基于RELAP5的船用核动力装置二回路数字模型

基于RELAP5的船用核动力装置二回路数字模型 第 31 卷 增刊(1) Vol. 31. S1 核 动 力 工 程 2 0 1 0 年 5 月 May. 2 0 1 0 Nuclear Power Engineering 文章编号,0258-0926(2010)S1-0114-05 基于 RELAP5 的船用核动力装置 二回路数字模型 王少武,彭敏俊,代守宝,成守宇,孙英杰 ,哈尔滨工程大学核科学与技术学院,哈尔滨,150001, 摘要,根据核动力装置二回路系统一种新的结构#设计#,结合 RELAP5/MOD3.4 程序,建立了二回路汽轮 机、冷凝器、给水泵及预热器等主要部件的物理模型。对二回路主要部件进行了单一部件模型适应性验证分析,并 探讨了系统分析程序的局部计算能力。结果表明,RELAP5/MOD3.4 程序模型的稳态计算结果与设计值基本吻合, 动态计算也能够满足二回路主要部件的计算精度要求。 关键词,二回路,汽轮机,冷凝器,RELAP5 程序 中图分类号,TL333 文献标识码,A 1 前言 在研究核动力装置运行特性,特别是一回路 的运行特性,时,往往将整个二回路的给水进口 和蒸汽出口都简单地模拟为时间相关控制体的边 界条件,该边界条件以给定的方程随时间变化。 这不能准确的反映二回路的负荷变化对反应堆冷 却剂系统的影响,故有必要建立二回路主要系统、 设备的分析模型。 在采用RELAP5程序完成了对整个冷却剂系 统的仿真后,本文以单缸双机方案为研究对象, 使用RELAP5程序对二回路系统的主要部件进行 图 1 二回路系统简图 了瞬态建模和负荷变化特性分析。Fig. 1 Sketch of Secondary Loop 1——蒸汽入口,2,3——汽轮发电机,4——减温减压装 2 二回路系统简介 置, 5——主汽轮机,6——螺旋桨,7——贮水箱,8——冷 凝 二回路系统主体部分由单缸汽轮机、冷凝器、器, 9——热阱,10——凝结水泵,11——补水阀,12— —过剩水排放阀,13,14——汽轮给水泵,15——电动给水泵,凝结水泵、汽动给水泵、预热器、减温减压装置、 16——废汽管,17——预热器,18——给水出口图,19—— 贮水箱以及阀门等组成,图 1,。蒸汽发生器产生 补水箱 的蒸汽通过隔离阀后,大部分进入汽轮机,推动 升压和预热器加热后再进入蒸汽发生器,产生的 螺旋桨旋转,部分供给汽动给水泵,必要时还利 蒸汽再供给耗汽设备,如此不断循环。 由于主汽用新蒸汽维持废气管压力恒定,部分进入汽轮发 轮机蒸汽流量的变化和系统反应不 电机发电,提供船用电能。船舶在出现紧急情况, 灵敏,在稳态工况和过渡工况下水量不一致,故耗汽设备不能正常运行时,蒸汽可通过阀门直接 设有均衡水柜,热阱,。热阱中的水靠补水系统补 排向大气。通过汽轮机做功后的排汽进入冷凝器 给,补水系统在船舶核动力装置处于某些紧急情 被冷凝为水 ,从热阱出 来的给水在 通过给水 泵 收稿日期,2009-12-04,修回日期,2010-03-11 [1] 1 况或故障时才投入使用。图 1 是简化了的二回 ,2, W = ?η dh = ?η ?? 路系统,两台汽轮机并联或独立运行,一台出现 dp式中,η 为常效率,p 为压力,Pa。故障时,系统仍能运转,这就大大提高了系统的 ρ 汽轮机输出功率与转矩的关系为, 可靠性。 ,3,P = τ ? 3 主要系统设备建模 为转矩,Nω?m , ω 为汽轮机旋转速度, 式中, τ 本文使用RELAP5/MOD3.4程序分别建立了rad/s。 以上模拟的汽轮机都连在同一根轴部件单缸汽轮机、冷凝器、汽动给水泵及预热器等主 上, 要部件的模型,并分析了其稳态和瞬态特性。因此,汽轮机和轴部件的转速、负荷以及转动惯 3.1 汽轮机量都相同,转动轴部件的旋转速度方程如下, 图2为汽轮机模型示意图,根据单缸汽轮机特dω [2]= τ ? fω + ,4, i i ? ?? 点,本文采用在系统仿真中具有广泛适用性的 dt i i i Iτ 2集总参数汽轮机模型。 