AP1000设备冷却水系统的仿真实现

2018-04-02黄秋兰谢政权

科技视界 2018年3期

黄秋兰谢政权陈杰

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉 430223）

0　引言

AP1000核电技术是从美国西屋公司引进的非能动压水堆核电技术，是我国第三代核电技术之一。AP1000设备冷却水系统（CCS）是闭式回路的冷却水系统，在电厂正常运行工况下，将各设备的热量传给厂用水系统。

本文介绍的设备冷却水系统（CCS）的模型采用美国GSE公司的JTOPMERET图形化建模工具组态而成。AP1000设备冷却水系统（CCS）的模拟范围为全模拟。设备冷却水系统（CCS）的模型集成在AP1000电厂全厂仿真模型即全范围模拟机之中，全范围模拟机通过满工况，变工况及事故运行工况等不同的运行状态来模拟真实电厂的运行。

1　流体系统建模的主要原理以及组成

1.1　流体系统建模遵循的主要方程以及计算的主要变量

流体系统建模遵循动量平衡、质量平衡以及能量守恒三大定律，对于气相以及液相均独立计算动量、质量以及能量方程。

动量方程：

质量方程：

能量方程：

流体系统主要计算压力、流量、焓、温度、热传递、气相浓度、沸腾和凝结率、浓度、反应性、电导率、可溶化学浓度等重要参数。

1.2　JTOPMERET的程序结构

JTOPMERET的程序结构，如图1所示，MST（主计算机同步任务管理，控制主计算机实时系统执行）以及SST（从计算机同步任务管理，控制从计算机实时任务执行）处于程序结构的顶端，驱动RTEXEC（实时执行，由MST或者SST驱动，用于模拟机模型间的集成执行）以及IEXEC（内部执行，用于实时多模型共同测试），均处于服务器层。工程师层有控制模块，控制模块控制各程序段，各程序段控制模型内各组件，组件由某些特定编码的子程序构成。

图1　JTOPMERET程序结构

1.3　JTOPMERET流体网络的主要组成

JTOPMERET流体网络主要由节点（node）、连接（link）、压力边界（pressure boundary）、流体边界（flow boundary）、热边界（heat boundary）、泵、风机、阀门、热交换器等组成。下面简要介绍节点以及流体通道的类型。

（1）节点（node）

JTOPMERET共有9种node，依次为常规型、汽轮机型、容器型、冷却塔型、热交换器壳侧型、热交换器管侧型、管道型、气体分离器、液体分离器型，设备冷却水系统主要应用常规型，容器型，热交换器壳侧型、热交换器管侧型。

（2）连接（link）

JTOPMERET共有3种link，依次为质量流量连接，热流量连接以及简单连接三种。其中质量流量连接用于连接节点，热流量连接用于连接热边界，简单连接用于连接各种测量仪表，如压力变送器，温度变送器等。设备冷却水的节点图运用了以上三种连接。

（3）边界（boundary）

JTOPMERET共有4种boundary，分别对应压力边界、流量边界以及热流量边界以及热节点边界。设备冷却水系统运用了压力边界，流量边界以及大量的热边界。

2　设备冷却水系统（CCS）建模

2.1　设备冷却水系统（CCS）系统介绍

设备冷却水系统（CCS）是在反应堆正常运行时和事故工况下，向一回路带放射性介质的设备提供冷却水、将其热量传至最终热阱、并避免放射性流体向环境泄漏的闭式水回路。系统设有两个机械系列，每个系列各有一台泵，一台热交换器。两个系列共用出口总管和入口总管（图2）。出口总管有一支管通向安全壳，以供水至主泵和下泄热交换器等设备，另有支管分组通向安全壳外的其他设备。安全壳内设冷水系统的运行压力高于安全壳的设计压力，以避免安全壳气体向系统的泄漏。设冷水正常供水的温度不超过35℃，最低温度不低于 15.6℃。

