[发明专利]一种核动力系统二回路模块化建模仿真方法

权利要求书

1.一种核动力系统二回路模块化建模仿真方法，其特征在于：将核动力系统二回路复杂的热力过程分解简化为不同的系统和过程，在不同的模块中单独计算，在保证仿真准确性的同时提高建模的效率，不同模块计算过程的分离也有利于各模块的进一步完善和优化；

该方法包含以下步骤：

步骤1：根据工质在不同设备中的流动，将二回路系统分解为以下四个子系统：汽轮机系统，提供驱动功率；凝汽设备系统，作为整个系统的冷端和热力计算的起点；蒸汽管道系统，输送蒸汽至各用汽设备，通过蒸汽排放系统平衡系统压力；给水系统，将凝汽设备的凝结水加压输送至蒸汽发生器入口完成热力循环；

步骤2：将热力系统中的过程分解为流体流动、热量传递和机械能传递三个过程，将不同的过程分别在不同的模块中进行计算：

对于流体流动过程，根据工质在二回路系统中的不同流动状态，以凝汽设备为中点，将其分离为可压缩流体流动和不可压缩流体流动两个流动过程；根据两种流动的不同特点，对可压缩流体应用模块化建模方法，对不可压缩流体采用流体网络建模方法；

在可压缩流体的模块化建模部分，将流体流动的存储特性使用流动存储型模块表示，将流体流动的阻力特性使用流动阻力型模块表示，分别如式(1)和式(2)所示：

式(1)-(2)中：

p——模块内工质压力/Pa；

G_E——模块进口工质质量流量/kg·s^-1；

G_L——模块出口工质质量流量/kg·s^-1；

V——模块的体积/m³；

ρ——模块内工质密度/kg·m^-3；

h——模块内工质比焓/J·kg^-1；

t——时间/s；

h_E——模块进口工质比焓/J·kg^-1；

h_L——模块出口工质比焓/J·kg^-1；

Q_in——模块内热源/J；

p_E——模块进口工质压力/Pa；

p_L——模块出口工质压力/Pa；

G——模块内工质质量流量/kg·s^-1；

Δp_f——摩擦压降/Pa；

Δp_g——重位压降/Pa；

Δp_a——加速压降/Pa；

z——模块流动方向长度/m；

A_f——模块流通面积/m²；

不可压缩流体在流动过程中忽略其存储特性，而只计算流体流动产生的压降，仿真过程只关心管系内部各个管路节点处的压力和管路流量，而不需要了解管道内部流动的详细机理，因此将管道系统抽象为一个流体网络，把管道内部的流动问题变为求解网络节点压力和支路流量的问题；流量定律概况为网络中的任一节点流入和流出的流量和为零；压力定律概况为封闭环路中各支路的，沿同一绕行方向的支路压差其代数和为零；

对于热量传递过程，采用模块化建模方法，将传热过程分解为流体热阻模块和热存储模块；流体热阻模块的作用是模拟热力系统中流体与固体壁面的对流传热，热存储模块的作用是模拟固体结构对热量的积聚现象，流体热阻模块和热存储模块的模型分别如式(3)和式(4)所示：

Q_tr＝kAΔT (3)

式(3)-(4)中：

Q_tr——单位时间流体与固体壁面传热量/W；

k——总传热系数/W·m^-2·s^-1；

A——流体与固体壁面换热面积/kg·s^-1；

ΔT——流体与固体壁面温差/K；

T_s——固体部件温度/K；

t——时间/s；

Q——单位时间固体部件的热量变化/W；

m_s——固体部件质量/kg；

C_s——固体部件比热容/J kg^-1·K^-1；

机械能传递过程采用模块化建模方法，使用固体转矩存储模块和转动阻力模块进行建模；固体转矩存储模块被用来模拟转动部件中的角动量积聚现象，当系统中出现固体转矩存储模块时，说明设备的转动惯性不能忽略，汽轮机带动发电机系统的转动惯性如式(5)所示：

式(5)中：

ω——汽轮机转子角速度/rad s^-1；

t——时间/s；

M_turb——汽轮机转矩/N m；

M_gen——发电机转矩/N m；

M_mech.loss——机械损失转矩/N m；

I_turb——汽轮机转动惯量/kg m²；

I_gen——发电机转动惯量/kg m²；

式(5)中的各项转矩由各自特性或经验曲线在转动阻力模块中进行计算；

步骤3：确定各子系统的运行和结构参数，汽轮机系统包括以下参数：汽轮机进汽压力、排气压力、进汽焓值、额定功率、额定转速、额定效率、额定流量，主蒸汽阀阀门面积、调节阀数量及阀门面积，调节级喷嘴出口面积、叶片平均高度直径、动叶高度、动叶宽度、喷嘴组数、工作喷嘴个数、动叶安装角、喷嘴出口角，汽轮机转子轴系转动惯量；

