快堆电厂旁路系统建模与仿真

祁琳++王晓坤++杨晓燕++赵守智

摘 要：该文以示范快堆电厂的旁路系统为研究对象，按汽轮机100%甩负荷、反应堆不停堆和安全阀不动作的要求，设计了100%MCR的汽轮机旁路系统，建立了旁路系统仿真模型，并且利用设计数据对仿真模型进行了验证。在各个快速甩负荷工况下，该模型的计算结果均与预期相符，该模型能够很好地反映旁路系统的工作过程。该模型作为快堆核电站全工况机理仿真模型的一个重要组成部分，为机组启、停和特殊变工况的模拟研究奠定了基础。

关键词：示范快堆 旁路系统 快速甩负荷 仿真

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（c）-0008-03

Modeling and Simulation of Bypass System in Fast Reactor Power Plant

Qi Lin Wang Xiaokun Yang Xiaoyan Zhao Shouzhi

（China Institute of Atomic Energy， Beijing， 102413， China）

Abstract： The research object of this paper is the bypass system of China Demonstration Fast Reactor. In this paper， 100% MCR steam turbine bypass system is designed according to the requirement of 100% cut back of the steam turbine， non-stop reactor and non-operation of the safety valve. A bypass system simulation model is established， and the simulation model was validated by design data. Under the conditions of fast cut back， the calculated results of this model are in line with the pre-judgment， so the model can reflect the working process of the bypass system very well. This model is an important part of the whole working condition mechanism simulation model of the fast reactor nuclear power plant， which lays the foundation for the simulation study of the unit start up， shutdown and special variable conditions.

Key Words： China Demonstration Fast Reactor； Bypass system；Fast Cut Back； Simulation

旁路系统作为汽轮机启停阶段工作的重要辅助装置，其工作性能的优劣直接关系到系统的安全运行，因此对旁路系统展开仿真建模，深入研究其工作特性有着重要的意义[1]。

在快堆电站中，反应堆对负荷的适应性跟不上汽轮机对负荷的适应性。当电网需要核电厂大幅度降负荷时，汽轮机能够很快关闭调节阀，降低输出功率，但是反应堆不能大幅降功率，蒸汽发生器的热功率也不会大幅度变化，因而在核岛和常规岛之间产生了一个功率差，蒸汽发生器二次侧加热的蒸汽流量大于汽轮机输入的蒸汽流量。汽轮机旁路系统的功能就是提供一个人工负荷[2]，平衡核岛和常规岛之间的功率差，将多余蒸汽排向凝汽器、除氧器或大气，保证反应堆安全运行。

中国示范快堆是一台热功率为600 MW的快中子反应堆，由于其三回路汽轮机负荷变化的速率往往比二回路大，所以快堆電厂对旁路系统的要求比火电厂高，其旁路系统与常规火电厂的旁路设置有所不同。百万级超临界火电厂的一般采用高低压两级串联旁路，主要用于启停机、甩负荷和保护再热器；而核电站汽轮机旁路则采用一级大旁路，压水堆电站中设计的汽轮机旁路容量普遍为85%MCR，大气释放阀排放容量为15%MCR；示范快堆的顶层设计文件中要求：核电厂对汽轮机紧急停机应有如下能力，一台汽轮机从等于或低于100%的额定功率紧急停机不会使反应堆紧急停堆，也不应通过大气排放阀的排汽达到此能力[3]，因此，该研究不能沿用以往适用于压水堆核电厂的设计，需设计100%MCR容量的旁路系统。

1 旁路系统仿真模型

1.1 旁路系统容量设计

核电站旁路系统设计一般有以下几种：（1）采用全部排向凝汽器的方式，这种设计方式系统简化、可靠性高，但是造成凝汽器换热面积的增加，会引起投资增加；（2）采用排向凝汽器和大气的方式，这种方式在国内外已有较成熟的经验，但是不能够回收全部工质；（3）采用排向凝汽器和除氧器的方式，能够回收全部工质，但是容易引起除氧器超压。

鉴于示范快堆的除氧器使用混合式高压除氧器，有除氧头，不会发生蒸汽从底部上涌；且容量较大，约200 t，不易引起水位过高。因此，该研究选择第三种方式，在不开启大气释放阀的情况下，凝汽器承担72.6%MCR的旁路蒸汽排放量，设有旁路减压阀和喷水减温装置以满足凝汽器运行条件；除氧器承担其余的旁路蒸汽排放量，设有旁路减压阀以保证除氧器不超压。

