仿真中心實習報告

PAGEPAGE11核動力仿真中心實習報告2011年6月29日目錄TOC\o"1-3"\h\u19188一、系統(tǒng)仿真技術(shù)概述 3146371.1系統(tǒng)仿真技術(shù)概述 3264021.2系統(tǒng)仿真技術(shù)分類 319188二、核動力裝置運行方案 4146372.1冷卻劑平均溫度不變運行方案 4264022.2反應(yīng)堆出口溫度不變運行方案 4146372.3蒸汽壓力恒定運行方案 5146372.4折中運行方案 67077三、數(shù)據(jù)記錄表格 7146373.1額定工況時主要參數(shù)值 7264023.2變工況時主要參數(shù)值 87077四、仿真機運行方案分析 87077五、核動力仿真中心實習感受 11一、系統(tǒng)仿真技術(shù)概述1.1系統(tǒng)仿真技術(shù)概述以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)理論及其利用領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或假想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門新興綜合技術(shù)。物理仿真1.2系統(tǒng)仿真技術(shù)分類物理仿真按照仿真實驗中所取的時間標尺(模型時間按照仿真實驗中所取的時間標尺(模型時間)與自然時間(原型)時間標尺之間的比例關(guān)系按照參與仿真的模型的種類不同數(shù)學仿真物理-數(shù)學仿真(半物理仿真或半實物仿真)實時仿真超實時仿真欠實時仿真二、核動力裝置運行方案2.1冷卻劑平均溫度不變運行方案這種運行方案的特點是冷卻劑的平均溫度不隨裝置負荷變化。假設(shè)冷卻劑流量不變，反應(yīng)堆具有負溫度系數(shù)，核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)采用U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，則平均溫度恒定運行方案下的靜態(tài)特性如圖（1）所示。TpPs 0255075100圖（1）裝置負荷%由圖中曲線可以看出，隨著裝置負荷的變化，一回路測冷卻劑在反應(yīng)堆出口和入口的溫度呈線性變化，二回路側(cè)的蒸汽溫度也近似呈線性規(guī)律變化。當裝置負荷降低時，蒸汽溫度升高，因而蒸汽壓力也隨之升高。這種運行方案的主要優(yōu)點是，反應(yīng)堆在沒有外部控制時，反應(yīng)堆冷卻劑能夠自己穩(wěn)定在某一平均溫度，并可自動適應(yīng)功率的需要。例如，當裝置負荷增加時，蒸汽發(fā)生器出口冷卻劑溫度（反應(yīng)堆入口溫度）降低，引起平均溫度降低，由于反應(yīng)堆具有負溫度系數(shù)，導致堆芯反應(yīng)性增加，反應(yīng)堆由臨界狀態(tài)暫時成為超臨界狀態(tài)，輸出功率增加，使反應(yīng)堆出口冷卻劑溫度（蒸汽發(fā)生器入口溫度）升高，反應(yīng)堆又回到臨界狀態(tài)，而冷卻劑平均溫度則恢復到原來數(shù)值。由此可見，假如不考慮燃耗和中毒的效應(yīng)，在正常運行時可以不需要堆外控制系統(tǒng)，反應(yīng)堆只依靠負溫度系數(shù)就可以保持穩(wěn)定工作。該方案的另一優(yōu)點是壓力控制系統(tǒng)中的穩(wěn)壓器尺寸可以最小。由于運行過程中保持恒定，一回路冷卻劑體積隨負荷的波動最小，所以穩(wěn)壓器的體積可小一些。另外，該方案使裝置中熱應(yīng)力變化也變小，負荷響應(yīng)快，負荷波動后恢復到整定值所需要的時間也較少。這種運行方案的主要缺點是二回路側(cè)蒸汽參數(shù)隨輸出功率變化幅度很大，尤其是在低功率運行時，蒸汽壓力較高，要求二回路蒸汽管道、閥門、汽輪機等設(shè)備的承壓能力較高。船舶核動力裝置為滿足機動性的要求，工況變化較為頻繁，功率變化幅度較大，低負荷下運行的時間也較長，因此這種運行方案的缺點顯得更加突出。2.2反應(yīng)堆出口溫度不變運行方案這種運行方案的特點是反應(yīng)堆出口冷卻劑溫度不隨裝置負荷變化。