核电厂全厂失电状态下主泵轴封应急供水仿真模拟验证

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 核电厂全厂失电状态下主泵轴封应 急供水仿真模拟验证 【摘 要】主泵轴封应急供水的 仿真目的是解决核电厂特殊工况下的培 训功能的技术研究。主泵轴封应急供水 的功能是在全厂失电、主泵轴封失去供 水的特殊情况下，给主泵提供持续的应 急轴封注入，以防止反应堆冷却剂通过 主泵轴密封泄漏，避免发生 LOCA。本 文基于现有 310MW 核电机组的电厂模 拟机状态，详细介绍了反应堆主冷却剂 泵轴封应急供水的模型仿真过程和运行 验证。实现的方法过程包括通过图形化 建模平台先模拟出新增管W 的模型； 对原有模拟机模型程序进行分析，解决 原有模拟机不同平台下的不可压缩流体 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 网络矩阵的耦合运算；增加设备操作的 人机交互模型；对新增模型里的设备增 加盘台界面操作开关按钮画面，对新增 模型里的管网增加管网流程图画面；在 全厂失电条件下，通过盘台启动主泵轴 封应急供水系统，监视新增管网流程图 的运行状态等；对更新后的模拟机模型 进行运行验证，验证结果表明，主泵轴 封应急供水方案实现了在全厂失电条件 下，主泵轴封能通过应急供水管网得到 有效的冷却，有效的避免了由于主泵轴 密封处泄漏而发生 LOCA。本项模型升 级工作，切实满足了核电厂模拟机培训 中对于特殊工况下的培训功能，对流网 问题和优化流网模型的算法提供了有效 的解决途径。 中国论文网 /8/view-12933185.htm 【关键词】全厂失电；轴封；供 水；仿真 中图分类号： TM623.4 文献标 识码： A 文章编号： 2095- 2457（2018）03-0001-005 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 Simulation for Emergency Feed water of Reactor Coolant Pump Shaft Seal at Station Black Out HUANG Qiu-lan1 WANG Xue- feng1 XIE Zheng-quan1 LIU Quan-you2 （1.China Nuclear Power Operation Technology Corporation， Wuhan， 430223， China；2.CNNP Nuclear Power Operations Management Corporation， Haiyan， 314300，China） 【Abstract】The simulation purpose for emergency feed water of reactor coolant pump shaft seal is in order to solve technical research for the training function of special condition exercise. The function of reactor coolant pump shaft seal emergency feed water system is to provide emergency continuously injected to the reactor coolant pump shaft seal to prevent the reactor coolant leak through the shaft -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 seal ， in the special case of station black out and reactor coolant pump shaft seal lost water supply， avoid the occurrence of LOCA. Based on the present state of simulator in Qinshan nuclear power plant， the model simulation process and operation verification of the reactor coolant pump shaft seal emergency feed water system are introduced in detail in this article. The process of implementation