(zhuǎn)移到大氣環(huán)境。

1.2 TMSR-SF1系統(tǒng)主要參數(shù)

釷基熔鹽堆的主要熱工水力設(shè)計參數(shù)[7]見表1。

表1 TMSR-SF1主要熱工水力參數(shù)
Table 1 Main thermal-hydraulic parameters of TMSR-SF1.

參數(shù) Parameter

數(shù)值 Value

反應(yīng)堆堆芯熱功率

Reactor core thermal power / MW

10

一回路質(zhì)量流量

Flow rate of first loop / kg?s

150

堆芯進口溫度

Core inlet temperature / K

873.15

堆芯出口溫度

Core outlet temperature / K

901.15

堆芯平均流速

Core mean velocity / m?s

0.06

二回路冷卻劑流量

Coolant flow rate of second loop / kg?s

161.0

IHX二次側(cè)進口溫度

Secondary side inlet temperature of IHX / K

803.15

IHX二次側(cè)出口溫度

Secondary side outlet temperature of IHX / K

836.15

2 仿真模型

該耦合程序以Aspen HYSYS和中子動力學(xué)計算程序為基礎(chǔ)，模擬反應(yīng)堆系統(tǒng)在不同運行工況下的響應(yīng)情況，重點觀測系統(tǒng)溫度等參數(shù)隨時間變化。在中子動力學(xué)計算中，采用6群中子動力學(xué)方程模型，并考慮燃料溫度變化對堆芯溫度反饋的影響，具有較高的計算精度和效率，可以用于各種堆型的系統(tǒng)仿真。

2.1 HYSYS計算模型

采用HYSYS程序進行熱工水力計算，在HYSYS中，所有單元操作均采用集總參數(shù)模型。這里主要對仿真建模中涉及的數(shù)學(xué)計算模型進行簡要的介紹，而不再對用到的各個元件和設(shè)備的具體的計算原理進行詳細(xì)的描述。守恒關(guān)系是HYSYS中數(shù)學(xué)計算的基礎(chǔ)。下面將給出質(zhì)量、組分、能量等的動態(tài)守恒關(guān)系式，并簡述軟件的求解策略。

2.1.1 物料守恒

質(zhì)量守恒的基本關(guān)系式為：

式中：i、o分別為進、出口流量；i、o分別為進、出口的流體密度；為體積。

式(1)只是Aspen HYSYS中所使用方程的簡化形式，在軟件中考慮了反應(yīng)、蒸發(fā)密度變化等更復(fù)雜的情況。

2.1.2 組分守恒

組分守恒的基本關(guān)系為：系統(tǒng)中某一組分的變化等于流入系統(tǒng)的該組分減去流出該系統(tǒng)的組分再加上該組分發(fā)生反應(yīng)的量。

對于多組分物流，組分的平衡關(guān)系式如下：

式中：Ci為入口物流中組分的濃度；Co為出口物流中的濃度；R為組分的反應(yīng)率。

在反應(yīng)堆中，中子的影響對物質(zhì)的改變非常小，而堆中物質(zhì)相容性非常好，化學(xué)反應(yīng)可以忽略不計，認(rèn)為發(fā)生反應(yīng)的量為零。

2.1.3 能量守恒

能量流入或流出系統(tǒng)是通過對流或者傳導(dǎo)，通過邊界向系統(tǒng)中增加能量是通過熱傳導(dǎo)或輻射。

對于有散熱的連續(xù)反應(yīng)器，可以采用如下方程：

式中：、、分別為單位質(zhì)量的內(nèi)能、動能和勢能；為系統(tǒng)單位時間內(nèi)所做的軸功；o為容器的壓力；i為進料的壓力；為通過邊界增加的熱量；r為反應(yīng)熱。

2.1.4 求解策略

HYSYS中采用歐拉隱式求解方法，對體積（壓力-流量）、能量和組分的求解并不同步，以減少計算機求解工作量，他們分別對應(yīng)的默認(rèn)求解頻率分別為1、2、10個時間步。

2.2 中子計算模型

2.2.1 點堆模型

考慮到計算的速度、精確性以及計算模型的復(fù)雜程度，選擇廣泛采用的具有6組緩發(fā)中子的反應(yīng)堆中子動力學(xué)方程模型：

總反應(yīng)性表示為：

式中：0為初始反應(yīng)性；exp為控制機構(gòu)動作等原因所引起的反應(yīng)性變化，通過該項可以引入反應(yīng)性瞬變；f、r、c和c0分別表示燃料、反射層、下降管和上升管中冷卻劑按質(zhì)量取的平均溫度；f、m、r和c分別表示燃料、慢化劑、反射層、冷卻劑的溫度系數(shù)。

