AP1000設備冷卻水系統的仿真實現

黃秋蘭 謝政權 陳 杰

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0　引言

AP1000核電技術是從美國西屋公司引進的非能動壓水堆核電技術，是我國第三代核電技術之一。AP1000設備冷卻水系統（CCS）是閉式回路的冷卻水系統，在電廠正常運行工況下，將各設備的熱量傳給廠用水系統。

本文介紹的設備冷卻水系統（CCS）的模型采用美國GSE公司的JTOPMERET圖形化建模工具組態而成。AP1000設備冷卻水系統（CCS）的模擬范圍為全模擬。設備冷卻水系統 （CCS）的模型集成在AP1000電廠全廠仿真模型即全范圍模擬機之中，全范圍模擬機通過滿工況，變工況及事故運行工況等不同的運行狀態來模擬真實電廠的運行。

1　流體系統建模的主要原理以及組成

1.1　流體系統建模遵循的主要方程以及計算的主要變量

流體系統建模遵循動量平衡、質量平衡以及能量守恒三大定律，對于氣相以及液相均獨立計算動量、質量以及能量方程。

動量方程：

質量方程：

能量方程：

流體系統主要計算壓力、流量、焓、溫度、熱傳遞、氣相濃度、沸騰和凝結率、濃度、反應性、電導率、可溶化學濃度等重要參數。

1.2　JTOPMERET的程序結構

JTOPMERET的程序結構，如圖1所示，MST（主計算機同步任務管理，控制主計算機實時系統執行）以及SST（從計算機同步任務管理，控制從計算機實時任務執行）處于程序結構的頂端，驅動RTEXEC（實時執行，由MST或者SST驅動，用于模擬機模型間的集成執行）以及IEXEC（內部執行，用于實時多模型共同測試），均處于服務器層。工程師層有控制模塊，控制模塊控制各程序段，各程序段控制模型內各組件，組件由某些特定編碼的子程序構成。

圖1　JTOPMERET程序結構

1.3　JTOPMERET流體網絡的主要組成

JTOPMERET流體網絡主要由節點 （node）、連接（link）、壓力邊界（pressure boundary）、流體邊界（flow boundary）、熱邊界（heat boundary）、泵、風機、閥門、熱交換器等組成。下面簡要介紹節點以及流體通道的類型。

（1）節點（node）

JTOPMERET共有9種node，依次為常規型、汽輪機型、容器型、冷卻塔型、熱交換器殼側型、熱交換器管側型、管道型、氣體分離器、液體分離器型，設備冷卻水系統主要應用常規型，容器型，熱交換器殼側型、熱交換器管側型。

（2）連接（link）

JTOPMERET共有3種link，依次為質量流量連接，熱流量連接以及簡單連接三種。其中質量流量連接用于連接節點，熱流量連接用于連接熱邊界，簡單連接用于連接各種測量儀表，如壓力變送器，溫度變送器等。設備冷卻水的節點圖運用了以上三種連接。

（3）邊界（boundary）

JTOPMERET共有4種boundary，分別對應壓力邊界、流量邊界以及熱流量邊界以及熱節點邊界。設備冷卻水系統運用了壓力邊界，流量邊界以及大量的熱邊界。

2　設備冷卻水系統（CCS）建模

2.1　設備冷卻水系統（CCS）系統介紹

設備冷卻水系統（CCS）是在反應堆正常運行時和事故工況下，向一回路帶放射性介質的設備提供冷卻水、將其熱量傳至最終熱阱、并避免放射性流體向環境泄漏的閉式水回路。系統設有兩個機械系列，每個系列各有一臺泵，一臺熱交換器。兩個系列共用出口總管和入口總管（圖2）。出口總管有一支管通向安全殼，以供水至主泵和下泄熱交換器等設備，另有支管分組通向安全殼外的其他設備。安全殼內設冷水系統的運行壓力高于安全殼的設計壓力，以避免安全殼氣體向系統的泄漏。設冷水正常供水的溫度不超過35℃，最低溫度不低于 15.6℃。

圖2　AP1000設備冷卻水系統（CCS）過程示意圖

在入口總管上接有一個波動箱，波動箱能補償設冷水溫度變化引起的容積變化，并能補償系統的泄漏。水箱的容積是按30分鐘內泄漏率為11.36m3/h的補償能力設計。波動箱根據低水位信號自動補水。閉式的冷卻回路由波動箱通大氣。為防止各用戶傳熱面上積垢和減少腐蝕，系統需添加緩腐劑。

