非能动余热排出系统瞬态分析_臧希年

ISSN 1000-0054CN 11-2223/N

清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2000年第40卷第10期

2000,V o l.40,N o.106/33

2023

非能动余热排出系统瞬态分析

臧希年,　黄　冰,　郭卫军

(清华大学工程物理系,北京100084)

收稿日期:1999-09-09

作者简介:臧希年(1946-),男(汉),河北,教授。

文　摘:针对现有的一些大型电站系统分析程序在处理非能动余热排出系统不方便的问题,开发了一种简便的分析工具—SGSP RHR 程序,用来分析全厂断电事故发生后反应堆3个回路的瞬态行为。该程序对汽水回路使用一维漂移流模型,而对一回路和空气回路使用单相流体模型,采用非线性二阶算法求解刚性方程组。计算结果表明:烟囱高度增加,空冷器面积增大,冷热芯高差增加均使系统的排热能力增强。计算结果与理论分析相一致。

关键词:核动力堆;自然循环;余热排出;瞬态分析中图分类号:T L 364

文献标识码:A

文章编号:1000-0054(2000)10-0020-04

核动力堆的余热排出对核电厂的安全至关重要。现有的核电厂专门设计余热排出系统履行这种安全功能。该系统中,若能靠自然循环排出余热,系统就具备了固有的安全性;若采用强迫循环,应急电源是不可缺少的。本文所分析的系统有三重回路,能量与动量传递之间存在强烈的耦合作用,用现有的一些大型电站系统分析程序象RET RAN ,RELAP 等处理这类问题往往要花费大量的人力和时间。为此,本文作者开发了一种简便的分析工具—SGSPRHR 程序用来分析全厂断电事故发生后的瞬态行为。结果表明,系统可以按期望的要求排出衰变热。此外,还对对排出余热能力有较大影响的参数如冷热芯高差、烟囱高度和空冷器传热面积作了敏感性分析。

1　系统描述

非能动余热排出系统的流程图见图1。它由3个回路组成:a )反应堆冷却剂系统,此系统将堆芯的衰变热传给蒸汽发生器二次侧;b )由蒸汽发生

器、空气冷却器和应急给水箱等组成的汽水回路;c )空气回路。

图1　非能动余热排出系统流程图

全厂断电事故发生后,保护系统实行紧急停堆,汽机关闭。蒸汽发生器二次侧压力上升,安全阀开启;同时应急给水箱隔离阀打开向蒸发器补水。给水吸收热量后蒸发,蒸汽流经空冷器凝结成水,凝结水靠重力回到蒸汽发生器,在烟囱中被加热的空气上升,冷空气进入烟囱。衰变热在此循环中被排到环境。

2　数学物理模型

采用一维模型,将质量、能量、动量守恒方程用于上述系统。2.1　蒸汽发生器

一次侧能量方程为

d H 1

d t

=U 1U 1-q m ,1

9H 1

9z

Q 1A 1

,

(1)

式中:H 为流体焓,U 为热流密度,U 为热周长,Q

为流体密度,A为流道横截面积,q m为质量流量,脚标1表示一回路。

二次侧传热区能量方程为

d H U d t=U U U U+d p s

d t

A U-q m,s

9H U

9z

Q U A U,(2)

式中:脚标U表示U形管加热区,脚标s表示蒸发器二次侧。

水位方程为

d L d t

=

q m,fw+q m,afw-x out q m,s

A d c Q d c

-L

Q dc 9Q dc

9p

d p

d t

+

9Q dc

9H dc

d H dc

d t

,(3)

式中:L为水位,x表示含汽量,脚标dc表示下降通道,fw和afw分别表示给水和应急给水,out表示加热区出口。

下降通道流体的焓方程为

d H dc d t =

[(1-x out)q m,s H f+q m,fw H fw+

q m,afw H afw-q m,s H dc]-

(q m,fw+q m,afw-x out q m,s)H dc

A dc Q dc L.

(4)

动量方程为

d q m,s

d t

=(B-$p f-$p loc-$p drift)/∮d z A,

(5)式中:

$p drift=∫99z Q f-Q

Q-Q gõQ f Q g

Q(1-A)2õ

x q A,s A Q g-(1-x)q A,s

(1-A)Q f

2

,(6)

式中:$p dr ift为漂移流压降[1],$p loc为形阻压降,$p f 为摩擦压降,q A,s表示汽水混合物质量流速,B表示浮升驱动头,A为空泡份额,脚标g和f分别为饱和汽和饱和液。

压力方程为

d p s d t=x out q m,s-q m,out-q m,r v

V S D

d Q g

d p

,(7)

式中:q m,rv为经安全阀释放的质量流量,V SD为汽室体积。

2.2　二回路动量方程

d q m,EA C d t =-∮U W f W q2m,EA C

2Q A3

d z-∮Q g d z-

6

i

式中:f W为摩擦阻力因数,U W为湿周长,脚标EA C

标识通过空冷器的流量。

2.3　空冷器能量方程

1)汽侧

d H EA C

d t

=

q m,EA C U EA C-q m,EA C

9H EA C

9z

Q EA C A EA C.(9)

2)空气侧

d T a

d t

=[5a-2q m,a(T a-T a,in)C p,a]/(V a Q a c p,a).

(10)

式中:c p,a为空气比热容,V a为空冷器外侧管间体

积,5a为由汽侧传过的热量,脚标a表示空气。

2.4　空气回路动量方程

d q m,a

d t

=-∮Q g d z-∮U W f W q2m,a

2Q A3

d z-

6

i

f loc,i

2Q i A2i

q2m,a∮d z A-∮Q g d z=

[(L EA C+L t)Q a,in-L EA C Q EAC-Q t L t]g,(11)

式中:L t和L EA C分别为空冷器高度和空冷器上方烟

囱高度。

2.5　管道和腔室模型

除上述设备模型外,各回路有管道和腔室,这些

部件采用延迟模型,假定绝热,延迟方程为

m=

d H

d t

=q m(H in-H),(12)

式中:m为控制体内流体质量,H in为进入控制体的

流体焓。

限于篇幅,结构关系式从略,可参见文[2]。

3　数值方法

考虑到3个回路间动量传递和能量传递的强烈

耦合,采用联立求解,对上述方程中空间导数项离散

处理后,得到下述常微分方程:

d Y

d t=F t,Y,

d Y

d t,

Y(t=0)=Y0.

(13)

因此,整个系统的动态仿真归结为解一个初值问题。

对于刚性方程组,传统的是采用Gear算法。本文采

用了非线性二阶算法[3]并获得了成功,这种算法具

有A稳定性,它可以表示为

y n+1=y n+hf t n+1

2

h,y n+1

2

hy n f n

y n-

1

2

hf n

.

(14)

21

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