仿真中心實(shí)習(xí)報(bào)告

PAGEPAGE11核動(dòng)力仿真中心實(shí)習(xí)報(bào)告2011年6月29日目錄TOC\o"1-3"\h\u19188一、系統(tǒng)仿真技術(shù)概述 3146371.1系統(tǒng)仿真技術(shù)概述 3264021.2系統(tǒng)仿真技術(shù)分類 319188二、核動(dòng)力裝置運(yùn)行方案 4146372.1冷卻劑平均溫度不變運(yùn)行方案 4264022.2反應(yīng)堆出口溫度不變運(yùn)行方案 4146372.3蒸汽壓力恒定運(yùn)行方案 5146372.4折中運(yùn)行方案 67077三、數(shù)據(jù)記錄表格 7146373.1額定工況時(shí)主要參數(shù)值 7264023.2變工況時(shí)主要參數(shù)值 87077四、仿真機(jī)運(yùn)行方案分析 87077五、核動(dòng)力仿真中心實(shí)習(xí)感受 11一、系統(tǒng)仿真技術(shù)概述1.1系統(tǒng)仿真技術(shù)概述以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)理論及其利用領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的或假想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門新興綜合技術(shù)。物理仿真1.2系統(tǒng)仿真技術(shù)分類物理仿真按照仿真實(shí)驗(yàn)中所取的時(shí)間標(biāo)尺(模型時(shí)間按照仿真實(shí)驗(yàn)中所取的時(shí)間標(biāo)尺(模型時(shí)間)與自然時(shí)間(原型)時(shí)間標(biāo)尺之間的比例關(guān)系按照參與仿真的模型的種類不同數(shù)學(xué)仿真物理-數(shù)學(xué)仿真(半物理仿真或半實(shí)物仿真)實(shí)時(shí)仿真超實(shí)時(shí)仿真欠實(shí)時(shí)仿真二、核動(dòng)力裝置運(yùn)行方案2.1冷卻劑平均溫度不變運(yùn)行方案這種運(yùn)行方案的特點(diǎn)是冷卻劑的平均溫度不隨裝置負(fù)荷變化。假設(shè)冷卻劑流量不變，反應(yīng)堆具有負(fù)溫度系數(shù)，核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)采用U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，則平均溫度恒定運(yùn)行方案下的靜態(tài)特性如圖（1）所示。TpPs 0255075100圖（1）裝置負(fù)荷%由圖中曲線可以看出，隨著裝置負(fù)荷的變化，一回路測冷卻劑在反應(yīng)堆出口和入口的溫度呈線性變化，二回路側(cè)的蒸汽溫度也近似呈線性規(guī)律變化。當(dāng)裝置負(fù)荷降低時(shí)，蒸汽溫度升高，因而蒸汽壓力也隨之升高。這種運(yùn)行方案的主要優(yōu)點(diǎn)是，反應(yīng)堆在沒有外部控制時(shí)，反應(yīng)堆冷卻劑能夠自己穩(wěn)定在某一平均溫度，并可自動(dòng)適應(yīng)功率的需要。例如，當(dāng)裝置負(fù)荷增加時(shí)，蒸汽發(fā)生器出口冷卻劑溫度（反應(yīng)堆入口溫度）降低，引起平均溫度降低，由于反應(yīng)堆具有負(fù)溫度系數(shù)，導(dǎo)致堆芯反應(yīng)性增加，反應(yīng)堆由臨界狀態(tài)暫時(shí)成為超臨界狀態(tài)，輸出功率增加，使反應(yīng)堆出口冷卻劑溫度（蒸汽發(fā)生器入口溫度）升高，反應(yīng)堆又回到臨界狀態(tài)，而冷卻劑平均溫度則恢復(fù)到原來數(shù)值。由此可見，假如不考慮燃耗和中毒的效應(yīng)，在正常運(yùn)行時(shí)可以不需要堆外控制系統(tǒng)，反應(yīng)堆只依靠負(fù)溫度系數(shù)就可以保持穩(wěn)定工作。該方案的另一優(yōu)點(diǎn)是壓力控制系統(tǒng)中的穩(wěn)壓器尺寸可以最小。由于運(yùn)行過程中保持恒定，一回路冷卻劑體積隨負(fù)荷的波動(dòng)最小，所以穩(wěn)壓器的體積可小一些。另外，該方案使裝置中熱應(yīng)力變化也變小，負(fù)荷響應(yīng)快，負(fù)荷波動(dòng)后恢復(fù)到整定值所需要的時(shí)間也較少。這種運(yùn)行方案的主要缺點(diǎn)是二回路側(cè)蒸汽參數(shù)隨輸出功率變化幅度很大，尤其是在低功率運(yùn)行時(shí)，蒸汽壓力較高，要求二回路蒸汽管道、閥門、汽輪機(jī)等設(shè)備的承壓能力較高。船舶核動(dòng)力裝置為滿足機(jī)動(dòng)性的要求，工況變化較為頻繁，功率變化幅度較大，低負(fù)荷下運(yùn)行的時(shí)間也較長，因此這種運(yùn)行方案的缺點(diǎn)顯得更加突出。2.2反應(yīng)堆出口溫度不變運(yùn)行方案這種運(yùn)行方案的特點(diǎn)是反應(yīng)堆出口冷卻劑溫度不隨裝置負(fù)荷變化。