自然循環蒸汽發生器模塊化仿真建模研究

時浩　蔡琦　李磊

摘 要：目前對于核電站系統二回路的模塊化仿真建模技術已較為成熟，而一回路還未完全實現模塊化。利用運行在SimExec平臺上的THEATRe軟件，以秦山一期核電站為仿真對象，建立冷卻劑系統仿真模型，進而對模型進行仿真研究，誤差可控制在0.5%以內；將主回路中的自然循環蒸汽發生器進行模塊化建模，并通過方案優化，采用邊界交換的方法將蒸汽發生器模塊與系統主回路進行耦合，耦合前后系統運行參數誤差不超過1%；通過瞬態提升功率比較模塊化模型與環路模型的瞬態特性，最終得出對自然循環蒸汽發生器進行模塊化建模仿真方法可行的結論，并由此提出改進方法及其在實際建模仿真中的建議。

關鍵詞：自然循環蒸汽發生器 模塊化 THEATRe軟件 研究

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（c）-0056-04

ABSTRACT：At present，the modular simulation techniques of the second loop in nuclear reactor system have been mature，while the primary loop can not be fully modular simulated.By using the THEATRe software running on the SimExec platform，taking the Qinshan phase I NPP as the simulation object，a coolant system model can be established，the errors can be controlled within 0.5%；Modular simulating the natural circulation steam generator，then coupled the SG with the primary loop，the distinctions between the modular system with the former system are no more than 1%；Comparing the transient characteristics of the modular model with that of the former loop model by ascending the power transiently，ultimately draw a conclusion on the focus whether the modular simulation techniques of the SG in the primary loop is feasible，and thus give suggestions on improvements and recommendations of the modular simulation methods.

Key Words：Natural circulation steam generator；Modular simulation； THEATRe；Research

核電站主回路系統的二次側已經可以實現模塊化建模仿真，極大的提高了核電站系統的設計與升級的效率，也為系統的維護與更新帶來極大的便利。此前已有對蒸汽發生器一次側單獨進行了模塊化，但是未將模塊與主回路耦合加以驗證對蒸汽發生器進行模塊化的有效性。本文嘗試先將自然循環蒸汽發生器的一次側進行模塊化，然后將該模塊與原回路進行耦合，為進一步改進自然循環蒸汽發生器[1]模塊化建模與仿真技術提供了有力的理論支持。

該文主要是用運行在SimExec仿真平臺上的THEATRe熱工水力實時仿真軟件對自然循環蒸汽發生器的一次側進行模塊化，并將模塊運行參數與核電站運行參數相比較。接著通過邊界數據交換的方式將模塊化對象與主回路耦合，然后將蒸汽發生器模塊的運行參數與模塊耦合后的運行參數進行比對，驗證模塊化技術在穩態下的可行性，并通過對反應堆負荷的階躍擾動試驗，驗證了模塊化模型在瞬態工況下的有效性，達到了檢驗自然循環蒸汽發生器動態特性的目的[2]。最終得出結論并提出改進方法，這對于核動力裝置的模塊化仿真建模有著重要的實際意義。

1 仿真模型的建立

該文采用的是控制體的建模方法，并使用THEATRe熱工水力實時仿真軟件進行仿真計算[3]，該軟件目前需移植到SimExec實時仿真平臺上運行。

THEATRe軟件作為反應堆熱工水力實時仿真工具，采用了“漂移通量模型”，此模型含有6個基本場（不可凝氣體質量、蒸汽質量、液體質量、蒸汽能量、液體能量以及混合物動量）方程和1個漂移通量關系式[4]，用以預計分析每一節點處兩相流狀態。按照傳熱部件的形狀和邊界條件，THEATRe采用兩種類型的導熱計算模型，第一類計算只有一面對流換熱的圓柱體導熱模型，第二類計算具有兩面換熱邊界條件的導熱部件（如核燃料包殼、安全殼、蒸汽發生器的傳熱管等）中溫度場所建立的模型。此外，THEATRe采用的是四象限特性主泵模型[5]。

