時浩　蔡琦　李磊

摘 要：目前對于核電站系統(tǒng)二回路的模塊化仿真建模技術(shù)已較為成熟，而一回路還未完全實現(xiàn)模塊化。利用運(yùn)行在SimExec平臺上的THEATRe軟件，以秦山一期核電站為仿真對象，建立冷卻劑系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)而對模型進(jìn)行仿真研究，誤差可控制在0.5%以內(nèi)；將主回路中的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行模塊化建模，并通過方案優(yōu)化，采用邊界交換的方法將蒸汽發(fā)生器模塊與系統(tǒng)主回路進(jìn)行耦合，耦合前后系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)誤差不超過1%；通過瞬態(tài)提升功率比較模塊化模型與環(huán)路模型的瞬態(tài)特性，最終得出對自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行模塊化建模仿真方法可行的結(jié)論，并由此提出改進(jìn)方法及其在實際建模仿真中的建議。

關(guān)鍵詞：自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器 模塊化 THEATRe軟件 研究

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（c）-0056-04

ABSTRACT：At present，the modular simulation techniques of the second loop in nuclear reactor system have been mature，while the primary loop can not be fully modular simulated.By using the THEATRe software running on the SimExec platform，taking the Qinshan phase I NPP as the simulation object，a coolant system model can be established，the errors can be controlled within 0.5%；Modular simulating the natural circulation steam generator，then coupled the SG with the primary loop，the distinctions between the modular system with the former system are no more than 1%；Comparing the transient characteristics of the modular model with that of the former loop model by ascending the power transiently，ultimately draw a conclusion on the focus whether the modular simulation techniques of the SG in the primary loop is feasible，and thus give suggestions on improvements and recommendations of the modular simulation methods.

Key Words：Natural circulation steam generator；Modular simulation； THEATRe；Research

核電站主回路系統(tǒng)的二次側(cè)已經(jīng)可以實現(xiàn)模塊化建模仿真，極大的提高了核電站系統(tǒng)的設(shè)計與升級的效率，也為系統(tǒng)的維護(hù)與更新帶來極大的便利。此前已有對蒸汽發(fā)生器一次側(cè)單獨(dú)進(jìn)行了模塊化，但是未將模塊與主回路耦合加以驗證對蒸汽發(fā)生器進(jìn)行模塊化的有效性。本文嘗試先將自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的一次側(cè)進(jìn)行模塊化，然后將該模塊與原回路進(jìn)行耦合，為進(jìn)一步改進(jìn)自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器[1]模塊化建模與仿真技術(shù)提供了有力的理論支持。

該文主要是用運(yùn)行在SimExec仿真平臺上的THEATRe熱工水力實時仿真軟件對自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的一次側(cè)進(jìn)行模塊化，并將模塊運(yùn)行參數(shù)與核電站運(yùn)行參數(shù)相比較。接著通過邊界數(shù)據(jù)交換的方式將模塊化對象與主回路耦合，然后將蒸汽發(fā)生器模塊的運(yùn)行參數(shù)與模塊耦合后的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比對，驗證模塊化技術(shù)在穩(wěn)態(tài)下的可行性，并通過對反應(yīng)堆負(fù)荷的階躍擾動試驗，驗證了模塊化模型在瞬態(tài)工況下的有效性，達(dá)到了檢驗自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器動態(tài)特性的目的[2]。最終得出結(jié)論并提出改進(jìn)方法，這對于核動力裝置的模塊化仿真建模有著重要的實際意義。

1 仿真模型的建立

該文采用的是控制體的建模方法，并使用THEATRe熱工水力實時仿真軟件進(jìn)行仿真計算[3]，該軟件目前需移植到SimExec實時仿真平臺上運(yùn)行。

THEATRe軟件作為反應(yīng)堆熱工水力實時仿真工具，采用了“漂移通量模型”，此模型含有6個基本場（不可凝氣體質(zhì)量、蒸汽質(zhì)量、液體質(zhì)量、蒸汽能量、液體能量以及混合物動量）方程和1個漂移通量關(guān)系式[4]，用以預(yù)計分析每一節(jié)點(diǎn)處兩相流狀態(tài)。按照傳熱部件的形狀和邊界條件，THEATRe采用兩種類型的導(dǎo)熱計算模型，第一類計算只有一面對流換熱的圓柱體導(dǎo)熱模型，第二類計算具有兩面換熱邊界條件的導(dǎo)熱部件（如核燃料包殼、安全殼、蒸汽發(fā)生器的傳熱管等）中溫度場所建立的模型。此外，THEATRe采用的是四象限特性主泵模型[5]。