程序中采用gear算法求解中子動力學(xué)方程，該算法可用于求解剛性微分方程組。程序模型中將反射層、燃料、冷卻劑等劃分成多個節(jié)點，反射層、燃料、冷卻劑等每個節(jié)點相關(guān)的量，在程序中默認(rèn)為均勻劃分。

2.2.2 耦合方法

選擇Automation方式來實現(xiàn)相應(yīng)的耦合功能。將中子動力學(xué)計算程序改編成動態(tài)鏈接庫文件(Dynamic Link Library, DLL)，以供其他程序在需要的時候調(diào)用，該DLL可以返回修正的堆芯功率。進行HYSYS中建立反應(yīng)堆系統(tǒng)模型時，用加熱器代替堆芯對整個系統(tǒng)進行加熱，堆芯部分軸向分成多段，加載不同的反應(yīng)堆功率，熱量通過換熱器傳遞到二回路中。讀取時刻HYSYS 中流經(jīng)堆芯的溫度()及添加的反應(yīng)性()后，傳遞到DLL中；DLL中進行燃料的傳熱計算和堆芯燃料、流體的溫度反饋，返回修正后的堆芯功率到HYSYS中，經(jīng)重新分配作為下一時刻+1的堆芯功率(,1)，再利用HYSYS進行熱工水力計算。

3 仿真驗證

為驗證仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文針對熔鹽堆系統(tǒng)進行仿真，并將仿真計算結(jié)果與RELAP5的計算結(jié)果進行比較。RELAP5程序是由美國愛達荷國家工程實驗室開發(fā)的熱工水力系統(tǒng)分析程序，被廣泛應(yīng)用于事故分析和安全評審等方面[8]。在空氣冷卻器流量增加和流經(jīng)空氣冷卻器的冷空氣溫度升高兩種情況下，對流經(jīng)堆芯的熔鹽進出口溫度和反應(yīng)堆的反應(yīng)性進行分析，模擬時間均為2000 s。

建立的系統(tǒng)如圖1所示。初始時刻反應(yīng)堆均處于滿功率運行狀態(tài)，堆芯額定功率為10 MW，HYSYS軟件模擬的反應(yīng)堆滿功率運行的進出口溫度分別為875.6 K、904.5 K。

圖1 HYSYS模擬系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of HYSYS simulation.

3.1 空氣冷卻器流量增加

具體工況描述如下：在0時刻，熔鹽空氣冷卻器空氣側(cè)流量增加了3%，并維持在新流量水平上運行，其他條件保持不變?？諝饬髁康脑黾油ㄟ^增大空氣側(cè)進口壓力使進出口壓差增大的方法實現(xiàn)。

HYSYS仿真結(jié)果與RELAP5仿真結(jié)果對比如圖2所示。無耦合情況下模擬堆芯功率沒有發(fā)生變化。從圖2中可以看出，有無耦合對HYSYS模擬結(jié)果影響較大，無耦合情況下HYSYS模擬所得到的堆芯進出口溫度均呈現(xiàn)一直下降的狀態(tài)，而耦合后HYSYS模擬的堆芯進出口溫度則有溫度的短時間小幅上升情況出現(xiàn)，且無耦合模擬結(jié)果溫度變化速率和幅度明顯快于耦合后模擬結(jié)果，這是因為耦合后加入了負(fù)溫度反饋特性，對溫度變化幅度和速率均產(chǎn)生了抑制變化的效果，使得溫度的降低速率和幅度變慢，逐漸趨于新的平衡狀態(tài)。耦合后HYSYS模擬結(jié)果與RELAP5模擬結(jié)果的總體趨勢是一致的：初始時均有小幅的溫度降低再升高過程，然后溫度緩慢降低。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是：熔鹽空氣冷卻器的流量增大使得該換熱器的空氣側(cè)換熱能力增強，從二回路帶走的熱量增多，從而導(dǎo)致流經(jīng)該換熱器的二回路FLiNaK熔鹽溫度降低；二回路與一回路通過雙熔鹽換熱器進行熱量傳遞，二回路熔鹽溫度的降低引起一回路流經(jīng)反應(yīng)堆堆芯的FLiBe熔鹽溫度降低；由于反應(yīng)堆的負(fù)溫度反饋特性，溫度的降低引入正的反應(yīng)性，堆芯功率增加，使得短時間內(nèi)對一回路熔鹽加熱功率大于冷卻功率，熔鹽溫度升高；后由于溫度的變化量減小，正反應(yīng)性逐漸減小，冷卻功率大于加熱功率，溫度逐漸降低。