1.2 旁路系统建模

旁路系统由多个管道、阀门和喷水减温器构成。首先对设备进行建模，掌握关键设备的运算机理，然后将所有设备连接起来成为系统模型。

1.2.1 喷水减温器数学模型

喷水减温器是热电厂和核动力装置汽轮机旁路系统中的重要设备，其工作性能的优劣直接关系到系统中其它设备的运行与安全。对喷水减温器工作特性的深入研究有着重大的实际意义。喷水减温器的工作原理是将经过喷嘴雾化后的减温水直接喷入过热的蒸汽流，减温水滴从过热蒸汽流中吸收热量，使水升温、蒸发和过热，从而使蒸汽的温度降低，达到调节过热汽温的目的；其基本思想是要使喷入蒸汽的减温水尽快的汽化，使蒸汽的降温过程尽可能在最短的行程内完成[4]。

喷水减温器的工作原理如图1所示，其中Gg、hg、tg分别代表入口蒸汽的质量流量、焓值和温度；Gw、hw、tw分别代表入口减温水的质量流量、焓值和温度；G、h、t表示出口蒸汽的质量流量、焓值和温度；Qm表示减温器壁面与流体间的换热量[5]。

依据减温器的工作原理、质量守恒定律和能量守恒定律可以建立其数学模型。假设：（1）减温器内工质只沿轴向作一维运动；（2）各个进出口的截面上工质的物性参数分布均匀；（3）减温器截面均匀无变化；（4）在两相区，汽、水均匀混合，且流速相同；（5）对于金属壁面，仅沿径向传热，而忽略轴向传热，忽略径向温度梯度；（6）忽略由于速度变化引起的动能和摩擦功；（7）整个系统对外界绝热；（8）忽略沿程阻力损失[6]。

以蒸汽出口参数为集总参数列微分方程：

（1）质量守恒方程：

式中，V为喷水减温器的容积；ρ为出口蒸汽密度，τ为时间。

（2）能量守恒方程：

（3）壁面传热方程：

式中，α为壁面与工质之间的对流换热系数，A为壁面换热面积，tm為换热壁面的平均温度，ti为参与换热的流体定性温度。

（4）管道壁面的换热方程：

式中，cm为壁面金属的比热容，mm为参与换热的壁面金属的质量，tm为壁面的平均温度，Qg为单位时间内蒸汽的放热量，，Qw为单位时间内减温水的吸热量，。

该文中设计减温器工作压力为，100%甩负荷时，流入凝汽器旁路的减温前蒸汽参数为；减温水参数为；最终流入凝汽器的蒸汽温度应低于80℃。

1.2.2 基于vPower的图形化建模

该文以vPower仿真软件为平台，采用图形化建模方法对示范快堆旁路系统进行建模，并辅以必要的控制系统，如图2所示。

2 快速甩负荷过程仿真

利用上述仿真模型，进行快速甩负荷（简称FCB）的工况仿真，该文中选取额定工况下甩50%负荷、70%负荷、100%负荷这三个瞬态工况进行仿真计算。汽轮机在额定工况运行中突然甩负荷，发电机的输出功率瞬间下降，由于不考虑蒸汽管道和汽机本体的中间容积蒸汽的作用，因此转速不会短暂升高而是直接降低或停转，此时进入凝汽器和除氧器的蒸汽流量会迅速减少，其工作压力也迅速降低。随着旁路阀的开启（除氧器旁路阀从全关到全开需2 s，凝汽器旁路阀从全关到全开需2.5 s），进入凝汽器和除氧器的蒸汽流量会迅速增加，并且在压力控制系统的作用下逐渐趋于稳定。这三个过程中凝汽器和除氧器的瞬态参数变化见图3和图4。

由图3和图4可以看出，各甩负荷过程中凝汽器和除氧器参数的变化均符合预判，并且甩负荷越多的工况参数变化越大且趋于稳定的时间越长，这也符合运行经验。

3 结论

（1）该文首次针对示范快堆电厂选择了旁路容量，设计了旁路系统。

（2）在充分掌握关键设备数学模型的基础上，利用vPower平台建立了旁路系统的仿真模型。

（3）通过该模型对旁路系统进行快速甩负荷工况的模拟计算，得到的关键参数的变化规律比较合理，可以指导设计和运行。

（指导老师：赵守智）

参考文献

[1] 聂雨，张燕平，黄树红，等.汽轮机旁路系统仿真建模[J].热能动力工程，2013，28（4）：336-340.

[2] 金王贵.压水堆核电站二回路热力系统的设计特点[J].动力工程，1987（2）：12-14.

[3] 快堆核电厂用户要求（顶层设计要求）[Z].2014.

[4] 宁德亮，庞凤阁，高璞珍.喷水减温器动态仿真模型的建立及其解法[J].核动力工程，2005（3）：280-283，290.

[5] Sang Hyuk Lee， Jaesop Kong， Jin H. Seo. Observers for Bilinear Systems with Unknown Inputs and Application to Superheater Temperature Control[J].Control Eng Practice， 1997，5（4）：493-506.

[6] 倪维斗，徐向东.热动力系统建模与控制的若干问题[M]. 北京：科学出版社，1996.