核電機(jī)組汽輪機(jī)本體動(dòng)態(tài)仿真模型研究

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(guó)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(xué) 仿真與控制研究所，河北 保定 071003）

核電機(jī)組汽輪機(jī)本體動(dòng)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(guó)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(xué) 仿真與控制研究所，河北 保定 071003）

基于眾多大容量核電機(jī)組陸續(xù)投運(yùn)、有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行值班員匱乏、仿真培訓(xùn)系統(tǒng)核心技術(shù)為國(guó)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(jī)組汽輪機(jī)本體系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真模型。仿真試驗(yàn)表明：該模型具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值，為核電機(jī)組全范圍、全工況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真模型的自主研發(fā)進(jìn)行了有益的探索。

核電站；單相流網(wǎng)；汽輪機(jī)本體；仿真

0 引言

隨著眾多大容量、高參數(shù)核電機(jī)組陸續(xù)投運(yùn)，機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性及戰(zhàn)略意義超乎常規(guī)發(fā)電機(jī)組［1～3］。作為國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)公認(rèn)的實(shí)用、高效的機(jī)組運(yùn)行值班員技能培訓(xùn)工具，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)對(duì)于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。研發(fā)核電機(jī)組全工況、全范圍實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是核電領(lǐng)域亟待解決的課題之一。

火電機(jī)組的工質(zhì)一般為過熱蒸汽，蒸汽參數(shù)較高，而核電機(jī)組工質(zhì)一般是飽和蒸汽，蒸汽參數(shù)比較低，級(jí)組大都處于濕蒸汽區(qū)，濕汽損失是影響級(jí)組效率的最關(guān)鍵因素。本文以蒸汽干度為主導(dǎo)因素。開發(fā)汽輪機(jī)本體系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，既能正確反映對(duì)象的全工況動(dòng)態(tài)特性，又能滿足仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。可壓縮流體，汽輪機(jī)本體系統(tǒng)中濕蒸汽的流動(dòng)形式絕大多數(shù)為湍流［4～8］，流動(dòng)阻力方程可簡(jiǎn)單表示為：

式中： M為節(jié)點(diǎn)i流體質(zhì)量；Wij路 （i，j）由節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j的質(zhì)量流量；Γij代表節(jié)點(diǎn)i，j間的連接方式，即網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Γij為零時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)i，j無連接；1表示節(jié)點(diǎn)i，j間有連接，支路方向?yàn)閖→i；－1表示節(jié)點(diǎn)i，j間有連接，支路方向?yàn)閕→j。

由以上兩式，對(duì)所有節(jié)點(diǎn)計(jì)算化簡(jiǎn)可得：

1 汽輪機(jī)本體模型概述

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

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

式中：Ki為容積因子；Bij為支路導(dǎo)納；Ei，Ej分別為i，j節(jié)點(diǎn)勢(shì)能；Sij為支路源流量，由泵或風(fēng)機(jī)模型提供。

結(jié)合核電汽輪機(jī)熱力學(xué)特性，將汽輪機(jī)各級(jí)組視作流網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的各節(jié)點(diǎn)，將流量相等而依次串連排列的若干級(jí)稱為級(jí)組，各級(jí)組中所包含的級(jí)有著相似的特性。在汽輪機(jī)本體仿真模型中，按照汽輪機(jī)各個(gè)抽汽口所在位置，將兩個(gè)抽汽口之間的所有級(jí)劃分為一個(gè)級(jí)組，如此可將整個(gè)汽輪機(jī)劃分為若干級(jí)組，針對(duì)每一級(jí)組單獨(dú)建立模塊計(jì)算其特性。

圖1 級(jí)組示意圖Fig.1 Stage schematic diagram

假設(shè)蒸汽均勻平衡流過汽輪機(jī)，做功過程視為等熵焓降過程，將各級(jí)組視為汽輪機(jī)流體網(wǎng)絡(luò)中彼此相連的具有一定容積的壓力節(jié)點(diǎn)［9，10］，按照級(jí)的做功過程計(jì)算級(jí)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(jí)疊加各級(jí)組模塊，組成完整的汽輪機(jī)本體動(dòng)態(tài)模型。按照實(shí)際的物理過程，將級(jí)組劃分為做功前部分、做功過程、做功后部分三部分進(jìn)行建模。

（1）做功前部分

在級(jí)組進(jìn)口處，工質(zhì)的壓力、流量、溫度、焓值通過流網(wǎng)模型計(jì)算，進(jìn)口蒸汽為飽和水和飽和蒸汽的混合汽體。進(jìn)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(jí)組做功前蒸汽比焓小于級(jí)組進(jìn)口濕蒸汽比焓hi：級(jí)組做功前比焓：