1.1 建立仿真模型

在本文中THEATRe軟件仿真的對象是秦山一期核電站，在建立核電站冷卻劑系統(tǒng)主回路仿真模型劃分系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)并輸入相關(guān)參數(shù)時都借鑒秦山一期的數(shù)據(jù)資料[6]。

根據(jù)THEATRE軟件對輸入卡的要求，秦山一期核電站主系統(tǒng)被劃分為三個區(qū)，即將一回路系統(tǒng)單獨(dú)劃分為一個區(qū)，包括兩個環(huán)路，每個蒸汽發(fā)生器二次側(cè)劃分為一個區(qū)[7]。無論是在哪個區(qū)，在建立該區(qū)的仿真系統(tǒng)模型時都要設(shè)置盡可能少的節(jié)點(diǎn)，以節(jié)省計算的時間，但要符合仿真工況的要求以及仿真對象的特點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)劃分后的系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。endprint

考慮在同一區(qū)域內(nèi)，沿軸向的對流換熱量或溫度、換熱系數(shù)等參數(shù)沿軸向分布不同，可將每一個傳熱區(qū)域沿軸向進(jìn)一步劃分成許多節(jié)點(diǎn)，并假定在每一個節(jié)點(diǎn)內(nèi)溫度、壓力、水力直徑、換熱系數(shù)等參數(shù)都相等。此外，對每一個區(qū)段的摩擦系數(shù)等因子也作同樣的處理，這種處理方法考慮了系統(tǒng)分布參數(shù)的特點(diǎn)[8]。

THEATRe軟件關(guān)于仿真對象的系統(tǒng)文件確定并編譯好之后，就需要根據(jù)THEATRe軟件調(diào)試方法對仿真模型進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試完成加載仿真模型系統(tǒng)開始運(yùn)行后如出現(xiàn)問題，則需要對輸入卡文件或控制程序進(jìn)行修改，直到系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行為止。

1.2 仿真模型的驗證

該文以秦山一期核電站為仿真對象，建立核電站冷卻劑系統(tǒng)仿真模型并調(diào)試完成后，需要記錄仿真模型穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的常用參量數(shù)據(jù)，且需要將一些重要參數(shù)與秦山一期核電站系統(tǒng)所提供的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，驗證通過THEATRe軟件進(jìn)行仿真建模的有效性以及準(zhǔn)確性。表1為核電站冷卻劑系統(tǒng)仿真模型穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)與秦山一期核電站系統(tǒng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較。

根據(jù)以上分析可知，該文所建立的核電站主系統(tǒng)仿真模型穩(wěn)態(tài)主要運(yùn)行參數(shù)與秦山一期核電站運(yùn)行基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比，最大誤差不超過0.5%，很好的滿足了對于關(guān)鍵參數(shù)誤差的要求。

2 自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的模塊化處理

建立系統(tǒng)仿真模型后，對自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器建立模塊化處理，并按照邊界數(shù)據(jù)交換的方法，將蒸汽發(fā)生器模塊與主回路模塊實現(xiàn)耦合，組成能滿足要求的冷卻劑主系統(tǒng)模型。

2.1 建立模塊

待系統(tǒng)仿真模型建立后，將蒸汽發(fā)生器與主回路的連接接管斷開，分別在主回路和蒸汽發(fā)生器的斷開處加上一個邊界（所加邊界等同于節(jié)點(diǎn)具有壓力、溫度、流量等函數(shù)值），將其分別作為一個獨(dú)立模塊。建成的蒸汽發(fā)生器模塊化模型如圖2所示。

2.2 模塊邊界賦值

啟動THEATRe軟件加載秦山一期冷卻劑系統(tǒng)環(huán)路仿真模型，待系統(tǒng)運(yùn)行各項參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定后，說明冷卻劑系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時對各邊界節(jié)點(diǎn)的壓力以及連接這些節(jié)點(diǎn)的“接管”流量并進(jìn)行記錄，以得到主回路和蒸汽發(fā)生器模塊化建模所需的邊界條件。

