快堆電廠旁路系統(tǒng)建模與仿真

祁琳++王曉坤++楊曉燕++趙守智

摘 要：該文以示范快堆電廠的旁路系統(tǒng)為研究對(duì)象，按汽輪機(jī)100%甩負(fù)荷、反應(yīng)堆不停堆和安全閥不動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)了100%MCR的汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)，建立了旁路系統(tǒng)仿真模型，并且利用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。在各個(gè)快速甩負(fù)荷工況下，該模型的計(jì)算結(jié)果均與預(yù)期相符，該模型能夠很好地反映旁路系統(tǒng)的工作過程。該模型作為快堆核電站全工況機(jī)理仿真模型的一個(gè)重要組成部分，為機(jī)組啟、停和特殊變工況的模擬研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：示范快堆 旁路系統(tǒng) 快速甩負(fù)荷 仿真

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（c）-0008-03

Modeling and Simulation of Bypass System in Fast Reactor Power Plant

Qi Lin Wang Xiaokun Yang Xiaoyan Zhao Shouzhi

（China Institute of Atomic Energy， Beijing， 102413， China）

Abstract： The research object of this paper is the bypass system of China Demonstration Fast Reactor. In this paper， 100% MCR steam turbine bypass system is designed according to the requirement of 100% cut back of the steam turbine， non-stop reactor and non-operation of the safety valve. A bypass system simulation model is established， and the simulation model was validated by design data. Under the conditions of fast cut back， the calculated results of this model are in line with the pre-judgment， so the model can reflect the working process of the bypass system very well. This model is an important part of the whole working condition mechanism simulation model of the fast reactor nuclear power plant， which lays the foundation for the simulation study of the unit start up， shutdown and special variable conditions.

Key Words： China Demonstration Fast Reactor； Bypass system；Fast Cut Back； Simulation

旁路系統(tǒng)作為汽輪機(jī)啟停階段工作的重要輔助裝置，其工作性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全運(yùn)行，因此對(duì)旁路系統(tǒng)展開仿真建模，深入研究其工作特性有著重要的意義[1]。

在快堆電站中，反應(yīng)堆對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性跟不上汽輪機(jī)對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性。當(dāng)電網(wǎng)需要核電廠大幅度降負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)能夠很快關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，降低輸出功率，但是反應(yīng)堆不能大幅降功率，蒸汽發(fā)生器的熱功率也不會(huì)大幅度變化，因而在核島和常規(guī)島之間產(chǎn)生了一個(gè)功率差，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)加熱的蒸汽流量大于汽輪機(jī)輸入的蒸汽流量。汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的功能就是提供一個(gè)人工負(fù)荷[2]，平衡核島和常規(guī)島之間的功率差，將多余蒸汽排向凝汽器、除氧器或大氣，保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行。

中國(guó)示范快堆是一臺(tái)熱功率為600 MW的快中子反應(yīng)堆，由于其三回路汽輪機(jī)負(fù)荷變化的速率往往比二回路大，所以快堆電廠對(duì)旁路系統(tǒng)的要求比火電廠高，其旁路系統(tǒng)與常規(guī)火電廠的旁路設(shè)置有所不同。百萬(wàn)級(jí)超臨界火電廠的一般采用高低壓兩級(jí)串聯(lián)旁路，主要用于啟停機(jī)、甩負(fù)荷和保護(hù)再熱器；而核電站汽輪機(jī)旁路則采用一級(jí)大旁路，壓水堆電站中設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)旁路容量普遍為85%MCR，大氣釋放閥排放容量為15%MCR；示范快堆的頂層設(shè)計(jì)文件中要求：核電廠對(duì)汽輪機(jī)緊急停機(jī)應(yīng)有如下能力，一臺(tái)汽輪機(jī)從等于或低于100%的額定功率緊急停機(jī)不會(huì)使反應(yīng)堆緊急停堆，也不應(yīng)通過大氣排放閥的排汽達(dá)到此能力[3]，因此，該研究不能沿用以往適用于壓水堆核電廠的設(shè)計(jì)，需設(shè)計(jì)100%MCR容量的旁路系統(tǒng)。

1 旁路系統(tǒng)仿真模型

1.1 旁路系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)

核電站旁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般有以下幾種：（1）采用全部排向凝汽器的方式，這種設(shè)計(jì)方式系統(tǒng)簡(jiǎn)化、可靠性高，但是造成凝汽器換熱面積的增加，會(huì)引起投資增加；（2）采用排向凝汽器和大氣的方式，這種方式在國(guó)內(nèi)外已有較成熟的經(jīng)驗(yàn)，但是不能夠回收全部工質(zhì)；（3）采用排向凝汽器和除氧器的方式，能夠回收全部工質(zhì)，但是容易引起除氧器超壓。

鑒于示范快堆的除氧器使用混合式高壓除氧器，有除氧頭，不會(huì)發(fā)生蒸汽從底部上涌；且容量較大，約200 t，不易引起水位過高。因此，該研究選擇第三種方式，在不開啟大氣釋放閥的情況下，凝汽器承擔(dān)72.6%MCR的旁路蒸汽排放量，設(shè)有旁路減壓閥和噴水減溫裝置以滿足凝汽器運(yùn)行條件；除氧器承擔(dān)其余的旁路蒸汽排放量，設(shè)有旁路減壓閥以保證除氧器不超壓。

1.2 旁路系統(tǒng)建模

旁路系統(tǒng)由多個(gè)管道、閥門和噴水減溫器構(gòu)成。首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行建模，掌握關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)算機(jī)理，然后將所有設(shè)備連接起來(lái)成為系統(tǒng)模型。