methods including through a graphical modeling platform to simulate the new network model， simulation model of the original simulator procedures for analysis， to solve the incompressible net matrix docking calculation in different platform in original simulator， to create the human interaction model of components operation， add the interface panel graphics of switches， buttons and light for the new modeling components， and increase the new flow chart of the pipe -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 network in the flow diagrams， under the condition of station black out， the reactor coolant pump shaft seal emergency feed water system is started through the panel， and the operation state of the new pipe network flow chart is monitored， and the updated simulator model is verified by running。The verification results show that the emergency feed water program achieve emergency water supply for reactor coolant pump shaft seal at the condition of station black out in the plant， the shaft seal can be effectively cooled， effectively solves the reactor coolant pump shaft seal leak and the occurrence of LOCA. The upgrading of this model effectively meets the needs for improving the training function of special condition exercises during the training of nuclear power plant simulator， and provides an effective way to solve flow net problem and optimize the net model -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 algorithm. 【Key words】Station Black Out； Shaft Seal； Feed Water； Simulation 0 前言 随着核电事业的快速发展，核电 运行仿真在核电领域发挥着越来越重要 的作用。从有效提高运行核电安全的角 度，核电仿真技术在核电安全分析、安 全评价、事故缓解措施分析、操纵员培 训等方面，提供了坚实的技术保障。 目前，我国在运行的核电站基本 上是压水堆型，属于第二代核电技术堆 型或者是其改进堆型。主泵是反应堆冷 却剂系统中唯一的回转机械设备。轴封 泵的轴封处于旋转的泵轴和固定的外壳 之间，是一种运动中的密封装置，用以 限制高温高压带放射性的冷却剂的泄漏。 在全厂失电工况下，通过主泵轴封应急 供水系统对轴封进行冷却，防止发生 LOCA 事故。 因而对于主冷却剂泵为轴封泵的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 核电机组，从安全的角度增加全厂失电 工况下，主泵轴封应急供水功能是很有 必要的，在核电培训模拟机上模拟出功 能效果即可以直观的呈现出这种应急措 施的有效性。这种增加仿真模拟功能的 工作一方面需要对原有模拟机的状态有 较深的认识，对新增加的功能非常熟悉， 另一方面需要有强大的模拟机软件算法 理论知识背景，能够对模拟机各个模块 的每一个结构，每一块算法都能全面掌 握并合理运用，才能做好新功能和原模 拟机的正确结合。