AP1000设备冷却水系统的仿真实现

黄秋兰　谢政权　陈杰

【摘 要】AP1000核电站采用AP1000全范围模拟机，所有电站模型按照系统类型与建模工具的不同可以划分为堆芯系统、一回路热工水力系统、气液两相流体系统、气体或者液体单相流体系统、仪控系统以及电气系统。本文主要介绍AP1000电站流体系统的建模原理和仿真过程，以AP1000设备冷却水系统为例，使用GSE公司的图形化建模工具JTOPMERET对建模和仿真过程进行说明。

【关键词】AP1000；设备冷却；建模；仿真

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）03-0227-003

AP1000 Component Cooling Water System Simulation

HUANG Qiu-lan XIE Zheng-quan CHEN Jie

（Nuclear Wuhan Nuclear Power Operation Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430223， China）

【Abstract】The AP1000 plant adopts full scope real time simulator， all the plant models divide into reactor core models， primary hydraulic fluid system， gas and liquid two phase fluid system， gas or liquid single phase fluid system， instrumentation and control system and electric system. This article mainly introduces the philosophy of the AP1000 plants fluid system modeling and process of the simulation， takes the Component Cooling Water System as an example， using the GSE companys graphic modeling tools JTOPMERET to explain the process of the modeling and simulation.

【Key words】AP1000； Component Cooling； Modeling； Simulation

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。

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務执行）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。

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℃。

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。

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。

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。

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

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，溫度为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。

4 小结

本文介绍了基于JTOPMERET针对设备冷却水系统的仿真模型及测试结果，设备冷却水系统的运行状态符合电厂设计数据要求，较真实的反应了实际电厂运行的各种工况，各回路管线的流量、温度、节点压力，箱体液位等参数与设计参数之间误差均在容许范围内，达到模型设计要求。

【参考文献】

[1]Richard H.Hill.Simulation，emulation， &translation;， Simulation eb1968； vol.10：pp.81-84.