ic 式中,I为部件 i 的转动惯量,kg?m, τ 为部件 i i i 的转矩,N?m, f为部件 i 的摩擦系数, τ 为从 i c 一个控制部件,包括传动轴及和传动轴相连的泵、 透平、电机部件,中所选定的转矩,N?m。 3.2 冷凝器 在 RELAP5 程序中,没有专门的冷凝器模型, 图 2 汽轮机模型 只有传热方面的基本模型和热构件输入卡。 Fig. 2 Turbine Model 基于此,本文根据冷凝器的结构特点,结合程序 注,图 2,5 进出口方框皆为时间相关控制体 编写的要求对冷凝器建模,图 3,。汽轮机排汽从 RELAP5 程序不能直接对多级组的汽轮机进 上至下在冷凝器内通过,循环冷却水在管侧水平 行模拟,必须对每一个级组进行参数设置,每一 流动,蒸汽被冷凝成水。根据冷凝器内流体流动 个 RELAP5 汽轮机模型仅代表一个汽轮机级组。 特性,结合程序建模特点,将冷凝器壳侧从上至 为了满足系统仿真的需要,系统整个汽轮机有 4 下分为 4 个单一控制体,而把所有的管束平均等 个级组,由 SCDAP/RELAP5/MOD3.4 程序 效分为 4 个管型控制体,每个单一控制体与管型 可知,其中第一个级组为程序所需要的人造透平 控制体相对应进行传热,每个管型控制体的管体 级。数据输入卡输入惯量和摩擦因子,但其值比 作为热构件进行热量的传递。 正常透平约小,人造透平级的效率为零。RELAP5 程序中有 3 种可供选择的汽轮机类型,其程序效 率计算公式也各不相同,分别为单级汽轮机、冲 动汽轮机和常效率汽轮机。本文使用冲动汽轮机 模型,它的各级效率相同,且与级平均半径、反 动度和流体速度等无关。 图 3 冷凝器模型 汽轮机稳态能量方程如式,1,所示。Fig. 3 Condenser Model 2 [ρvA(0.5v + h)] 1 3.3 汽动给水泵 2 ,1,= [ρvA(0.5v + h)] + (ρvA) 2 1 RELAP5 程序中没 有单 独的汽 动给 水泵模 3式中,ρ为平均密度,kg/m,v为流速,m/s,h 型,但有泵和汽轮机的独立模型,所以可以用程 W 2为焓值,J/kg,A为通流面积,m,W为连接级组 序中的 SHAFT 控制部件将泵和汽轮机连接起来 的轴的功率,W,下标1、2分别为汽轮机进出口。 ,图 4,。汽动给水泵由驱动汽机驱动,由 SHAFT 流体通过旋转叶片时,等熵过程中的实际做 控制部件把 TURBINE 水力部件与给水泵部件相 功为, 连形成一个整体,通过控制轴部件的参数来控制 核 动 力 工 程Vol. 31. S1. 2010 116 3为体积,m,x 为间隔坐标, θ 为体积热流 量, 3kJ/m。 4 程序计算 在满功率工况稳态运行时,流过汽轮机的蒸 汽质量流量为 38.1 kg/s,如图 6 所示。对于汽动 图 4 汽动给水泵模型 给水泵而言,从泵的进口到出口,压力升高。在 Fig. 4 Pump Model RELAP 程序数据卡的编写中,用控制变量给定一 个流量固定值,以转速为变量,在 0 至 1200 r/min 转矩和转数等参数。 的范围内,当比例积分值达到 0 时,即转速达到 在 RELAP 程序中,泵模型采用无量纲的内 425 r/min 时,泵的质量流量达到 86.2 kg/s,流量 嵌相似泵模型计算压头,从而确定流体流速和泵 符合二回路的给水流量。稳态过程中,进入冷凝 转速。泵压头计算如式,5,。力矩的计算见式,6,。器的饱和蒸汽在经过冷凝后变为水,与此相对应, ?P = ρ,5, m 海水侧的进出口温差达到了 10?。给水进入预热 H式中, ?P 为泵进出口压差,Pa, ρ为泵控制 m 器进行加热时,给水的温度升高,达到蒸汽发生 体 器所要求的温度,来自废汽管的加热蒸汽从预热 3混合物平均密度,kg/m, H 为泵总压头,m。 ?? m 器出来后,含汽率下降,被排入冷凝器。 ? τ = βτ ,6, R ρ ρR ? ? 为力矩,N?m, β 为内嵌无量纲相似曲式中, τ ? 线力矩,N?m, τ 为泵额定力矩,N?m, ρ为泵 R R 3额定密度,kg/m。 3.4 预热器 预热器使用来自废汽管的蒸汽加热给水,模 型如图 5 所示。