宋柯

（武漢市瑞思信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

凝汽器是核電站二回路最大的熱量中轉(zhuǎn)站，其穩(wěn)定高效的運行為機組的安全及經(jīng)濟性提供了保障。凝汽器的功能主要為將汽輪機的排汽冷凝成水供蒸汽發(fā)生器重新使用，以及在汽輪機排汽處建立真空和維持真空[1-4]。一般地，核電廠汽輪機由二個或三個低壓缸組成，每個低壓缸均連接一臺凝汽器。多臺結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同的獨立殼體冷凝器在汽側(cè)和水側(cè)各有聯(lián)通管相聯(lián)，用于保證各臺凝汽器的真空度基本一致，即保證各低壓缸的背壓基本一致，從而保證各汽輪機低壓缸轉(zhuǎn)子的出力均衡。

在對核電站凝汽器系統(tǒng)仿真建模的過程中，對冷凝器汽側(cè)和水側(cè)聯(lián)通管功能模擬的逼真度直接影響著對核電站二回路特性的模擬效果。

本文采用中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司RINSIM仿真平臺[5-6]，使用凝汽器部件分別對由2臺和3臺凝汽器組成的凝汽器系統(tǒng)進行仿真建模，采用2種不同建模方法對冷凝器汽側(cè)和水側(cè)聯(lián)通管功能進行模擬研究，利用模擬機在緊急停機、所有凝汽器真空破壞和喪失所有凝汽器循環(huán)冷卻水3種工況下仿真結(jié)果的對比分析，比較了2種不同建模方法對冷凝器汽側(cè)和水側(cè)聯(lián)通管功能模擬的優(yōu)劣。RINSIM仿真平臺的仿真部件庫中有凝汽器部件，可用于單臺凝汽器的模擬。多臺凝汽器之間的聯(lián)通管的模擬一般用圖形化建模流網(wǎng)部件庫中的邊界、節(jié)點和連接管線部件來建模，此方法本文稱流網(wǎng)部件法。此外也可以根據(jù)汽側(cè)和水側(cè)聯(lián)通管功能編寫程序，以質(zhì)量守恒和能量守恒為基礎(chǔ)迭代計算，實現(xiàn)多臺凝汽器汽側(cè)和水側(cè)的動態(tài)平衡，此方法本文稱程序法。一般電廠，不管是2臺還是3臺凝汽器，它們的壓力和液位基本保持一致，瞬態(tài)變化時保持同樣趨勢變化；參考某電廠調(diào)試報告和培訓(xùn)教案可以確定，在緊急停機工況下，凝汽器壓力和液位先稍微下降后穩(wěn)定；所有凝汽器在真空破壞工況下，壓力會上漲至跳機后最終到常壓，液位稍微上升；在喪失所有凝汽器循環(huán)冷卻水工況下，壓力和液位緩慢上漲。本文通過2種不同建模方法得出的仿真結(jié)果，并通過與真實變化趨勢相比較來判斷2種方法的優(yōu)劣，從而選擇更好的建模方法為模擬機的建造提供更高精度的凝汽器系統(tǒng)模型。

1 仿真模型

在正常工況和瞬態(tài)工況下，當(dāng)各低壓缸排汽、抽汽、疏水不一致，凝汽器系統(tǒng)的各凝汽器之間的汽側(cè)和水側(cè)質(zhì)量和能量會出現(xiàn)不平衡的現(xiàn)象，這時冷凝器汽側(cè)和水側(cè)聯(lián)通管由于兩端壓差會出現(xiàn)汽、水的流動，從而起到平衡各凝汽器之間的汽側(cè)和水側(cè)壓力的作用。聯(lián)通管內(nèi)流動是一種非穩(wěn)態(tài)流動，使各凝汽器之間實現(xiàn)動態(tài)平衡，從而保證汽輪機各低壓缸背壓的一致均衡[7-10]。在RINSIM仿真平臺上對流網(wǎng)管線模擬時，管線存在節(jié)點和邊界。節(jié)點是一種假設(shè)介質(zhì)均勻混合的介質(zhì)流空間，邊界是參數(shù)獨立變化的介質(zhì)空間，用來連接凝汽器內(nèi)參數(shù)，邊界與節(jié)點連接形成管線，用來平衡各凝汽器的汽側(cè)和水側(cè)，使2臺凝汽器的壓力液位保持基本一致。程序法是通過兩兩凝汽器的汽側(cè)和水側(cè)質(zhì)量和能量平均值迭代計算實現(xiàn)凝汽器之間的動態(tài)平衡。