在與恒定運(yùn)行方案相同的假設(shè)條件下，核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)在恒定時(shí)的靜態(tài)特性如圖（2）所示。Tp Ps0255075100圖（2）裝置負(fù)荷%由圖中曲線可以看出，隨著裝置負(fù)荷的變化，、呈線性變化，也近似呈線性規(guī)律變化。隨著裝置負(fù)荷的降低，蒸汽壓力和溫度相應(yīng)升高。如果設(shè)計(jì)工況下的平均溫度與恒定運(yùn)行方案相同，則在此運(yùn)行方案下可使部分負(fù)荷時(shí)冷卻劑的平均溫度提高，二回路側(cè)蒸汽參數(shù)隨負(fù)荷降低而增高，二回路側(cè)蒸汽參數(shù)隨負(fù)荷降低而增高得更快。核動(dòng)力裝置采用這種運(yùn)行方案，在整個(gè)穩(wěn)定功率運(yùn)行范圍內(nèi)反應(yīng)堆出口溫度都保持在某一固定的最大值，不會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)堆出口溫度超溫的情況，可以很好地滿足反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的熱工安全準(zhǔn)則，同時(shí)對材料強(qiáng)度也是有利的。但是，由于變化較大要求穩(wěn)壓器尺寸也較大，而且反應(yīng)堆必須設(shè)置一個(gè)外部控制系統(tǒng)，以滿足功率水平改變的需要。這種運(yùn)行方案的突出問題是二回路側(cè)蒸汽參數(shù)隨裝置負(fù)荷的降低升高很快，對二回路蒸汽系統(tǒng)和用氣設(shè)備的設(shè)計(jì)、運(yùn)行要求顯著提高。2.3蒸汽壓力恒定運(yùn)行方案上述運(yùn)行方案的共同特點(diǎn)是二回路側(cè)蒸汽壓力隨裝置負(fù)荷的改變有較大的變化，這對二回路系統(tǒng)和用氣設(shè)備的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理都帶來一定的困難，因此提出了蒸汽壓力不隨負(fù)荷變化的方案，其靜態(tài)特性如圖（3）所示。TpPs 0255075 100圖（3）裝置負(fù)荷%由圖中曲線可以看到，隨著裝置負(fù)荷的降低，反應(yīng)堆進(jìn)、出口溫度以及冷卻劑平均溫度也相應(yīng)降低。由于二次側(cè)蒸汽參數(shù)不變，給二回路系統(tǒng)和主要用氣設(shè)備的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理帶來許多方便。例如，可以不用蒸汽自動(dòng)調(diào)壓閥來穩(wěn)定二回路蒸汽壓力，或不需要使用特殊要求的汽輪機(jī)；由于給水泵的揚(yáng)程基本不隨裝置負(fù)荷變化，在不同工況下給水泵葉輪進(jìn)出口的壓差基本不變，大大改善了給水泵的運(yùn)行特性，不需要特殊設(shè)計(jì)。但是，在整個(gè)穩(wěn)定功率運(yùn)行范圍內(nèi)的變化很大，由于溫度效應(yīng)而引起的堆芯反應(yīng)性擾動(dòng)也較大，一方面要求穩(wěn)壓器具有更大的容積補(bǔ)償能力，重量尺寸增大；另一方面也要求反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)頻繁移動(dòng)控制棒以補(bǔ)償堆芯反應(yīng)性的變化，給一回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行帶來一定的困難。2.4折中運(yùn)行方案圖（4）所示為冷卻劑平均溫度、冷卻劑流量按程序變化的一種折中運(yùn)行方案。TpPs0255075100圖（4）裝置負(fù)荷%如圖所示，裝置負(fù)荷在50%FP時(shí)，冷卻劑流量降低為額定流量的1/2或1/3，隨裝置負(fù)荷的而減小而線性降低，使得二次側(cè)蒸汽壓力和溫度升高的幅度顯著減小。這種運(yùn)行方案的提出，是因?yàn)榍懊嫠鰩追N基本運(yùn)行方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都過于突出，有的方案對一回路有利，給二回路的設(shè)計(jì)、運(yùn)行帶來較大困難，有的方案則正好相反，主要限制因素是反應(yīng)堆出口溫度、冷卻劑平均溫度及二回路側(cè)蒸汽壓力變化范圍不應(yīng)太大。圖（4）所示的這種方案實(shí)際上是將設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理的困難由一、二回路共同承擔(dān)，對于一、二回路都較為有利，但是增加了控制環(huán)節(jié)，增大了系統(tǒng)的復(fù)雜性。