本文就以在原模拟机 上增加主泵轴封应急供水的模拟功能为 例详细说明了模拟机功能升级改造的具 体流程，运行结果验证，以及在方式方 法上对各类模拟机解决流网问题，优化 流网算法等的实践性意义。 1 选题的背景和意义 1.1 背景 为汲取日本福岛核事故的经验教 训，从安全角度规避全厂失电带来的风 险，进一步提高运行核电厂安全水平的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 措施，通过演习培训不断完善核应急能 力，综合考虑核电厂在全厂失电 （Station Black Out 以下简称 SBO）工 况下，核电设备需要具备防止反应堆冷 却剂泵发生轴封小破口事故的应对措施 和保持必要的事故后监测能力，模拟机 需要跟随实际机组进行相应的功能升级。 2015 年 320MW 机组模拟机进行升级， 要在原有模拟机上增加核电厂全厂失电 状态下主泵轴封应急供水仿真模拟功能。 1.2 意义 轴封系统是主泵重要的辅助系统， 担负着对主泵进行密封防止高温高压有 放射性冷却剂泄漏的重任，同时为主泵 轴封提供必要的轴封水。主泵轴封系统 的正常运行是主泵运行的必要条件，与 主泵的安全、可靠运行密切相关。在运 行中要严密监视轴封系统的参数，一旦 出现异常，需要按照相应的事故处理规 程和程序进行操作。在核电厂全厂失电 状态下通过应急供水方式可以防止轴封 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 损坏造成放射性冷却剂的泄露。 通过对模拟机的升级改造，增加 核电厂全厂失电状态下主泵轴封应急供 水仿真模拟功能。核电操纵员通过模拟 机可以对该钐 下的相应操作进行模 拟，对提高核应急反应能力具有重要的 意义。 2 研究的主要问题 本文研究的主要问题是如何在原 有模拟机上增加核电厂全厂失电状态下 主泵轴封应急供水功能，并进行模拟验 证。 2.1 主要研究问题 在开发过程中，主要研究对象包 含以下三点： （1）流体系统建模的主要原理 以及组成。主要包括流体建模相关方程、 流体网络的主要组成和模型程序结构等 内容； （2）主泵轴封应急供水建模。 主要包括流体网络模型的改造和系统运 行等内容； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 （3）模拟验证。主要包括系统 运行工况和验证结果分析等内容。 2.2 技术指标 根据实际机组增设主泵轴封应急 供水功能的设计，模拟机需消除与参考 机组的差异，保持与参考机组的一致性， 进一步提升模拟机的性能，保障操纵员 对模拟机培训功能的特定需求，新增的 主泵轴封应急供水模型的主要技术指标 体现在如下四个方面： （1）主泵轴封应急供水模型软 件的模型仿真精度与模拟机原模型软件 的整体水平保持一致。 （2）对增加的系统功能模块的 物理过程进行模拟，模型输出信号的数 值及物理趋势与主控室的改造设计一致。 （3）模拟机教控盘台上增加的 盘装设备整体布置，操作响应与主控室 盘台的改造设计一致。 （4）模拟机操作盘台上增加的 盘装设备的外观及操控性能与主控室的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 改造设计一致。 2.3 技术创新与攻关 目前国内核电厂已投入使用或正 在开发的全范围模拟机及类似全范围模 拟机类的产品，其工艺系统管网模型均 需要基于同一个模型开发平台，不同系 统的流网需要同一套流网子程序才能实 现有效的联调集成运算。本次模拟主泵 轴封应急供水的方法是采用 RINSIM 平 台对增加的管网进行建模，然后通过分 析拆解原有模拟机的流网运算，将 RINSIM 平台生成的模型与原有模拟机 的流网模型进行关键参数对应连接，首 次实现了不同平台下不可压缩流体网络 矩阵的耦合运算，这一创新的方法突破 了模型流网异网不能精确交互的技术瓶 颈，为今后实现模拟机不同平台下开发 的流网模型进行集成运算提供行之有效 的技术保障。 3 研究方法及技术方案 针对研究的三个主要问题，下面 分三节分别论述研究的方法和技术实施 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 方案 3.1 流体系统建模的主要原理以 及组成 3.1.1 流体系统建模遵循的主要 方程以及计算的主要变量 流体系统建模遵循动量平衡、质 量平衡以及能量守恒三大定律，对于气 相以及液相均独立计算动量、质量以及 能量方程。 流体系统主要计算压力、流量、 焓、温度、热传递、气相浓度、沸腾和 凝结率、浓度、反应性、电导率、可溶 化学浓度等重要参数，对于轴封应急供 水模型，主要关注的物理量为流量和压 力。 