（2）做功過程

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

由上文中流體網(wǎng)絡(luò)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(jí)組流量，kg／s；Xqi，Xqs，Xqo為級(jí)組進(jìn)口濕蒸汽干度、級(jí)組出口等熵質(zhì)量分?jǐn)?shù)、級(jí)組出口蒸汽干度；hi，hsgi，hsfi，hbi，hho，hsfo，hsgo，hs，ho分別為級(jí)組進(jìn)口濕蒸汽比焓、干飽和蒸汽比焓與飽和液體比焓、級(jí)組做功前比焓、級(jí)組做功后比焓、級(jí)組出口飽和液體比焓、級(jí)組出口干飽和蒸汽比焓、級(jí)組出口等熵比焓、級(jí)組出口比焓，kJ／kg；Ti，Tatamb，Tmtlo，To分別為進(jìn)口飽和蒸汽溫度、環(huán)境溫度、級(jí)組做功后金屬溫度、級(jí)組出口溫度，℃；so，si，ssfo，ssgo，ssfi，ssgi分別為級(jí)組出口比熵、級(jí)組進(jìn)口比熵、級(jí)組出口液體比熵、級(jí)組出口汽體比熵、級(jí)組進(jìn)口飽和液體比熵、級(jí)組進(jìn)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(jí)組基礎(chǔ)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(jí)組進(jìn)口干度。

2 模型應(yīng)用

以大亞灣核電站900 MW汽輪機(jī)為研究對(duì)象，該汽輪機(jī)是由英國(guó)GEC公司制造的沖動(dòng)式四缸雙流中間再熱凝汽式飽和蒸汽汽輪機(jī)。共有四個(gè)汽缸，1個(gè)高壓缸，3個(gè)低壓缸，4個(gè)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(gè)級(jí)組；每個(gè)低壓缸有3股抽汽，故3個(gè)低壓缸根據(jù)抽汽口位置每個(gè)缸可分為5個(gè)級(jí)組。

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

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為校驗(yàn)該仿真模型的靜態(tài)精確度和動(dòng)態(tài)特性，以STAR-90仿真支撐系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，將該模型應(yīng)用到大亞灣核電站900 MW核電機(jī)組全范圍仿真機(jī)項(xiàng)目中，表1為該仿真機(jī)以實(shí)際運(yùn)行輸入數(shù)據(jù)為輸入?yún)?shù)，額定負(fù)荷下仿真機(jī)與實(shí)際參數(shù)的對(duì)比。

從表中的比較結(jié)果可以看出：本文所開發(fā)的汽輪機(jī)本體模型具有較高的精確性，模型在額定負(fù)荷穩(wěn)定工況下，由于汽水分離再熱器的較大簡(jiǎn)化，使得低壓缸進(jìn)口參數(shù)相對(duì)誤差稍微偏大，從而使得低壓缸參數(shù)相對(duì)誤差偏大。但總體來說，仿真值與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差在2%以內(nèi)，滿足了仿真機(jī)培訓(xùn)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(shí)刻低壓缸調(diào)門突然關(guān)小 （減少90%），汽輪機(jī)本體系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程中，汽輪機(jī)本體系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)的變化曲線。由兩圖可知：

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

圖3 汽輪機(jī)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(jī)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(duì)于低壓缸調(diào)門上游節(jié)點(diǎn)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?yàn)榈驼{(diào)門的節(jié)流作用，使上游各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力升高，并且是逆著流動(dòng)方向；對(duì)于低調(diào)門下游節(jié)點(diǎn)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(diǎn)后有所上升，這是由于低調(diào)門突然關(guān)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(shí)際情況。

（2）從流量曲線上來看，高壓缸進(jìn)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(jìn)入高壓缸的兩股抽汽和進(jìn)除氧器的高排汽支路，至高壓缸進(jìn)汽流量稍降；低壓缸進(jìn)汽流量先是下降至某一點(diǎn)后有所上升，這是由于低調(diào)門突然關(guān)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(huì)有所上升。由于低調(diào)門節(jié)流，低壓缸進(jìn)汽流量明顯減少，做功量大幅度下降，而后隨著進(jìn)汽流量的回升，汽輪機(jī)總機(jī)械功也有所上升。

4 結(jié)論

以大亞灣900 MW核電機(jī)組汽輪機(jī)本體系統(tǒng)為對(duì)象，進(jìn)行動(dòng)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(tái)，根據(jù)單相可壓縮流體網(wǎng)絡(luò)模型和核電汽輪機(jī)的級(jí)組動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型研究成果，建立了具有一定通用性的核電機(jī)組汽輪機(jī)本體系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真模型。仿真試驗(yàn)表明，本文所研發(fā)模型具有較高靜態(tài)精度和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，可作為核電站機(jī)組全范圍仿真培訓(xùn)系統(tǒng)模型的關(guān)鍵組成部分之一，還可為機(jī)組運(yùn)行特性分析提供理論參考數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)汽輪機(jī)熱力特性的變化趨勢(shì)。

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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(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用研究與熱控專業(yè)技術(shù)管理工作，E-mail：dy＠qwpp.com。