核動(dòng)力裝置動(dòng)力力學(xué)核動(dòng)力裝置

船舶核動(dòng)力裝置

MarineNuclearPowerPlantsMNPP-C07-L182/2/202328核動(dòng)力裝置動(dòng)力力學(xué)

8.1目的和方法8.2反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)8.3管道傳輸動(dòng)力學(xué)8.4蒸汽發(fā)生器的動(dòng)力學(xué)8.5穩(wěn)壓器動(dòng)力學(xué)8.6壓水堆核動(dòng)力裝置的動(dòng)態(tài)特性2/2/202338.1目的和方法8.1.1研究對(duì)象8.1.2研究裝置動(dòng)力學(xué)的目的研究動(dòng)力學(xué)的方法2/2/202348.1.1研究對(duì)象在核動(dòng)力裝置運(yùn)行過(guò)程中，各熱力設(shè)備所進(jìn)行的過(guò)程可以用兩類參數(shù)描述數(shù)量參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)。描述過(guò)程進(jìn)行的規(guī)律的參數(shù)叫作數(shù)量參數(shù)，例如流量、熱量、扭矩等。描述過(guò)程在什么水平上進(jìn)行的參數(shù)叫質(zhì)量參數(shù)，例如水位、壓力、溫度和轉(zhuǎn)速等。穩(wěn)態(tài)工況：裝置參數(shù)不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)稱為裝置的。動(dòng)態(tài)過(guò)程：任何一個(gè)處于平衡狀態(tài)的對(duì)象，如果由于干擾或操作破壞了平衡狀態(tài)，即開始了動(dòng)態(tài)過(guò)程，受某種影響又變成一個(gè)新的平衡狀態(tài)。壓水堆核動(dòng)力裝置動(dòng)力學(xué)所研究的對(duì)象，是在各種擾動(dòng)的情況下裝置參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，也就是裝置在過(guò)渡過(guò)程中系統(tǒng)和設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性。