3.1.2 模型的程序结构 模型的程序结构，如图 1 所示， MST（主计算机同步任务管理，控制主 计算机实时系统执行）处于程序结构的 顶端，驱动 RTEXEC（实时执行，由 MST 驱动，用于模拟机模型间的集成 执行）以及 IEXEC（内部执行，用于实 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 时多模型共同测试） ，均处于系统分析 层（服务器层） 。工程师层有控制模块， 控制模块控制各程序段，各程序段控制 模型内各组件，组件由某些特定编码的 子程序构成。 3.1.3 流体网络的 主要组成 流体网络主要是由节点（node） 、 连接（link） 、压力边界（pressure boundary） 、流体边界（ flow boundary） 、 热边界（heat boundary）和设备（泵、 风机、阀门、热交换器）等组成。下面 简要介绍节点以及流体通道的类型。 （1）节点（node ） 节点主要为常规型与汽轮机型， 主泵轴封应急供水主要应用常规型。 （2）连接（link） 连接有 3 种为质量流量连接，和 简单连接两种。其中质量流量连接用于 连接节点之间，简单连接用于连接各种 测量仪表，如压力变送器，温度变送器 等。主泵轴封应急供水流体网络在设计 上运用了以上两种连接。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 （3）边界（boundary） 边界有两种，分别为压力边界、 流量边界。主泵轴封应急供水流体网络 运用了压力边界与流量，与原有电厂模 型矩阵通过手动赋值方式进行连接。 3.1.4 流体网络 蒸汽、给水系统的模型建立在质 量、能量和动量守恒的基础上，无论是 蒸汽系统还是给水系统， 实际上都是 复杂的流体网络。考虑流体的压力、流 量与焓、温度特性的差异， 在模型中 将流体网络分成两个通道分别进行计算。 现需要进行仿真模拟的主泵轴封应急供 水为单相不可压流体网络，单相不可压 流体网络数值用如下方法进行求解。 泵的转速与出口压力是根据泵特 性曲线进行仿真 式中，P 为泵的出口压力， N 为 泵的归一化转速， F 为通过泵的流量， a0，a1，a2 由泵的特性曲线确定的常数， 通常用最小二乘法来计算。通过管道 阀门的流量进行线性化处理后可写成： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 式中， V 为管道上的有效阀位， Ka 为导纳， P 为节点压力，下标 1 为上一次的计算值。对于网络中的每一 个压力点， 应用质量守恒方程： 对于 m 个压力点，n 条流道，形 成一个 mn 矩阵， 式中，A 为系数矩阵， X为未 知量由 P、F 构成的矩阵， C为已知值 的源项阵。逆止阀在模型中也作了考虑， 凡通过逆止阀的流体具有单向性。 为了流网系统运行的实时性， 采用快速稀疏阵求解；另外采用了图形 化建模使系统模型设计变得快捷，调试 变得直观。 3.2 主泵轴封应急供水建模 3.2.1 主泵轴封应急供水介绍 反应堆冷却剂泵（主泵）是核电 厂的重要设备之一，320MW 机组反应 堆冷却剂泵选用的是轴封泵，设有主泵 轴封水注入系统，并由设备冷却水为泵 机组提供冷却，以保证主泵正常运行。 全厂失电（SBO）工况下，担任轴封注 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 水功能的上充泵，担任冷源动力的设备 冷却水泵都因失而停止运行，此时主 泵停泵，并在 3 分钟左右完全停止惰转。 主泵直接与高温高压的反应堆冷却剂接 触，在同时丧失轴封水和设备冷却水的 情况下，主泵的轴密封将在 15 分钟后 由于高温损坏，反应堆冷却剂从轴封损 坏处泄漏，形成 LOCA。为了防止 SBO 之后冷却剂通过主泵轴封泄漏，需要为 主泵提供持续的轴封注入水，避免发生 LOCA。为了保证在 SBO 之后持续提供 轴封注水，需要对上充系统进行改进， 增设备用的柴油机往复上充泵及相关管 道、阀门。改进之后，备用泵能在 SBO 之后的规定时间内及时启动，从换料水 箱吸水，提供持续的注水来冷却主泵轴 密封。轴封注水一部分通过泵壳进入主 系统，一部分通过控制泄漏流管线排放 到硼回收系统的暂存箱储存。对主泵轴 封应急供水功能的模拟机主要包括去除 原有往复式上冲泵机组 B 列的设备及管 线的模型；模拟增加的 1 台电动轴封注 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 水泵机组，1 台小型发电机，1 台电动 阀，2 台逆止阀，2 条相关系统管线，2 个压力仪表、1 个流量仪表，相关电气、 控制系统部分。 