基于RINSIM仿真平臺的汽機蒸汽與疏水系統（CNP600機組）仿真實現

黃秋蘭　謝成龍　祁蔚　田波　向俊瑛

【摘 要】CP600全范圍模擬機以CNP600機組的電廠系統劃分仿真系統。本文主要介紹了RINSIM平臺下仿真建模的原理與仿真過程，以CP600汽機蒸汽與疏水系統的建模過程為例，說明了在RINSIM平臺下使用SimGen和SimUgd進行建模和調試的方法和過程。

【關鍵詞】CNP600；汽機蒸汽；RINSIM；仿真

中圖分類號： TL364.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）04-0141-003

Simulation of turbine steam and hydrophobic system under RINSIM platform（CNP600 power plant）

HUANG Qiu-lan XIE Cheng-long QI Wei TIAN Bo XIANG Jun-ying

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation， Wuhan， 430223， China）

【Abstract】CP600 full scope simulator was based on CNP600 power plant system division simulation system. This paper mainly introduces the principle and simulation process of simulation modeling under RINSIM platform. Taking the modeling process of steam turbine and hydrophobic system of CP600 as an example， it illustrates the method and process of modeling and debugging using SimGen and SimUgd under RINSIM platform.

【Key words】CNP600； Turbine steam； RINSIM； Simulation

1 RINSIM仿真平臺介紹

RINSIM是一個包含了建模，在線調試，圖形組態，數據庫管理等功能的大型仿真平臺軟件。該平臺軟件在多個核動力仿真機研制項目中使用，包括：ACP1000，CP1000，CP600全范圍模擬機的研制、330MW機組全范圍仿真機改造、CANDU堆型全范圍模擬機Desktop項目等在內的大型仿真機開發項目，還為使用全范圍仿真機的各大專院校等單位提供了RINSIM仿真平臺用于開發運行。

SimBase仿真支撐軟件系統，是支撐實時仿真軟件開發，調試和執行的軟件工具，是整個仿真平臺的底層環境。它適合大型數據庫，Fortran編寫的模型程序，多處理器仿真系統的需要。系統同樣也支持c語言編寫的程序，但一般是用Fortran語言開發程序。各分用戶能夠在SimBase下開發和調試各自用戶的模塊。將模塊裝載編譯后，可在調試環境中監控中直接觀察實時值。

2 汽機蒸汽和疏水系統簡介

汽輪機蒸汽和疏水系統是二回路非常重要的一個系統，汽輪機蒸汽和疏水系統接受來自主蒸汽系統（VVP）的蒸汽，在汽輪機中將熱能轉化為機械能，驅動發電機發電。同時從汽輪機流道的適當位置抽出蒸汽加熱凝結水和給水，提高熱循環效率。在汽輪機啟動和運行中排除汽輪機本體范圍內高壓蒸汽進汽管道的疏水、高壓缸排汽管道的疏水、高低壓汽缸內的疏水等，以避免疏水在這些部位積聚，若不及時排除疏水，則可能導致汽輪機承受熱沖擊和機械沖擊，致使部件過度變形、受葉片沖蝕和動靜部件摩擦碰撞。

汽機蒸汽及疏水系統流程：

由主蒸汽系統來的新蒸汽經過主汽閥和調節汽閥進入汽輪機高壓缸，在高壓缸內膨脹做功后形成濕蒸汽，然后通過高壓缸排汽管線進入汽水分離再熱器。在汽水分離再熱器中經過去濕和再熱成為微過熱蒸汽，再經蒸汽管線和再熱閥進入低壓缸。在低壓缸中蒸汽繼續膨脹做功，最后蒸汽進入凝汽器中冷凝成凝結水。

為了提高循環熱效率，系統中設置了3級雙列表面式低壓加熱器，3級雙列表面式高壓加熱器，1臺除氧器和2臺汽水分離再熱器。除了第2級再熱器的加熱蒸汽來自主蒸汽外，其余加熱器，除氧器和第1級再熱器的加熱蒸汽在正常運行時均來自汽輪機各級抽汽。

在汽輪機甩負荷等瞬態運行時，汽輪機旁路系統投入運行，以平衡反應堆和汽輪機之間的功率差，將多余蒸汽量排向凝汽器和大氣，保證反應堆安全運行。

汽輪機控制由汽輪機調節系統控制，汽輪機疏水系統由汽機疏水閥控制。

CP600100%滿功率運行時，汽機進汽流量為1038kg/s，汽機輸出機械功率為686MW，整個機組有7級抽汽，高壓缸排汽經過兩級再熱后送往低壓缸。

3 汽機蒸汽及疏水系統模擬數學模型

本系統建模時采用simflow2蒸汽流網模型。simflow2的數學模型是根據以下假設來建立的：

蒸汽—不凝氣—水的混合物是飽和的，蒸汽和不凝氣的溫度同是蒸汽分壓下的飽和溫度；

混合物流被定義為近似的均勻流，也就是不考慮滑移；

蒸汽和不凝氣組成的是理想氣體混合物，其蒸氣—不凝氣常數依據真實蒸汽性質每個時間步長都不斷更正；

節點混合物的參數為整個節點的參數。

根據這些假設，我們有以下質量、能量和濃度的平衡方程式：

=G（1）

=-G*h+Q+R（2）

=-G*C.+J（3）

其中，h—節點混合物焓；p—節點壓力；C—節點不凝氣濃度；m—節點的質量；G—兩節點之間的質量流量（如果流向從i到j，為正向流，反之，為負）；ρ—節點介質密度；Q—熱交換量（如果該節點為熱交換器）；R—內熱源；J—內濃度源；h=hi，C=Ci –在流向為從i到j時；h=hj，C=Cj –在流向為從j到i時；

