AP1000設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)

黃秋蘭 謝政權(quán) 陳 杰

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0　引言

AP1000核電技術(shù)是從美國西屋公司引進(jìn)的非能動壓水堆核電技術(shù)，是我國第三代核電技術(shù)之一。AP1000設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（CCS）是閉式回路的冷卻水系統(tǒng)，在電廠正常運(yùn)行工況下，將各設(shè)備的熱量傳給廠用水系統(tǒng)。

本文介紹的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（CCS）的模型采用美國GSE公司的JTOPMERET圖形化建模工具組態(tài)而成。AP1000設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（CCS）的模擬范圍為全模擬。設(shè)備冷卻水系統(tǒng) （CCS）的模型集成在AP1000電廠全廠仿真模型即全范圍模擬機(jī)之中，全范圍模擬機(jī)通過滿工況，變工況及事故運(yùn)行工況等不同的運(yùn)行狀態(tài)來模擬真實(shí)電廠的運(yùn)行。

1　流體系統(tǒng)建模的主要原理以及組成

1.1　流體系統(tǒng)建模遵循的主要方程以及計(jì)算的主要變量

流體系統(tǒng)建模遵循動量平衡、質(zhì)量平衡以及能量守恒三大定律，對于氣相以及液相均獨(dú)立計(jì)算動量、質(zhì)量以及能量方程。

動量方程：

質(zhì)量方程：

能量方程：

流體系統(tǒng)主要計(jì)算壓力、流量、焓、溫度、熱傳遞、氣相濃度、沸騰和凝結(jié)率、濃度、反應(yīng)性、電導(dǎo)率、可溶化學(xué)濃度等重要參數(shù)。

1.2　JTOPMERET的程序結(jié)構(gòu)

JTOPMERET的程序結(jié)構(gòu)，如圖1所示，MST（主計(jì)算機(jī)同步任務(wù)管理，控制主計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行）以及SST（從計(jì)算機(jī)同步任務(wù)管理，控制從計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行）處于程序結(jié)構(gòu)的頂端，驅(qū)動RTEXEC（實(shí)時(shí)執(zhí)行，由MST或者SST驅(qū)動，用于模擬機(jī)模型間的集成執(zhí)行）以及IEXEC（內(nèi)部執(zhí)行，用于實(shí)時(shí)多模型共同測試），均處于服務(wù)器層。工程師層有控制模塊，控制模塊控制各程序段，各程序段控制模型內(nèi)各組件，組件由某些特定編碼的子程序構(gòu)成。

圖1　JTOPMERET程序結(jié)構(gòu)

1.3　JTOPMERET流體網(wǎng)絡(luò)的主要組成

JTOPMERET流體網(wǎng)絡(luò)主要由節(jié)點(diǎn) （node）、連接（link）、壓力邊界（pressure boundary）、流體邊界（flow boundary）、熱邊界（heat boundary）、泵、風(fēng)機(jī)、閥門、熱交換器等組成。下面簡要介紹節(jié)點(diǎn)以及流體通道的類型。

（1）節(jié)點(diǎn)（node）

JTOPMERET共有9種node，依次為常規(guī)型、汽輪機(jī)型、容器型、冷卻塔型、熱交換器殼側(cè)型、熱交換器管側(cè)型、管道型、氣體分離器、液體分離器型，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)主要應(yīng)用常規(guī)型，容器型，熱交換器殼側(cè)型、熱交換器管側(cè)型。

（2）連接（link）

JTOPMERET共有3種link，依次為質(zhì)量流量連接，熱流量連接以及簡單連接三種。其中質(zhì)量流量連接用于連接節(jié)點(diǎn)，熱流量連接用于連接熱邊界，簡單連接用于連接各種測量儀表，如壓力變送器，溫度變送器等。設(shè)備冷卻水的節(jié)點(diǎn)圖運(yùn)用了以上三種連接。

（3）邊界（boundary）

JTOPMERET共有4種boundary，分別對應(yīng)壓力邊界、流量邊界以及熱流量邊界以及熱節(jié)點(diǎn)邊界。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)運(yùn)用了壓力邊界，流量邊界以及大量的熱邊界。

2　設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（CCS）建模

2.1　設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（CCS）系統(tǒng)介紹

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（CCS）是在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)和事故工況下，向一回路帶放射性介質(zhì)的設(shè)備提供冷卻水、將其熱量傳至最終熱阱、并避免放射性流體向環(huán)境泄漏的閉式水回路。系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)機(jī)械系列，每個(gè)系列各有一臺泵，一臺熱交換器。兩個(gè)系列共用出口總管和入口總管（圖2）。出口總管有一支管通向安全殼，以供水至主泵和下泄熱交換器等設(shè)備，另有支管分組通向安全殼外的其他設(shè)備。安全殼內(nèi)設(shè)冷水系統(tǒng)的運(yùn)行壓力高于安全殼的設(shè)計(jì)壓力，以避免安全殼氣體向系統(tǒng)的泄漏。設(shè)冷水正常供水的溫度不超過35℃，最低溫度不低于 15.6℃。

圖2　AP1000設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（CCS）過程示意圖

在入口總管上接有一個(gè)波動箱，波動箱能補(bǔ)償設(shè)冷水溫度變化引起的容積變化，并能補(bǔ)償系統(tǒng)的泄漏。水箱的容積是按30分鐘內(nèi)泄漏率為11.36m3/h的補(bǔ)償能力設(shè)計(jì)。波動箱根據(jù)低水位信號自動補(bǔ)水。閉式的冷卻回路由波動箱通大氣。為防止各用戶傳熱面上積垢和減少腐蝕，系統(tǒng)需添加緩腐劑。

