凝汽器汽側和水側聯通管仿真研究

宋柯

（武漢市瑞思信息技術有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

凝汽器是核電站二回路最大的熱量中轉站，其穩定高效的運行為機組的安全及經濟性提供了保障。凝汽器的功能主要為將汽輪機的排汽冷凝成水供蒸汽發生器重新使用，以及在汽輪機排汽處建立真空和維持真空[1-4]。一般地，核電廠汽輪機由二個或三個低壓缸組成，每個低壓缸均連接一臺凝汽器。多臺結構和參數相同的獨立殼體冷凝器在汽側和水側各有聯通管相聯，用于保證各臺凝汽器的真空度基本一致，即保證各低壓缸的背壓基本一致，從而保證各汽輪機低壓缸轉子的出力均衡。

在對核電站凝汽器系統仿真建模的過程中，對冷凝器汽側和水側聯通管功能模擬的逼真度直接影響著對核電站二回路特性的模擬效果。

本文采用中核武漢核電運行技術股份有限公司RINSIM仿真平臺[5-6]，使用凝汽器部件分別對由2臺和3臺凝汽器組成的凝汽器系統進行仿真建模，采用2種不同建模方法對冷凝器汽側和水側聯通管功能進行模擬研究，利用模擬機在緊急停機、所有凝汽器真空破壞和喪失所有凝汽器循環冷卻水3種工況下仿真結果的對比分析，比較了2種不同建模方法對冷凝器汽側和水側聯通管功能模擬的優劣。RINSIM仿真平臺的仿真部件庫中有凝汽器部件，可用于單臺凝汽器的模擬。多臺凝汽器之間的聯通管的模擬一般用圖形化建模流網部件庫中的邊界、節點和連接管線部件來建模，此方法本文稱流網部件法。此外也可以根據汽側和水側聯通管功能編寫程序，以質量守恒和能量守恒為基礎迭代計算，實現多臺凝汽器汽側和水側的動態平衡，此方法本文稱程序法。一般電廠，不管是2臺還是3臺凝汽器，它們的壓力和液位基本保持一致，瞬態變化時保持同樣趨勢變化；參考某電廠調試報告和培訓教案可以確定，在緊急停機工況下，凝汽器壓力和液位先稍微下降后穩定；所有凝汽器在真空破壞工況下，壓力會上漲至跳機后最終到常壓，液位稍微上升；在喪失所有凝汽器循環冷卻水工況下，壓力和液位緩慢上漲。本文通過2種不同建模方法得出的仿真結果，并通過與真實變化趨勢相比較來判斷2種方法的優劣，從而選擇更好的建模方法為模擬機的建造提供更高精度的凝汽器系統模型。

1 仿真模型

在正常工況和瞬態工況下，當各低壓缸排汽、抽汽、疏水不一致，凝汽器系統的各凝汽器之間的汽側和水側質量和能量會出現不平衡的現象，這時冷凝器汽側和水側聯通管由于兩端壓差會出現汽、水的流動，從而起到平衡各凝汽器之間的汽側和水側壓力的作用。聯通管內流動是一種非穩態流動，使各凝汽器之間實現動態平衡，從而保證汽輪機各低壓缸背壓的一致均衡[7-10]。在RINSIM仿真平臺上對流網管線模擬時，管線存在節點和邊界。節點是一種假設介質均勻混合的介質流空間，邊界是參數獨立變化的介質空間，用來連接凝汽器內參數，邊界與節點連接形成管線，用來平衡各凝汽器的汽側和水側，使2臺凝汽器的壓力液位保持基本一致。程序法是通過兩兩凝汽器的汽側和水側質量和能量平均值迭代計算實現凝汽器之間的動態平衡。

1.1 流網部件法算法

圖1為流網管道的簡化模型， 和 表示模擬管道節點， 表示兩節點間流量。

圖1 管道 i -j

各守恒方程如下：

流量流向為i→j；m為節點質量；G為管道流量；τ為時間步長；L為管道長度；h為節點比焓；p為節點壓力；ρ為節點介質密度；Q為外熱源；R為內熱源；S為管道橫截面積；ξ為水力摩擦系數； 為管道壓降； 為管道前后節點高差；

由動量方程（3）求出管線流量，此為流量G的一元二次方程：

1.2 程序法算法

算出所有凝汽器的質量平均值，質量平衡則是本身質量加上計算頻率內的凈質量；能量平衡則是計算質量平衡后汽側或水側凝汽器的焓值；

汽側平衡時，存在不凝汽的質量平衡，也是通過各凝汽器內不凝汽質量計算出不凝汽平衡，從而達到汽側不凝汽平衡。

1.3 凝汽器模型輸入參數

參考某電廠凝汽器數據在RINSIM仿真平臺上使用該平臺凝汽器部件模擬電廠凝汽器系統，分別模擬2臺凝汽器部件和3臺凝汽器部件的系統，并且在RINSIM流網管線建立2臺和3臺凝汽器部件之間的汽側和水側平衡管線；凝汽器數據如表1所示。