以及動量方程：

*+ξ*-Δp'-k*n-k*n*G-k*G=0（4）

其中，L—管長；Δp'—管道壓降；n—泵的歸一化轉速；k1，k2，k3—泵的特性曲線常數；Δp'=Δp+ρ*g*Δz=pi-pi+ρ*g*Δz；為高差

設A2=S2/ξ，并將式（4）寫成有限差分形式，得到：

G=-（-k*ρ*A）

其中，Gc為上一步長流量。

又設，ε=-k*ρ*A，這樣，

G=-ε

將上式等號右側分子分母同乘以

+ε

則，

G=

從而，

=-=

又因為

G～

經過轉換可得，

=

把流量寫成全微分方程，

G=Gc+*+*+**|（當流量從i—j為i；當流量從j—i為j.）（5）

又，對于節點i，=-∑Gi，j也就是

Vi**=-∑Gi，j（6）

考慮到水也具有微弱的可壓縮性，我們在式中加上一項kass*（1-φ），式中kass為可壓縮系數，φ為蒸汽在節點中所占的容積比，則（5）變成：

（kass*（1-φ）+Vi*）*=-∑Gi，j（7）

將（7）帶入（5），有

（+*+kass*（1-φ）+Vi*）*+*+*=-∑G（8）

如果對所有的節點和流量列出該方程，我們就可以得到一個關于的n×n矩陣（n為節點數），而矩陣的元素也可根據上述一些列計算式求出。

現舉例說明：

如果有①—②—③這樣一個流體網絡，G1為從節點1到節點2的流量，G2為從節點2到節點3的流量。那么，根據全微分方程，有：

流道一：

-[G+（+*）*+*]=+G1

流道二：

G+（+*）*+*=-G2

以上兩式相加，并利用-（G2-G1）=-（kass*（1-φ）+V2*）*

得到，

-（+*）*+（-++*+kass*（1-φ）+V2*）*+*=（G-G）（9）

在完成三個節點的計算后，我們就會得到如下的矩陣：

ag（1） ag（2） ag（3）ag（4） ag（5） ag（6）ag（7） ag（8） ag（9）×=y1m（1）G-Gy1m（3）

ag為矩陣元素，可以利用前面的公式計算得出，，。

這樣，我們就可以解出矩陣，得到

4 汽機蒸汽及疏水系統建模過程

4.1 建模準備工作

汽機蒸汽及疏水系統建模工作大致可分為如下步驟：

（1）建模前準備：資料收集與分析，并確定系統模擬范圍；

（2）仿真節點的確定，管路的簡化、合并，仿真節點圖的繪制

（3）資料的研究、歸納；

（4）確定系統參考基準（應根據整個工程來確定，所有系統采用同一個參考基準零點）；

（5）節點壓力分配及管線流導參數的計算；

（6）系統控制部分的建模；

（7）系統運行、調試。

4.2 模型建立

確定模擬范圍后使用simgen圖形化建模工具進行建模， 根據仿真節點圖分配理念，用盡可能少的節點，同時又要滿足模擬機功能的需要。

本系統的控制包括邏輯與模擬兩部分的控制；根據GPV系統的邏輯設計文件用simgen進行建模。

4.3 系統運行及調試

4.3.1 節點壓力分配及管線流導參數的計算

根據設計資料提供的數據，結合本系統的流網模型，對系統各管線的流導進行計算如下圖：

根據表中的數據模型進行數據輸入，對汽輪機進汽調節閥進行參數設置。完成調試前的準備。

4.3.2 在SimUgd中調試

在繪制完節點圖與控制圖，并完成系統的節點壓力分配與管線流導后，對模型進行調試，修改流導及相關參數，驗證節點壓力分布及管線流導的合理性。

調試穩定后，將重要的參數與設計資料提供的數據進行對比，計算誤差范圍，確定模擬是否滿足仿真精度要求。

100%功率穩態調試穩定后，進行手動跳機瞬態測試，跳機后25分鐘后汽機功率迅速降為0，核功率快速下降，穩定在20%左右，通過旁排的蒸汽流量穩定。

5 小結

本文介紹了基于RINSIM平臺的汽機蒸汽及疏水系統的建模的方法與過程。經過SimGen建模及SimUgd的調試，汽機蒸汽及疏水系統的運行參數符合電廠設計數據要求，各節點壓力，溫度，各管線流量均在誤差允許范圍內，滿足仿真精度要求，跳機瞬態過程也符合電廠設計要求。