某核電廠主給水流量調(diào)節(jié)閥仿真研究

周 華，陳 杰

（中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223）

0 引言

主給水流量調(diào)節(jié)閥是給水系統(tǒng)重要設備，在核電廠正常運行時，蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)主要是主給水流量的控制，主給水控制包括高功率控制模式和低功率控制模式，兩種模式的切換信號來自于給水流量信號，切換定值為15%額定給水流量。當給水流量大于15%額定流量，控制模式從低功率模式切換至高功率模式，通過控制主給水流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)主給水流量，從而實現(xiàn)蒸汽發(fā)生器液位控制[1]。

本文重點介紹根據(jù)主給水調(diào)節(jié)閥性能參數(shù)，如何在RINSIM 1.0仿真平臺，運用流體網(wǎng)絡相關(guān)理論，實現(xiàn)其仿真并驗證其仿真結(jié)果是否滿足要求。

1 RINSIM 1.0仿真平臺

RINSIM 1.0仿真平臺是CNPO自主研發(fā)的基于Linux的核電仿真支撐軟件平臺。該平臺包含以SimBase數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的多個離線和在線軟件包。

圖形化建模軟件SimGen有強大的部件庫，可實現(xiàn)工藝系統(tǒng)以及各類控制系統(tǒng)的建模。圖形化調(diào)試工具SimUgd和趨勢軟件（SimCurv）可實現(xiàn)各類模型的在線調(diào)試和趨勢監(jiān)視。SimDraw可實現(xiàn)核電主控室中盤臺的仿真，SimWare可實現(xiàn)各類型部件開發(fā)。同時，RINSIM1.0仿真平臺支持多種高級編程語言的非圖形化建模和調(diào)試，其構(gòu)架圖如圖1所示[2]。

圖1 RINSIM 1.0仿真平臺主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of RINSIM 1.0 simulation platform

2 流體網(wǎng)絡理論知識

為計算流體網(wǎng)絡中各處流體的熱工水力參數(shù)，首先引入節(jié)點、容積及邊界概念，在此基礎(chǔ)上，綜合運用質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程以及氣體濃度守恒方程建立數(shù)學模型，基于RNSIM 1.0仿真平臺最終求解得到各流體參數(shù)。

2.1 數(shù)學模型假設

對流體網(wǎng)絡而言，數(shù)學模型的建立總會存在相關(guān)假設。針對本文的主給水流量調(diào)節(jié)閥，由于是水流網(wǎng)，在不影響計算精度的情況下作以下假設：

1）介質(zhì)為不可壓縮液體水。

2）介質(zhì)密度不變。

3）介質(zhì)溫度T=Ts(H)。

2.2 數(shù)學微分方程

如前所述，流體網(wǎng)絡的數(shù)學模型離不開各數(shù)學微分方程，對于水流網(wǎng)，各方程的具體公式如下：

1）質(zhì)量守恒方程：

M——節(jié)點質(zhì)量；G——管道流量；τ——時間步長。

2）能量守恒方程：

H——節(jié)點比焓；p——節(jié)點壓力；ρ——節(jié)點介質(zhì)密度；Q——外熱源；R——內(nèi)熱源。

3）動量守恒方程：

L——管道長度；S——管道橫截面積；ξ——水力摩擦系數(shù)；Δp'——管道壓降；H——泵壓頭。

圖2 節(jié)點j，流量 & 狀態(tài)參數(shù)Fig.2 Node j, flow & state parameters

圖3 管道 i -j，流量Fig.3 Pipeline i -j, flow

由動量守恒方程式（3）可知，管道流量Gij是管道前后節(jié)點壓力&密度：Pi、Pj、ρi、ρj的函數(shù)，根據(jù)其函數(shù)關(guān)系式：Gij= f（Pi，Pj，ρi，ρj），可得出：

根據(jù)介質(zhì)密度與壓力、比焓、不凝氣體濃度的函數(shù)關(guān)系式：ρi= f（pi，hi，Cjk）可得出 ：

根據(jù)：mi= Vi* ρi有：

將式（4）、式（5）帶入式（6），可得到關(guān)于節(jié)點i的質(zhì)量變化方程式：

經(jīng)整理后，可得到：

考慮到水也具有微弱的可壓縮性，可在上式中加上一項：

kass*(1-φ)，其中kass=S/c，kass為可壓縮系數(shù)，S為節(jié)點所在管道橫截面積總和，g為重力加速度，φ為蒸汽在節(jié)點中所占的容積比，則式（7）變成：

如果對所有的節(jié)點和流量列出該方程，就可以得到一個關(guān)于dp/dτ的n*n矩陣（n為節(jié)點數(shù)），求解該矩陣即可求出n個節(jié)點中混合流體的壓力，其余的流體參數(shù)可相應求解得出。

2.3 主給水流量調(diào)節(jié)閥性能參數(shù)

根據(jù)某核電廠主給水流量調(diào)節(jié)閥設計文件，其閥門數(shù)據(jù)和曲線分別如圖4、圖5所示[3]。

3 主給水流量調(diào)節(jié)閥性能仿真研究

圖4 閥門數(shù)據(jù)Fig.4 Valve data

圖5 閥門曲線Fig.5 Valve curves

系統(tǒng)的動態(tài)特性反應了輸入輸出變量的相互影響作用以及各主要參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，為了驗證主給水流量調(diào)節(jié)閥門模型的準確性，利用之前所述的數(shù)學模型，將其集成到全范圍模擬機中，對其穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)特性進行了仿真計算分析。

3.1 滿功率工況

滿功率狀態(tài)下，電功率、閥門位置和閥門流量曲線如圖6所示。

由圖6可知，滿功率狀態(tài)下，閥門的流量為945kg/s，閥門開度為80.2%，和圖4中閥門設計數(shù)據(jù)保持一致。

3.2 變工況分析

如前所述，主給水控制包括高功率控制模式和低功率控制模式，其切換基于高給水流量信號，切換點設置在主給水流量的15%，選取22%負荷降至5%負荷工況驗證閥門參數(shù)在變工況的特性，如圖7所示。

圖6 100%負荷各參數(shù)曲線Fig.6 100% Load parameter curves

由圖7可知，22%負荷狀態(tài)下，閥門的流量為244.8kg/，閥門開度為24.1%，和圖4中閥門設計數(shù)據(jù)保持一致，隨著功率的下降，給水流量以及閥門開度也隨之平滑下降。當高給水流量信號由true變?yōu)閒alse時，即主給水流量低于15%時，主給水由高功率控制切換成低功率控制模式，由圖7可以看出閥門并無劇烈波動，繼續(xù)下降，隨著功率繼續(xù)下降，當主給水流量低于5%時，給水路徑發(fā)生變化，由主給水流量調(diào)節(jié)閥切換至啟動給水流量調(diào)節(jié)閥，閥門關(guān)閉。

4 總結(jié)

圖7 降負荷工況各參數(shù)曲線Fig.7 Parameter curves for load reduction conditions

本文根據(jù)主給水調(diào)節(jié)閥性能參數(shù)，基于RINSIM 1.0平臺，運用流體網(wǎng)絡知識對閥門建立數(shù)學模型，對主給水流量調(diào)節(jié)閥穩(wěn)態(tài)性及變工況性能進行研究，計算及測試結(jié)果表明和設計數(shù)據(jù)保持一致，從而驗證了主給水流量調(diào)節(jié)閥的性能參數(shù)，同時也驗證了基于RINSIM仿真平臺的數(shù)學模型的正確性。