壳侧为 PIPE 部件,给水侧为 ANNULUS 部件,蒸汽在壳侧由左至右水平流动, 给水在管道里由右至左流动,通过热构件进行传 图 6 汽轮机蒸汽量 热,使给水达到蒸汽发生器所要求的温度,加热 Fig. 6 Steam Mass Flow of Turbine 给水的蒸汽和水最终被排入冷凝器。 计算结果与设计数据的比较表 1 Comparison of Calculated Results Table 1 and Designed Data 设备参数计算值设计值误差/% -1 进汽量/kg?s38.1 38.1 0 入口压力/MPa3 3 0 汽轮机 出口压力/MPa0.016 0.015 6.78 图 5 预热器模型 入口温度/K560 560 0 Fig. 5 Heater Mode l 出口温度/K329.74 327.15 0.56 -1 进汽量/kg?s43.1 43.1 0 冷凝器和预热器都涉及到热构件的传热。传 入口压力/MPa0.016 0.015 6.78 热方程见式,7,,冷凝器 出口压力/MPa0.014 0.015 6.78 ?T 入口温度/K329.74 327.15 0.56 θ (T , x) (x, ????t 出口温度/K326 326.65 0.20 V t )dV 入口压力/MPa1 1 0 = k (T , x)?T (x, t )d s + S (x, 给水泵 ,7, ????? 出口压力/MPa3.7 3.7 0 S V t )dV2 入口温度/K326 326 0 式中,k 为导热系数,W/(m?K),s 为表面积,m, 预热器 出口温度/K342.5 345.15 0.77 S 为内热源,J,t 为时间,s,T 为温度,K,V 的前提下,改变汽轮机的进汽量,出口参数会有计算结果和设计值的比较如表 1 所示。由于 所改变。当汽轮机进汽量减少时,其功率降低, 各部件的进出口都是通过时间相关控制体规定边 界条件,所以有些计算参数和设计参数的误差很 因而出口蒸汽焓值升高,所以压力降低,程序事 小,有些部件的出口就是另外部件的入口,所以, 先已经规定了汽轮机模型的进出口边界,为了匹 配最后出口的工质要求,故而温度有所升高。 表中有的所列参数相同,误差最大的部件为冷凝 器。因为冷凝器的工作条件非常特殊,在真空压 对每个部件进行单独计算时,在任何功率状 力下工作,轻微的参数波动都会导致最后结果的 态下,冷凝器的功率基本相同。如果蒸汽有所损 波动,而且,冷凝器进出口的压力大小都会影响 失,可以通过控制系统调节循环水泵的流量。泵 的模型给定的是进出口压力,给水泵的扬程不变,其冷凝的效果,很难维持一定的压力。在调节泵 故进出口参数在变工况下没有变化。当给水流量的过程中,要不断的调节转速比例积分因子,以 变化时,为满足给水的温度要求,可通过预热器 达到泵所能提供的压头。模拟预热器时,给水管 的控制系统 调节进入预 热器的进汽 量,如图 9 道的流速和传热系数是关键因素,设置不合适是 所示。很难达到满足要求的加热效果。需要说明的是, 表 1 给出的是稳态的计算结果,不能说明所建模 型的动态过程。 进行瞬态计算过程中,使通过汽轮机的做功 在 100 s 和 200 s 时分别为稳态时的 75%和 50%, 进入汽轮机的蒸汽量相应的减少。图 7 和图 8 给 出了各个级组在对应蒸汽质量流量下的压力和温 度。从图,可见,第三级组的温度在不同蒸汽流 量下有所升高。这是因为在入口压力和温度不变 图 9 加热给水的蒸汽量 Fig. 9 Steam Mass Flow of Heater 结论5 建立了船用的单缸双机系统二回路模型,对 二回路主要部件如汽轮机、冷凝器、给水泵以及 预热器等进行了计算,结果表明, ,1,对于汽轮机模型,要注意进出口参数和 级组效率的设定。 图 7 汽轮机级组所对应的压力 ,2,泵的程序调试中,积分比例的上下限值, Fig. 7 Pressure of Each Turbine Stage 转速的范围以及初始速度与额定速度的比值参数 是模拟泵程序成功运行的关键因素。 ,3,RELAP5/MOD3.4 程序模型满足二回路 主要部件的计算精度,为整个二回路系统的进一 步模拟计算奠定了基础。 参考文献, [1] 庞凤阁, 彭敏俊. 船舶核动力装置[M]. 