第巧卷第期核科学与工程 !年月 核动力装置蒸汽发生器数值模拟计算秋穗正郭玉君张金玲苏光辉喻真烷贾斗南西安交通大学摘要建立了一个合理完善的核动力装置蒸汽发生器动态特性分析数学模型并运用方法对此模型求解研制了用于核动力装置蒸汽发生器稳定运行及扰动和事故工况下动态数值模拟的安全分析程序与大型程序运用此程序对秦山核电厂蒸汽发生器失去给水的事故进行了计算所得结果计算结果符合较好并对蒸汽发生器几种不同扰动序列的计算结果进行了理论分析关键词蒸汽发生器数学模型方法数值模拟引言核动力装置中反应堆产生的热量是由一回路工质通过蒸汽发生器传给二回路工质并产生蒸汽驱动汽轮机的蒸汽发生器是连接核动力装置一二回路的枢纽同时也是核动力装置的关键设备之一随着核动力事业的迅猛发展运用计算机对蒸汽发生器稳定运行及受到某种扰动和事故工况下各参数的瞬态变化进行数值模拟计算是当今蒸汽发生器安全分析的热点之一它可为蒸汽发生器的热工结构控制参数的优化设计以及事故工况下特殊措施的采取提供依据国外对蒸汽发生器热工水力程序的开发已经发展到三维稳态和瞬态分析程序且在不断完善如美国的等它几乎对所有自然循环和直流式蒸汽发生器都能计算国内已报道的蒸汽发生器稳态和瞬态计算程序都是一维的且其数学模型有待进一步完善川本文提出了一个合理的核动力装置蒸汽发生器瞬态特性分析的数学模型该模型考虑了蒸汽发生器正常运行及事故工况下所有可能发生的传热流动工况如该模型分别考虑了大流量和小流量工况下单相液体对流欠热沸腾饱和沸腾过渡沸腾膜态沸腾过热蒸汽等传热区域运用方法对其进行数学求解研制了一种使用方便可适用于蒸汽发生器稳定运行及事故工况下的动态数值模拟程序进行了比较运用此程序对核电厂蒸汽发生器事故工况及某些特定扰动下其主要参数的瞬态变化规律进行了数值计算和理论分析并与 !∀#程序计算结果 年月日收到 蒸汽发生器瞬态特性分析数学模型将蒸汽发生器划分为图所示的控制体从基本的质量动量能量守恒方程和一些基本的传热流动规律出发推导出用于蒸汽发生器瞬态特性分析的各参数的求解方程下面给出一些主要参数的求解方程二次侧区域压力方程〔,’〕豁一一一卜·一。,一。声争·」,‘…·一,〔珠一‘一次侧流体恰方程斋,」‘,,一粉爵了·了尸耸”夕‘,选刀一丁丁尸矛【户一,刁下寸口‘限同礴同吓魂回色巨一飞〕娜几日阿延叮月巨卜巨巨悴卜班只二次侧流体恰方程二次侧流体欠热段焙方程刁石丁口‘二下不户、尸一石丁艺办丁石勺尸气二次侧流体沸腾段焙方程晶。。,·‘一、,,〕一「百呀尸声讥萨巧〕图蒸汽发生器控制体结构简图浏 丁二次侧流体空泡份额方程刁反二日,于‘刁户长乙刁份适刁两刁从砚赴一一晶‘、一尸,。。,晶尸声产产户萨,一一〕式中二一。两声,之之少型管管壁温度方程刁刁 ,一。。」给水室恰方程一! 蒸汽发生器水位方程一一,一,人之加动、一〕,、、,入户瓮 一琳二二让少蒸汽发生器二次侧再循环流量方程一,‘。,一众聋瓮瓮·业、旦五一一手一甭·△一△以、甲了又。二少口蒸汽发生器入口腔室一次侧流体焙方程鲁夸‘旧一 ,’‘户旧肠’吵蒸汽发生器出口腔室一次侧流体焙方程一‘型管顶部上升段空泡份额方程一二二脚’一’·一。