但是由于初始時刻，HYSYS進出口溫度較RELAP5略低，在整個模擬時間內(nèi)，HYSYS模擬得到的堆芯進出口溫度均低于RELAP5的進出口溫度。而且圖2中HYSYS溫度變化曲線斜率略大于RELAP5，即溫度變化略快于RELAP5，HYSYS耦合的負(fù)溫度反應(yīng)性系數(shù)大于RELAP5的反應(yīng)性系數(shù)。這種情況的出現(xiàn)與熱工計算及溫度權(quán)重等因素有關(guān)。

圖2 空氣流量增加時堆芯進出口溫度隨時間的變化Fig.2 Temperature change of the core inlet and outletvs.time with air flow rate increasing.

3.2 空氣冷卻器空氣溫度升高

具體工況描述如下：在0時刻，熔鹽空氣冷卻器空氣側(cè)溫度增加了10 K，空氣流量保持不變。分析空氣進口溫度變化對反應(yīng)堆運行的影響，溫度增加可以直接在HYSYS中通過設(shè)定進口溫度實現(xiàn)。

該工況下，HYSYS仿真結(jié)果與RELAP5仿真結(jié)果對比如圖3所示，無耦合情況下模擬堆芯功率沒有發(fā)生變化。從圖3中可以看出，有無耦合對HYSYS模擬結(jié)果影響較大，無耦合情況下HYSYS模擬所得到的堆芯進出口溫度均呈現(xiàn)不斷升高的狀態(tài)，而耦合后HYSYS模擬的堆芯進出口溫度則有溫度的短時間小幅下降情況出現(xiàn)，且無耦合模擬結(jié)果溫度變化速率和幅度明顯快于耦合后模擬結(jié)果，這是因為耦合后加入了負(fù)溫度反饋特性，對溫度變化幅度和速率均產(chǎn)生了抑制變化的效果，使得溫度的升高速率和幅度變慢，逐漸趨于新的平衡狀態(tài)。耦合后HYSYS模擬結(jié)果與RELAP5模擬結(jié)果的總體趨勢是一致的：兩者總體變化趨勢相同，均出現(xiàn)初始時刻溫度短暫升高后降低、再不斷升高的情況，且溫度升高速度不斷降低，溫度變化曲線趨于平緩。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因為：在相同的空氣流量情況下，突然升高熔鹽-空氣換熱器進口溫度，使得換熱器的冷卻能力降低；二次側(cè)FliNaK熔鹽溫度升高，進而導(dǎo)致一回路總FliBe熔鹽溫度升高；由于該反應(yīng)堆具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度的升高引入負(fù)反應(yīng)性，堆芯加熱功率減小，初始時功率降低量大于冷卻能力降低量，即發(fā)熱量小于冷卻量，故一回路熔鹽溫度降低，進而導(dǎo)致一回路溫度升高量降低，引入反應(yīng)性減小，溫度降低速度變慢；溫度降至最小值時，冷卻能力小于堆芯功率，一回路溫度身高，由于負(fù)反饋的影響，溫度升高逐漸變慢，但加熱功率仍占主導(dǎo)地位。

圖3 入口空氣溫度升高時堆芯進出口溫度隨時間的變化Fig.3 Temperature change of the core inlet and outletvs.time with inlet temperature of air increasing.

但在溫度從最低值開始升高時，RELAP5的升溫速率大于HYSYS升溫速率，可以得出，HYSYS耦合的負(fù)溫度反應(yīng)性系數(shù)大于RELAP5的反應(yīng)性系數(shù)，這與熱工計算及溫度權(quán)重等因素有關(guān)。

3.3 階躍引入反應(yīng)性

通常情況下反應(yīng)堆測量系統(tǒng)和反應(yīng)性控制系統(tǒng)存在一定的誤差，導(dǎo)致實際運行時可能出現(xiàn)棒位略高于臨界棒位而引入少量反應(yīng)性。這里就針對反應(yīng)堆引入正反應(yīng)性的情況進行仿真。假設(shè)反應(yīng)堆處于額定功率運行狀態(tài)，在0時刻突然引入5 pcm的反應(yīng)性，分析反應(yīng)性小幅度擾動對反應(yīng)堆運行的影響。

引入5 pcm反應(yīng)性后HYSYS耦合仿真結(jié)果與RELAP5仿真結(jié)果的對比如圖4所示。

圖4 引入正反應(yīng)性時堆芯進出口溫度隨時間的變化Fig.4 Temperature change of the core inlet and outletvs.time with additional positive reactivity introduced.