1.1 建立仿真模型

在本文中THEATRe軟件仿真的對象是秦山一期核電站，在建立核電站冷卻劑系統主回路仿真模型劃分系統節點并輸入相關參數時都借鑒秦山一期的數據資料[6]。

根據THEATRE軟件對輸入卡的要求，秦山一期核電站主系統被劃分為三個區，即將一回路系統單獨劃分為一個區，包括兩個環路，每個蒸汽發生器二次側劃分為一個區[7]。無論是在哪個區，在建立該區的仿真系統模型時都要設置盡可能少的節點，以節省計算的時間，但要符合仿真工況的要求以及仿真對象的特點。節點劃分后的系統仿真模型如圖1所示。endprint

考慮在同一區域內，沿軸向的對流換熱量或溫度、換熱系數等參數沿軸向分布不同，可將每一個傳熱區域沿軸向進一步劃分成許多節點，并假定在每一個節點內溫度、壓力、水力直徑、換熱系數等參數都相等。此外，對每一個區段的摩擦系數等因子也作同樣的處理，這種處理方法考慮了系統分布參數的特點[8]。

THEATRe軟件關于仿真對象的系統文件確定并編譯好之后，就需要根據THEATRe軟件調試方法對仿真模型進行調試，調試完成加載仿真模型系統開始運行后如出現問題，則需要對輸入卡文件或控制程序進行修改，直到系統能穩定運行為止。

1.2 仿真模型的驗證

該文以秦山一期核電站為仿真對象，建立核電站冷卻劑系統仿真模型并調試完成后，需要記錄仿真模型穩態運行時的常用參量數據，且需要將一些重要參數與秦山一期核電站系統所提供的基準數據相比較，驗證通過THEATRe軟件進行仿真建模的有效性以及準確性。表1為核電站冷卻劑系統仿真模型穩態運行參數與秦山一期核電站系統基準數據的比較。

根據以上分析可知，該文所建立的核電站主系統仿真模型穩態主要運行參數與秦山一期核電站運行基準數據相比，最大誤差不超過0.5%，很好的滿足了對于關鍵參數誤差的要求。

2 自然循環蒸汽發生器的模塊化處理

建立系統仿真模型后，對自然循環蒸汽發生器建立模塊化處理，并按照邊界數據交換的方法，將蒸汽發生器模塊與主回路模塊實現耦合，組成能滿足要求的冷卻劑主系統模型。

2.1 建立模塊

待系統仿真模型建立后，將蒸汽發生器與主回路的連接接管斷開，分別在主回路和蒸汽發生器的斷開處加上一個邊界（所加邊界等同于節點具有壓力、溫度、流量等函數值），將其分別作為一個獨立模塊。建成的蒸汽發生器模塊化模型如圖2所示。

2.2 模塊邊界賦值

啟動THEATRe軟件加載秦山一期冷卻劑系統環路仿真模型，待系統運行各項參數達到穩定后，說明冷卻劑系統運行達到穩定狀態，此時對各邊界節點的壓力以及連接這些節點的“接管”流量并進行記錄，以得到主回路和蒸汽發生器模塊化建模所需的邊界條件。

參照所繪制的節點圖2，具體需要監測并記錄的數據主要有節點2、節點39和節點8、節點45的壓力，可理解為它們分別為主回路和蒸汽發生器提供邊界壓力，接著監測并記錄接管7、接管44和接管1、接管38的流量，分別將其作為主回路和蒸汽發生器的邊界流量。監測并記錄的上述各節點的壓力和各接管的流量穩定值如表2所示。

可認為，具有邊界壓力和邊界流量等邊界條件，主回路和蒸汽發生器就可以穩定運行，成為獨立的模塊。

將各邊界節點壓力和對應接管流量確定后，接下來就可對主回路和蒸汽發生器的邊界進行賦值。采用進口流量、出口壓力的方式，即將各個模塊的冷卻劑進口邊界節點作為流量邊界，出口邊界節點作為壓力邊界。以節點圖2為參照，將61、63、66、68節點作為壓力邊界，62、64、65、67節點作為流量邊界。然后將上面記錄的對應的邊界處節點壓力流量分別賦給這些壓力邊界和流量邊界，賦值是在s.theatre主程序文件中進行，賦值過程如下表3所示。

對模塊進行邊界賦值后，輸入卡也需要進行相應的修改，接著對蒸汽發生器驅動和系統流程等相關程序適當修改并進行編譯。編譯成功后，加載該程序，在界面上輸入需要監測分析的參量，就可以觀測已經加載的參量變化情況，并由此得知系統的實時運行情況。