1.1 流網(wǎng)部件法算法

圖1為流網(wǎng)管道的簡化模型， 和 表示模擬管道節(jié)點， 表示兩節(jié)點間流量。

圖1 管道 i -j

各守恒方程如下：

流量流向為i→j；m為節(jié)點質(zhì)量；G為管道流量；τ為時間步長；L為管道長度；h為節(jié)點比焓；p為節(jié)點壓力；ρ為節(jié)點介質(zhì)密度；Q為外熱源；R為內(nèi)熱源；S為管道橫截面積；ξ為水力摩擦系數(shù)； 為管道壓降； 為管道前后節(jié)點高差；

由動量方程（3）求出管線流量，此為流量G的一元二次方程：

1.2 程序法算法

算出所有凝汽器的質(zhì)量平均值，質(zhì)量平衡則是本身質(zhì)量加上計算頻率內(nèi)的凈質(zhì)量；能量平衡則是計算質(zhì)量平衡后汽側(cè)或水側(cè)凝汽器的焓值；

汽側(cè)平衡時，存在不凝汽的質(zhì)量平衡，也是通過各凝汽器內(nèi)不凝汽質(zhì)量計算出不凝汽平衡，從而達到汽側(cè)不凝汽平衡。

1.3 凝汽器模型輸入?yún)?shù)

參考某電廠凝汽器數(shù)據(jù)在RINSIM仿真平臺上使用該平臺凝汽器部件模擬電廠凝汽器系統(tǒng)，分別模擬2臺凝汽器部件和3臺凝汽器部件的系統(tǒng)，并且在RINSIM流網(wǎng)管線建立2臺和3臺凝汽器部件之間的汽側(cè)和水側(cè)平衡管線；凝汽器數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 凝汽器參數(shù)

液位參數(shù)按照電廠運行經(jīng)驗穩(wěn)定在800～900mm之間。

凝汽器系統(tǒng)按照參數(shù)調(diào)節(jié)完成。對于流網(wǎng)部件法，本文利用RINSIM仿真平臺圖形化建模工具進行汽側(cè)和水側(cè)的聯(lián)通管建模。對于程序法，利用2.2節(jié)的算法程序模擬汽側(cè)和水側(cè)的聯(lián)通管功能。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 不同瞬態(tài)下3臺凝汽器參數(shù)對比

通過模擬電廠停機、所有凝汽器喪失真空和所有凝汽器喪失循環(huán)水的特殊工況，監(jiān)視3臺凝汽器的壓力和液位，判斷3臺凝汽器的汽、水平衡是否穩(wěn)定。

圖2和圖3分別是停機工況下兩種方法模擬3臺凝汽器平衡管線壓力和液位的表現(xiàn)，上下比較發(fā)現(xiàn)相較于程序法，流網(wǎng)法中3臺凝汽器壓力波動明顯，且液位趨勢明顯不一致。

圖2 停機工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（流網(wǎng)法）

圖3 停機工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

圖4和圖5為所有凝汽器喪失循環(huán)水工況下兩種方法在3臺凝汽器模擬中的比較；上下比較兩種方法壓力變化一致；流網(wǎng)法中3臺凝汽器液位的變現(xiàn)趨勢直接發(fā)散，最終很難平衡穩(wěn)定，程序法中液位變化一致且穩(wěn)定。

圖4 所有循環(huán)水喪失工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（流網(wǎng)法）

圖5 所有循環(huán)水喪失工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

圖6和圖7為所有真空閥破壞工況下兩種方法在3臺凝汽器模擬中的比較；流網(wǎng)法模擬3臺凝汽器平衡管線表現(xiàn)的壓力和液位都不平衡，3號凝汽器變化有明顯區(qū)別；程序法3臺凝汽器的壓力和液位一致變化。