,,,蒸汽发生器数学模型求解及程序研制模型求解将蒸汽发生器二次侧流体分为欠热段欠热沸腾段和饱和沸腾段等几个控制体图则相应的方程分别为个方程分别为个加上方程则用于蒸汽发生器瞬态特性分析的数学模型的基本求解方程变为偏微分方程上述个,可以任意取值即型管传热区可分为任意个控制体本文取个偏微分方程的变量分别都是时间和空间的函数方程求解时对其作空间离散化处理即在每个控制体内认为各种变量只是时间的函数而与空间无关运用空间差分原理就可将以上个偏微分方程变成为常微分方程用于蒸汽发生器瞬态特性分析的上述十个常模块初始计算算设置起始步长误差限和迭代方式式微分方程的各个系数相差很大是一个刚性病态方程组选取了对于求解刚性方程组非常有效的向后差分法作为数值求解方法方法即程序研制根据蒸汽发生器的热工水力结构特点运行特性识才用数值计算方法模块计算数学模型的导数值在蒸汽发生器瞬态特性分析数学模型的基础上使用 !语言研制了核动力装置蒸汽发生器瞬态特性数值模拟程序其主程序包括蒸汽发生器稳态计算和瞬态计算两大部分稳态计算程序可对蒸汽发生器的热工结构及流动等参数进行优化选择瞬态计算程序可动态模拟蒸汽发生器正常运行及扰动和事故工况下的各种参数的变化特征这对蒸汽发生器的安全运行有指导意义果输出结果该程序完全为模块化结构除主程序模块外还包括数值方法模块物性计算模块传热传质水力学方程图计算程序流程简图等计算模块和其它辅助模块各模块之间衔接方便灵。 !∀! #∃%&∋(%)∗+ ,−.活便于移植和修改完善图2为程序流程图计算结果与理论分析应用该程序在PC计算机上对秦山核电厂的蒸汽发生器的瞬态特性进行了分析计算与理论分析表1列出了秦山核电厂蒸汽发生器的部分设计参数表1.Tabl秦山核电厂蒸汽发生器部分设计参数neratorinNPPPartsofdesigndataofsteamgeQ数数参一次侧压力力一次侧流量量数数值.152.3333329777.00222博位参蒸汽流量给水流量给水温度m11循环倍率率二二次侧压力力MPakg八U型管数目U型管外径径型管壁厚.000122值.2806.2806.4946.34.5722降位参数数值kg/skg/sKMPa蒸汽发生器水位位一次侧进口温度一次侧出口温度U型管平均高度度二次侧流通面积积.1047.5892.5611.8088.5633博m位KKnm2.41计算程序的验证应用秦山核电厂蒸汽发生器的设计参数对所建立的数学模型进行了校核计算图3图4分别表示了蒸汽发生器丧失主给水时蒸汽发生器的压力和水位变化曲线计算结果表明:程序的计算结果与大型计算程序RELAPS的计算结果符合较好在图5一图10中的长虚线表示了蒸汽发生器没有任何扰动时各参数的变化曲线计算结果显示了当蒸汽发生器稳定运行时其各参数全都保持不变之间衔接可靠以上计算结果表明了程序的数学模型合理正确及程序中各模块0芝只己田.图3丧失主给水事故蒸汽发生器压力曲线.05offeedwaterFig3Presureres即nseafter1图4故蒸汽发生器水位曲线.丧失主给水事nsteamgeneratorresnseafterloFlg4WaterlevelissofoPeedwaterf—本文模型…REIAPS—本文模型……REIA」程序应用及讨论一0是3种不同扰动对秦山核电厂蒸汽发生器的几种扰动工况进行了分析计算图5图15工况下蒸汽发生器部分参数的变化规律第1种工况是当蒸汽发生器稳定运行100时给水时给水温度降低30℃(实线);第2种工况扰动序列与55%5%第1种工况相反即当蒸汽发生器稳定运行100时给水增加1时负荷增加1减少巧%0时负荷减少巧%000.月乏-.