2/2/202358.1.2研究裝置動(dòng)力學(xué)的目的為裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為裝置的調(diào)節(jié)、控制提供依據(jù)。對(duì)裝置動(dòng)力學(xué)的研究，有助于正確指導(dǎo)運(yùn)行。2/2/202368.1.3研究裝置動(dòng)力學(xué)的方法實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)學(xué)模擬2/2/20237實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)測(cè)定是在實(shí)際裝置上通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得裝置的動(dòng)態(tài)特性。在核動(dòng)力船舶的發(fā)展過(guò)程中，往往先建造陸上模式堆或核動(dòng)力實(shí)驗(yàn)船，從這些裝置中獲得必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這種在實(shí)際裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所獲得的第一手資料，比較客觀地反映了裝置的動(dòng)態(tài)特性，是研究裝置動(dòng)力學(xué)的重要原始資料。在陸上模式堆或?qū)嶒?yàn)船上只能進(jìn)行小擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于一些重大事故或極端事故就無(wú)法模擬。在實(shí)際裝置中很難排除各系統(tǒng)，設(shè)備之間的互相干擾和影響。也很難根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求隨時(shí)改變?cè)O(shè)備尺寸、結(jié)構(gòu)和參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往無(wú)法滿足理論分析的需要。也難以排除一些隨機(jī)因素的干擾。所有實(shí)驗(yàn)只能在裝置建成后進(jìn)行，不能及時(shí)為裝置設(shè)計(jì)提供依據(jù)。臺(tái)架模擬，又稱物理模擬，根據(jù)所要研究的課題，建成一比一或按相似理論縮小的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。2/2/20238數(shù)值模擬根據(jù)壓水堆核動(dòng)力裝置的物理和熱工過(guò)程的基本原理，建立一組描述裝置動(dòng)態(tài)特性的微分方程，這組方程稱為裝置的動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)裝置動(dòng)力學(xué)模型在給定的邊界條件下求解，找出各參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，以及各參數(shù)之間相互影響的關(guān)系，這種方法叫做數(shù)學(xué)模擬法。分布參數(shù)：用偏微分方程來(lái)描述，微分方程組往往又是非線性的，給分析求解帶來(lái)許多困難。需要進(jìn)行若干必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)，忽略對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程影響不大的次要因素，抓住動(dòng)態(tài)過(guò)程的主要矛盾。2/2/20239數(shù)學(xué)模型的求解方法建立了裝置的動(dòng)力學(xué)模型后，就可以根據(jù)確定的初始條件和邊界條件，對(duì)方程組進(jìn)行求解。常用的求解方法有三種，即解析法，數(shù)值解法和電模擬計(jì)算法。解析法應(yīng)用變量分離法，特征方程法等古典方法求解方程組，得到裝置參量與自變量時(shí)間T之間的解析表達(dá)式，從而得出在動(dòng)態(tài)過(guò)程中參量隨時(shí)間的變化規(guī)律，這種方法稱為解析法。解析法只適用于一些簡(jiǎn)單的設(shè)備或系統(tǒng)，在許多情況下，如果模型比較復(fù)雜，或動(dòng)態(tài)過(guò)程中擾動(dòng)量本身就是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間函數(shù)，則很難用解析法給出裝置的動(dòng)態(tài)特性。2/2/202310數(shù)值計(jì)算法在建立裝置動(dòng)力學(xué)模型后，把動(dòng)態(tài)過(guò)程開始后的時(shí)間劃分為若干微元(稱為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng))，只要這一時(shí)間間隔取得足夠小，由微分方程描述的動(dòng)態(tài)特性便可用差分方程或增量方程來(lái)描述，這樣就可以由動(dòng)態(tài)過(guò)程開始時(shí)起，逐步積分求得t時(shí)刻的有關(guān)參數(shù)的值。由于該方法計(jì)算工作量大，無(wú)法采用人工手算完成，通常都采用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)求解裝置動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。數(shù)值計(jì)算一般要經(jīng)過(guò)以下步驟：根據(jù)裝置特性，列出動(dòng)力學(xué)方程組，確定初始條件和邊界條件。擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，確定解題步驟。編制計(jì)算程序。上機(jī)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，繪制裝置動(dòng)態(tài)特性曲線，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。2/2/202311電模擬計(jì)算法利用電路網(wǎng)絡(luò)中的電物理量來(lái)模擬核動(dòng)力裝置中的參量，通過(guò)電路的適當(dāng)聯(lián)接，可以模擬核動(dòng)力裝置的動(dòng)態(tài)方程組，這種利用電子模擬計(jì)算機(jī)求解裝置動(dòng)態(tài)方程組的方法叫做電模擬計(jì)算法。用該方法解裝置動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，一般要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：建立動(dòng)力學(xué)模型，確定初始條件和邊界條件。選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間比例尺和幅值比例尺，把動(dòng)力學(xué)原始方程變換成適合機(jī)器計(jì)算的模擬方程，或叫機(jī)器方程。繪制排題圖。根據(jù)排題圖，在模擬機(jī)上聯(lián)接電路，進(jìn)行調(diào)試和計(jì)算，并記錄計(jì)算結(jié)果。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。2/2/2023128.2反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)

反應(yīng)堆中子動(dòng)力學(xué)方程在各種擾動(dòng)下反應(yīng)堆輸出功率隨時(shí)間的變化特性，而不是反應(yīng)堆內(nèi)部功率的空間分布情況。采用集中參數(shù)的反應(yīng)堆中子動(dòng)力學(xué)模型，或稱點(diǎn)堆中子動(dòng)力學(xué)方程2/2/2023138.2反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)

堆內(nèi)熱力系統(tǒng)的微分方程在建立反應(yīng)堆集中參數(shù)熱動(dòng)力學(xué)方程時(shí)，作如下假定：反應(yīng)堆內(nèi)的燃料溫度一致，堆內(nèi)的冷卻劑溫度也一致；冷卻劑的流量為常數(shù)；在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)材料和介質(zhì)的物性和傳熱系數(shù)保持恒定。燃料元件的熱平衡方程為反應(yīng)堆內(nèi)冷卻劑熱平衡方程為2/2/2023148.3管道傳輸動(dòng)力學(xué)

在主冷卻劑系統(tǒng)中，主冷卻劑經(jīng)管道由一個(gè)設(shè)備傳到另一個(gè)設(shè)備需要一定的傳輸時(shí)間。當(dāng)裝置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，如果管道散熱和壓降均很小，反應(yīng)堆出口熱工參數(shù)和蒸汽發(fā)生器入口熱工參數(shù)基本相同，蒸汽發(fā)生器出口冷卻劑的溫度和反應(yīng)堆入口冷卻劑溫度也基本相同。當(dāng)裝置動(dòng)態(tài)工況運(yùn)行時(shí)，主冷卻劑系統(tǒng)各部位的熱工參數(shù)隨時(shí)間變化，由于管道傳輸?shù)臏笞饔?，使管道前后的熱工參?shù)的變化存在一定的滯后過(guò)程。2/2/2023158.3管道傳輸動(dòng)力學(xué)

