CN107763610A - 一种基于结构的核电厂高压给水加热器精细化仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于结构的核电厂高压给水加热器精细化仿真方法。将核电厂高压给水加热器根据实际物理结构划分为8个子模型区域，对其中的蒸汽凝结区和疏水冷却区两个区域根据实际的管排及隔板形式进行更加详细的划分，划分为若干节块，根据节块内的传热与流动特性，分别建立其该区域的仿真子模块程序，结合模型输入参数及其校核、反馈与修正，通过主程序进行组合和调度，生成相应的计算序列和调用序列，由此构建基于结构的核电厂高压给水加热器精细化仿真模型。本发明不需要依赖任何具体的核电厂高压给水加热器设备具体参数，能够适用于一般情况下各种参数及形式的核电厂高压给水加热器设备，具有良好的通用性。

Description

一种基于结构的核电厂高压给水加热器精细化仿真方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于实际物理结构的仿真方法，具体地说是一种压水堆核电厂二回路系统中的高压给水加热器的仿真方法。

背景技术

核电厂高压给水加热器是二回路系统的重要组成部分。通过汽轮机排出的饱和蒸汽对给水加热器的给水进行加热。给水加热器的存在使得核电厂的效率得到提高。核电厂中常用的加热器为管壳式双流程给水加热器。高压给水加热器结构较为复杂，其壳侧存在湿饱和蒸汽，存在两相流动与传热的情况，管侧为单相不饱和水。一般对于核电厂给水加热器的仿真建模研究往往都是采用集总参数法进行研究，对给水加热器区域划分较少，各区域内参数统一进行计算，对于给水加热器传热管将管束简化为一根管进行建模仿真，使得计算的精确度难以得到保证。在这种仿真模型中，往往只计算所需要位置的参数，对于给水加热器中其他位置的参数都进行简化，无法反映出给水加热器整体的参数分布情况。而且往往需要针对不同形式、不同类别、不同参数的核电厂高压给水加热器进行分别仿真，所建立的仿真模型的通用性较差，难以在进行修改之后应用于不同的设备对象，大部分情况都需要重新建立仿真模型。

因此，有必要提供一种基于结构的核电厂高压给水加热器精细化仿真方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够有效提高核电厂高压给水加热器的设计研发效率，具有良好的通用性的基于结构的核电厂高压给水加热器精细化仿真方法。

本发明的目的是这样实现的：

根据核电厂高压给水加热器实际物理结构，将所对应的核电厂高压给水加热器仿真模型进行区域划分，划分为蒸汽凝结区、疏水冷却区、凝结水区、蒸汽进口区、疏水出口区、进口水室、出口水室和弯管区；

蒸汽凝结区和疏水冷却区根据实际的管排层数以及实际的隔板、挡板数目进行更细致的划分，具体包括：纵向以两层管排的中间位置为划分边界，横向以隔板、挡板为划分边界，对蒸汽凝结区和疏水冷却区进行更加细致的划分；

对蒸汽凝结区和疏水冷却区的节块分别、同时进行传热流动计算，具体包括：所划分的蒸汽凝结区域的节块中同时包含了壳侧蒸汽凝结计算、金属管壁传热计算、管侧单相流动换热计算；疏水冷却区域的节块中同时包含了壳侧单相流动换热计算、金属管壁换热计算、管侧单相流动换热计算；

蒸汽进口区、疏水出口区、进口水室、出口水室、弯管区根据实际核电厂高压给水加热器物理结构，各自形成一个区域，每个区域都包含了各自相关的流动阻力计算；

各个区域根据其划分形式和计算关系，分别形成区域计算子模块，每个区域计算子模块都能够反映该区域的传热流动特性与计算关系，在进行仿真计算时通过主程序进行调度，通过内部接口关系进行模块之间参数传递；

通过仿真前处理，对输入参数进行热平衡预计算并校核、反馈及修正；

通过输入参数形成指定格式输入文件，以通过主程序进行调用及生成；

所构建的高压给水加热器精细化仿真模型，通过主程序进行对各个区域子程序的调度，按照计算序列，进行仿真计算。

本发明涉及的是压水堆核电厂二回路系统中的高压给水加热器，具体涉及到一种能够提高核电厂高压给水加热器建模效率的仿真方法，该方法基于实际物理结构的、所构建的仿真模型能够更加细致的反映核电厂高压给水加热器参数分布特性。