兩臺設(shè)冷水泵為臥式離心泵，每臺的設(shè)計(jì)流量為2035m3/h，揚(yáng)程為97.5m。兩臺設(shè)冷水熱交換器為板式結(jié)構(gòu)，板材為超奧氏體不銹鋼（AL-6XN）、鈦或相當(dāng)材料。熱交換器內(nèi)設(shè)冷水的運(yùn)行壓力高于廠用水的壓力，以防止廠用海水漏入設(shè)冷水系統(tǒng)。

2.2　故障的模擬

在設(shè)備冷卻水系統(tǒng)中共模擬了8處破口泄漏故障，包括設(shè)備冷卻水管板泄漏，設(shè)備冷卻水波動箱箱體泄漏，設(shè)備冷卻水泵出口母管破口泄漏，設(shè)備冷卻水進(jìn)安全殼母管泄漏，設(shè)備冷卻水供主泵冷卻水管泄漏，設(shè)備冷卻水進(jìn)輔助廠房母管泄漏，設(shè)備冷卻水供空氣壓縮機(jī)管道泄漏，設(shè)備冷卻水供主泵變頻器管道泄漏。故障發(fā)生時(shí)，供水母管或供水支管破口下游流量降低，被冷卻設(shè)備溫度逐漸升高，回水溫度升高，波動箱液位下降等系統(tǒng)響應(yīng)。

2.3　設(shè)備冷卻水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖

按照設(shè)備冷卻水系統(tǒng)P&ID以及過程示意圖，根據(jù)JTOPMERET繪制原則，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)由94個(gè)節(jié)點(diǎn)，185條管線及設(shè)備組態(tài)而成。如圖3所示。

圖3　設(shè)備冷卻水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖

2.4　模型輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

模型輸入數(shù)據(jù)主要包括節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入、link數(shù)據(jù)輸入、邊界數(shù)據(jù)輸入、泵、風(fēng)機(jī)、熱交換器等部件的數(shù)據(jù)輸入。下面將介紹節(jié)點(diǎn)、link以及泵的數(shù)據(jù)輸入。

節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算形式及參數(shù)輸入界面分別如圖4和圖5所示

圖4　節(jié)點(diǎn)的參數(shù)計(jì)算

圖5　節(jié)點(diǎn)的參數(shù)輸入

Link的數(shù)據(jù)計(jì)算及參數(shù)輸入界面如圖6和圖7所示。

泵的參數(shù)輸入見圖8所示。泵需要輸入凈吸入壓頭（NPSH），運(yùn)行曲線以及壓降，選取泵運(yùn)行曲線上若干工作點(diǎn)，分別填入其壓頭以及對應(yīng)的流量，完成泵的參數(shù)輸入。

圖6　link的參數(shù)計(jì)算

圖7　link的參數(shù)輸入

圖8　pum p的參數(shù)輸入

3　單系統(tǒng)測試

3.1　系統(tǒng)運(yùn)行工況

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)主要有三種運(yùn)行狀態(tài)：

（1）100%功率正常運(yùn)行狀態(tài)；

（2）電廠停堆 4小時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；

（3）故障運(yùn)行狀態(tài)。

3.2　設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的測試結(jié)果

表1和表2是通過Excel對設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的模型運(yùn)算結(jié)果及偏差水平進(jìn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測，表3為故障瞬態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

表1　100%正常運(yùn)行工況重要參數(shù)的測試結(jié)果及偏差

表2　電廠停堆4小時(shí)運(yùn)行狀態(tài)測試結(jié)果及偏差

表3　熱交換器管板泄漏測試結(jié)果

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的最關(guān)鍵參數(shù)為系統(tǒng)的供水溫度和流量，通過表1可以看到，100%正常功率運(yùn)行時(shí)，一臺設(shè)冷泵和一臺設(shè)冷熱交換器運(yùn)行，供水流量設(shè)計(jì)值為585.8Kg/sec，溫度為27℃左右，模型的計(jì)算值分別為 587.175Kg/sec，27.022℃，誤差在 0.2%以內(nèi)，滿足誤差要求。電廠停堆4小時(shí)后，余熱排除系統(tǒng)在啟用過程中產(chǎn)生大量的熱量，此時(shí)設(shè)冷水備用泵和備用熱交換器需要在余熱排除系統(tǒng)啟動前啟動，以帶走產(chǎn)生的大量的熱量，通過表2可以看到其供水流量和溫度均在2%的誤差范圍內(nèi)，滿足誤差要求。

在故障測試中，選取的是熱交換器管板泄漏的故障，正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的供水流量和回水溫度分別為587.175Kg/sec，38.448℃，插入故障后，破口下游流量降低，由于設(shè)備熱量不足以被帶走而累積，回水溫度逐漸升高，泄漏同時(shí)導(dǎo)致波動箱的液位逐漸降低。故障運(yùn)行狀態(tài)符合實(shí)際電廠設(shè)計(jì)的運(yùn)行要求。

4　小結(jié)

本文介紹了基于JTOPMERET針對設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的仿真模型及測試結(jié)果，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)符合電廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)要求，較真實(shí)的反應(yīng)了實(shí)際電廠運(yùn)行的各種工況，各回路管線的流量、溫度、節(jié)點(diǎn)壓力，箱體液位等參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間誤差均在容許范圍內(nèi)，達(dá)到模型設(shè)計(jì)要求。

【參考文獻(xiàn)】

［1］Richard H.Hill.Simulation,emulation,&translation,Simulation eb1968;vol.10：pp.81-84.