主冷卻劑系統(tǒng)冷管段和熱管段傳輸滯后方程泰勒級(jí)數(shù)展開2/2/2023168.4蒸汽發(fā)生器的動(dòng)力學(xué)

蒸汽發(fā)生器一回路側(cè)動(dòng)力學(xué)方程采用集中參數(shù)法推導(dǎo)蒸汽發(fā)生器的動(dòng)態(tài)方程。假設(shè)傳熱管束各處傳熱工況都相同?？捎脝我坏膫鳠嵯禂?shù)描述整個(gè)傳熱工況。蒸汽發(fā)生器一回路側(cè)主冷卻劑的熱平衡方程為：2/2/2023178.4蒸汽發(fā)生器的動(dòng)力學(xué)

蒸汽發(fā)生器二回路側(cè)動(dòng)力學(xué)方程蒸汽發(fā)生器二回路側(cè)的動(dòng)態(tài)特性由質(zhì)量守恒和能量守恒方程描述，為使模型簡(jiǎn)化，作如下假設(shè)：蒸汽發(fā)生器二次側(cè)爐水和蒸汽均處于飽和狀態(tài)，忽略預(yù)熱段過(guò)冷水的影響；蒸汽發(fā)生器具有良好的熱絕緣，忽略殼體對(duì)環(huán)境的散熱。2/2/2023188.4蒸汽發(fā)生器的動(dòng)力學(xué)

質(zhì)量守恒方程2/2/2023198.4蒸汽發(fā)生器的動(dòng)力學(xué)

能量守恒方程考慮到2/2/2023208.4蒸汽發(fā)生器的動(dòng)力學(xué)

液面以下蒸汽容積與壓力和蒸汽產(chǎn)量關(guān)系

2/2/2023218.4蒸汽發(fā)生器的動(dòng)力學(xué)

新蒸汽節(jié)流閥開度與負(fù)荷的關(guān)系二回路負(fù)荷與流經(jīng)節(jié)流閥的蒸汽流量之間近似成正比關(guān)系2/2/2023228.5穩(wěn)壓器動(dòng)力學(xué)基本假設(shè)和熱力系統(tǒng)模型在穩(wěn)壓器中存在著由汽水分界面分開的汽液兩相介質(zhì)，對(duì)于汽相和液相分別定義如下：在t時(shí)刻進(jìn)入穩(wěn)壓器的任何蒸汽都包括在汽相（G）內(nèi)；在t時(shí)刻進(jìn)入穩(wěn)壓器的任何液體，除了正在蒸汽空間降落的噴淋液滴外，都包括在液相（L）內(nèi)，液相（L）還包括波動(dòng)管內(nèi)某一數(shù)量的液體。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，汽相（G）和液相（L）中介質(zhì)的質(zhì)量隨時(shí)間連續(xù)變化。雖然液相（L）不包括t時(shí)刻正在降落的噴淋液滴，但包括在t時(shí)刻之前進(jìn)入水面的噴淋液滴。2/2/2023238.5穩(wěn)壓器動(dòng)力學(xué)穩(wěn)壓器中的質(zhì)量變化由波動(dòng)管進(jìn)入液相并于液相中原有介質(zhì)混合的波動(dòng)水質(zhì)量；由噴淋管進(jìn)入穩(wěn)壓器的噴淋水質(zhì)量；由卸壓閥流出穩(wěn)壓器的蒸汽質(zhì)量；在噴淋的液滴上冷凝的蒸汽質(zhì)量；在蒸汽空間穩(wěn)壓器壁面冷凝的蒸汽質(zhì)量；在汽水分界面上蒸發(fā)的水質(zhì)量；在汽水分界面上冷凝的蒸汽質(zhì)量；由安全閥流出穩(wěn)壓器的蒸汽質(zhì)量。2/2/2023248.5穩(wěn)壓器動(dòng)力學(xué)穩(wěn)壓器內(nèi)的傳熱過(guò)程自蒸汽向噴淋液滴的傳熱自蒸汽向壁面的傳熱在汽水分界面上的傳熱電加熱器向液相水的傳熱2/2/2023258.5穩(wěn)壓器動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化和假設(shè)在動(dòng)態(tài)過(guò)程開始時(shí)，穩(wěn)壓器處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，汽相和液相均處于飽和狀態(tài)；在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，穩(wěn)壓器內(nèi)介質(zhì)與穩(wěn)壓器壁面的熱量交換只發(fā)生在蒸汽空間，在液相中與壁面的熱量交換忽略不計(jì)。假定穩(wěn)壓器具有良好的熱絕緣層，不考慮殼體向環(huán)境的散熱；不考慮穩(wěn)壓器蒸汽空間內(nèi)存在的少量不凝性氣體對(duì)熱工過(guò)程的影響；噴淋液滴下降到汽水分界面時(shí)已經(jīng)達(dá)到飽和溫度。事實(shí)上，只要液滴直徑足夠小，蒸汽空間保持足夠的高度，這一假設(shè)符合實(shí)際過(guò)程。2/2/2023268.6壓水堆核動(dòng)力裝置的動(dòng)態(tài)特性壓水堆核動(dòng)力裝置的自穩(wěn)自調(diào)特性