针对现有的核电厂高压给水加热器设计与仿真计算存在的不足之处，本发明提供了一种能够提高核电厂给水加热器设计与计算效率、基于结构的精细化仿真方法。该仿真方法及所构建的仿真模型能够有效提高核电厂高压给水加热器的设计研发效率，基于结构的、精细化的核电厂高压给水加热器仿真模型能够更加精确的反应实际核电厂高压给水加热器中各个区域的传热流动特性与参数分布情况。本发明不需要依赖任何具体的核电厂高压给水加热器设备具体参数，能够适用于一般情况下各种参数及形式的核电厂高压给水加热器设备，具有良好的通用性。

本发明的主要特点体现在：

1、根据核电厂高压给水加热器实际物理结构，将其所对应的核电厂高压给水加热器仿真模型进行区域划分。具体划分为蒸汽凝结区、疏水冷却区、凝结水区、蒸汽进口区、疏水出口区、进口水室、出口水室、弯管区。这样在仿真模型中的仿真模型区域划分形式与实际核电厂高压给水加热器的物理结构之间产生一一对应关系，仿真模型中每个区域都和实际物理结构中的一部分区域相对应，通过仿真模型中的每个区域反应实际模型中每个区域的物理过程及特性。在以往的集总参数法仿真中不存在这样的划分形式。

2、蒸汽凝结区和疏水冷却区根据实际的管排层数以及实际的隔板、挡板数目进行更细致的划分。这两个区域中，纵向以两层管排的中间位置为划分边界，横向以隔板、挡板为划分边界，由此对蒸汽凝结区和疏水冷却区进行更加细致的划分。所划分的每个仿真模型区域都与实际核电厂高压给水加热器的蒸汽凝结和疏水冷却位置区域相对应，管排和隔板、挡板也与实际设备中的管排、隔板、挡板一一对应。

3、所划分的蒸汽凝结区域的节块中同时包含了壳侧蒸汽凝结计算、金属管壁传热计算、管侧单相流动换热计算，疏水冷却区域的节块中同时包含了壳侧单相流动换热计算、金属管壁换热计算、管侧单相流动换热计算。这两个区域的节块分别、同时进行这些传热流动计算。在同一个区域内，同时计算壳侧流动传热、管侧流动传热、管壁传热，保证了壳侧计算、管壁计算和管内计算在时间上的一致性。

4、蒸汽进口区、疏水出口区、进口水室、出口水室、弯管区根据实际核电厂高压给水加热器物理结构，各自形成一个区域，每个区域都包含了各自相关的流动阻力计算，每个区域的计算都能够反应其中的流体流动状态。

5、以上各个区域，根据其划分形式和计算关系，分别形成区域计算子模块，每个区域计算子模块都能够反映该区域的传热流动特性与计算关系，在进行仿真计算时通过主程序进行调度，通过内部接口关系进行模块之间参数传递。

6、通过仿真前处理，对输入参数进行热平衡预计算并校核、反馈并修正，防止在进行仿真计算初始阶段出现的参数不匹配而可能导致计算发散、计算不稳定等现象。

7、通过输入参数形成指定格式输入文件，以通过主程序进行调用及生成。

8、所构建的高压给水加热器精细化仿真模型，通过主程序进行对各个区域子程序的调度，按照一定的计算序列，进行仿真计算。

本发明的有益效果如下：

本发明通过将高压给水加热器划分为蒸汽凝结区、疏水冷却区、凝结水区、蒸汽进口区、疏水出口区、进口水室、出口水室、弯管区这些区域，将蒸汽凝结区、疏水冷却区进行更加详细划分，以一排管和隔板、挡板为划分边界划分为若干控制体。这样的划分形式能够保证高压给水加热器在进行仿真计算时既能够满足实时性的计算速度需求也可以达到一定的计算精确度，满足对高压给水加热器不同位置压力、温度、流量、两相参数结合空间位置分布等计算需求。通过本发明能够有效提高核电厂高压给水加热器的设计研发效率，提升所建立的核电厂高压给水加热器仿真模型的可重用性，所建立的模型能够满足对于不同程度仿真及计算的需求，计算结果能够有效的展示核电厂高压给水加热器的参数分布特性及参数分布情况。