粗长娜000200300400.8时间时间图5蒸汽发生器水位曲线第一种工况;-图6;--一蒸汽发生器二次侧流量曲线—4005.onofwaterlevelinsteamFig5Variatitor一第二种工况第三种工况-genera-第一种工况;一第二种工况;--一第三种工况.ationofflowrateofseeondarysiFig6Varidein—steamgenerator时给水温度增加30℃(短虚线);第3种工况是不施加任何扰动(长虚线)对于第1种扰动工况给水流量减少时给水室水位下降(图5)使其二次侧再循环回路的驱动压头降低自然循环流量减小(图6)因而U型管传热区的含汽率增加(图7)二次侧的压力也增加(图8)一二次侧换热温差有所减小蒸汽发生器的功率因子有所降低(图9)给水室焙上升又趋于5%时压力升高(图8)二次侧饱和温度增加一二次侧换平衡(图10);当外负荷突然减少1给水室焙升高(图10)此时给水流量与蒸汽流量达到新的5平衡故其水位和再循环流量基本不变(图5图6);当在400给水温度降低时给水室焙减小)热温差减小功率因子减小(图9二次侧压力也下降(图8)压力下降又导致一二次侧换热温差增大使得蒸汽发生器的功率因子增加(图9)第2种扰动工况的特性曲线(短虚线)正好与第1种扰动工况特性曲线(实线)相反这说明对以上3种工况蒸汽发生器的部分参数的变(图10)使得含汽量减小(图7)0白芝田只..10鱿如铃时间时间.图7—.ig7F-第一种工况;蒸汽发生器汽水分离器含汽率曲线;-一第二种工况图8蒸汽发生器压力曲线--第一种工况;一第二种工况;一第三种工况onofqualityofseeondarysideinVariatiseParatorinsteamgenerator—.Fig8一第三种工况onofpressureofseeondarysiVariatideinsteamgenerator293l4628006称哥小胶00O00月f\\救一一-~了100200劝。一劝石劝。一扇时间000000时间.:不又厂卜弧了一丽O图9—.Fig9-第一种工况;蒸汽发生器功率因子曲线;--一第二种工况图10第三种工况蒸汽发生器给水室焙曲线一ationofpowerfaetor济steamVarigen-—.ig1F---第一种工况;一第二种工况;第三种工况ationofenthalpyoffeedwaterin0Varisteamgeneratorerator化规律可给出合理的理论解释5结论1在基本的质量动量能量守恒方程的基础上充分考虑蒸汽发生器在正常运行及事故情况下的各种传热流动工况可以建立一个合理完善的蒸汽发生器瞬态特性分析的数学模型〕对秦山核电厂蒸汽发生器丧失主给水本程序计算得的压力和水位变化与大型计算程序RELAI的对应结果符合较好;对几种扰动工况的计算结果给出了满意的理论分析从而5恰当地表明本模型和程序的正确性此程序采用模块化结构使用方便适用微机便于移植和完善符号意g符马表意定压比热义符AHLTW意面积.人义单m2目/kgmKkg/s单位焙水位温度流量含汽率PC密度管壁热容意fwwfakg/m3J/(kgknixe下义标产p9s1给水辅助给水下降段进…重力加速度J/(kgk护qkV热导率线功率密度体积速度空泡份额kw八m单位长度质量压力下压降尸_之玉尸kg/mkPakPa意局部标义口1(犯出口摩擦U型管管壁释放安全阀汽水分离器U型管顶部匕|tsR屹DR液体气体一次侧二次侧饱和上升段蒸汽空间蒸汽漂移流294参考文献.核动力工程巧(4)..郭玉君核动力系统热工水力分析程序的研制与应用博士学位论文西安交通大学内部资料熊扬恒.核电站蒸汽发生器研究设计中的几个问题.一TubeSteamGeneratorinNueearowlPerPlant.MutipaselhFlowandHeatTranserfTrhidIntenrat即slum〕UNAN(Xi悦rsensaer.iththeGear囚dithippW
