鄧 永，張靜濤，崔 凝

（1.深圳市廣前電力有限公司，廣東 深圳 518054；2.南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210032；3.華北電力大學 仿真與控制研究所，河北 保定 071003）

核電機組汽輪機本體動態(tài)仿真模型研究

鄧 永1，張靜濤2，崔 凝3

（1.深圳市廣前電力有限公司，廣東 深圳 518054；2.南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210032；3.華北電力大學 仿真與控制研究所，河北 保定 071003）

基于眾多大容量核電機組陸續(xù)投運、有經(jīng)驗的運行值班員匱乏、仿真培訓系統(tǒng)核心技術為國外所掌控等尷尬現(xiàn)狀，自主研究開發(fā)了具有一定通用性的核電機組汽輪機本體系統(tǒng)實時動態(tài)仿真模型。仿真試驗表明：該模型具有較強的工程實用價值，為核電機組全范圍、全工況實時動態(tài)仿真模型的自主研發(fā)進行了有益的探索。

核電站；單相流網(wǎng)；汽輪機本體；仿真

0 引言

隨著眾多大容量、高參數(shù)核電機組陸續(xù)投運，機組安全穩(wěn)定運行的重要性及戰(zhàn)略意義超乎常規(guī)發(fā)電機組［1～3］。作為國內(nèi)外電力行業(yè)公認的實用、高效的機組運行值班員技能培訓工具，實時動態(tài)仿真系統(tǒng)對于機組安全穩(wěn)定運行十分重要。研發(fā)核電機組全工況、全范圍實時動態(tài)仿真培訓系統(tǒng)是核電領域亟待解決的課題之一。

火電機組的工質(zhì)一般為過熱蒸汽，蒸汽參數(shù)較高，而核電機組工質(zhì)一般是飽和蒸汽，蒸汽參數(shù)比較低，級組大都處于濕蒸汽區(qū)，濕汽損失是影響級組效率的最關鍵因素。本文以蒸汽干度為主導因素。開發(fā)汽輪機本體系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，既能正確反映對象的全工況動態(tài)特性，又能滿足仿真系統(tǒng)實時性的要求?？蓧嚎s流體，汽輪機本體系統(tǒng)中濕蒸汽的流動形式絕大多數(shù)為湍流［4～8］，流動阻力方程可簡單表示為：

式中： M為節(jié)點i流體質(zhì)量；Wij路 （i，j）由節(jié)點i流向節(jié)點j的質(zhì)量流量；Γij代表節(jié)點i，j間的連接方式，即網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，Γij為零時，表示節(jié)點i，j無連接；1表示節(jié)點i，j間有連接，支路方向為j→i；－1表示節(jié)點i，j間有連接，支路方向為i→j。

由以上兩式，對所有節(jié)點計算化簡可得：

1 汽輪機本體模型概述

一個完整的熱力系統(tǒng)仿真模型是由過程模型和流體網(wǎng)絡仿真模型有機結(jié)合而成，由于流經(jīng)核電汽輪機的大部分為濕蒸汽，可近似認為是單相

式中：P為內(nèi)節(jié)點壓力組成的列向量；系數(shù)矩陣A和右項b分別為：

式中：Ki為容積因子；Bij為支路導納；Ei，Ej分別為i，j節(jié)點勢能；Sij為支路源流量，由泵或風機模型提供。

結(jié)合核電汽輪機熱力學特性，將汽輪機各級組視作流網(wǎng)模型拓撲結(jié)構中的各節(jié)點，將流量相等而依次串連排列的若干級稱為級組，各級組中所包含的級有著相似的特性。在汽輪機本體仿真模型中，按照汽輪機各個抽汽口所在位置，將兩個抽汽口之間的所有級劃分為一個級組，如此可將整個汽輪機劃分為若干級組，針對每一級組單獨建立模塊計算其特性。

圖1 級組示意圖Fig.1 Stage schematic diagram

假設蒸汽均勻平衡流過汽輪機，做功過程視為等熵焓降過程，將各級組視為汽輪機流體網(wǎng)絡中彼此相連的具有一定容積的壓力節(jié)點［9，10］，按照級的做功過程計算級組出口工質(zhì)的其他狀態(tài)參數(shù)和輸出功，根據(jù)蒸汽主體的流程逐級疊加各級組模塊，組成完整的汽輪機本體動態(tài)模型。按照實際的物理過程，將級組劃分為做功前部分、做功過程、做功后部分三部分進行建模。