2.3 邊界數據交換

該文中不同模塊進行耦合所采用的方式是邊界數據交換，但進行數據動態交換是建立在各獨立模塊運行穩定的基礎上的，否則交換數據會劇烈波動而導致模塊耦合失敗。

該文中借助SimExec平臺，在邊界數據動態交換開始前調取系統模塊運行穩態工況，然后采用進口流量、出口壓力的方式進行模塊間邊界數據交換，數據交換過程表4所示。

按照該方案進行邊界數據交換時，最初模塊間進行數據交換能夠初步穩定，隨后穩壓器水位出現較大上升，一回路壓力也隨之上升，且主回路模塊中兩側環路壓力、流量等相差較大，出現兩側不對稱現象。針對該問題，按照進口壓力、出口流量的邊界數據交換方式提出第二種方案，但不同模塊按照該方案進行耦合時出現了與第一種方案同樣的問題，如此初步推斷可能是穩壓器的影響導致回路中的壓力不斷上升。針對上面推斷原因，將穩壓器作為系統的第四個區將其從主回路中拆開，暫時隔斷其通過波動管與主回路中冷卻劑的交換，以此消除穩壓器對系統壓力的影響。經過以上調整，仍采用進口流量、出口壓力的方式進行模塊間邊界數據交換，可觀測到系統剛開始進行邊界數據交換時較為穩定，未出現較大波動，但經過一段時間運行后，系統各節點的壓力會一直出現小幅度的下降。針對第三種方案中存在的問題，推斷系統回路中壓力不能穩定的部分原因是由于缺少穩壓器的作用，為此提出第四種優化方案，即通過引入穩壓器對主回路中壓力和流量進行調節，同時為了模擬穩壓器的波動流入和流出，根據算定的一回路所有節點質量變化量和主回路上充、下泄的冷卻劑流量計算出穩壓器和主回路交換的冷卻劑流量。

經過方案優化后，蒸汽發生器模塊和主回路模塊可以通過平穩的邊界數據交換進行耦合，并能最終運行達到穩態。記錄幾項系統主要參數與模塊化之前的環路仿真模型進行比較，發現在該種方案下模塊化前后參數相差不大。由此說明，第四種方案基本達到了本文進行自然循環蒸汽發生器的模塊化仿真建模的目的，在實踐上是可行的。

2.4 邊界數據交換前后重要參數的比較

由上文可知，采用最終方案系統進行模塊化前后運行參數基本相等。表5是對一些重要參數的比較。

根據以上分析計算可知，采用第四種模塊化方案將模塊化后的蒸汽發生器與主回路模塊通過邊界交換進行耦合后造成的最大誤差不超過1%，說明該種方案基本成熟。endprint

3 瞬態工況分析

該文采用的瞬態工況是將反應堆核功率均勻提升到原功率的1.07倍（秦山一期的加強工況），然后通過觀察系統功率瞬態提升后幾項重要參數變化來比較環路模型和模塊化模型的瞬態反應特性，以達到檢驗模塊化方案在瞬態工況下的穩定性。

圖3，圖4，圖5，圖6是系統功率瞬態提升后幾項重要參數發生變化的瞬態特性曲線。

由圖3，圖4，圖5，圖6圖線可看出，模塊化模型和環路模型特性曲線大致吻合，且隨反應堆核功率瞬態提升后的變化情況也基本相同，進一步證明了系統模塊化仿真模型具有較好的瞬態特性，能夠較好的反映核電站系統在瞬態工況下的響應。通過瞬態提升功率，說明該文中的自然循環蒸汽發生器模塊化方案在瞬態工況下同樣有效。

4 結語

該文以秦山一期核電站冷卻劑系統為仿真對象，建立了核電站冷卻劑系統環路仿真模型。然后將兩臺蒸汽發生器分別從環路中拆出并進行模塊化處理，最終通過方案優化采用邊界數據動態交換的方法，將蒸汽發生器模塊與主回路模塊實現耦合，并驗證了模塊化方案在穩態和瞬態下的可行性，從而達到了該文仿真研究的目的。

通過研究分析該文的仿真結果可以得知，對自然循環蒸汽發生器的一回路進行模塊化的嘗試是可行的，結合蒸汽發生器已經較為成熟的二回路模塊化仿真技術，自然循環蒸汽發生器可以完全實現模塊化。

參考文獻

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[2] 殷素芳，王廣軍.直流鍋爐蒸汽發生器的模塊化建模與仿真[J].計算機仿真，2009，26（4）：274.

