核电站蒸汽发生器的建模及仿真

机运转产电。其一、二回路流程图如图 1 所示。
图 1Байду номын сангаас核电站工质流程图
2 蒸汽发生器的工作原理和流程
一回路的载热剂从蒸汽发生器的底部进入入 口水室，然后流经传热管并将热量通过传热管传 递给二回路工质。传热管即 U 形管的传热特性决 定了整个蒸汽发生器的传热特性，是蒸汽发生器 的核心组件。二回路的水从蒸汽发生器上部给水 接管流入蒸 汽 发 生 器， 沿 管 体 流 到 底 部， 再 折 回 从管体中部流回上部。在这个过程中二回路工质 通过 U 形管壁吸收一回路载热剂的热量产生蒸汽， 以汽水混合物的形式流入蒸汽发生器上部的汽水 分离器。汽水 混 合 物 经 过 两 级 汽 水 分 离 器， 分 离 出蒸汽。此时蒸汽湿度低于 0. 25% ，再经过干燥 器干燥，成为主蒸汽流出蒸汽发生器去推动汽轮 机做功。汽水分离器分离出的水流回给水接管处 继续加热。
核电站蒸汽发生器的建模及仿真 张 腾，等
核电站蒸汽发生器的建模及仿真
Modeling and Simulation of steam generator in Nuclear Power Plant
张 腾 张海霞
祁小兵
（ 华北电力大学控制与计算机工程学院 河北保定 071003）
［摘要］ 针对立式 U 型自然循环蒸汽发生器进行建模与仿真研究。采用集总参数法，依据均相模
型的有机结合即构成蒸汽发生器的整体模型。
3． 1 模型的初始假设
本文采用均相模型来描述蒸汽发生器的流动
特性： 定义两相混合物的平均参数，把两相流当
作遵循单相流体基本方程的流体。
均相平衡模型的基本假定是：
1） 两相有相同的线速度；
2） 两相之间处于热力平衡；
3） 使用确定的单相摩擦系数。
3. 2 一次侧的数学模型
[ ( ) ( ) ] Qx1 = αllg
Al
Tml
－
T1
+ 2
T3
+ Ar
Tmr
－
T1
+ 2
T3
（ 13）
饱和工质吸热：
[ ( ) ( ) ] Qx2 = αCHEN（ l － lg）
Al
Tml
－ T2
+ T3 2
+ Ar
Tmr
－ T2
+ T3 2
（ 14）
总吸热量为：
Qx = Qx1 + Qx2
［8］ Vladimir D Stevanovic，Zoran V Stosic． Horizontal Steam Generator Thermal － Hydraulics at Various Steady － State Power Levels ［C］． Proc 10th International Conference on Nuclear Engineering，ICONE ～ 10，2002
图 2 蒸汽发生器分段示意图
图 2 中的 M 表示金属壁，P 表示一回路。
给水室、 下 降 通 道 的 工 质 为 单 相 液 态 非 吸 热
段； 二次 侧 一 /二 段 为 吸 热 段，分 别 经 历 过 冷 吸
热、饱和吸热和沸腾吸热； 汽水混合物不吸热段
为上升段； 单相汽态不吸热段为蒸汽室。
据此划分，可 分 别 建 立 各 段 的 模 型， 各 段 模
一次侧 工 质 在 主 泵 的 驱 动 下 流 经 反 应 堆， 经
过堆芯带走核燃料组件裂变过程中产生的热量。
此区域模型主要考虑一回路载热剂与金属壁
的传热，四个区段的机理相同。
回路工质的能量守恒方程：
M
=
dh2 dt
=
G
（ h1
－ h2 ）
－ Qc
（ 1）
金属壁能量守恒方程：
MmCm
=
dTm dt
=
能量守恒方程：
M
dhft dt
=
Gse
（ hdc － hft ）
+ Q1
（ 7）
式中： hdc———入口工质焓值；
hft ———出口工质焓值。
[ ( ) ( ) ] Q1 = αl
Al
Tml