兩臺設冷水泵為臥式離心泵，每臺的設計流量為2035m3/h，揚程為97.5m。兩臺設冷水熱交換器為板式結構，板材為超奧氏體不銹鋼（AL-6XN）、鈦或相當材料。熱交換器內設冷水的運行壓力高于廠用水的壓力，以防止廠用海水漏入設冷水系統。

2.2　故障的模擬

在設備冷卻水系統中共模擬了8處破口泄漏故障，包括設備冷卻水管板泄漏，設備冷卻水波動箱箱體泄漏，設備冷卻水泵出口母管破口泄漏，設備冷卻水進安全殼母管泄漏，設備冷卻水供主泵冷卻水管泄漏，設備冷卻水進輔助廠房母管泄漏，設備冷卻水供空氣壓縮機管道泄漏，設備冷卻水供主泵變頻器管道泄漏。故障發生時，供水母管或供水支管破口下游流量降低，被冷卻設備溫度逐漸升高，回水溫度升高，波動箱液位下降等系統響應。

2.3　設備冷卻水系統節點圖

按照設備冷卻水系統P&ID以及過程示意圖，根據JTOPMERET繪制原則，設備冷卻水系統由94個節點，185條管線及設備組態而成。如圖3所示。

圖3　設備冷卻水系統節點圖

2.4　模型輸入數據的準備

模型輸入數據主要包括節點數據輸入、link數據輸入、邊界數據輸入、泵、風機、熱交換器等部件的數據輸入。下面將介紹節點、link以及泵的數據輸入。

節點的數據計算形式及參數輸入界面分別如圖4和圖5所示

圖4　節點的參數計算

圖5　節點的參數輸入

Link的數據計算及參數輸入界面如圖6和圖7所示。

泵的參數輸入見圖8所示。泵需要輸入凈吸入壓頭（NPSH），運行曲線以及壓降，選取泵運行曲線上若干工作點，分別填入其壓頭以及對應的流量，完成泵的參數輸入。

圖6　link的參數計算

圖7　link的參數輸入

圖8　pum p的參數輸入

3　單系統測試

3.1　系統運行工況

設備冷卻水系統主要有三種運行狀態：

（1）100%功率正常運行狀態；

（2）電廠停堆 4小時運行狀態；

（3）故障運行狀態。

3.2　設備冷卻水系統的測試結果

表1和表2是通過Excel對設備冷卻水系統的模型運算結果及偏差水平進行的實時監測，表3為故障瞬態實時監測。

表1　100%正常運行工況重要參數的測試結果及偏差

表2　電廠停堆4小時運行狀態測試結果及偏差

表3　熱交換器管板泄漏測試結果

設備冷卻水系統運行時的最關鍵參數為系統的供水溫度和流量，通過表1可以看到，100%正常功率運行時，一臺設冷泵和一臺設冷熱交換器運行，供水流量設計值為585.8Kg/sec，溫度為27℃左右，模型的計算值分別為 587.175Kg/sec，27.022℃，誤差在 0.2%以內，滿足誤差要求。電廠停堆4小時后，余熱排除系統在啟用過程中產生大量的熱量，此時設冷水備用泵和備用熱交換器需要在余熱排除系統啟動前啟動，以帶走產生的大量的熱量，通過表2可以看到其供水流量和溫度均在2%的誤差范圍內，滿足誤差要求。

在故障測試中，選取的是熱交換器管板泄漏的故障，正常運行時，系統的供水流量和回水溫度分別為587.175Kg/sec，38.448℃，插入故障后，破口下游流量降低，由于設備熱量不足以被帶走而累積，回水溫度逐漸升高，泄漏同時導致波動箱的液位逐漸降低。故障運行狀態符合實際電廠設計的運行要求。

4　小結

本文介紹了基于JTOPMERET針對設備冷卻水系統的仿真模型及測試結果，設備冷卻水系統的運行狀態符合電廠設計數據要求，較真實的反應了實際電廠運行的各種工況，各回路管線的流量、溫度、節點壓力，箱體液位等參數與設計參數之間誤差均在容許范圍內，達到模型設計要求。

【參考文獻】

［1］Richard H.Hill.Simulation,emulation,&translation,Simulation eb1968;vol.10：pp.81-84.