AP1000設備冷卻水系統的仿真實現

黃秋蘭　謝政權　陳杰

【摘 要】AP1000核電站采用AP1000全范圍模擬機，所有電站模型按照系統類型與建模工具的不同可以劃分為堆芯系統、一回路熱工水力系統、氣液兩相流體系統、氣體或者液體單相流體系統、儀控系統以及電氣系統。本文主要介紹AP1000電站流體系統的建模原理和仿真過程，以AP1000設備冷卻水系統為例，使用GSE公司的圖形化建模工具JTOPMERET對建模和仿真過程進行說明。

【關鍵詞】AP1000；設備冷卻；建模；仿真

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0227-003

AP1000 Component Cooling Water System Simulation

HUANG Qiu-lan XIE Zheng-quan CHEN Jie

（Nuclear Wuhan Nuclear Power Operation Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430223， China）

【Abstract】The AP1000 plant adopts full scope real time simulator， all the plant models divide into reactor core models， primary hydraulic fluid system， gas and liquid two phase fluid system， gas or liquid single phase fluid system， instrumentation and control system and electric system. This article mainly introduces the philosophy of the AP1000 plants fluid system modeling and process of the simulation， takes the Component Cooling Water System as an example， using the GSE companys graphic modeling tools JTOPMERET to explain the process of the modeling and simulation.

【Key words】AP1000； Component Cooling； Modeling； Simulation

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。

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。

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℃。

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。

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。

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。

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

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.