圖6 所有真空閥破壞工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（流網(wǎng)法）

圖7 所有真空閥破壞工況下3 臺凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

2.2 模擬2臺凝汽器參數(shù)比較

同樣通過模擬電廠緊急停機、所有凝汽器喪失真空和所有凝汽器喪失循環(huán)水的特殊工況，監(jiān)視是2臺凝汽器的壓力和液位。

圖（8） 停機工況下2 臺凝汽器的壓力和液位變化（流網(wǎng)法）

圖8和圖9為停機工況下兩種方法的比較；上下比較兩種方法模擬2臺凝汽器平衡管線，所表現(xiàn)的壓力都有發(fā)散變化，但是程序法時間拉長最終收斂，流網(wǎng)法是持續(xù)發(fā)散不會平衡；流網(wǎng)法2臺凝汽器液位直接發(fā)散變化，程序法則保持一致。

圖9 停機工況下2 臺凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

圖10和圖11為所有凝汽器喪失循環(huán)水工況下兩種方法的比較；上下比較兩種方法表現(xiàn)的壓力變化一致；流網(wǎng)法2臺凝汽器液位慢慢發(fā)散；程序法液位保持一致變化。

圖10 所有循環(huán)水喪失工況下2 臺凝汽器的壓力和液位變化（流網(wǎng)法）

圖11 所有循環(huán)水喪失工況下2 臺凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

圖12和圖13為所有真空閥破壞工況下兩種方法的比較；上下比較發(fā)現(xiàn)，流網(wǎng)法模擬2臺凝汽器平衡管線表現(xiàn)的壓力和液位都不平衡，且2臺凝汽器壓力和液位都程發(fā)散變化；程序法3臺凝汽器的壓力和液位一致變化。

圖12 所有真空閥破壞工況下兩個個凝汽器的壓力和液位變化（流網(wǎng)法）

圖13 所有真空閥破壞工況下兩個個凝汽器的壓力和液位變化（程序法）

2.3 結(jié)果分析

圖2～13是監(jiān)視凝汽器在三種大瞬態(tài)工況下的壓力和液位變化；通過壓力和液位變化判斷各凝汽器之間的汽側(cè)和水側(cè)平衡是否穩(wěn)定，確定程序法更能模擬出穩(wěn)定的凝汽器模型。

流網(wǎng)模擬平衡管線時，為滿足平衡管線平衡兩邊凝汽器汽、水間的工藝要求，需要把管線的導(dǎo)納系數(shù)設(shè)置很大，假定管線流阻很小，來模擬實際電廠中的汽、水平衡管線；只要存在很小的壓差，管線就會計算質(zhì)量和能量，管線一直處于動態(tài)平衡狀態(tài)；穩(wěn)態(tài)時各凝汽器的壓力和液位變化很小，動態(tài)平衡可以維持，但是瞬態(tài)工況下每個凝汽器由各接口的輸入輸出存在不一致，壓力和液位變化較大，流網(wǎng)管線內(nèi)的質(zhì)量流量和壓力變化幅度很大，流網(wǎng)計算就會存在不平衡，導(dǎo)致各凝汽器狀態(tài)變化不一致；程序法的本質(zhì)就是質(zhì)量平衡，相當(dāng)于將2臺或3臺凝汽器看成一個整體去內(nèi)部計算，這樣更能保證凝汽器之間的穩(wěn)定。

模擬2臺凝汽器的汽、水平衡瞬態(tài)變化時，相比于3臺凝汽器的汽、水平衡比較容易引起不平衡；2臺凝汽器的平衡管線更容易不平衡是因為不平衡是兩兩影響，這種影響只會讓不平衡發(fā)散；而3臺凝汽器平衡管線中，1個凝汽器是由2臺凝汽器的計算偏執(zhí)影響，相對而言震蕩沒有兩兩惡性循環(huán)明顯。

各凝汽器壓力和液位變化在兩種模擬方法下表現(xiàn)趨勢基本一致，且與電廠數(shù)據(jù)趨勢相同，但程序法模擬的平衡管線讓各凝汽器表現(xiàn)狀態(tài)更加穩(wěn)定一致。

3 結(jié)語

本文通過主流流網(wǎng)計算方法和質(zhì)量能量平衡程序方法分別模擬2臺和3臺凝汽器部件汽、水平衡，相比較而言主流流網(wǎng)計算方法在計算極限壓差和管線流導(dǎo)時會存在偏差，質(zhì)量能量平衡程序的方法在各瞬態(tài)極限工況下能比較穩(wěn)定地反映凝汽器各相狀態(tài)，滿足實際電廠對凝汽器工藝現(xiàn)象要求，從而實現(xiàn)模擬仿真的目標。