參照所繪制的節(jié)點(diǎn)圖2，具體需要監(jiān)測并記錄的數(shù)據(jù)主要有節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)39和節(jié)點(diǎn)8、節(jié)點(diǎn)45的壓力，可理解為它們分別為主回路和蒸汽發(fā)生器提供邊界壓力，接著監(jiān)測并記錄接管7、接管44和接管1、接管38的流量，分別將其作為主回路和蒸汽發(fā)生器的邊界流量。監(jiān)測并記錄的上述各節(jié)點(diǎn)的壓力和各接管的流量穩(wěn)定值如表2所示。

可認(rèn)為，具有邊界壓力和邊界流量等邊界條件，主回路和蒸汽發(fā)生器就可以穩(wěn)定運(yùn)行，成為獨(dú)立的模塊。

將各邊界節(jié)點(diǎn)壓力和對應(yīng)接管流量確定后，接下來就可對主回路和蒸汽發(fā)生器的邊界進(jìn)行賦值。采用進(jìn)口流量、出口壓力的方式，即將各個模塊的冷卻劑進(jìn)口邊界節(jié)點(diǎn)作為流量邊界，出口邊界節(jié)點(diǎn)作為壓力邊界。以節(jié)點(diǎn)圖2為參照，將61、63、66、68節(jié)點(diǎn)作為壓力邊界，62、64、65、67節(jié)點(diǎn)作為流量邊界。然后將上面記錄的對應(yīng)的邊界處節(jié)點(diǎn)壓力流量分別賦給這些壓力邊界和流量邊界，賦值是在s.theatre主程序文件中進(jìn)行，賦值過程如下表3所示。

對模塊進(jìn)行邊界賦值后，輸入卡也需要進(jìn)行相應(yīng)的修改，接著對蒸汽發(fā)生器驅(qū)動和系統(tǒng)流程等相關(guān)程序適當(dāng)修改并進(jìn)行編譯。編譯成功后，加載該程序，在界面上輸入需要監(jiān)測分析的參量，就可以觀測已經(jīng)加載的參量變化情況，并由此得知系統(tǒng)的實時運(yùn)行情況。

2.3 邊界數(shù)據(jù)交換

該文中不同模塊進(jìn)行耦合所采用的方式是邊界數(shù)據(jù)交換，但進(jìn)行數(shù)據(jù)動態(tài)交換是建立在各獨(dú)立模塊運(yùn)行穩(wěn)定的基礎(chǔ)上的，否則交換數(shù)據(jù)會劇烈波動而導(dǎo)致模塊耦合失敗。

該文中借助SimExec平臺，在邊界數(shù)據(jù)動態(tài)交換開始前調(diào)取系統(tǒng)模塊運(yùn)行穩(wěn)態(tài)工況，然后采用進(jìn)口流量、出口壓力的方式進(jìn)行模塊間邊界數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)交換過程表4所示。

按照該方案進(jìn)行邊界數(shù)據(jù)交換時，最初模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換能夠初步穩(wěn)定，隨后穩(wěn)壓器水位出現(xiàn)較大上升，一回路壓力也隨之上升，且主回路模塊中兩側(cè)環(huán)路壓力、流量等相差較大，出現(xiàn)兩側(cè)不對稱現(xiàn)象。針對該問題，按照進(jìn)口壓力、出口流量的邊界數(shù)據(jù)交換方式提出第二種方案，但不同模塊按照該方案進(jìn)行耦合時出現(xiàn)了與第一種方案同樣的問題，如此初步推斷可能是穩(wěn)壓器的影響導(dǎo)致回路中的壓力不斷上升。針對上面推斷原因，將穩(wěn)壓器作為系統(tǒng)的第四個區(qū)將其從主回路中拆開，暫時隔斷其通過波動管與主回路中冷卻劑的交換，以此消除穩(wěn)壓器對系統(tǒng)壓力的影響。經(jīng)過以上調(diào)整，仍采用進(jìn)口流量、出口壓力的方式進(jìn)行模塊間邊界數(shù)據(jù)交換，可觀測到系統(tǒng)剛開始進(jìn)行邊界數(shù)據(jù)交換時較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大波動，但經(jīng)過一段時間運(yùn)行后，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的壓力會一直出現(xiàn)小幅度的下降。針對第三種方案中存在的問題，推斷系統(tǒng)回路中壓力不能穩(wěn)定的部分原因是由于缺少穩(wěn)壓器的作用，為此提出第四種優(yōu)化方案，即通過引入穩(wěn)壓器對主回路中壓力和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時為了模擬穩(wěn)壓器的波動流入和流出，根據(jù)算定的一回路所有節(jié)點(diǎn)質(zhì)量變化量和主回路上充、下泄的冷卻劑流量計算出穩(wěn)壓器和主回路交換的冷卻劑流量。