1.2.1 噴水減溫器數(shù)學(xué)模型

噴水減溫器是熱電廠和核動(dòng)力裝置汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其工作性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)中其它設(shè)備的運(yùn)行與安全。對(duì)噴水減溫器工作特性的深入研究有著重大的實(shí)際意義。噴水減溫器的工作原理是將經(jīng)過噴嘴霧化后的減溫水直接噴入過熱的蒸汽流，減溫水滴從過熱蒸汽流中吸收熱量，使水升溫、蒸發(fā)和過熱，從而使蒸汽的溫度降低，達(dá)到調(diào)節(jié)過熱汽溫的目的；其基本思想是要使噴入蒸汽的減溫水盡快的汽化，使蒸汽的降溫過程盡可能在最短的行程內(nèi)完成[4]。

噴水減溫器的工作原理如圖1所示，其中Gg、hg、tg分別代表入口蒸汽的質(zhì)量流量、焓值和溫度；Gw、hw、tw分別代表入口減溫水的質(zhì)量流量、焓值和溫度；G、h、t表示出口蒸汽的質(zhì)量流量、焓值和溫度；Qm表示減溫器壁面與流體間的換熱量[5]。

依據(jù)減溫器的工作原理、質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律可以建立其數(shù)學(xué)模型。假設(shè)：（1）減溫器內(nèi)工質(zhì)只沿軸向作一維運(yùn)動(dòng)；（2）各個(gè)進(jìn)出口的截面上工質(zhì)的物性參數(shù)分布均勻；（3）減溫器截面均勻無(wú)變化；（4）在兩相區(qū)，汽、水均勻混合，且流速相同；（5）對(duì)于金屬壁面，僅沿徑向傳熱，而忽略軸向傳熱，忽略徑向溫度梯度；（6）忽略由于速度變化引起的動(dòng)能和摩擦功；（7）整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外界絕熱；（8）忽略沿程阻力損失[6]。

以蒸汽出口參數(shù)為集總參數(shù)列微分方程：

（1）質(zhì)量守恒方程：

式中，V為噴水減溫器的容積；ρ為出口蒸汽密度，τ為時(shí)間。

（2）能量守恒方程：

（3）壁面?zhèn)鳠岱匠蹋?/p>

式中，α為壁面與工質(zhì)之間的對(duì)流換熱系數(shù)，A為壁面換熱面積，tm為換熱壁面的平均溫度，ti為參與換熱的流體定性溫度。

（4）管道壁面的換熱方程：

式中，cm為壁面金屬的比熱容，mm為參與換熱的壁面金屬的質(zhì)量，tm為壁面的平均溫度，Qg為單位時(shí)間內(nèi)蒸汽的放熱量，，Qw為單位時(shí)間內(nèi)減溫水的吸熱量，。

該文中設(shè)計(jì)減溫器工作壓力為，100%甩負(fù)荷時(shí)，流入凝汽器旁路的減溫前蒸汽參數(shù)為；減溫水參數(shù)為；最終流入凝汽器的蒸汽溫度應(yīng)低于80℃。

1.2.2 基于vPower的圖形化建模

該文以vPower仿真軟件為平臺(tái)，采用圖形化建模方法對(duì)示范快堆旁路系統(tǒng)進(jìn)行建模，并輔以必要的控制系統(tǒng)，如圖2所示。

2 快速甩負(fù)荷過程仿真

利用上述仿真模型，進(jìn)行快速甩負(fù)荷（簡(jiǎn)稱FCB）的工況仿真，該文中選取額定工況下甩50%負(fù)荷、70%負(fù)荷、100%負(fù)荷這三個(gè)瞬態(tài)工況進(jìn)行仿真計(jì)算。汽輪機(jī)在額定工況運(yùn)行中突然甩負(fù)荷，發(fā)電機(jī)的輸出功率瞬間下降，由于不考慮蒸汽管道和汽機(jī)本體的中間容積蒸汽的作用，因此轉(zhuǎn)速不會(huì)短暫升高而是直接降低或停轉(zhuǎn)，此時(shí)進(jìn)入凝汽器和除氧器的蒸汽流量會(huì)迅速減少，其工作壓力也迅速降低。隨著旁路閥的開啟（除氧器旁路閥從全關(guān)到全開需2 s，凝汽器旁路閥從全關(guān)到全開需2.5 s），進(jìn)入凝汽器和除氧器的蒸汽流量會(huì)迅速增加，并且在壓力控制系統(tǒng)的作用下逐漸趨于穩(wěn)定。這三個(gè)過程中凝汽器和除氧器的瞬態(tài)參數(shù)變化見圖3和圖4。

由圖3和圖4可以看出，各甩負(fù)荷過程中凝汽器和除氧器參數(shù)的變化均符合預(yù)判，并且甩負(fù)荷越多的工況參數(shù)變化越大且趨于穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)，這也符合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)論

（1）該文首次針對(duì)示范快堆電廠選擇了旁路容量，設(shè)計(jì)了旁路系統(tǒng)。

（2）在充分掌握關(guān)鍵設(shè)備數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用vPower平臺(tái)建立了旁路系統(tǒng)的仿真模型。

（3）通過該模型對(duì)旁路系統(tǒng)進(jìn)行快速甩負(fù)荷工況的模擬計(jì)算，得到的關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律比較合理，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

（指導(dǎo)老師：趙守智）

參考文獻(xiàn)

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[6] 倪維斗，徐向東.熱動(dòng)力系統(tǒng)建模與控制的若干問題[M]. 北京：科學(xué)出版社，1996.