本发明能够在核电厂高压给水加热器的设计阶段及运行提供支持，针对核电厂高压给水加热器的精细化仿真方法在高压给水加热器在设计阶段具有一定的通用性，满足对不同形式、不同参数的核电厂高压给水加热器的建模仿真需求，同时通过该方法所建立的高压给水加热器仿真模型其计算结果能够区域化的反应实际核电厂高压给水加热器某一区域的参数分布情况，对于核电厂高压给水加热器的设计研发及运行特性研究提供帮助。

附图说明

图1基于结构的核电厂高压给水加热器仿真模型节点划分。

图2核电厂高压给水加热器精细化仿真流程。

图3核电厂高压给水加热器精细化模型计算和调用序列。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明的基于结构的核电厂高压给水加热器精细化仿真方法具体包括：

结合图1，根据核电厂高压给水加热器实际物理结构，在进行仿真时，将其划分为蒸汽凝结区、疏水冷却区、凝结水区、蒸汽进口区、疏水出口区、进口水室、出口水室、弯管区这些区域。

如图1中的区域划分所示，针对蒸汽凝结区和疏水冷却区，横向按照实际存在的隔板、纵向按照实际所在的管排位置及空间位置对这两个区域进行更加细致的划分，由此所划分形成的区域节块与实际物理结构，管排、隔板、挡板相对应。所划分的每个区域及节块内，蒸汽凝结区内同时进行管外壳侧蒸汽传热流动计算、金属管壁导热计算和管内单相水传热流动计算，疏水冷却区内同时进行管外壳侧单相流动计算、金属管壁导热计算、管内单相流动计算，保证了在这两个区域及节块内所有计算的同时进行。每个区域及节块内的计算关系都能够准确的表示实际核电厂高压给水加热器相应的区域内的传热流动物理特性。

凝结水区域涉及两相容积与液位计算。蒸汽进口区、疏水出口区、进口水室、出口水室、弯管区，这些区域主要包含流体流动阻力计算。以上区域由于不存在管排、隔板、挡板，且不存在换热计算，因此每个区域都按照实际的结构划分为各自的区域节块进行计算。每个区域也能够与实际高压给水加热器相应的该部分位置区域相对应。

根据实际物理结构所划分的蒸汽凝结区、疏水冷却区、凝结水区、蒸汽进口区、疏水出口区、进口水室、出口水室、弯管区这些区域，其中蒸汽凝结区、疏水冷却区根据物理结构更细的划分，结合各个区域的传热流动计算关系，分别作为一个仿真计算子模块，其他区域分别作为一个整体区域，结合各自的流动计算关系，作为仿真计算子模块，通过仿真主程序进行调度。

结合图2，在进行高压给水加热器仿真计算之前，需要进行一系列前处理操作。

根据核电厂高压给水加热器实际物理结构，在进行仿真计算时有一些所需要的输入参数，输入参数主要包括结构参数、初始参数、边界参数等。输入参数在设计阶段往往不会很多，不会有很多具体的参数。通过本发明所构建的仿真模型，需要的输入参数为高压给水器管束数目、管束长度、管束直径、壁厚、给水进出口参数、抽汽参数、疏水参数，这些参数都是在核电厂高压给水加热器设计阶段所必须给出的参数。

将输入参数按照指定的格式填入输入文件中，通过读取模块对输入参数进行识别和读取，形成用于仿真计算的主程序。具体的输入文件格式表述形式如下：

表1核电厂高压给水加热器精细化仿真模型输入参数

各个参数按照其名称、类别、类型、单位等属性进行排列和归类，由此形成输入文件。仿真计算时根据所需要的参数填入适当位置即可。

在进行参数输入之后，需要对输入参数进行基本热平衡计算的校核，以保证在仿真计算初始阶段不会因为参数不匹配而导致的计算过程不收敛、计算初期不稳定现象，有效的提升仿真计算的效率。需要验证输入参数能否满足核电厂高压给水加热器的基本热平衡关系，如果输入参数不能满足热平衡关系，则需要对输入的参数进行反馈，通过不平衡关系指出可能存在错误或不当的地方，一般为流量不匹配、温度压力、焓值不匹配等基本流动、热力不平衡情况。之后根据存在的不平衡情况进行修正，使得输入参数能够满足平衡关系或者给出相应的修正建议。经过修正之后的输入参数即可用于之后的仿真计算之中。