（1）做功前部分

在級組進口處，工質(zhì)的壓力、流量、溫度、焓值通過流網(wǎng)模型計算，進口蒸汽為飽和水和飽和蒸汽的混合汽體。進口濕蒸汽干度：

考慮蒸汽與汽缸壁和靜葉等流通部分金屬壁的熱量傳遞，因熱量的散失，一部分蒸汽凝結(jié)成飽和水，所以級組做功前蒸汽比焓小于級組進口濕蒸汽比焓hi：級組做功前比焓：

（2）做功過程

由于核電級組的工質(zhì)為濕蒸汽，濕蒸汽損失是影響級組效率的最主要因素，但是濕蒸汽損失影響級組效率過程非常復雜，根據(jù)工程實際得到的經(jīng)驗公式修正。水分修正系數(shù)：

由上文中流體網(wǎng)絡可以確定出口的壓力值，查飽和水和飽和蒸汽熱力性質(zhì)表即可求得出口溫度值。

以上各式中：WSTG為級組流量，kg／s；Xqi，Xqs，Xqo為級組進口濕蒸汽干度、級組出口等熵質(zhì)量分數(shù)、級組出口蒸汽干度；hi，hsgi，hsfi，hbi，hho，hsfo，hsgo，hs，ho分別為級組進口濕蒸汽比焓、干飽和蒸汽比焓與飽和液體比焓、級組做功前比焓、級組做功后比焓、級組出口飽和液體比焓、級組出口干飽和蒸汽比焓、級組出口等熵比焓、級組出口比焓，kJ／kg；Ti，Tatamb，Tmtlo，To分別為進口飽和蒸汽溫度、環(huán)境溫度、級組做功后金屬溫度、級組出口溫度，℃；so，si，ssfo，ssgo，ssfi，ssgi分別為級組出口比熵、級組進口比熵、級組出口液體比熵、級組出口汽體比熵、級組進口飽和液體比熵、級組進口飽和氣體比熵，J／K；qli，qlo為做功前濕蒸汽向金屬散熱損失、做功后濕蒸汽向金屬散熱損失，kJ；Cx，Cxq分別為級組基礎效率 （干蒸汽效率）、濕汽修正參數(shù)；Xn，Xq，Xqi分別為速度矯正系數(shù) （0－1）、水分修正系數(shù)、級組進口干度。

2 模型應用

以大亞灣核電站900 MW汽輪機為研究對象，該汽輪機是由英國GEC公司制造的沖動式四缸雙流中間再熱凝汽式飽和蒸汽汽輪機。共有四個汽缸，1個高壓缸，3個低壓缸，4個缸均是雙流式。

根據(jù)抽汽口位置，高壓缸有兩股抽汽分為3個級組；每個低壓缸有3股抽汽，故3個低壓缸根據(jù)抽汽口位置每個缸可分為5個級組。

為簡化系統(tǒng)的復雜性，現(xiàn)將4個高調(diào)門簡化為一個高調(diào)門來控制高壓缸進口的流量，兩套相同的汽水分離再熱器簡化為一套，兩級加熱合為一個加熱器來處理，功能只是簡單改變蒸汽的流量、溫度和焓值。各級組均采用同一種算法，即汽輪機級組算法 （STAGE），用一個流體網(wǎng)絡塊將整個網(wǎng)絡連接，以各級抽汽口為界限將汽輪機本體分成各不相同的仿真模塊，用一個加法算法模塊 （SU M）將所有級段的總功率相加后得到汽輪機總功率。以STAR-90仿真支撐系統(tǒng)作為仿真開發(fā)平臺，建立如圖2汽輪機本體系統(tǒng)動態(tài)仿真模型。

圖2 汽輪機本體系統(tǒng)模型圖Fig.2 Model of the steam turbine ontology system

3 實驗結(jié)果

為校驗該仿真模型的靜態(tài)精確度和動態(tài)特性，以STAR-90仿真支撐系統(tǒng)為開發(fā)平臺，將該模型應用到大亞灣核電站900 MW核電機組全范圍仿真機項目中，表1為該仿真機以實際運行輸入數(shù)據(jù)為輸入?yún)?shù)，額定負荷下仿真機與實際參數(shù)的對比。

從表中的比較結(jié)果可以看出：本文所開發(fā)的汽輪機本體模型具有較高的精確性，模型在額定負荷穩(wěn)定工況下，由于汽水分離再熱器的較大簡化，使得低壓缸進口參數(shù)相對誤差稍微偏大，從而使得低壓缸參數(shù)相對誤差偏大。但總體來說，仿真值與設計值的相對誤差在2%以內(nèi)，滿足了仿真機培訓和研究分析的精度要求。

