快堆電廠旁路系統建模與仿真

祁琳++王曉坤++楊曉燕++趙守智

摘 要：該文以示范快堆電廠的旁路系統為研究對象，按汽輪機100%甩負荷、反應堆不停堆和安全閥不動作的要求，設計了100%MCR的汽輪機旁路系統，建立了旁路系統仿真模型，并且利用設計數據對仿真模型進行了驗證。在各個快速甩負荷工況下，該模型的計算結果均與預期相符，該模型能夠很好地反映旁路系統的工作過程。該模型作為快堆核電站全工況機理仿真模型的一個重要組成部分，為機組啟、停和特殊變工況的模擬研究奠定了基礎。

關鍵詞：示范快堆 旁路系統 快速甩負荷 仿真

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0008-03

Modeling and Simulation of Bypass System in Fast Reactor Power Plant

Qi Lin Wang Xiaokun Yang Xiaoyan Zhao Shouzhi

（China Institute of Atomic Energy， Beijing， 102413， China）

Abstract： The research object of this paper is the bypass system of China Demonstration Fast Reactor. In this paper， 100% MCR steam turbine bypass system is designed according to the requirement of 100% cut back of the steam turbine， non-stop reactor and non-operation of the safety valve. A bypass system simulation model is established， and the simulation model was validated by design data. Under the conditions of fast cut back， the calculated results of this model are in line with the pre-judgment， so the model can reflect the working process of the bypass system very well. This model is an important part of the whole working condition mechanism simulation model of the fast reactor nuclear power plant， which lays the foundation for the simulation study of the unit start up， shutdown and special variable conditions.

Key Words： China Demonstration Fast Reactor； Bypass system；Fast Cut Back； Simulation

旁路系統作為汽輪機啟停階段工作的重要輔助裝置，其工作性能的優劣直接關系到系統的安全運行，因此對旁路系統展開仿真建模，深入研究其工作特性有著重要的意義[1]。

在快堆電站中，反應堆對負荷的適應性跟不上汽輪機對負荷的適應性。當電網需要核電廠大幅度降負荷時，汽輪機能夠很快關閉調節閥，降低輸出功率，但是反應堆不能大幅降功率，蒸汽發生器的熱功率也不會大幅度變化，因而在核島和常規島之間產生了一個功率差，蒸汽發生器二次側加熱的蒸汽流量大于汽輪機輸入的蒸汽流量。汽輪機旁路系統的功能就是提供一個人工負荷[2]，平衡核島和常規島之間的功率差，將多余蒸汽排向凝汽器、除氧器或大氣，保證反應堆安全運行。

中國示范快堆是一臺熱功率為600 MW的快中子反應堆，由于其三回路汽輪機負荷變化的速率往往比二回路大，所以快堆電廠對旁路系統的要求比火電廠高，其旁路系統與常規火電廠的旁路設置有所不同。百萬級超臨界火電廠的一般采用高低壓兩級串聯旁路，主要用于啟停機、甩負荷和保護再熱器；而核電站汽輪機旁路則采用一級大旁路，壓水堆電站中設計的汽輪機旁路容量普遍為85%MCR，大氣釋放閥排放容量為15%MCR；示范快堆的頂層設計文件中要求：核電廠對汽輪機緊急停機應有如下能力，一臺汽輪機從等于或低于100%的額定功率緊急停機不會使反應堆緊急停堆，也不應通過大氣排放閥的排汽達到此能力[3]，因此，該研究不能沿用以往適用于壓水堆核電廠的設計，需設計100%MCR容量的旁路系統。

1 旁路系統仿真模型

1.1 旁路系統容量設計

核電站旁路系統設計一般有以下幾種：（1）采用全部排向凝汽器的方式，這種設計方式系統簡化、可靠性高，但是造成凝汽器換熱面積的增加，會引起投資增加；（2）采用排向凝汽器和大氣的方式，這種方式在國內外已有較成熟的經驗，但是不能夠回收全部工質；（3）采用排向凝汽器和除氧器的方式，能夠回收全部工質，但是容易引起除氧器超壓。

鑒于示范快堆的除氧器使用混合式高壓除氧器，有除氧頭，不會發生蒸汽從底部上涌；且容量較大，約200 t，不易引起水位過高。因此，該研究選擇第三種方式，在不開啟大氣釋放閥的情況下，凝汽器承擔72.6%MCR的旁路蒸汽排放量，設有旁路減壓閥和噴水減溫裝置以滿足凝汽器運行條件；除氧器承擔其余的旁路蒸汽排放量，設有旁路減壓閥以保證除氧器不超壓。

