仿真技術在EPR機組定冷水系統調試中的應用

楊 軍，吳 飛，余剛峰，石 剛，吳 凡

（中廣核工程有限公司調試中心，深圳 518124）

1 背景

臺山核電廠是第三代核電EPR機組，其發電機定子冷卻水系統（以下簡稱定冷水系統）的設計采用節流孔板來調整各管路的流量，節流孔板決定了系統的流量及壓力分布。此設計給電廠的日常運行維護帶來方便，但在調試階段的流量調整試驗卻要準確地調整節流孔板的孔徑，以達到設計流量要求。

由于單個孔板調整對各管路的流量都產生影響，調試試驗中很難快速地確定孔板孔徑，試驗中往往采用以下方法：（1）先采用同類型機組的經驗數據對孔板加工以獲得接近設計值的流量，然后結合下述方法進一步微調孔板孔徑；（2）實測數據與經驗公式結合，用線性差值的方法逐步逼近，通過多次嘗試調整孔板以使流量滿足設計要求。

無論有無經驗數據參考，試驗均要多次嘗試。調試過程往往費時費力，不僅需要不斷拆裝及加工孔板，而且要反復進行類似的現場試驗。

由于臺山核電廠的系統是國內首臺三代EPR核電機組，對于目前世界上最大單機容量的發電機，其定冷水系統的參數值與現有核電機組完全不同，無可借鑒的經驗數據，這給調試工作帶來挑戰。

本文研究通過建立物理的數值模型，運用仿真技術，實現流網計算來確定各孔板孔徑，以使定冷水系統流量調整試驗快速方便地達到系統設計流量的要求。

2 建模

物理模型的建立運用集總參數模型方式，并主要依據三大平衡定律（即質量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律）以及水蒸氣表。

對于流網中的每個節點（集總參數模型），滿足質量守恒規律，即進出口流量相等，建立：

式中Fi——入口流量；F0——出口流量。

且各節點滿足能量守恒規律，即進出口能量相等，建立：

式中hi——液體入口焓道；h0——液體出口焓道；

Q——交換的熱量。

且各節點滿足動量守恒規律，即使用伯努里方程，簡化后

式中F——流量；Cv——流體的流阻系數；△P——壓差。

同時，為了得到各節點相關熱力參數，可通過水蒸氣表進行計算或者查值。

因定冷水系統流量調整試驗在溫度較恒定的情況下進行的，故為了減少計算的方程組，可忽略系統的能量交換因素，式（2）及水蒸氣表在建模時可不予采用。

對于流網中的特殊節點（定冷水泵）的模擬仿真，采用以下經驗公式（對于定速泵，相當于采用二次曲線擬合泵的流量壓力曲線）：

式中P——泵的壓頭；n——泵的轉速；Q——泵的流量；

C1，C2，C3——系數。

為方便調整孔板，對孔板可以建立方程式：

式中F——通過孔板的流量；C——孔板的流阻系數；d——孔板開孔直徑；△P——孔板前后壓差。

由式（1）～式（5），建立數值方程組，運用計算機編程，采用迭代逼近法或者解方程組的矩陣法等手段可以方便的計算出結果。本文利用了某仿真軟件進行建模，因其具有較好的人機界面，對參數的實時調整十分便利，大大提高了調整孔板的模擬計算效率。

3 應用

定冷水系統流量調整試驗調試中，實際應用采用以下步驟進行：

（1）根據定冷水系統流程圖（如圖1所示），將主要設備視為集總參數模型的各節點，建立流網仿真模型。

（2）由系統設計手冊中的管路及設備流量壓力計算書及泵的流量壓力曲線（即PQ曲線），計算出各方程式中的系數作為仿真模型的常數。運行仿真模型，各壓力與流量計算結果與系統設計的參數是一致的。此步驟的目的不僅檢驗了建模的正確性，而且為后續步驟建立了調整建模常數的數據基礎。

（3）運行現場系統，進行流量及壓力的測量記錄，并整理現場實測數據。而后調整流網仿真模型中各常數，使流量壓力的計算結果與現場實測數據保持一致。

（4）運行仿真模型，調整仿真模型中各孔板直徑值，即式（5）中的d值，反復嘗試使模型的計算結果與設計值一致。此時，各孔板的直徑值即為所求。

（5）根據計算的孔徑值加工孔板后復裝，運行現場系統，試驗測量驗證。若有偏差，分析原因，重復第3、4步驟。

圖1 臺山核電廠發電機定冷水系統簡圖

實際調試工作中進行了一次模擬計算，同時調整了4塊孔板的孔徑。流量調整試驗即滿足驗收準則（即各流量與設計值偏差不大于正負5%）。調試試驗情況參見表1及表2。

表1 孔板調整對照表 mm

表2 流量數據對照表 m3／h

實際應用的關鍵是要提高模擬精度，準確計算孔板孔徑，相關數據的準確獲得尤為重要。而現場測量條件是有限的，實測往往無法獲得全部建模數據。實踐中要把建模所需數據與現場的實際條件結合起來考慮，采用一定技巧和方法來提高模擬的準確度，故需要做好以下工作：

