周 華,陳 杰
(中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司,武漢 430223)
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。
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
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)。
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)。
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。
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]。
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。
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。
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。
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。