基于RINSIM 仿真平臺的汽水分離再熱器系統動態仿真

聶曉強，劉永闊，艾鑫，蔣利平

哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

汽水分離再熱器系統是核電站常規島中的眾多系統之一，該系統與常規島中的其他系統之間也存在質量和能量交換，同時，該系統內部還存在汽液兩相[1-2]。因此，建立一個穩定可靠且能反映出系統動態響應特性的汽水分離再熱器系統仿真模型對于整個常規島的仿真至關重要。目前，關于系統方面的仿真研究較少，對設備的仿真較多，如汽水分離器的仿真以及再熱器的仿真等[3-4]。本文使用RINSIM 仿真平臺建立了某新型反應堆汽水分離再熱器系統的動態仿真模型。在建立的仿真模型基礎上，完成了穩態工況及動態工況下的測試，并對穩態工況下的數據進行了分析對比，對動態工況下的系統整體特性進行了動態變化趨勢分析。

1 仿真對象

仿真對象為汽水分離再熱器系統，該系統劃分為4 個仿真系統，分別為再熱蒸汽管線系統、汽水分離疏水系統、再熱蒸汽疏水系統及控制系統。根據仿真系統中工質的類型選擇對應的模型圖。在建立的仿真模型圖中，再熱蒸汽管線系統采用液體單相不可壓縮流網（simflow1）模型，汽水分離疏水系統及再熱蒸汽疏水系統采用汽液兩相可壓縮流網（simflow2）模型，控制系統采用輯控制（simctrl）模型[5]。

在再熱蒸汽管線系統中，高壓缸排出的乏汽首先經過汽水分離器，分離掉乏汽中的水分，之后蒸汽經過兩級加熱，蒸汽品質提升，排入到低壓缸中[6]。來自高壓缸的非調整蒸汽分別為兩級再熱器提供加熱蒸汽，在一、二級再熱器的抽汽管線上均設置有蒸汽調節閥。汽水分離疏水系統主要負責收集汽水分離器排出的疏水，并將疏水排送至除氧器[7-8]。再熱蒸汽疏水系統主要負責收集一、二級再熱器排出的疏水，一級再熱疏水箱的疏水輸送至3 號低壓加熱器，二級再熱疏水箱的疏水輸送至7 號高壓加熱器[9]。邏輯控制系統主要對疏水箱下游的疏水調節閥及疏水泵進行控制。汽水分離再熱器系統主要包括2 臺汽水分離再熱器、6 只疏水箱、4 臺疏水泵及管線上的各類閥門、監測器等[10]。

2 數學模型

RINSIM 是武漢核動力運行研究所研發的大型仿真平臺，具有強大的建模功能，可以對兩相流進行計算，同時也考慮了氣體中可能出現的多組態成分，如O2、H2、N2及部分放射性元素等。對流網進行計算時，其基本數學模型為質量守恒、能量守恒、動量守恒及濃度平衡等方程，并用矩陣進行求解[11]。本系統采用的數學模型是基于以下假設建立的：

1）整個節點的參數取節點混合物的參數；

2）蒸汽和不凝氣組成的混合物為理想氣體混合物，蒸汽與不凝氣的常數根據蒸汽的真實性質進行不斷更正；

3）混合物看作是近似的均勻流，不考慮滑移；

4）蒸汽、不凝氣與水的混合物是飽和的，蒸汽與不凝氣的溫度都是在蒸汽分壓力下的飽和溫度；

5）單個再熱器內的換熱管線簡化為單塊換熱板的傳熱。

根據以上假設，有如下守恒方程式[12]：

式中：h為節點混合物的焓值；p為節點壓力；C為節點不凝氣濃度；m為節點質量；G為相連節點之間的質量流量；ρ為節點介質密度；Q為換熱量；R為節點的內熱源；J為內濃度源；L為管長；S為管道橫截面積；Δp′為管道壓降；n為泵的歸一化轉速；k1、k2、k3為泵的特性曲線常數。當流量從i流向j時，h=hi，C=Ci；當流量從j流向i時，h=hj，C=Cj。

