某核電廠主給水流量調節閥仿真研究

周 華，陳 杰

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223）

0 引言

主給水流量調節閥是給水系統重要設備，在核電廠正常運行時，蒸汽發生器液位控制系統主要是主給水流量的控制，主給水控制包括高功率控制模式和低功率控制模式，兩種模式的切換信號來自于給水流量信號，切換定值為15%額定給水流量。當給水流量大于15%額定流量，控制模式從低功率模式切換至高功率模式，通過控制主給水流量調節閥調節主給水流量，從而實現蒸汽發生器液位控制[1]。

本文重點介紹根據主給水調節閥性能參數，如何在RINSIM 1.0仿真平臺，運用流體網絡相關理論，實現其仿真并驗證其仿真結果是否滿足要求。

1 RINSIM 1.0仿真平臺

RINSIM 1.0仿真平臺是CNPO自主研發的基于Linux的核電仿真支撐軟件平臺。該平臺包含以SimBase數據庫為基礎的多個離線和在線軟件包。

圖形化建模軟件SimGen有強大的部件庫，可實現工藝系統以及各類控制系統的建模。圖形化調試工具SimUgd和趨勢軟件（SimCurv）可實現各類模型的在線調試和趨勢監視。SimDraw可實現核電主控室中盤臺的仿真，SimWare可實現各類型部件開發。同時，RINSIM1.0仿真平臺支持多種高級編程語言的非圖形化建模和調試，其構架圖如圖1所示[2]。

圖1 RINSIM 1.0仿真平臺主要結構Fig.1 Main structure of RINSIM 1.0 simulation platform

2 流體網絡理論知識

為計算流體網絡中各處流體的熱工水力參數，首先引入節點、容積及邊界概念，在此基礎上，綜合運用質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程以及氣體濃度守恒方程建立數學模型，基于RNSIM 1.0仿真平臺最終求解得到各流體參數。

2.1 數學模型假設

對流體網絡而言，數學模型的建立總會存在相關假設。針對本文的主給水流量調節閥，由于是水流網，在不影響計算精度的情況下作以下假設：

1）介質為不可壓縮液體水。

2）介質密度不變。

3）介質溫度T=Ts(H)。

2.2 數學微分方程

如前所述，流體網絡的數學模型離不開各數學微分方程，對于水流網，各方程的具體公式如下：

1）質量守恒方程：

M——節點質量；G——管道流量；τ——時間步長。

2）能量守恒方程：

H——節點比焓；p——節點壓力；ρ——節點介質密度；Q——外熱源；R——內熱源。

3）動量守恒方程：

L——管道長度；S——管道橫截面積；ξ——水力摩擦系數；Δp'——管道壓降；H——泵壓頭。

圖2 節點j，流量 & 狀態參數Fig.2 Node j, flow & state parameters

圖3 管道 i -j，流量Fig.3 Pipeline i -j, flow

由動量守恒方程式（3）可知，管道流量Gij是管道前后節點壓力&密度：Pi、Pj、ρi、ρj的函數，根據其函數關系式：Gij= f（Pi，Pj，ρi，ρj），可得出：

根據介質密度與壓力、比焓、不凝氣體濃度的函數關系式：ρi= f（pi，hi，Cjk）可得出 ：

根據：mi= Vi* ρi有：

將式（4）、式（5）帶入式（6），可得到關于節點i的質量變化方程式：

經整理后，可得到：

考慮到水也具有微弱的可壓縮性，可在上式中加上一項：

kass*(1-φ)，其中kass=S/c，kass為可壓縮系數，S為節點所在管道橫截面積總和，g為重力加速度，φ為蒸汽在節點中所占的容積比，則式（7）變成：

如果對所有的節點和流量列出該方程，就可以得到一個關于dp/dτ的n*n矩陣（n為節點數），求解該矩陣即可求出n個節點中混合流體的壓力，其余的流體參數可相應求解得出。

2.3 主給水流量調節閥性能參數

根據某核電廠主給水流量調節閥設計文件，其閥門數據和曲線分別如圖4、圖5所示[3]。

3 主給水流量調節閥性能仿真研究

圖4 閥門數據Fig.4 Valve data

圖5 閥門曲線Fig.5 Valve curves

系統的動態特性反應了輸入輸出變量的相互影響作用以及各主要參數的動態變化規律，為了驗證主給水流量調節閥門模型的準確性，利用之前所述的數學模型，將其集成到全范圍模擬機中，對其穩態性能和動態特性進行了仿真計算分析。

3.1 滿功率工況

滿功率狀態下，電功率、閥門位置和閥門流量曲線如圖6所示。

由圖6可知，滿功率狀態下，閥門的流量為945kg/s，閥門開度為80.2%，和圖4中閥門設計數據保持一致。

3.2 變工況分析

如前所述，主給水控制包括高功率控制模式和低功率控制模式，其切換基于高給水流量信號，切換點設置在主給水流量的15%，選取22%負荷降至5%負荷工況驗證閥門參數在變工況的特性，如圖7所示。

圖6 100%負荷各參數曲線Fig.6 100% Load parameter curves

由圖7可知，22%負荷狀態下，閥門的流量為244.8kg/，閥門開度為24.1%，和圖4中閥門設計數據保持一致，隨著功率的下降，給水流量以及閥門開度也隨之平滑下降。當高給水流量信號由true變為false時，即主給水流量低于15%時，主給水由高功率控制切換成低功率控制模式，由圖7可以看出閥門并無劇烈波動，繼續下降，隨著功率繼續下降，當主給水流量低于5%時，給水路徑發生變化，由主給水流量調節閥切換至啟動給水流量調節閥，閥門關閉。

4 總結

圖7 降負荷工況各參數曲線Fig.7 Parameter curves for load reduction conditions

本文根據主給水調節閥性能參數，基于RINSIM 1.0平臺，運用流體網絡知識對閥門建立數學模型，對主給水流量調節閥穩態性及變工況性能進行研究，計算及測試結果表明和設計數據保持一致，從而驗證了主給水流量調節閥的性能參數，同時也驗證了基于RINSIM仿真平臺的數學模型的正確性。