在與恒定運行方案相同的假設(shè)條件下，核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)在恒定時的靜態(tài)特性如圖（2）所示。Tp Ps0255075100圖（2）裝置負荷%由圖中曲線可以看出，隨著裝置負荷的變化，、呈線性變化，也近似呈線性規(guī)律變化。隨著裝置負荷的降低，蒸汽壓力和溫度相應(yīng)升高。如果設(shè)計工況下的平均溫度與恒定運行方案相同，則在此運行方案下可使部分負荷時冷卻劑的平均溫度提高，二回路側(cè)蒸汽參數(shù)隨負荷降低而增高，二回路側(cè)蒸汽參數(shù)隨負荷降低而增高得更快。核動力裝置采用這種運行方案，在整個穩(wěn)定功率運行范圍內(nèi)反應(yīng)堆出口溫度都保持在某一固定的最大值，不會出現(xiàn)反應(yīng)堆出口溫度超溫的情況，可以很好地滿足反應(yīng)堆設(shè)計的熱工安全準則，同時對材料強度也是有利的。但是，由于變化較大要求穩(wěn)壓器尺寸也較大，而且反應(yīng)堆必須設(shè)置一個外部控制系統(tǒng)，以滿足功率水平改變的需要。這種運行方案的突出問題是二回路側(cè)蒸汽參數(shù)隨裝置負荷的降低升高很快，對二回路蒸汽系統(tǒng)和用氣設(shè)備的設(shè)計、運行要求顯著提高。2.3蒸汽壓力恒定運行方案上述運行方案的共同特點是二回路側(cè)蒸汽壓力隨裝置負荷的改變有較大的變化，這對二回路系統(tǒng)和用氣設(shè)備的設(shè)計、運行和管理都帶來一定的困難，因此提出了蒸汽壓力不隨負荷變化的方案，其靜態(tài)特性如圖（3）所示。TpPs 0255075 100圖（3）裝置負荷%由圖中曲線可以看到，隨著裝置負荷的降低，反應(yīng)堆進、出口溫度以及冷卻劑平均溫度也相應(yīng)降低。由于二次側(cè)蒸汽參數(shù)不變，給二回路系統(tǒng)和主要用氣設(shè)備的設(shè)計、運行和管理帶來許多方便。例如，可以不用蒸汽自動調(diào)壓閥來穩(wěn)定二回路蒸汽壓力，或不需要使用特殊要求的汽輪機；由于給水泵的揚程基本不隨裝置負荷變化，在不同工況下給水泵葉輪進出口的壓差基本不變，大大改善了給水泵的運行特性，不需要特殊設(shè)計。但是，在整個穩(wěn)定功率運行范圍內(nèi)的變化很大，由于溫度效應(yīng)而引起的堆芯反應(yīng)性擾動也較大，一方面要求穩(wěn)壓器具有更大的容積補償能力，重量尺寸增大；另一方面也要求反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)頻繁移動控制棒以補償堆芯反應(yīng)性的變化，給一回路系統(tǒng)的設(shè)計和運行帶來一定的困難。2.4折中運行方案圖（4）所示為冷卻劑平均溫度、冷卻劑流量按程序變化的一種折中運行方案。TpPs0255075100圖（4）裝置負荷%如圖所示，裝置負荷在50%FP時，冷卻劑流量降低為額定流量的1/2或1/3，隨裝置負荷的而減小而線性降低，使得二次側(cè)蒸汽壓力和溫度升高的幅度顯著減小。這種運行方案的提出，是因為前面所述幾種基本運行方案的優(yōu)點和缺點都過于突出，有的方案對一回路有利，給二回路的設(shè)計、運行帶來較大困難，有的方案則正好相反，主要限制因素是反應(yīng)堆出口溫度、冷卻劑平均溫度及二回路側(cè)蒸汽壓力變化范圍不應(yīng)太大。圖（4）所示的這種方案實際上是將設(shè)計、運行和管理的困難由一、二回路共同承擔，對于一、二回路都較為有利，但是增加了控制環(huán)節(jié)，增大了系統(tǒng)的復雜性。