哈尔滨: 哈尔 滨工程大学出版社. 2003. [2] Allison C M, Hohorst J K. Role of RELAP/SCDA- PSIM in Nuclear Safety [C]. International Topical Meet- 图 8 汽轮机级组所对应的温度 ing on Safety of Nuclear Installations, Dubrovnik, Croa Fig. 8 Temperature of Each Turbine Stage tia, 2008. 核 动 力 工 程Vol. 31. S1. 2010 118 Numerical Model of Secondary Loop of Marine Nuclear Power Plant Based on RELAP5 Code WANG Shao-wu, PENG Min-jun, DAI Shou-bao, CHENG Shou-yu, SUN Yin-jie (College of Nuclear Science and Technology,H arbin Engineering University, Harbin, 150001, China) Abstract: This paper presents a new secondary loop of nuclear power plant system, including the main com- ponents of turbine, condenser, feed pump, and heater, based on RELAP5/MOD3.4 code. The research of the single component model adaptive authentication analysis and the local computing ability of the code have been studied. The results show that the steady-state calculation results of the RELAP5/MOD3.4 code are basically consistent with the design value, and the dynamic calculations can also meet the calculation accuracy requirement of the main components in secondary loop. Key words: Secondary loop, Turbine, Condenser, RELAP5 code 作者简介, 王少武,1984—,,男,硕士研究生。2007 年毕业于哈尔滨工程大学核能科学与工程专业,获学士学位。现主要从事核动 力装置运行与仿真研究。 彭敏俊,1968—,,男,教授,博士生导师。2000 年毕业于哈尔滨工程大学动力与核能工程学院轮机工程专业,获博士学 位。现主要从事核动力装置运行与仿真、热工水力方向的研究与教学。 代守宝,1982—,,男,博士研究生。2009 年毕业于哈尔滨工程大学核科学与技术学院核能科学与工程专业,获硕士学位。 现主要从事核动力装置运行与仿真研究。 ,责任编辑,黄可东, ,上接第 113 页, Key words: Confined spaces, Pooling boiling, Critical heat flux, Analytical model 作者简介: 文青龙,1979—,,男,助理研究员,在读博士研究生。2008年毕业于中国核动力研究设计院核能科学与工程专业, 获工学硕士学位。现主要从事反应堆热工水力和先进核能系统的研究。 陈 军,1971—,,男,副研究员。2006 年毕业于上海交通大学核能科学与工程专业,获工学博士学位。现主要从 事核电厂反应堆热工水力研究。 赵 华,1960—,,男,研究员。1990 毕业于中国核动力研究设计院核能科学与工程专业,获工学硕士学位。现主 要从事反应堆热工水力研究和工程管理工作。 ,责任编辑,刘 君,