凝汽设备系统包括以下参数：凝汽器额定进气量、冷却水流程、冷却水管外径、冷却水管内径、冷却水管根数、冷却面积、冷却水管有效长度、冷却水管材料、冷却水比热、冷却管全高、凝汽器空间容积，抽气器工作蒸汽压力、抽气器工作蒸汽焓；

蒸汽管道系统包括以下参数：蒸汽管道长度、蒸汽管道直径、蒸汽阀门流通面积、集汽联箱容积；

给水系统包括以下参数：离心泵叶轮外径、叶轮出口角、叶片出口宽度、叶片数、叶片厚度，给水管道长度、给水管道直径、给水阀门流通面积；

步骤4：各子系统动态模型的建立；

对于汽轮机系统，根据模块化建模思想进行划分，忽略缸体与环境热交换，划分为蒸汽阀模块、调节级模块、非调节级模块、蒸汽容积模块和转矩存储模块，其中蒸汽阀模块、调节级模块和非调节级模块使用流动阻力型模块进行建模，蒸汽容积模块使用流动存储型模块进行建模，汽轮机转子模块使用转矩存储模块进行建模；蒸汽阀模块、调节级模块和非调节级模块描述压力变化引起的汽轮机流量变化，蒸汽容积模块描述质量能量存储产生的容积惯性，汽轮机转子模块描述汽轮机转动轴的转矩惯性；

对于凝汽设备系统，根据工作原理和结构特点，将其分为凝汽器管侧、凝汽器壳侧和抽气器；凝汽器的换热过程包括蒸汽在冷却管外表面的凝结放热和冷却水在冷却管内的对流换热两个主要环节，忽略热量在冷却管壁导热带来的影响，使用流体热阻模块和热存储模块对管侧和壳侧之间的传热进行热平衡建模计算，如式(6)所示：

Q_c＝kA_cΔT_m＝G_wc_w(T_w2-T_w1) (6)

式(6)中：

Q_c——凝结换热量/kW；

k——总传热系数/kW·(m²·℃)^-1；

A_c——凝结换热面积/m²；

ΔT_m——对数平均温差/℃；

G_w——冷却水流量/kg·s^-1；

c_w——冷却水比热/kJ·(kg·℃)^-1；

T_w1——冷却水入口温度/℃；

T_w2——冷却水出口温度/℃；

抽气器的作用是抽出凝汽器内不能凝结的气体，以保持凝汽器的真空度及传热良好，使用蒸汽在喷管中的膨胀理论和半经验公式计算得到的引射系数对抽气器进行建模计算，抽气器的计算模型如式(7)所示：

式(7)中：

G_mix——抽气器吸入的混合物流量/kg·s^-1；

A_cr——喷管临界面积/m²；

p₀——喷管入口压力/Pa；

v₀——喷管入口比容/m³·kg^-1；

u——引射系数；

Ma₁——喷管出口无因次速度；

β_k——扩压管压缩比；

ξ——扩压管入口单位壁面冲量；

β₄——抽气器总压比；

A₁——喷管出口面积/m²；

对于蒸汽管道系统，假设蒸汽是在管道中是一维流动，忽略管道与环境的热交换，将复杂的蒸汽管道系统分为若干管段，由于长输汽管道具有流动阻力特性与质量能量存储特性，因此分别建立了蒸汽管道的流动阻力型模块和流动存储型模块，此外在蒸汽管道系统中还包括蒸汽阀模块；

对于给水系统，假设管路中的流体为理想不可压缩流体，并且忽略管道与环境的热交换，采用步骤2中的热工流体网络建模方法建立其数学模型，主要模拟管路节点处的压力和管路里流量的瞬态特性；

步骤5：子系统模型连接，进行二回路总体仿真计算；

将汽轮机系统、凝气设备系统、蒸汽管道系统和给水系统的模型边界相互连接，建立二回路总体系统模型；连接顺序为蒸汽管道系统-汽轮机系统-蒸汽管道系统-凝气设备系统-给水系统；系统中的各变量自动组成为一个微分方程组，并使用专门处理刚性问题的GEAR算法求解；检验各设备在二回路总体模型中的工作情况，检验系统的可靠性，为系统的设计工作提供依据；

步骤6：计算完成，输出计算结果。