表1 凝汽器參數

液位參數按照電廠運行經驗穩定在800～900mm之間。

凝汽器系統按照參數調節完成。對于流網部件法，本文利用RINSIM仿真平臺圖形化建模工具進行汽側和水側的聯通管建模。對于程序法，利用2.2節的算法程序模擬汽側和水側的聯通管功能。

2 仿真結果及分析

2.1 不同瞬態下3臺凝汽器參數對比

通過模擬電廠停機、所有凝汽器喪失真空和所有凝汽器喪失循環水的特殊工況，監視3臺凝汽器的壓力和液位，判斷3臺凝汽器的汽、水平衡是否穩定。

圖2和圖3分別是停機工況下兩種方法模擬3臺凝汽器平衡管線壓力和液位的表現，上下比較發現相較于程序法，流網法中3臺凝汽器壓力波動明顯，且液位趨勢明顯不一致。

圖2 停機工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（流網法）

圖3 停機工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

圖4和圖5為所有凝汽器喪失循環水工況下兩種方法在3臺凝汽器模擬中的比較；上下比較兩種方法壓力變化一致；流網法中3臺凝汽器液位的變現趨勢直接發散，最終很難平衡穩定，程序法中液位變化一致且穩定。

圖4 所有循環水喪失工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（流網法）

圖5 所有循環水喪失工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

圖6和圖7為所有真空閥破壞工況下兩種方法在3臺凝汽器模擬中的比較；流網法模擬3臺凝汽器平衡管線表現的壓力和液位都不平衡，3號凝汽器變化有明顯區別；程序法3臺凝汽器的壓力和液位一致變化。

圖6 所有真空閥破壞工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（流網法）

圖7 所有真空閥破壞工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

2.2 模擬2臺凝汽器參數比較

同樣通過模擬電廠緊急停機、所有凝汽器喪失真空和所有凝汽器喪失循環水的特殊工況，監視是2臺凝汽器的壓力和液位。

圖（8） 停機工況下2 臺凝汽器的壓力和液位變化（流網法）

圖8和圖9為停機工況下兩種方法的比較；上下比較兩種方法模擬2臺凝汽器平衡管線，所表現的壓力都有發散變化，但是程序法時間拉長最終收斂，流網法是持續發散不會平衡；流網法2臺凝汽器液位直接發散變化，程序法則保持一致。

圖9 停機工況下2 臺凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

圖10和圖11為所有凝汽器喪失循環水工況下兩種方法的比較；上下比較兩種方法表現的壓力變化一致；流網法2臺凝汽器液位慢慢發散；程序法液位保持一致變化。

圖10 所有循環水喪失工況下2 臺凝汽器的壓力和液位變化（流網法）

圖11 所有循環水喪失工況下2 臺凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

圖12和圖13為所有真空閥破壞工況下兩種方法的比較；上下比較發現，流網法模擬2臺凝汽器平衡管線表現的壓力和液位都不平衡，且2臺凝汽器壓力和液位都程發散變化；程序法3臺凝汽器的壓力和液位一致變化。

圖12 所有真空閥破壞工況下兩個個凝汽器的壓力和液位變化（流網法）

圖13 所有真空閥破壞工況下兩個個凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

2.3 結果分析

圖2～13是監視凝汽器在三種大瞬態工況下的壓力和液位變化；通過壓力和液位變化判斷各凝汽器之間的汽側和水側平衡是否穩定，確定程序法更能模擬出穩定的凝汽器模型。

流網模擬平衡管線時，為滿足平衡管線平衡兩邊凝汽器汽、水間的工藝要求，需要把管線的導納系數設置很大，假定管線流阻很小，來模擬實際電廠中的汽、水平衡管線；只要存在很小的壓差，管線就會計算質量和能量，管線一直處于動態平衡狀態；穩態時各凝汽器的壓力和液位變化很小，動態平衡可以維持，但是瞬態工況下每個凝汽器由各接口的輸入輸出存在不一致，壓力和液位變化較大，流網管線內的質量流量和壓力變化幅度很大，流網計算就會存在不平衡，導致各凝汽器狀態變化不一致；程序法的本質就是質量平衡，相當于將2臺或3臺凝汽器看成一個整體去內部計算，這樣更能保證凝汽器之間的穩定。

模擬2臺凝汽器的汽、水平衡瞬態變化時，相比于3臺凝汽器的汽、水平衡比較容易引起不平衡；2臺凝汽器的平衡管線更容易不平衡是因為不平衡是兩兩影響，這種影響只會讓不平衡發散；而3臺凝汽器平衡管線中，1個凝汽器是由2臺凝汽器的計算偏執影響，相對而言震蕩沒有兩兩惡性循環明顯。

各凝汽器壓力和液位變化在兩種模擬方法下表現趨勢基本一致，且與電廠數據趨勢相同，但程序法模擬的平衡管線讓各凝汽器表現狀態更加穩定一致。

3 結語

本文通過主流流網計算方法和質量能量平衡程序方法分別模擬2臺和3臺凝汽器部件汽、水平衡，相比較而言主流流網計算方法在計算極限壓差和管線流導時會存在偏差，質量能量平衡程序的方法在各瞬態極限工況下能比較穩定地反映凝汽器各相狀態，滿足實際電廠對凝汽器工藝現象要求，從而實現模擬仿真的目標。