經(jīng)過方案優(yōu)化后，蒸汽發(fā)生器模塊和主回路模塊可以通過平穩(wěn)的邊界數(shù)據(jù)交換進(jìn)行耦合，并能最終運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)。記錄幾項系統(tǒng)主要參數(shù)與模塊化之前的環(huán)路仿真模型進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在該種方案下模塊化前后參數(shù)相差不大。由此說明，第四種方案基本達(dá)到了本文進(jìn)行自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的模塊化仿真建模的目的，在實踐上是可行的。

2.4 邊界數(shù)據(jù)交換前后重要參數(shù)的比較

由上文可知，采用最終方案系統(tǒng)進(jìn)行模塊化前后運(yùn)行參數(shù)基本相等。表5是對一些重要參數(shù)的比較。

根據(jù)以上分析計算可知，采用第四種模塊化方案將模塊化后的蒸汽發(fā)生器與主回路模塊通過邊界交換進(jìn)行耦合后造成的最大誤差不超過1%，說明該種方案基本成熟。endprint

3 瞬態(tài)工況分析

該文采用的瞬態(tài)工況是將反應(yīng)堆核功率均勻提升到原功率的1.07倍（秦山一期的加強(qiáng)工況），然后通過觀察系統(tǒng)功率瞬態(tài)提升后幾項重要參數(shù)變化來比較環(huán)路模型和模塊化模型的瞬態(tài)反應(yīng)特性，以達(dá)到檢驗?zāi)K化方案在瞬態(tài)工況下的穩(wěn)定性。

圖3，圖4，圖5，圖6是系統(tǒng)功率瞬態(tài)提升后幾項重要參數(shù)發(fā)生變化的瞬態(tài)特性曲線。

由圖3，圖4，圖5，圖6圖線可看出，模塊化模型和環(huán)路模型特性曲線大致吻合，且隨反應(yīng)堆核功率瞬態(tài)提升后的變化情況也基本相同，進(jìn)一步證明了系統(tǒng)模塊化仿真模型具有較好的瞬態(tài)特性，能夠較好的反映核電站系統(tǒng)在瞬態(tài)工況下的響應(yīng)。通過瞬態(tài)提升功率，說明該文中的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器模塊化方案在瞬態(tài)工況下同樣有效。

4 結(jié)語

該文以秦山一期核電站冷卻劑系統(tǒng)為仿真對象，建立了核電站冷卻劑系統(tǒng)環(huán)路仿真模型。然后將兩臺蒸汽發(fā)生器分別從環(huán)路中拆出并進(jìn)行模塊化處理，最終通過方案優(yōu)化采用邊界數(shù)據(jù)動態(tài)交換的方法，將蒸汽發(fā)生器模塊與主回路模塊實現(xiàn)耦合，并驗證了模塊化方案在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下的可行性，從而達(dá)到了該文仿真研究的目的。

通過研究分析該文的仿真結(jié)果可以得知，對自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的一回路進(jìn)行模塊化的嘗試是可行的，結(jié)合蒸汽發(fā)生器已經(jīng)較為成熟的二回路模塊化仿真技術(shù)，自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器可以完全實現(xiàn)模塊化。

參考文獻(xiàn)

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[4] Modeling Techniques For THEATRe[M].GSE Power System，Inc.2005：21-22.

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[7] 郭海紅.蒸汽發(fā)生器工作過程動態(tài)仿真[D].哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007：29-30.