三、數(shù)據(jù)記錄表格3.1額定工況時(shí)主要參數(shù)值參數(shù)名數(shù)值參數(shù)名數(shù)值反應(yīng)堆功率907.93MW電站電功率302.20反應(yīng)堆入口溫度283.5反應(yīng)堆出口溫度306.80冷卻劑平均溫度295.15冷卻劑流量左：3611.2Kg右：3613.5Kg一回路系統(tǒng)壓力15.221MPa穩(wěn)壓器溫度356.55穩(wěn)壓器水位5.460蒸汽發(fā)生器水位10.479m主蒸汽壓力（SG出口）5.859MPa主蒸汽流量241.710Kg/s主給水溫度212.56主給水流量244.40Kg/s反應(yīng)堆出口過冷度49.75下泄流量2.93Kg/s離子交換器入口溫度40.74上充流量2.166Kg/s冷凝器溫度35.31冷凝器壓力5.42KPa3.2變工況時(shí)主要參數(shù)值電功率 參數(shù)300MW270MW240MW210MW冷卻劑平均溫度295.15295.10294.03292.17反應(yīng)堆出口溫度306.80305.92303.83300.66反應(yīng)堆入口溫度283.52284.40284.32283.57蒸汽壓力5.859MPa5.937MPa5.994MPa6.005MPa四、仿真機(jī)運(yùn)行方案分析表1列舉了該壓水堆100%功率運(yùn)行時(shí)的部分參數(shù)。由表1可知，滿功率運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)堆功率為907.89MW，而電站電功率為303.22MW，熱效率大約為30%。兩個(gè)環(huán)路的總蒸汽產(chǎn)量為486.939kg/s，而主冷卻劑總流量為7225.3kg/s。下泄流量為2.93kg/s，而上充流量為2.166kg/s，略小于下泄流量，差額應(yīng)為主泵軸封水流量。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的新蒸汽壓力約為5.8MPa。表2記錄了降功率過程的一些運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)表2繪圖如下。由以上兩圖可以看出，該運(yùn)行方案降功率過程中，主冷卻劑溫度降低，新蒸汽壓力升高，但反應(yīng)堆冷卻劑入口溫度不變，可見是一種反應(yīng)堆冷卻劑入口溫度不變的折中方運(yùn)行方案。采用冷卻劑平均溫度不變的運(yùn)行方案時(shí)，反應(yīng)堆可自動(dòng)適應(yīng)功率的調(diào)節(jié)，不需要外界引入過多的負(fù)反應(yīng)性。此外，穩(wěn)壓器的的體積波動(dòng)較小，穩(wěn)壓器的尺寸可以適當(dāng)減小。但是，二回路側(cè)蒸汽參數(shù)隨功率變化幅度很大，尤其是低功率運(yùn)行時(shí)，蒸汽壓力較高，對設(shè)備的承壓能力要求較高。采用二回路新蒸汽壓力不變的運(yùn)行方案時(shí)，二回路的壓力控制系統(tǒng)可以大大簡化，但是一回路的冷卻劑平均溫度會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，由溫度變化引起的負(fù)反饋效應(yīng)較大，堆芯反應(yīng)性擾動(dòng)較大，不利于反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行。由于以上兩種方案都有明顯的不足之處，在反應(yīng)堆實(shí)際運(yùn)行過程中，并不直接采用以上兩種方案，而是采用折中運(yùn)行方案。目前壓水堆使用的一種折中方案是選擇反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度和二回路新蒸汽壓力參數(shù)作適當(dāng)變化，反應(yīng)堆冷卻劑入口溫度不變的方案。下面分析采用反應(yīng)堆冷卻劑入口溫度不變的折中運(yùn)行方案時(shí)反應(yīng)堆的靜態(tài)變化趨勢。蒸汽發(fā)生器的傳熱方程為：①對于蒸汽發(fā)生器一回路冷卻劑：②式中，——蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)之間的平均傳熱溫差，℃；——蒸汽發(fā)生器換熱面積，m2；——傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；——二回路側(cè)飽和蒸汽溫度，℃;——主冷卻劑質(zhì)量流量，kg/s;——主冷卻劑比熱容，J/(kg·℃)——反應(yīng)堆冷卻劑出口溫度，℃；——反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)口溫度，℃；由傳熱方程①我們知道，降功率過程中，減小，而不變，因此應(yīng)設(shè)法減小和。實(shí)際降功率運(yùn)行時(shí)，主機(jī)閥門開度減小，短時(shí)間內(nèi)蒸汽產(chǎn)量不變，因而蒸汽壓力會(huì)有所升高；另一方面，對于一回路，穩(wěn)定時(shí)其傳熱負(fù)荷也相應(yīng)降低，對于方程②，變化不大，主冷卻劑質(zhì)量流量和反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)出口溫差會(huì)減小。因此，在反應(yīng)堆進(jìn)口溫度不變的情況下，冷卻劑出口溫度和平均溫度都會(huì)有所降低。這正好符合運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化趨勢，即降功率過程中，反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度下降，蒸汽壓力上升。五、核動(dòng)力仿真中心實(shí)習(xí)感受我們學(xué)習(xí)了