－
T1
+ 2
T2
+ Ar
Tmr
－
T1
+ 2
T2
（ 8）
Pout1 = Pout － ρgl － k2 λ2 G2se
k———管道结构参数；
λ———流阻系数。
3. 3 二回路流量计算模型
槡 Gse =
| Syd | ∑ki λi
（ 5）
Syd = h ρxjg － ∑hi ρi g
（ 6）
式中： Syd———驱动压头；
G se ———二回路的循环流量；
∑ki λi ———二回路工质总流阻。
3. 4 二回路一段的数学模型
Qc
－
Qx
（ 2）
一回路传热量计算如下：
Qc = αl Ap，th l （ Tp － Tm ）
（ 3）
Tp
=
T1
+ 2
T2
P2 = P1 － ρgl － kλG2
（ 4）
式中： h1 、h2 ———控制体的入口焓值、出口焓值；
G———工质流量；
M———控制体内工质总质量；
M m ———金属质量； C m ———金属比热，本文 建 模 时 假 设 其 值
— 22 —
［7］ Fodil M S，Siarry P，Guely F，et al． A Fuzzy Rule Base for the Improved Control of a Pressurized Water Nuclear Reactor ［J］． IEEE － FS，2000，8 （ 1） ： 1 ～ 10
（ 11）
式中： hs———饱和水焓值。
3. 5 二回路二段的数学模型
在这个区段中会得到饱和水并产生少量的蒸
汽，因此会出现一些特性参数，如干度 x 和空泡份
额 α。其中空泡份额是气液两相流动的基本参数之
一，在核 反 应 堆 中， 该 参 数 对 堆 芯 的 稳 定 性、 堆
芯中子动力学和传热特性以及运行的安全性产生
压水堆核电站立式 U 型蒸汽发生器仿真模型 示意图如图 3 所示。
改变初始状态下的给水 流 量 进 行 仿 真 实 验， 以对模型的 适 应 性 进 行 检 验。 在 实 验 中， 先 让 模
改变一次侧载热剂的初始流量进行动态仿真 实验，以对模型的适应性 进 行 检 验。在 实 验 中， 先让模型稳定运行一段时间后，在其他条件不变 的条件下，使 一 回 路 载 热 剂 流 量 增 大。 一 次 侧 载 热剂流量的响应曲线如图 7 所示，得到水位和蒸汽 流量的响应曲线如图 8 所示、蒸汽压力的响应曲线 如图 9 所示。
［4］ 蒸汽发生器编写组． 蒸汽发生器 ［M］． 北京： 原子能 出版社，1982
［5］ 杨晨，唐胜利，何祖威． U 型管蒸汽发生器数学模型的 建立及其 仿 真 研 究 ［J］ ． 系 统 仿 真 学 报，1999，11 （ 3） ： 168 ～ 171
［6］ 刘敏珊，刘彤，董其伍． 蒸汽发生器 U 形传热管动态 特性影响因素分析 ［J］ ． 核动力工程，2008，29 （ 2） ： 43 ～ 47
（ 15）
4 蒸汽发生器模型的建立与仿真
型稳定运行一段时间后，在其他条件不变的条件 下，使给水流 量 减 小 做 动 态 扰 动 试 验， 给 水 流 量 变化的响应曲线如图 4 所示，得到水位和蒸汽流量 的响应曲线如图 5 所示、蒸汽压力的响应曲线如图 6 所示。
在 STAR-90 仿真支撑系统可视化图形建模环 境下，用编制好的算法和图元搭建蒸汽发生器仿 真模型。
为恒定值；
Qc ———一回路传热量； Qx ———二回路吸热量，由二回路吸热区
段计算获得；
Tp ———一次侧载热剂的平均温度； Tm ———金属壁温； αl———液相传热系数，由换热公式 Dit-
tus － Boelter 计算得到；
Ap，th ———一回路单位长度换热面积； l———一回路控制体的长度；
— 21 —
《仪器仪表与分析监测》2011 年第 4 期