[8] 熊健，付龍舟.核蒸汽發(fā)生器建模及其仿真[J].核科學(xué)與工程，1989，9（1）：20-25.endprint

3 瞬態(tài)工況分析

該文采用的瞬態(tài)工況是將反應(yīng)堆核功率均勻提升到原功率的1.07倍（秦山一期的加強(qiáng)工況），然后通過觀察系統(tǒng)功率瞬態(tài)提升后幾項重要參數(shù)變化來比較環(huán)路模型和模塊化模型的瞬態(tài)反應(yīng)特性，以達(dá)到檢驗?zāi)K化方案在瞬態(tài)工況下的穩(wěn)定性。

圖3，圖4，圖5，圖6是系統(tǒng)功率瞬態(tài)提升后幾項重要參數(shù)發(fā)生變化的瞬態(tài)特性曲線。

由圖3，圖4，圖5，圖6圖線可看出，模塊化模型和環(huán)路模型特性曲線大致吻合，且隨反應(yīng)堆核功率瞬態(tài)提升后的變化情況也基本相同，進(jìn)一步證明了系統(tǒng)模塊化仿真模型具有較好的瞬態(tài)特性，能夠較好的反映核電站系統(tǒng)在瞬態(tài)工況下的響應(yīng)。通過瞬態(tài)提升功率，說明該文中的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器模塊化方案在瞬態(tài)工況下同樣有效。

4 結(jié)語

該文以秦山一期核電站冷卻劑系統(tǒng)為仿真對象，建立了核電站冷卻劑系統(tǒng)環(huán)路仿真模型。然后將兩臺蒸汽發(fā)生器分別從環(huán)路中拆出并進(jìn)行模塊化處理，最終通過方案優(yōu)化采用邊界數(shù)據(jù)動態(tài)交換的方法，將蒸汽發(fā)生器模塊與主回路模塊實現(xiàn)耦合，并驗證了模塊化方案在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下的可行性，從而達(dá)到了該文仿真研究的目的。

通過研究分析該文的仿真結(jié)果可以得知，對自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的一回路進(jìn)行模塊化的嘗試是可行的，結(jié)合蒸汽發(fā)生器已經(jīng)較為成熟的二回路模塊化仿真技術(shù)，自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器可以完全實現(xiàn)模塊化。

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[8] 熊健，付龍舟.核蒸汽發(fā)生器建模及其仿真[J].核科學(xué)與工程，1989，9（1）：20-25.endprint

3 瞬態(tài)工況分析

該文采用的瞬態(tài)工況是將反應(yīng)堆核功率均勻提升到原功率的1.07倍（秦山一期的加強(qiáng)工況），然后通過觀察系統(tǒng)功率瞬態(tài)提升后幾項重要參數(shù)變化來比較環(huán)路模型和模塊化模型的瞬態(tài)反應(yīng)特性，以達(dá)到檢驗?zāi)K化方案在瞬態(tài)工況下的穩(wěn)定性。

圖3，圖4，圖5，圖6是系統(tǒng)功率瞬態(tài)提升后幾項重要參數(shù)發(fā)生變化的瞬態(tài)特性曲線。

由圖3，圖4，圖5，圖6圖線可看出，模塊化模型和環(huán)路模型特性曲線大致吻合，且隨反應(yīng)堆核功率瞬態(tài)提升后的變化情況也基本相同，進(jìn)一步證明了系統(tǒng)模塊化仿真模型具有較好的瞬態(tài)特性，能夠較好的反映核電站系統(tǒng)在瞬態(tài)工況下的響應(yīng)。通過瞬態(tài)提升功率，說明該文中的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器模塊化方案在瞬態(tài)工況下同樣有效。

4 結(jié)語

該文以秦山一期核電站冷卻劑系統(tǒng)為仿真對象，建立了核電站冷卻劑系統(tǒng)環(huán)路仿真模型。然后將兩臺蒸汽發(fā)生器分別從環(huán)路中拆出并進(jìn)行模塊化處理，最終通過方案優(yōu)化采用邊界數(shù)據(jù)動態(tài)交換的方法，將蒸汽發(fā)生器模塊與主回路模塊實現(xiàn)耦合，并驗證了模塊化方案在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下的可行性，從而達(dá)到了該文仿真研究的目的。

通過研究分析該文的仿真結(jié)果可以得知，對自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的一回路進(jìn)行模塊化的嘗試是可行的，結(jié)合蒸汽發(fā)生器已經(jīng)較為成熟的二回路模塊化仿真技術(shù)，自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器可以完全實現(xiàn)模塊化。

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