（1）做適當的假設和簡化。采用集總參數模型，假設某些管段流阻集中到一個節點，如將連接閥門管段的沿途阻力假設到閥門這個節點上。同時為突出重點要簡化建模，比如將系統中兩臺定冷水泵簡化成一臺。應用中將現場定冷水系統按照圖1所示簡圖進行仿真模型的建立。

（2）不可忽略系統安裝高差。定冷水系統設備安裝位置最大高差約20m，位于系統中間的某個節點在運用伯努里方程式時，不能忽略高差，否則仿真計算時系統的壓力無法與實際保持一致。

（3）泵的方程式中常數的確定要注重選取泵具有代表性的運行點。在上述第三步驟中確定式（4）中的C1、C2及C3時，為準確反映現場泵的實際運行情況，需要用實測值來計算。現場試驗通過操作相應的閥門開度，測量運行中泵的三組流量壓力數據：一般包括流量為零時，泵進出口壓力；以及在泵額定工況附近的兩組流量壓力數據。

（4）孔板壓差要準確取值模擬。孔板是關鍵的研究對象，每個需要調整的孔板必須作為一個節點來考慮，重要的是其前后壓差一定要盡量準確模擬。然而，現場系統壓力測點有限，往往無法獲得其準確壓差。這時，可以利用設備運行維護手冊中的以下經驗公式來取值模擬：

式中 Q——流量（m3／h）；ε——可壓縮系數；α——流量系數；d——孔 板 孔 徑 （mm）；P——壓 力 （Pa）；ρ——流體密度（Kg／m3）。

在進行上文第4步時，調整孔板的流阻系數，使孔板壓差維持在由式（6）計算的壓差值，這將提高后續步驟中調整孔徑計算的準確度。

4 比較分析

定冷水系統流量調整試驗的常規方法是利用在流量一定范圍內變化時，特定管道流量與其孔板孔徑的平方成近似的正比例關系來計算，即

式中 Q——流量；K——比例系數；d——孔板孔徑。

利用現場實測數據，可計算出K值，而后根據流量的設計值，計算需要調整的孔徑。因式（7）為比較粗略的經驗公式，計算雖然便捷，但是不準確。以中性點短路管處的孔板計算為例：現場實測數據為：流量14.5m3／h，孔板孔徑19.0mm，而設計流量為12.0m3／h。根據式（7）計算，為達到設計流量，孔板孔徑應調整為17.3mm，而實際上孔徑調整到15.5mm才能滿足設計要求。即使采用線性差值逐漸逼近的方法，為了得到滿足要求的孔徑，至少也需要2～3次的嘗試后才能試驗合格，這還是在沒有考慮其他支路流量調整對其影響的情況下。

究其原因，參照式（6），經驗公式式（7）忽略了孔板前后壓差變化的影響，而且在流網中，任何支路的流量壓力變化的影響都是全局的，即某一支路的變化會影響其他支路的流量壓力。故常規的方法不僅比較粗略，而且無法兼顧全局影響，故調試中往往需要多次嘗試，并憑調試經驗反復試驗才能使孔板調整到滿足要求的孔徑。而采用流網仿真計算，物理模型不僅模擬了設備壓差的影響，而且模型本身具有全局性，考慮了需要調整的孔板對整個系統壓力流量的相互影響，故模型的計算更能客觀地反映現場系統運行的實際情況。

5 結語

本文運用仿真技術，在發電機定冷水系統的流量調整試驗中采用流網仿真計算的方法，在較短的調試時間內，試驗并計算出系統中孔板的孔徑，一次性使試驗結果滿足了試驗驗收標準的要求，實際應用取得了良好結果。本文的研究嘗試說明對于具有復雜流量壓力關系的系統調試工作，流網仿真計算具有極大的推廣價值。推而廣之，仿真技術由于可以事先在模型上進行模擬研究，減少了實體工作，省時省力，節約成本，對實際調試工作具有很大的指導作用。