圖3和圖4是在其他參數(shù)不變的情況下，同一時刻低壓缸調(diào)門突然關小 （減少90%），汽輪機本體系統(tǒng)從一個穩(wěn)定狀態(tài)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程中，汽輪機本體系統(tǒng)的相應參數(shù)的變化曲線。由兩圖可知：

表1 額定工況負荷下重要監(jiān)測參數(shù)Tab.1 Important monitoring parameters under rated load condition

圖3 汽輪機本體系統(tǒng)隨低調(diào)門開度曲線 （一）Fig.3 Curve of the steam turbine ontology system with low pressure cylinder valve（Ⅰ）

圖4 汽輪機本體系統(tǒng)隨低調(diào)門開度曲線 （二）Fig.4 Curve of the steam turbine ontology system with low pressure cylinder valve（Ⅱ）

（1）從壓力變化曲線上看，蒸發(fā)器母管壓力作為入口邊界為定值，故其曲線始終是一條直線；對于低壓缸調(diào)門上游節(jié)點的壓力曲線，均有不同程度上升至穩(wěn)定，其中再熱器出口壓力變化最明顯，高壓缸調(diào)門后壓力變化最小，因為低調(diào)門的節(jié)流作用，使上游各個節(jié)點的壓力升高，并且是逆著流動方向；對于低調(diào)門下游節(jié)點的壓力隨著低調(diào)門后流量的變化而變化，先是下降至某一點后有所上升，這是由于低調(diào)門突然關小，低調(diào)門后流量立即減小后，使低調(diào)門前壓力上升，至低調(diào)門后流量有所增加，所以符合實際情況。

（2）從流量曲線上來看，高壓缸進汽流量稍有下降，盡管有低調(diào)門的節(jié)流作用，促使大量流量進入高壓缸的兩股抽汽和進除氧器的高排汽支路，至高壓缸進汽流量稍降；低壓缸進汽流量先是下降至某一點后有所上升，這是由于低調(diào)門突然關小，低壓缸流量減小后，使低調(diào)門前壓力上升，至低壓缸流量有所增加。

（3）從溫度角度看，高壓缸排汽溫度與再熱器出口溫度均有所上升，因高壓缸排汽背壓升高、做功能力下降，故高壓缸排汽溫度升高，則汽水分離再熱器入口溫度升高，再熱器出口溫度也會有所上升。由于低調(diào)門節(jié)流，低壓缸進汽流量明顯減少，做功量大幅度下降，而后隨著進汽流量的回升，汽輪機總機械功也有所上升。

4 結(jié)論

以大亞灣900 MW核電機組汽輪機本體系統(tǒng)為對象，進行動態(tài)建模與仿真的研究。以STAR-90仿真支撐系統(tǒng)為開發(fā)平臺，根據(jù)單相可壓縮流體網(wǎng)絡模型和核電汽輪機的級組動態(tài)數(shù)學模型研究成果，建立了具有一定通用性的核電機組汽輪機本體系統(tǒng)實時動態(tài)仿真模型。仿真試驗表明，本文所研發(fā)模型具有較高靜態(tài)精度和良好的動態(tài)響應特性，可作為核電站機組全范圍仿真培訓系統(tǒng)模型的關鍵組成部分之一，還可為機組運行特性分析提供理論參考數(shù)據(jù)，預測汽輪機熱力特性的變化趨勢。

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Research on the Dynamic Simulation Model of Steam Turbine Ontology in Nuclear Power Units

Deng Yong1，Zhang Jingtao2，Cui Ning3
（1.Shenzhen Guangqian Electric Power Co.，Ltd.，Shenzhen 518045，China；2. Meizhuo Automation System Co.，Ltd.of Guodian Nanjing Automation Co.，Ltd.Nanjing 210032，China；3.Simulation ＆Control Technology Institute of North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Based on many large capacity nuclear power units are put into operation in our country，experienced operation attendant lacked and the core technology of the simulation training system controlled by abroad，this article autonomous have researched and developed an certain general nuclear power units steam turbine ontology system dynamic simulation model，and the simulation experiment indicates that the model has strong engineering practical value，also has carried on the beneficial exploration for the full range of nuclear power units all the working state real time dynamic simulation model for independent research and development.

nuclear power plant；single phase fluid network；turbine ontology；simulation

TK262

A

2012－05－22。

鄧永 （1972-），男，工程師，從事電站熱工自動化系統(tǒng)應用研究與熱控專業(yè)技術管理工作，E-mail：dy＠qwpp.com。