以上幾個工況計算結(jié)果的對比表明，HYSYS計算的結(jié)果與RELAP5的結(jié)果趨勢相同，計算結(jié)果相差不大，證明了通過HYSYS耦合進行系統(tǒng)仿真的可行性。

4 結(jié)語

基于熔鹽堆系統(tǒng)與普通化工系統(tǒng)的不同，本文對HYSYS軟件進行深度擴展，在加入熔鹽物性和修正換熱系數(shù)計算公式的基礎(chǔ)上，將點堆模塊與HYSYS軟件進行耦合，引入堆芯反饋特性。通過軟件模擬和RELAP5仿真計算的對比結(jié)果來看，擴展后的HYSYS 軟件成功地模擬了熔鹽堆系統(tǒng)的瞬態(tài)過程。軟件計算的回路溫度隨時間的變化趨勢、溫度峰值大小等均與RELAP5計算結(jié)果符合較好。

HYSYS 軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對熔鹽堆系統(tǒng)的瞬態(tài)過程比較準(zhǔn)確地模擬，證明軟件適用于反應(yīng)堆回路瞬態(tài)仿真，體現(xiàn)了其強大的可二次開發(fā)能力，顯示了較強的可靠性。在缺乏熔鹽堆系統(tǒng)專用仿真軟件的現(xiàn)狀下，對HYSYS軟件功能進行深度挖掘，開發(fā)出具有較完善功能和模塊的熔鹽堆系統(tǒng)仿真軟件是熔鹽堆研究的一種有益探索，是對熔鹽堆系統(tǒng)仿真軟件的一個有效補充，對現(xiàn)階段熔鹽堆的熱工水力和安全研究具有重要的意義。

HYSYS軟件的耦合不僅利用了HYSYS軟件物性計算能力強大和模擬計算準(zhǔn)確等優(yōu)勢，而且彌補了通用熱流體計算程序不能實現(xiàn)反應(yīng)性反饋計算的不足，還能避免許多熱工分析程序無法實現(xiàn)不同物性冷卻劑混合、流體接觸空氣等情況的缺點，可以進行一些特殊現(xiàn)象的模擬。后續(xù)可以利用HYSYS軟件進行更多典型工況和特殊物理現(xiàn)象的仿真，開發(fā)熔鹽物性計算方法，豐富和完善其在熔鹽堆中的應(yīng)用。

致謝 該工作的完成得到了中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所TMSR中心反應(yīng)堆物理部計算組職工何龍的幫助，在此表示衷心感謝。

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國家自然科學(xué)基金(No.91326201)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(No.XDA02001002)資助

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.91326201), Strategic Priority Program of Chinese Academy of Sciences

(No.XDA02001002)

Applied exploration of HYSYS code in reactor system simulation

ZHENG Haiwei1,2E Yanzhi1,2TANG Yanze3FU Yao1WANG Naxiu1

1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)3(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Background: The system code can be used to simulate the effects of the whole system with different operation conditions, which plays an important role in dynamic analysis and safety study. As a world-known modeling tool for process simulation and optimization of oil and gas, Aspen HYSYS has the ability of secondary development for nuclear reactor simulation. Purpose: The aim is to make the coupling of HYSYS and point reactor model and verify its efficiency. Methods: Based on implanted and modified molten salt properties, HYSYS can show the features of molten salt accurately. A dynamic link library is built based on the point reactor model. Then the DLL (Dynamic Link Library) is called by HYSYS to calculate the reactivity which is caused by changes of operation conditions. Some operating conditions of thorium molten salt reactor are simulated and then compared with RELAP5. Results: The results of HYSYS is in good agreement with that of RELAP5. Conclusion: The coupled code is available in simulating molten salt-cooled system.

Molten salt reactor, HYSYS, Coupling, System simulation

ZHENG Haiwei, male, born in 1989, graduated from Harbin Engineering University in 2013, master student, focusing on reactor thermal hydraulic

WANG Naxiu, E-mail: wangnaxiu@sinap.ac.cn

TL333

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.060602

鄭海偉，男，1989年出生，2013年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域為反應(yīng)堆熱工水力學(xué)

王納秀，E-mail: wangnaxiu@sinap.ac.cn

2016-03-07，

2016-03-22