通过仿真程序生成仿真计算所需的计算序列和调用序列，所生成的计算序列及调用序列如图3所示。各个区域之间的计算先后关系保证了区域计算子模块之间参数传递的正确性。主程序用于调用各个区域计算子模块，通过各个区域子模块之间的接口关系进行内部数据传递，实现仿真计算。各个区域计算子模块之间主要互相传递流量、温度、焓值等参数。主程序本身不负责参与核电厂高压给水加热器仿真模型的流动、传热等计算，只负责进行参数的传递及子程序的调度。

对于具有不同形式、不同结构、不同参数的核电厂高压给水加热器设备，可以通过在输入文件中参数的改变，形成具有不同参数值的输入文件，对应的仿真模型中的管排、隔板等结构参数以及其他输入参数可能存在不同。不同的高压给水加热器可能会存在输入参数不同、管排数目不同、隔板数目不同，主程序中的计算序列以及调用序列依然保持一致，而其中调用子模块的计算次数将会发生改变。调用子模块的次数，主要是蒸汽冷却区子模块和疏水冷却区子模块的计算次数，这两个区域子模块的计算次数根据管排数目和隔板数目发生变化。

通过精细化核电厂高压给水加热器仿真模型计算的输出结果能够实时、准确的反应实际核电厂高压给水加热器中对应区域的参数分布情况，尤其是蒸汽凝结区和疏水冷却区这两个区域根据管排、隔板进行更加详细的划分与计算，其计算输出结果并不是单独的一个点，而是由所划分的节点所形成的区域，能够更加合适的反应核电厂高压给水加热器的运行特性及参数分布情况。

本发明的基于结构的核电厂高压给水加热器精细化仿真方法，在提供指定但并不是十分详细和全面的输入参数情况下，能够形成核电厂高压给水加热器精细化仿真模型，完成对核电厂高压给水加热器的精细化建模与仿真计算。所构建的核电厂高压给水加热器仿真模型具有良好的通用性，能够针对不同的核电厂高压给水加热器进行精细化建模与仿真，对输入参数并没有较高的依赖性。能够满足对于核电厂高压给水加热器的设计仿真等不同程度需求。

需要注意的是，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种基于结构的核电厂高压给水加热器精细化仿真方法，其特征是

根据核电厂高压给水加热器实际物理结构，将所对应的核电厂高压给水加热器仿真模型进行区域划分，划分为蒸汽凝结区、疏水冷却区、凝结水区、蒸汽进口区、疏水出口区、进口水室、出口水室和弯管区；

蒸汽凝结区和疏水冷却区根据实际的管排层数以及实际的隔板、挡板数目进行更细致的划分；

对蒸汽凝结区和疏水冷却区的节块分别、同时进行传热流动计算；

蒸汽进口区、疏水出口区、进口水室、出口水室、弯管区根据实际核电厂高压给水加热器物理结构，各自形成一个区域，每个区域都包含了各自相关的流动阻力计算；

各个区域根据其划分形式和计算关系，分别形成区域计算子模块，每个区域计算子模块都能够反映该区域的传热流动特性与计算关系，在进行仿真计算时通过主程序进行调度，通过内部接口关系进行模块之间参数传递；

通过仿真前处理，对输入参数进行热平衡预计算并校核、反馈及修正；

通过输入参数形成指定格式输入文件，以通过主程序进行调用及生成；

所构建的高压给水加热器精细化仿真模型，通过主程序进行对各个区域子程序的调度，按照计算序列，进行仿真计算。

2.根据权利要求1所述的基于结构的核电厂高压给水加热器精细化仿真方法，其特征是所述蒸汽凝结区和疏水冷却区根据实际的管排层数以及实际的隔板、挡板数目进行更细致的划分具体包括：纵向以两层管排的中间位置为划分边界，横向以隔板、挡板为划分边界，对蒸汽凝结区和疏水冷却区进行更加细致的划分。

3.根据权利要求2所述的基于结构的核电厂高压给水加热器精细化仿真方法，其特征是所述对蒸汽凝结区和疏水冷却区的节块分别、同时进行传热流动计算具体包括：所划分的蒸汽凝结区域的节块中同时包含了壳侧蒸汽凝结计算、金属管壁传热计算、管侧单相流动换热计算；疏水冷却区域的节块中同时包含了壳侧单相流动换热计算、金属管壁换热计算、管侧单相流动换热计算。