壓水堆核動(dòng)力裝置由于反應(yīng)堆具有負(fù)的溫度系數(shù)，因此它具有良好的負(fù)荷跟蹤能力和抗反應(yīng)性干擾能力，即具有良好的自穩(wěn)自調(diào)特性。在船舶核動(dòng)力推進(jìn)中，人們選擇了壓水堆核動(dòng)力裝置。理論和實(shí)踐都證明了這種裝置具有良好的機(jī)動(dòng)性能和安全性能。2/2/202327壓水堆核動(dòng)力裝置的自穩(wěn)特性

壓水堆核動(dòng)力裝置對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)反應(yīng)性擾動(dòng)具有的自平衡能力，叫做壓水堆核動(dòng)力裝置的自穩(wěn)特性壓水堆的自穩(wěn)特性是由反應(yīng)堆的負(fù)燃料溫度系數(shù)和負(fù)慢化劑溫度系數(shù)提供的。反應(yīng)堆的燃料溫度系數(shù)和慢化劑溫度系數(shù)絕對(duì)值越大，裝置的自穩(wěn)特性越好。壓水堆核動(dòng)力裝置的自穩(wěn)特性，保證了反應(yīng)堆抗干擾能力，增加了反應(yīng)堆的安全程度。2/2/202328壓水堆核動(dòng)力裝置的自穩(wěn)特性壓水堆核動(dòng)力裝置在穩(wěn)態(tài)功率運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)來(lái)自反應(yīng)堆內(nèi)的反應(yīng)性擾動(dòng)例如：控制棒組的動(dòng)作、冷水事故等，引起反應(yīng)性的增加，反應(yīng)堆功率將隨之上升。在這種情況下，如果二回路負(fù)荷保持不變，反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于解列狀態(tài)，運(yùn)行人員也沒(méi)有進(jìn)行干預(yù)，那么反應(yīng)堆功率的增加使反應(yīng)堆和一回路主冷卻劑系統(tǒng)的熱平衡受到破壞，燃料元件的溫度和冷卻劑的溫度隨之上升。2/2/202329壓水堆核動(dòng)力裝置的自穩(wěn)特性2/2/202330壓水堆核動(dòng)力裝置的自調(diào)特性壓水堆核動(dòng)力裝置在穩(wěn)態(tài)功率運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)來(lái)自二回路負(fù)荷的擾動(dòng)，例如汽輪機(jī)負(fù)荷的突然階躍上升、下降、主汽門速關(guān)等，在這種情況下我們假定反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于解列狀態(tài)，運(yùn)行人員也沒(méi)有進(jìn)行干預(yù)，那么反應(yīng)堆功率與二回路負(fù)荷失去平衡先假定汽輪機(jī)負(fù)荷階躍上升的工況。此時(shí)汽輪機(jī)負(fù)荷大于反應(yīng)堆功率，冷卻劑平均溫度首先下降。由于反應(yīng)堆具有負(fù)的慢化劑溫度系數(shù)，在反應(yīng)堆內(nèi)引入一個(gè)正的反應(yīng)性，使反應(yīng)堆功率自動(dòng)跟隨二回路功率的上升而增加，直到達(dá)到新的平衡為止。2/2/202331壓水堆核動(dòng)力裝置的自調(diào)特性2/2/202332負(fù)荷變化時(shí)主冷卻劑系統(tǒng)的壓力響應(yīng)特性

負(fù)荷階躍下降時(shí)的壓力響應(yīng)特性當(dāng)裝置在穩(wěn)態(tài)功率運(yùn)行時(shí)負(fù)荷突然階躍下降，由于反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)的滯后，以及裝置本身傳熱過(guò)程的滯后，在一段時(shí)間內(nèi)二回路負(fù)荷小于反應(yīng)堆