3.2.2 流网模型改造 主泵轴封应急供水管网从换料水 箱出口接入，换料水箱的水经过泵，阀 门等一系列设备后注入轴封注水母管。 增加的管网采用 RINSIM 平台进行建模， 管网的入口与出口采用接口边界处理， 设备之间用节点隔开，在模型中设置各 条管线的流导，泵的曲线，阀门状态， 两边边界的参数状态，完成单调。 从换料水箱来的流网边界与轴封 注水母管的流网边界将与模拟机原有流 网矩阵进行耦合。原有模拟机流网矩阵 换料水箱处的压力传递给增加的 RINSIM 流网边界，注水母管处的 RINSIM 流网边界将流量传递给原有模 拟机的流网矩阵。根据对于 m 个压力点， n 条流道，形成一个 mn 矩阵， 在被接入的流网中，m 个压力点 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 对应化学与容积控制系统模型里的 20 个压力节点，n 条流道对应化学与容积 控制系统模型里的 60 条流道，从源项 阵可以看到，当流道数量位于第 60 条 后，开始节点计算。 根据节点与流道的源项阵计算， 从程序中找到增加的接入管网的接入节 点，将接入节点的源项进行修改。对于 原有模拟机换料水箱边界处进行质量平 衡计算。增加的管网在 RINSIM 平台里 生成模型程序，将原有模拟机流网流出 流进接口节点的压力，焓值，硼浓度及 电解质浓度传递给 RINSIM 平台里生成 的模型。 增加和修改的模型程序处于模拟 机的工程师层，完成流网模型程序的增 加和修改以后，在模拟机的装载文件中 写入增加的模块，装载文件属于系统分 析层的配置文件，模块写入配置文件是 装载调试的必要条件。导出变量以及变 量的初始条件，将导出的变量加入到原 有模拟机的数据库中。在盘台上增设人 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 19 机操作接口，包括 SBO 工况下应急柴 油发电机组的启停按钮，轴封应急注水 泵的启停按钮，以及轴封应急注水泵入 口电动隔离阀的开关带灯按钮，这些操 作接口能使整个增加的模块与原有模拟 机的模型一起带载运行和操作，在教控 台就地图中，增加轴封应急给水管网流 程画面。 3.2.3 系统运行 正常运行时，上充流量的一部分， 作为主泵的轴密封水，经轴封过滤器滤 掉2m 的固体颗粒后，经安全壳隔离阀 V02-039/V02-040 进入主泵轴封水系统。 轴封过滤器由并列的两台组成，一台运 行，一台备用，轴封注入水流量通过上 充流量分配阀 V02-238 调节。 在盘台上手动启动 SBO 柴油发电机组 S02-100，启动 SBO 柴油发电机组后， 盘台上轴封注水泵入口电动隔离阀 V02-902，SBO 轴封注水泵 S02-13 得电。 开启 V02-902，启动 S02-13。 SBO 轴封应急水泵达到额定转速 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 20 后，开始对轴封提供持续供水。 3.3 模型测试结果 正常运行工况时轴封注入水总流 量为 4t/h， 通过上充流量分配阀 V02- 238 进行调节， 当全厂失电之后，轴封 应急供水泵能在规定时间内及时启动， 从换料水箱吸水，提供持续的注水，压 头 16.65MPa，流量 4t/h， 冷却主泵轴 密封。轴封注水一部分通过泵壳进入主 系统，一部分通过控制泄漏流管线排放 到硼回收系统的暂存箱中储存。 4 研究结论与分析 4.1 对主泵轴封应急供水功能有 效性验证 采集轴封供水流量运行曲线，来 验证在全厂失电状态下主冷却剂泵轴封 应急供水功能是否有效。轴封供水流量 曲线如图 7 所示。 曲线窗中显示了三个参数的曲线 趋势，分别为主泵 A 轴封水流量 pcxcvc070fz 绿色曲线，主泵 B 轴封水 流量 pcxcvc080fz 红色曲线，轴封应急 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 21 供水泵的归一化转速 cvpmpsbos13 蓝色 曲线。为了让三个参数的曲线都清晰的 呈现在曲线工具窗中，在设置主泵 A 轴 封水流量 pcxcvc070fz 的时候，将量程 的上下限设置为 0 至 10.0t/h，在设置主 泵 B 轴封水流量 pcxcvc080fz 的时候， 将量程的上下限设置为 0 至 8.0t/h，这 样使两条曲线的显示状态不重合，都能 清晰的显示在曲线监视窗中，轴封应急 供水泵的归一化转速 cvpmpsbos13 的上 下限设置为-1 至 1.2，使转速状态显示 在曲线窗的中部。在图 14 中可看出， 正常运行，两列流量分别为 2.0t/h 左右， 轴封