压水堆稳压器数学模型优化及动态仿真.pdf

第 3 6卷第 6期 2 0 1 5 年l 2 月 核 动 力 工 程 Nu c l e a r P o we r En g i n e e r i n g Vb1 3 6 N O 6 D ec 201 5 文章编号 0 2 5 8 0 9 2 6 2 0 1 5 0 6 0 1 2 5 0 3 d o i 1 0 1 3 8 3 2 j n p e 2 0 1 5 0 6 0 1 2 5 i 压水堆稳压器数学模型优化及动态仿真 陈同彪 付小波 海军核安全监督一站 山东青岛 2 6 6 1 0 2 摘要 根据压水堆稳压器的特点及性能要求 对稳压器数学模型进行优化 对一些热工参数与温度的关 系进行线性化处理 得到稳压器的优化数学模型 基于 MA T L AB环境进行稳压器动态仿真研究 通过仿真 研究 验证模型优化的准确性和动态仿真的实时性 实现压力安全系统动态仿真 关键词 稳压器 数学模型 动态仿真 中图分类号 T L 3 6 T P 3 9 1 9 文献标 志码 A Ma t h e ma t i c a l Mo d e l Op t i miz a t i o n a n d Dy n a mi c Si mu l a t i o n on Pr e S S Ur i Z er O f PW Rs Ch e n To n g b i a o F u Xi a o bo N a v a l N u c le a r S a f e t y S u p e r v i s i o n S t a t io n Q i n g d a o 2 6 6 1 0 2 Ch i n a Ab s t r a c t Th e c h a r a c t e r i s t i c s a n d p e r f o r ma n c e r e q u i r e me n t s o f P WR P r e s s u r i z e r s a r e a n a l y z e d an d t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r t h e p r e s s u r i z e r i S o p t i mi z e d Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n s o me t h e r mod y na m i c pa r a me t e r s an d t e mpe r a t u r e i S l i ne arl y t r e ate d t o g e t t he o p t i mi z a t i on ma t h e mati c a l mo d e l o f t h e p r e s s u r i z e r Ba s e d o n A TL AB e n v i r o n me n t t h e d y n a mi c s i mu l a t i o n o f t h e p r e s s u r i z e r j S s t u d i e d T h e a c c u r a c y a n d r e a l t i me o f t h e d y n a mi c s i mu l a t i o n j S v e r i fie d b y t h e s i mu l a t i o n f o r t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l a n d t h e d y n a mi c s i mu l a t i o n o f t h e p r e s s u r e s a f e t y s y s t e m i s a c h i e v e d K e y wo r d s P r e s s u r i z e r M a t h e ma t i c a l mo d e l Dy n a mi c s i mu l a t i o n 0 引 言 稳压器是压水堆核动力装置的重要设备之 一 它在反应堆的启动 功率运行 停闭及事故 下 对冷却剂系统的压力起控制和保护作用 1 1 对稳压器动力学特性进行仿真研究 预测其瞬态 过程 对压水堆安全运行有着十分重要的意义 稳压器数学模型分为平衡态模型和非平衡态 模型 平衡模型具有计算简便的特点 但不适于 快速变化的瞬态 非平衡模型常用的有两区非平 衡模型 三区非平衡模型及多区非平衡模型 本 文考虑汽 液两相变化 建立新的稳压器优化模 型 以适应稳压器的快速动态变化仿真 1 稳压器 工作原 理 稳压器内部设有喷雾器 电加热器 顶部有 卸压阀和安全阀 2 当冷却剂温度增加时 冷却 剂体积产生膨胀 通过波动管流人稳压器中 造 成液相质量增加 使得汽相空间压缩 造成稳压 器压力升高 当冷却剂温度降低时 冷却剂通过 波动管流 出稳压器 压力控制就是提供冷水喷雾 和蒸汽释放作为辅助降压 提供电加热器用来升 高压力 如果喷雾仍不能抑制稳压器的压力上升 当稳压器的压力达到规定值时 启动释放阀排放 蒸汽 如果压力仍继续上升达到安全限值时 引 发安全阀起跳 以保证核反应堆的安全l 3 收稿 日期 2 0 1 5 0 1 2 7 修回日期 2 0 1 5 0 5 0 8 作者简介 陈同彪 1 9 6 9 一 男 高级工程师 现从事核安全监督工作 1 2 6 核 动 力 工 程 