三、數(shù)據(jù)記錄表格3.1額定工況時主要參數(shù)值參數(shù)名數(shù)值參數(shù)名數(shù)值反應(yīng)堆功率907.93MW電站電功率302.20反應(yīng)堆入口溫度283.5反應(yīng)堆出口溫度306.80冷卻劑平均溫度295.15冷卻劑流量左：3611.2Kg右：3613.5Kg一回路系統(tǒng)壓力15.221MPa穩(wěn)壓器溫度356.55穩(wěn)壓器水位5.460蒸汽發(fā)生器水位10.479m主蒸汽壓力（SG出口）5.859MPa主蒸汽流量241.710Kg/s主給水溫度212.56主給水流量244.40Kg/s反應(yīng)堆出口過冷度49.75下泄流量2.93Kg/s離子交換器入口溫度40.74上充流量2.166Kg/s冷凝器溫度35.31冷凝器壓力5.42KPa3.2變工況時主要參數(shù)值電功率 參數(shù)300MW270MW240MW210MW冷卻劑平均溫度295.15295.10294.03292.17反應(yīng)堆出口溫度306.80305.92303.83300.66反應(yīng)堆入口溫度283.52284.40284.32283.57蒸汽壓力5.859MPa5.937MPa5.994MPa6.005MPa四、仿真機運行方案分析表1列舉了該壓水堆100%功率運行時的部分參數(shù)。由表1可知，滿功率運行時，反應(yīng)堆功率為907.89MW，而電站電功率為303.22MW，熱效率大約為30%。兩個環(huán)路的總蒸汽產(chǎn)量為486.939kg/s，而主冷卻劑總流量為7225.3kg/s。下泄流量為2.93kg/s，而上充流量為2.166kg/s，略小于下泄流量，差額應(yīng)為主泵軸封水流量。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的新蒸汽壓力約為5.8MPa。表2記錄了降功率過程的一些運行參數(shù)。根據(jù)表2繪圖如下。由以上兩圖可以看出，該運行方案降功率過程中，主冷卻劑溫度降低，新蒸汽壓力升高，但反應(yīng)堆冷卻劑入口溫度不變，可見是一種反應(yīng)堆冷卻劑入口溫度不變的折中方運行方案。采用冷卻劑平均溫度不變的運行方案時，反應(yīng)堆可自動適應(yīng)功率的調(diào)節(jié)，不需要外界引入過多的負反應(yīng)性。此外，穩(wěn)壓器的的體積波動較小，穩(wěn)壓器的尺寸可以適當減小。但是，二回路側(cè)蒸汽參數(shù)隨功率變化幅度很大，尤其是低功率運行時，蒸汽壓力較高，對設(shè)備的承壓能力要求較高。采用二回路新蒸汽壓力不變的運行方案時，二回路的壓力控制系統(tǒng)可以大大簡化，但是一回路的冷卻劑平均溫度會出現(xiàn)較大幅度的波動，由溫度變化引起的負反饋效應(yīng)較大，堆芯反應(yīng)性擾動較大，不利于反應(yīng)堆穩(wěn)定運行。由于以上兩種方案都有明顯的不足之處，在反應(yīng)堆實際運行過程中，并不直接采用以上兩種方案，而是采用折中運行方案。目前壓水堆使用的一種折中方案是選擇反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度和二回路新蒸汽壓力參數(shù)作適當變化，反應(yīng)堆冷卻劑入口溫度不變的方案。下面分析采用反應(yīng)堆冷卻劑入口溫度不變的折中運行方案時反應(yīng)堆的靜態(tài)變化趨勢。蒸汽發(fā)生器的傳熱方程為：①對于蒸汽發(fā)生器一回路冷卻劑：②式中，——蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)之間的平均傳熱溫差，℃；——蒸汽發(fā)生器換熱面積，m2；——傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；——二回路側(cè)飽和蒸汽溫度，℃;——主冷卻劑質(zhì)量流量，kg/s;——主冷卻劑比熱容，J/(kg·℃)——反應(yīng)堆冷卻劑出口溫度，℃；——反應(yīng)堆冷卻劑進口溫度，℃；由傳熱方程①我們知道，降功率過程中，減小，而不變，因此應(yīng)設(shè)法減小和。實際降功率運行時，主機閥門開度減小，短時間內(nèi)蒸汽產(chǎn)量不變，因而蒸汽壓力會有所升高；另一方面，對于一回路，穩(wěn)定時其傳熱負荷也相應(yīng)降低，對于方程②，變化不大，主冷卻劑質(zhì)量流量和反應(yīng)堆冷卻劑進出口溫差會減小。因此，在反應(yīng)堆進口溫度不變的情況下，冷卻劑出口溫度和平均溫度都會有所降低。這正好符合運行數(shù)據(jù)的變化趨勢，即降功率過程中，反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度下降，蒸汽壓力上升。五、核動力仿真中心實習感受我們學習了