相一致，表明 该 模 型 具 有 一 定 的 使 用 价 值。 另 外 由于采用了模块化方法，此蒸汽发生器也可作为 一个系统被调用。
5 结论
从以上仿真实验的响应曲线可以得到如下结 论： 该数学模型和仿真程序能在 STAR － 90 仿真支 撑软件上实时运行，仿真曲线与实际运行变化规律
很大的影响。
此段工 质 的 存 在 方 式 是 汽 水 混 合 物， 假 定 汽
水混合物中汽水两相的流速是相同的，则混合物
的体积应为汽水两部分体积相加之和。此段的基
本方程见式 （ 12） ～ 式 （ 15） 。
能量守恒方程：
M
dhft dt
=
Gse
（ hft － hro ）
+ Qx
（ 12）
欠饱和工质吸热：
3 蒸汽发生器的数学模型
根据蒸汽发生器的工作特性宜采用分段集总 — 19 —
《仪器仪表与分析监测》2011 年第 4 期
参数法建立式 U 型蒸汽发生器的过程数学模。将 其划分为几部分，说明如下：
二次 侧， 分 为 给 水 室、 下 降 区 段、 二 次 侧 一 段、二次侧二段、上升段、蒸汽空间六部分； 一 次侧，沿流程依据二次侧不同区段的换热分为四 段； 金属侧，依据一次侧分为四段。分段示意如 图 2 所示。
型的基本假设，给出了各个部分的数学模型。基于 STAR-90 仿真支撑系统得到系统的仿真模型，并进行
实时动态仿真实验，验证了此系统模块化模型的合理性。
［关键词］ 蒸汽发生器； 核电； 仿真
［中图分类号］ TL48
［文献标识码］ A
引言
我国国民经济的快速发展拉动了能源需求的 快速增长，世 界 能 源 组 织 给 出 的 最 新 报 告 的 结 论［1］： “核能是唯一可替代煤、石油、天然气等燃 碳物质，并可满足作为电力基本要求的能源”。
参考文献
［1］ 舒申． 我国核电产业的发展现状和前景 ［J］． 中国高 校科技与产业化，2004，9： 68 ～ 70
［2］ 宋京凯，郭海红，姚祺峰等． 蒸汽发生器工作过程建模及 仿真分析 ［J］． 核科学与工程，2007，27 （ 1） ： 27 ～ 31
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（ 9）
— 20 —
核电站蒸汽发生器的建模及仿真 张 腾，等
式中： 下标 l、r———此段相接触的左侧和右侧；
A———单位长度换热面积；
Tm ———金属温度； Q1 ———此段的吸热量。 达到饱和态所需要吸收的热量：
Q0 = Gse （ hs － hdc ） 则欠饱和段的长度为：
（ 10）
lg
=
Q0 l Q1
蒸汽发 生 器 是 核 电 站 核 岛 的 核 心 装 置， 它 的 性能直接影响到整个核电站的安全与经济运行。
本文采用集总参数法建立立式 U 型管蒸汽发 生器模型，在 STAR-90 仿真支撑平台上构建其仿 真模型。
1 压水堆核电站蒸汽产生机理
在压水堆核电机组中反应堆产生的热量由一 回路载热剂携带通过蒸汽发生器与二回路循环水 对流传热，以 此 来 产 生 蒸 汽。 汽 轮 机 则 是 通 过 将 蒸汽所携带的热能转化为机械能，进而转化成电 能，因此， 蒸 汽 质 量 的 好 坏， 直 接 影 响 汽 轮 机 的 运行及安全 状 况。 在 压 水 堆 核 电 站 中， 蒸 汽 发 生 器的 U 型管作为换热介质，将载热剂携带的热量 传递给二回路工质，最终产生饱和蒸汽带动汽轮
我国核电技术的发展方针是 “积极推进核电 建设”，并且已自主实现了 60 万千瓦压水堆机组 设计国产化，基本掌握了百万千瓦压水堆核电厂 的设计能力，自主研发了 CNP1000 以及改进了法 国的 M310 技术。国家的长期科技发展规划为重点 开发第三代 核 电 技 术， 积 极 跟 踪 第 四 代 技 术， 掌 握较多的设计资料，积累大型核电站的工程建设 和项目管理经验，提高国产化的能力。