蒸汽发生器的建模及仿真.pdf

第 35卷第 11期 （2016.11）技术纵横 油气田地面工程 http:/ 蒸汽发生器的建模及仿真 刘奕伽 1 摘要：蒸汽发生器能否正常运行直接关系到整个核电站的安全运行。根据蒸汽发生器 的结构原理，将蒸汽发生器划分为 16个控制体，把蒸汽发生器的上升通道划分为过冷 区和沸腾区。为了更好地反映蒸汽发生器的动态过程，在过冷区和沸腾区之间引入了 可移动边界。在 Matlab 软件中用编制好的算法和图元搭建蒸汽发生器仿真模型。给出 初始状态下的给水流量进行仿真实验，利用阶跃上升的给水流量做动态扰动实验，得 出一次侧冷却剂出口水室温度变化的响应曲线和二次侧蒸汽压力的响应曲线，仿真实 验的响应曲线与实际蒸汽发生器工作时的物理状态一致。该数学模型和仿真程序可以 反映出蒸汽发生器运行阶段一次侧、二次侧动态响应过程，对蒸汽发生器设计以及装 置事故分析有一定的参考价值。 关键词：蒸汽发生器；工作原理；数学模型；仿真实验 Doi:10.3969/j.issn.1006-6896.2016.11.024 The Modeling and Simulation of Steam Generator Liu Yijia Abstract：The safety of the nuclear power plant operation directly depends on the working status of Steam Generator (SG)The steam generator is divided into 16 control volumes ac- cording to its structure and principles，and divided the rise of the steam generator for cold ar- ea and boiling areaThe risen channel of the steam generator is divided into sub-cooling sec- tion and superheat section In order to get better reflection of SG s dynamic process， a movable boundary has been set between them Programmed algorithm and drawing units were used in matlab to build simulation model of the steam generator Doing step up feed water flow dynamic disturbance test under the given initial state of feed water flow simula- tion，the primary side coolant outlet water chamber temperature response curves and the sec- ondary side of steam pressure decreased response curve can be obtainedResponse curves of the simulation results and the actual physical working state of SG are the sameThis mathe- matical model and simulation program can reflect the primary side and secondary side dynamic response process of SG in operation stage， which could have certain reference value in SG design and equipment accident analysis Key words：steam generator；mathematical model；simulation test；working principle 在压水堆核电站中一回路和二回路的换热是通 过蒸汽发生器进行的。作为一回路和二回路之间的 枢纽，蒸汽发生器的作用不仅仅是将一回路冷却剂 从堆芯带出的热量传给二回路，它还是分隔一次侧 和二次侧工质的屏障，蒸汽发生器能否正常运行直 接关系到整个核电站的安全运行。 蒸汽发生器在给水流量尤其是蒸汽流量大范围 变化时，会出现“虚假液位”现象，绝大部分紧急 停堆事件都是因“虚假液位”造成的。美国在役压 水堆电站调查表明，核电站停堆事故有 30%以上是 由于蒸汽发生器主给水系统发生故障，即液位控制 不良引起的。非预期的紧急停堆会降低核电站可用 性，造成巨大的经济损失，因而蒸汽发生器在核动 力装置事故中居重要地位，严重影响着核动力装置 运行的安全可靠性 1。 1上海交通大学自动化系 81 万方数据 技术纵横刘奕伽：蒸汽发生器的建模及仿真 油气田地面工程 http:/ 1系统建模 1.1工作原理 一回路的冷却剂从蒸汽发生器的底部进入进口 水室，然后流经传热管将热量传递给二回路工质。 二回路的水从蒸汽发生器上部给水进口流入蒸汽发 生器，沿管体流到底部，再折回从管体中部流回上 部。在这个过程中二回路工质通过 U形管壁吸收一 回路冷却剂的热量产生蒸汽，以汽水混合物的形式 流入蒸汽发生器上部的汽水分离器。汽水混合物经 过两级汽水分离器，分离出蒸汽。此时蒸汽湿度低 于 0.25%，再经过干燥器干燥，成为主蒸汽流出蒸 汽发生器去推动汽轮机做功。汽水分离器分离出的 水流回给水进口处继续加热 2。大型压水堆蒸汽发 生器的结构原理见图 1。 