管道壓降的計算公式為

式中的管道壓降計算默認管道中工質的流向為從i到j。

設A2=S2/ξ，求解式（4）可得：

式中Gc為上一時層的流量。

式中：當流量的流向為i→j時，括號項取i；當流量的流向為j→i時，括號項取j。

由式（1）可知，對于節點i，可得

考慮水的可壓縮性，在式中添加水的體積壓縮項k·(1-φ)，式中k為可壓縮系數， φ為節點中蒸汽所占的體積比，式（8）轉換成：

將（9）式代入到（7）式，可得：

3 汽水分離再熱器系統建模過程

3.1 仿真系統初步設計

1）在建模前，首先需要對系統圖進行仿真范圍劃分，確定需要仿真的設備、部件及管道等，并將電廠系統劃分為仿真系統；

2）對仿真系統進行節點劃分，并對系統模型進行部分簡化與等效；

3）確定調試時的穩態工況，并對系統中各個節點及邊界進行壓力劃分，計算出管線流導及摩擦系數；

4）流網及控制圖建模，并進行調試。

3.2 仿真圖建立

根據上述假設及模型圖劃分，建立仿真節點圖如圖1 所示。按照系統流程圖及節點劃分圖，建立系統的仿真模型。

圖1 汽水分離再熱器系統節點劃分

3.3 流導計算

按照節點劃分圖，對每個管線進行壓力分配及流導計算，如表1 所示，將表中計算得到的流導和其余參數輸入到流網管線中，對參數進行初始化賦值。

表1 部分管線流導計算

3.4 模型調試

對仿真圖中的設備進行單獨調試，在滿足設計要求后，再與已經完成初始化的管線及閥門等部件相連，對系統進行調試，通過不斷修正管線流導以改變節點的壓力，使系統在穩態時的參數滿足設計要求，并將仿真值與設計值相比，計算誤差。

4 結果分析

4.1 穩態工況結果分析

以汽輪機連續最大出力工況為穩態工況進行調試，得到穩態工況下的數據如表2 所示。表中列出了主要參數的設計值、仿真值與相對誤差。由表2 可知，除一級再熱疏水箱出口蒸汽流量與二級再熱疏水箱出口疏水壓力誤差在1%～2.3%，其余參數的誤差均在1% 以下。模型計算得到的仿真值與設計值基本吻合，滿足仿真系統的需求。

表2 汽水分離再熱器系統關鍵參數誤差

4.2 動態工況結果分析

4.2.1 降功率工況

在系統處于穩態工況時，模擬電廠降功率工況，以每分鐘5%功率線性下降，觀察主要節點的參數變化，如圖2 所示。由圖2 可知，在系統穩態運行150 s 后，汽輪機功率下降，導致高壓缸出口蒸汽及加熱抽汽的流量及品質均下降，因此一、二級再熱后的蒸汽焓值也都降低。由于一、二級再熱器的熱慣性，蒸汽焓值在下降后有小幅度的上升。在主蒸汽量降低后，汽水分離后的疏水流量及蒸汽流量也都降低，導致殼體疏水箱的壓力下降。疏水流量在下降后經過一段時間的波動，最終在合理的區間范圍內小幅度震蕩，水箱水位在發生小范圍波動后，也逐漸趨于穩定，水位與降功率前保持一致。

圖2 汽水分離再熱器系統主要參數曲線

4.2.2 疏水泵故障工況

當疏水泵發生故障時，備用疏水泵啟動，觀察關鍵參數的變化趨勢，如圖3 所示。

圖3 汽水分離再熱器系統關鍵參數變化曲線

由圖3 可知，系統穩態運行150 s 后，疏水泵在發生故障后停止轉動，備用疏水泵啟動。在疏水泵故障的初始時刻，下游疏水流量驟然減少，水箱的進口流量不變，導致水箱水位升高，水箱壓力也隨著升高；在備用疏水泵投入運行后，下游疏水流量在10 s 內恢復到故障前的水平，水箱水位跟壓力也開始下降，在下游疏水閥的調節下，疏水流量經過一段時間的波動后達到新的平衡，系統在600 s 時刻也重新達到了穩定狀態。

5 結論

本文介紹了基于RINSIN 仿真平臺的汽水分離再熱器系統的建模過程。該模型可以實時、準確、全工況地模擬系統的工作過程及熱力特性。通過仿真結果分析可以得出以下結論：

1)穩態工況下的汽水分離再熱器系統的主要參數與設計值吻合，符合仿真要求；

2)降功率及切換備用疏水泵動態工況下的關鍵節點參數變化趨勢與理論符合較好, 為操作人員以及后續該堆型的動態參數變化驗證提供理論依據；

3) 汽水分離再熱器內部的動態流場仍需進一步仿真計算。