[3] 黎華，閻昌琪.反應堆主冷卻劑系統實時仿真計算[J].核動力工程，2005，26（5）：492.

[4] Modeling Techniques For THEATRe[M].GSE Power System，Inc.2005：21-22.

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[7] 郭海紅.蒸汽發生器工作過程動態仿真[D].哈爾濱工程大學碩士學位論文，2007：29-30.

[8] 熊健，付龍舟.核蒸汽發生器建模及其仿真[J].核科學與工程，1989，9（1）：20-25.endprint

3 瞬態工況分析

該文采用的瞬態工況是將反應堆核功率均勻提升到原功率的1.07倍（秦山一期的加強工況），然后通過觀察系統功率瞬態提升后幾項重要參數變化來比較環路模型和模塊化模型的瞬態反應特性，以達到檢驗模塊化方案在瞬態工況下的穩定性。

圖3，圖4，圖5，圖6是系統功率瞬態提升后幾項重要參數發生變化的瞬態特性曲線。

由圖3，圖4，圖5，圖6圖線可看出，模塊化模型和環路模型特性曲線大致吻合，且隨反應堆核功率瞬態提升后的變化情況也基本相同，進一步證明了系統模塊化仿真模型具有較好的瞬態特性，能夠較好的反映核電站系統在瞬態工況下的響應。通過瞬態提升功率，說明該文中的自然循環蒸汽發生器模塊化方案在瞬態工況下同樣有效。

4 結語

該文以秦山一期核電站冷卻劑系統為仿真對象，建立了核電站冷卻劑系統環路仿真模型。然后將兩臺蒸汽發生器分別從環路中拆出并進行模塊化處理，最終通過方案優化采用邊界數據動態交換的方法，將蒸汽發生器模塊與主回路模塊實現耦合，并驗證了模塊化方案在穩態和瞬態下的可行性，從而達到了該文仿真研究的目的。

通過研究分析該文的仿真結果可以得知，對自然循環蒸汽發生器的一回路進行模塊化的嘗試是可行的，結合蒸汽發生器已經較為成熟的二回路模塊化仿真技術，自然循環蒸汽發生器可以完全實現模塊化。

參考文獻

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[8] 熊健，付龍舟.核蒸汽發生器建模及其仿真[J].核科學與工程，1989，9（1）：20-25.endprint

3 瞬態工況分析

該文采用的瞬態工況是將反應堆核功率均勻提升到原功率的1.07倍（秦山一期的加強工況），然后通過觀察系統功率瞬態提升后幾項重要參數變化來比較環路模型和模塊化模型的瞬態反應特性，以達到檢驗模塊化方案在瞬態工況下的穩定性。

圖3，圖4，圖5，圖6是系統功率瞬態提升后幾項重要參數發生變化的瞬態特性曲線。

由圖3，圖4，圖5，圖6圖線可看出，模塊化模型和環路模型特性曲線大致吻合，且隨反應堆核功率瞬態提升后的變化情況也基本相同，進一步證明了系統模塊化仿真模型具有較好的瞬態特性，能夠較好的反映核電站系統在瞬態工況下的響應。通過瞬態提升功率，說明該文中的自然循環蒸汽發生器模塊化方案在瞬態工況下同樣有效。

4 結語

該文以秦山一期核電站冷卻劑系統為仿真對象，建立了核電站冷卻劑系統環路仿真模型。然后將兩臺蒸汽發生器分別從環路中拆出并進行模塊化處理，最終通過方案優化采用邊界數據動態交換的方法，將蒸汽發生器模塊與主回路模塊實現耦合，并驗證了模塊化方案在穩態和瞬態下的可行性，從而達到了該文仿真研究的目的。

通過研究分析該文的仿真結果可以得知，對自然循環蒸汽發生器的一回路進行模塊化的嘗試是可行的，結合蒸汽發生器已經較為成熟的二回路模塊化仿真技術，自然循環蒸汽發生器可以完全實現模塊化。

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