图 1蒸汽发生器结构原理图 1.2数学模型 根据蒸汽发生器的结构原理，将蒸汽发生器划 分为 16 个控制体，具体模型节点划分如图 2 所示。 二次侧工质被一次侧工质不断加热，逐渐从过冷水 变为汽水混合物，由于这两种状态的换热机理不 同，所以把蒸汽发生器的上升通道划分为过冷区和 沸腾区 3。为了更好地反映蒸汽发生器的动态过 程，在过冷区和沸腾区之间引入了可移动边界。 如图 2所示，蒸汽发生器控制体节点划分结果 如下： （1） 一次侧包含 6个控制体： 一次侧进口水 室 （PRIN）； 一 次 侧 工 质 向 上 流 动 段 过 冷 区 （PR1）； 一 次 侧 工 质 向 上 流 动 段 两 相 区 （PR2）； 一 次 侧 工 质 向 下 流 动 段 两 相 区 （PR3）； 一 次 侧 工 质 向 下 流 动 段 过 冷 区 （PR4） ； 一次侧出口水室 （PRO） 。 图 2蒸汽发生器控制体划分图 （2） U 形管金属管壁包含 4个控制体： 一次 侧工质向上流动段过冷区对应的金属管 （M1） ； 一 次 侧 工 质 向 上 流 动 段 两 相 区 对 应 的 金 属 管 （M2） ； 一次侧工质向下流动段两相区对应的金 属管 （M3） ； 一次侧工质向下流动段过冷区对应 的金属管 （M4） 。 （3） 二次侧包含 6个控制体： 二次侧上升通 道的过冷区 （SC） ； 二次侧上升通道的两相区 （B） ； 二次侧的上升分离区 （SR） ； 二次侧的 给水室区 （FW） ； 二次侧蒸汽室区 （SD） ； 二次侧下降通道 （DC） 。 在建立蒸汽发生器动态模型中引入以下假设： （1） 蒸汽发生器内的工质为一维流动，即工质 的状态参数只沿管道的轴向变化，沿径向不变。 （2） 二次侧的下降通道与管束围板内的上升通道 没有热量交换，且下降通道内的工质始终不发生沸腾。 （3） 忽略一、二次侧工质的轴向导热，忽略 U 形管壁的轴向导热，忽略蒸汽发生器的对外散热， 忽略除 U 形管管壁以外的蒸汽发生器其他设备的 热容。 （4） 计算二次侧工质热物理性质时，取管束区 平均压力。 （5） 计算一次侧工质热物理性质时，取一次侧 平均温度和平均压力，并假设一次侧压力保持 恒定。 1.2.1一次侧 引入公式pi= Mpi Wp ，pi为一次侧工质通过一 次侧进口水室所用的时间，s；Mpi为一次侧入口 水室工质的质量，kg；Wp为一次侧工质的质量流 82 万方数据 第 35卷第 11期 （2016.11）技术纵横 油气田地面工程 http:/ 量，kg/s。根据能量平衡方程对一次侧 6 个控制体 分别建立数学模型 dTpi dt = 1 pi i- 1 pi Tpi（1） Ls1 dTp1 dt +()Tp1- Tp1o dLs1 dt = Wp App1( ) Tp1i- Tp1o+ Qpm1 App1Cp1 （2） Ls2 dTp2 dt -()Tp2- Tp2i dLs1 dt = Wp App2( ) Tp2i- Tp2o+ Qpm2 App2Cp2 （3） Ls2 dTp3 dt -()Tp3- Tp3o dLs1 dt = Wp App3( ) Tp3i- Tp3o+ Qpm3 App3Cp3 （4） Ls1 dTp4 dt +()Tp4- Tp4i dLs1 dt = Wp App4( ) Tp4i- Tp4o+ Qpm4 App4Cp4 （5） dTpo dt = 1 po o- 1 po Tpo（6） 式 中 ：Tpi为 一 次 侧 入 口 水 室 工 质 的 平 均 温 度 ， ；i为 一 次 侧 入 口 水 室 工 质 的 入 口 温 度，；Tp1Tp4为控制体 PR1PR4工质的平均温 度，；p1p4为控制体 PR1PR4工质的平均密 度，kg/m 3； Cp1Cp4为控制体 PR1PR4 工质的平 均比热，J/(kg)；Qpm1Qpm4为控制体 PR1PR4 内流体与其相对应的金属管所传递的热量，W； Tp1i、Tp1o分别为控制体 PR1 的进出口温度，； Tp2i、Tp2o分别为控制体 PR2 的进出口温度，； Tp3i、Tp3o分别为控制体 PR3 的进出口温度，； Tp4i、Tp4o分别为控制体 PR4 的进出口温度，； Ls1、Ls2分别为过冷区和两相区的长度，m；Ap为 一次侧工质的流通面积，m 2； Tpo为一次侧出口水 室工质的平均温度，；po为一次侧工质通过一 次侧出口水室所用的时间，s；o为一次侧出口水 室工质的温度，。 1.2.2U形管金属管壁 在处理金属管动态边界时，与一次侧不同的是 金属管是固定的，不像一次侧工质是可以流动的。 因此，本文假设一次侧的边界以dLs1/dt的速率变 化 ， 则 对 应 的 金 属 管 的 能 量 同 时 以 mAmCmTma(dLs1/dt)的速率增大或减小，其中m为金 属 管 的 密 度 ， kg/m 3； Am为 金 属 管 的 横 截 面 积 ， m 2； Cm为金属管的比热，J/(kg)；Tma为对应 边界上的金属管的平均温度，。 根据能量守恒方程，对管壁 4个控制体分别建 立模型可得 Ls1 dTm1 dt + Tm1- Tm2 2 dLs1 dt = Qpm1- Qms1 mAmCpm （7） Ls2 dTm2 dt - Tm2- Tm1 2 dLs1 dt = Qpm2- Qms2 mAmCpm （8） Ls2 dTm3 dt - Tm3- Tm4 2 dLs1 dt = Qpm3- Qms3 mAmCpm （9） Ls1 dTm4 dt + Tm4- Tm3 2 dLs1 dt = Qpm4- Qms4 mAmCpm （10） 式中：Cpm为 金属管壁的比热，J/(kg)；Tm1 Tm4为金属管壁 M1M4的平均温度，；Qms1Qms4 分别为单位时间内金属管壁 M1M4向控制体 SC 所 传的热量，kW。 1.2.3二次侧 在两相区，本文假设其含汽率与两相区的长度 为线性关系，二次侧动态模型如下 AfsLs1