图2　AP1000设备冷却水系统（CCS）过程示意图

在入口总管上接有一个波动箱，波动箱能补偿设冷水温度变化引起的容积变化，并能补偿系统的泄漏。水箱的容积是按30分钟内泄漏率为11.36m3/h的补偿能力设计。波动箱根据低水位信号自动补水。闭式的冷却回路由波动箱通大气。为防止各用户传热面上积垢和减少腐蚀，系统需添加缓腐剂。

两台设冷水泵为卧式离心泵，每台的设计流量为2035m3/h，扬程为97.5m。两台设冷水热交换器为板式结构，板材为超奥氏体不锈钢（AL-6XN）、钛或相当材料。热交换器内设冷水的运行压力高于厂用水的压力，以防止厂用海水漏入设冷水系统。

2.2　故障的模拟

在设备冷却水系统中共模拟了8处破口泄漏故障，包括设备冷却水管板泄漏，设备冷却水波动箱箱体泄漏，设备冷却水泵出口母管破口泄漏，设备冷却水进安全壳母管泄漏，设备冷却水供主泵冷却水管泄漏，设备冷却水进辅助厂房母管泄漏，设备冷却水供空气压缩机管道泄漏，设备冷却水供主泵变频器管道泄漏。故障发生时，供水母管或供水支管破口下游流量降低，被冷却设备温度逐渐升高，回水温度升高，波动箱液位下降等系统响应。

2.3　设备冷却水系统节点图

按照设备冷却水系统P&ID以及过程示意图，根据JTOPMERET绘制原则，设备冷却水系统由94个节点，185条管线及设备组态而成。如图3所示。

图3　设备冷却水系统节点图

2.4　模型输入数据的准备

模型输入数据主要包括节点数据输入、link数据输入、边界数据输入、泵、风机、热交换器等部件的数据输入。下面将介绍节点、link以及泵的数据输入。

节点的数据计算形式及参数输入界面分别如图4和图5所示

图4　节点的参数计算

图5　节点的参数输入

Link的数据计算及参数输入界面如图6和图7所示。

泵的参数输入见图8所示。泵需要输入净吸入压头（NPSH），运行曲线以及压降，选取泵运行曲线上若干工作点，分别填入其压头以及对应的流量，完成泵的参数输入。

图6　link的参数计算

图7　link的参数输入

图8　pum p的参数输入

3　单系统测试

3.1　系统运行工况

设备冷却水系统主要有三种运行状态：

（1）100%功率正常运行状态；

（2）电厂停堆 4小时运行状态；

（3）故障运行状态。

3.2　设备冷却水系统的测试结果

表1和表2是通过Excel对设备冷却水系统的模型运算结果及偏差水平进行的实时监测，表3为故障瞬态实时监测。

表1　100%正常运行工况重要参数的测试结果及偏差

表2　电厂停堆4小时运行状态测试结果及偏差

表3　热交换器管板泄漏测试结果

设备冷却水系统运行时的最关键参数为系统的供水温度和流量，通过表1可以看到，100%正常功率运行时，一台设冷泵和一台设冷热交换器运行，供水流量设计值为585.8Kg/sec，温度为27℃左右，模型的计算值分别为 587.175Kg/sec，27.022℃，误差在 0.2%以内，满足误差要求。电厂停堆4小时后，余热排除系统在启用过程中产生大量的热量，此时设冷水备用泵和备用热交换器需要在余热排除系统启动前启动，以带走产生的大量的热量，通过表2可以看到其供水流量和温度均在2%的误差范围内，满足误差要求。

在故障测试中，选取的是热交换器管板泄漏的故障，正常运行时，系统的供水流量和回水温度分别为587.175Kg/sec，38.448℃，插入故障后，破口下游流量降低，由于设备热量不足以被带走而累积，回水温度逐渐升高，泄漏同时导致波动箱的液位逐渐降低。故障运行状态符合实际电厂设计的运行要求。