1.2 旁路系統建模

旁路系統由多個管道、閥門和噴水減溫器構成。首先對設備進行建模，掌握關鍵設備的運算機理，然后將所有設備連接起來成為系統模型。

1.2.1 噴水減溫器數學模型

噴水減溫器是熱電廠和核動力裝置汽輪機旁路系統中的重要設備，其工作性能的優劣直接關系到系統中其它設備的運行與安全。對噴水減溫器工作特性的深入研究有著重大的實際意義。噴水減溫器的工作原理是將經過噴嘴霧化后的減溫水直接噴入過熱的蒸汽流，減溫水滴從過熱蒸汽流中吸收熱量，使水升溫、蒸發和過熱，從而使蒸汽的溫度降低，達到調節過熱汽溫的目的；其基本思想是要使噴入蒸汽的減溫水盡快的汽化，使蒸汽的降溫過程盡可能在最短的行程內完成[4]。

噴水減溫器的工作原理如圖1所示，其中Gg、hg、tg分別代表入口蒸汽的質量流量、焓值和溫度；Gw、hw、tw分別代表入口減溫水的質量流量、焓值和溫度；G、h、t表示出口蒸汽的質量流量、焓值和溫度；Qm表示減溫器壁面與流體間的換熱量[5]。

依據減溫器的工作原理、質量守恒定律和能量守恒定律可以建立其數學模型。假設：（1）減溫器內工質只沿軸向作一維運動；（2）各個進出口的截面上工質的物性參數分布均勻；（3）減溫器截面均勻無變化；（4）在兩相區，汽、水均勻混合，且流速相同；（5）對于金屬壁面，僅沿徑向傳熱，而忽略軸向傳熱，忽略徑向溫度梯度；（6）忽略由于速度變化引起的動能和摩擦功；（7）整個系統對外界絕熱；（8）忽略沿程阻力損失[6]。

以蒸汽出口參數為集總參數列微分方程：

（1）質量守恒方程：

式中，V為噴水減溫器的容積；ρ為出口蒸汽密度，τ為時間。

（2）能量守恒方程：

（3）壁面傳熱方程：

式中，α為壁面與工質之間的對流換熱系數，A為壁面換熱面積，tm為換熱壁面的平均溫度，ti為參與換熱的流體定性溫度。

（4）管道壁面的換熱方程：

式中，cm為壁面金屬的比熱容，mm為參與換熱的壁面金屬的質量，tm為壁面的平均溫度，Qg為單位時間內蒸汽的放熱量，，Qw為單位時間內減溫水的吸熱量，。

該文中設計減溫器工作壓力為，100%甩負荷時，流入凝汽器旁路的減溫前蒸汽參數為；減溫水參數為；最終流入凝汽器的蒸汽溫度應低于80℃。

1.2.2 基于vPower的圖形化建模

該文以vPower仿真軟件為平臺，采用圖形化建模方法對示范快堆旁路系統進行建模，并輔以必要的控制系統，如圖2所示。

2 快速甩負荷過程仿真

利用上述仿真模型，進行快速甩負荷（簡稱FCB）的工況仿真，該文中選取額定工況下甩50%負荷、70%負荷、100%負荷這三個瞬態工況進行仿真計算。汽輪機在額定工況運行中突然甩負荷，發電機的輸出功率瞬間下降，由于不考慮蒸汽管道和汽機本體的中間容積蒸汽的作用，因此轉速不會短暫升高而是直接降低或停轉，此時進入凝汽器和除氧器的蒸汽流量會迅速減少，其工作壓力也迅速降低。隨著旁路閥的開啟（除氧器旁路閥從全關到全開需2 s，凝汽器旁路閥從全關到全開需2.5 s），進入凝汽器和除氧器的蒸汽流量會迅速增加，并且在壓力控制系統的作用下逐漸趨于穩定。這三個過程中凝汽器和除氧器的瞬態參數變化見圖3和圖4。

由圖3和圖4可以看出，各甩負荷過程中凝汽器和除氧器參數的變化均符合預判，并且甩負荷越多的工況參數變化越大且趨于穩定的時間越長，這也符合運行經驗。

3 結論

（1）該文首次針對示范快堆電廠選擇了旁路容量，設計了旁路系統。

（2）在充分掌握關鍵設備數學模型的基礎上，利用vPower平臺建立了旁路系統的仿真模型。

（3）通過該模型對旁路系統進行快速甩負荷工況的模擬計算，得到的關鍵參數的變化規律比較合理，可以指導設計和運行。

（指導老師：趙守智）

參考文獻

[1] 聶雨，張燕平，黃樹紅，等.汽輪機旁路系統仿真建模[J].熱能動力工程，2013，28（4）：336-340.

[2] 金王貴.壓水堆核電站二回路熱力系統的設計特點[J].動力工程，1987（2）：12-14.

[3] 快堆核電廠用戶要求（頂層設計要求）[Z].2014.

[4] 寧德亮，龐鳳閣，高璞珍.噴水減溫器動態仿真模型的建立及其解法[J].核動力工程，2005（3）：280-283，290.

[5] Sang Hyuk Lee， Jaesop Kong， Jin H. Seo. Observers for Bilinear Systems with Unknown Inputs and Application to Superheater Temperature Control[J].Control Eng Practice， 1997，5（4）：493-506.

[6] 倪維斗，徐向東.熱動力系統建模與控制的若干問題[M]. 北京：科學出版社，1996.