V b l 3 6 No 6 2 0 1 5 2 稳压器模型优化 图 1 为稳压器简化原理图 稳压器模型优化 的中心思想是 将汽区和液区看成一个控制体 建立能量 质量和体积守衡方程 将每区的质量 比容 焓作为状态变量 假设各状态变量相互独 立 都是温度的函数 得到以温度变化和液体质 量变化为未知数的二元方程组 求得下一时刻的 稳压器参数 这样可以不用考虑汽 液之间的相互 的转换 简化模型的求解 为建立简化的稳压器数学模型 作如下假设 整个稳压器内部压力相同 整个稳压器的体 积保持不变 波动前后 喷雾水和蒸汽凝结所 形成的液滴 在降落至液面时达到与蒸汽相平衡 的状态 忽略蒸汽在稳压器壁面凝结的影响 汽 液两相始终处于饱和状态 图 I 稳压器简化原理图 F i g 1 S i mp l i fi e d S c h e ma t i c Di a g r a m o f P r e s s u r i z e r 根据以上假设建立稳压器的数学模型 1 质量平衡方程 d M d m G d M r W s P 一 s 一 d r 1 2 能量平衡方程 F d MF h F d h F d 十d ME h F Mo 2 其中 d E d f s u 十 一 h F 一 h G 3 3 容积平衡方程 V VF v o MF d V F d V F MG d Mo v G d V G 4 4 水位方程 设稳压器上下封头为半球 中间为圆柱形 则 V J H一 三D 3 5 4 2 4 3 仿真计算 图 2 和图3为饱和蒸汽和饱和水的热力学参 数随温度的在一定范围内的变化曲 1 通过观 察发现曲线变化趋于线性 n 晕 丑 图2 饱和蒸汽热力学参数随温度变化曲线 Fi g 2 S a t u r a t e d S t e am T h e r mo d y n a m i c P a r a me t e r s Ch a n g i n g wi t h T e mp e r a t u r e Cu r v e E 丑 温度 图 3 饱和水热力学参数随温度变化曲线 Fi g 3 S a t u r a t e d Wa t e r T h e r mo d yn a mi c P a r a me t e r s C h an g i n gwi th T e mp e r a t u r e Cu r v e 通过对这些曲线进行多项式拟合 阶次选为 一 次 得到优化后的可稳压器模型的辅助方程 v G 一 2 0 5 1 7 1 0 q 一3 3 0 0 0 1 2 9 8 7 6 v F 9 7 1 3 3 T一3 3 0 0 0 0 1 5 5 0 0 8 7 7 4 7 9 2 T一3 3 0 1 5 2 4 9 8 h o 一 5 4 5 T一 3 0 2 6 7 0 3 0 9 图 4为仿真程序流程图 t 到 时刻的参 数采用 f o r循环计算 每隔很短时间段计算一次 稳压器的温度 压力 水位 利用辅助方程求得 蒸汽和水的质量 比容 焓等状态变量 为下 陈同彪等 压水堆稳压器数学模型优化及动态仿真 1 2 7 图 4 程序流程图 Fi g 4 P r o g r a m F l o w Ch a r t 一 次求解提供数据 每次求解完后 判断压力水 位是否超限 压力高则增加喷雾流量 压力低投 入电加热 水位高则排水 水位低则补水L5 根据上述稳压器优化模型 编写 MA T L AB 仿真程序 结合某一压水堆事故停堆情况下的稳 压器动态特性进行仿真分析 仿真结果如图5 所 示 将仿真结果与文献 6 中提供的数据比较可 矗 曼 杂 需 差 时间 s a 冷却剂波动压力变化 1 0 2 O 5 出0 时间 S b 稳压器水位变化 0 2 0 4 O 6 O 8 0 l O 0 时 间 S c 稳压器压力变化 图 5 稳压器动态特性曲线 Fi g 5 Dy na mi c Ch a r a c t e r i s t i c Cu r v e o f P r e s s u r i z e r 知 两者符合较好 证明了本文所提出的优化模 型 的准确性 4 结束语 本文建立了稳压器优化模型 基于 MA T L A B 环境对压水堆稳压器进行了动态仿真 得到了比 较好的仿真效果 真实地反映了压水堆稳压器运 行特性 与优化前模型相比 其计算速度大大加 快 同时利用 MA T L A B强大的计算功能 使得 程序的编写时间得到了缩短 为 MA T L A B在整 个核动力装置动态仿真中的应用打下了基础 符号表 s u 冷却剂波动流量 k g s 喷雾流量 k g s 蒸汽释放流量 k g s 补水流量 k g s 排水流量 k g s Q 单个电加热器功率 k w V 稳压器有效容积 m P 稳压器压力 MP a 稳压器温度 Z 稳压器的水位 m 稳压器中汽液两相的总质量 k g MG 稳压器中蒸汽质量 k g MF 稳压器中水质量 k g d E 能量变化 稳压器中蒸汽体积 m 3 稳压器中水体积 m h F h e 液相 汽相焓 k J k g 波动水焓 k J k g h s p 喷雾水焓 k J k g v G 蒸汽相比容 m3 k g v F 液相比容 D 稳压器内径 m H 稳压器水位 m 热当量系数 常数 I 电加热器个数 参考资料 1 张大发 船用核反应堆运行与管理 MI 北京 原子 能出版社 1 9 9 7 2 孙中宁 核动力设备 M 哈尔滨 哈尔滨工程出版 社 2 0 0 4 3 薛汉俊 核能动力装置 M 北京 原子能出版社 1 9 9 0 4 余晓