CN107808063A - 一种用于电力系统分析的高温气冷堆仿真建模方法 - Google Patents
一种用于电力系统分析的高温气冷堆仿真建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于电力系统分析的高温气冷堆仿真建模方法。首先，基于高温气冷堆工作原理及运行特性，将其分解为多个子模块，包括堆芯中子动态模块、堆芯燃料温度模块、反射层温度模块、堆芯下腔室传热模块、堆芯上升通道传热模块、堆芯下降通道传热模块、堆芯出口联箱模块、氦风机模块、反应堆控制系统模块、旁路调节系统模块；其次，建立各子模块微分方程数学模型，模型兼顾软件可实现性；最后，基于上述建立的数学模型，在电力系统分析软件中建立高温气冷堆自定义模型，并将其与发电机模型、励磁系统模型联合构成接入电力系统的整体仿真模型，从而实现高温气冷堆核电机组和电力系统联合仿真计算的功能。本发明结构精细，模型参数意义明确、易获取，建模过程清晰，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于核电机组建模仿真技术领域，具体涉及一种用于电力系统分析的高温气冷堆仿真建模方法。
背景技术
高温气冷堆是国际核能界公认的具有第四代核能系统特征的优选堆型。其具有固有安全性好和系统简单，全范围的负反应性温度系数；且氦冷却剂是惰性气体，化学稳定性好，不会发生相变的特点。但石墨堆芯的热容量大，因而在功率瞬态过程中热惯性很大，温度的响应较慢。分析建立并掌握用于电力系统分析的高温气冷堆一回路系统模型对未来高温气冷堆接入电力系统，保证机组与电网安全稳定运行具有重要意义。
已有用于堆芯仿真分析的有基于软件的模型和线性集总参数模型。现有建立的直流蒸汽发生器模型，基于热工特性且较为复杂。但对于电力系统稳定计算而言太过复杂，且这些子系统的模型难以与PSASP和PSS/E等常用电力系统软件接口，不适用于电力系统仿真计算。当前针对高温气冷堆核电机组，无法获得实测数据，因而所搭建的模型与仿真软件的结果对比；另一方面，机理模型与实际模型之间参数的失配，可能导致模拟结果不能与实际吻合。高温气冷堆工作原理及模型参数与压水堆核电机组具有明显差异，因而需结合高温气冷堆设计及试验特性，开展参数及模型的适应性分析与验证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电力系统分析的高温气冷堆仿真建模方法，该方法结构精细，模型参数意义明确、易获取，建模过程清晰，实用性强。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于电力系统分析的高温气冷堆仿真建模方法，包括如下步骤，
步骤S1、基于高温气冷堆工作原理及运行特性，将其分解为多个子模块，包括堆芯中子动态模块、堆芯燃料温度模块、反射层温度模块、堆芯下腔室传热模块、堆芯上升通道传热模块、堆芯下降通道传热模块、堆芯出口联箱模块、氦风机模块、反应堆控制系统模块、旁路调节系统模块；
步骤S2、基于能量守恒定律，建立高温气冷堆各子模块微分方程数学模型；
步骤S3、基于步骤S2中建立的各子模块微分方程数学模型，在电力系统分析软件中，建立高温气冷堆的各子模块数学模型及整体系统自定义模型，确定自定义模型的输入量、输出量及模型参数，采用图形化编辑方式实现各子模块微分方程及限幅、限速功能，在基础数据库的发电机及其调节器窗口设置自定义模型参数，从而将高温气冷堆自定义模型通过调速器模型导入发电机模型，进而接入电力系统模型中，实现高温气冷堆核电机组和电力系统联合仿真计算的功能。
在本发明一实施例中，所述步骤S2中，高温气冷堆各子模块微分方程数学模型如下：
所述堆芯中子动态模块，反应堆入口氦气压力恒定，氦气密度近似为常数，采用集总参数的等效单组缓发中子点堆动力学模型方程为
ρ＝ρext+ρfuel+ρfeedback＝ρext+(αf+αm)ΔTF+αrΔTr
ρext＝Grzr
式中：Nr为中子通量密度，与反应堆热功率近似存在线性关系；ρ为堆芯的反应性，ρext为外部输入反应性、ρfuel为堆芯燃料反应性、ρfeedback为温度反馈反应性；β为缓发中子组的总份额；βi为第i组缓发中子有效份额；l为平均中子寿命；λ为等效缓发中子组的延时常数；λi为第i组缓发中子衰减时间常数；C为等效单组缓发中子先驱核密度；αf为燃料温度反应性系数，αm为慢化剂温度反应性系数；αr是反射层温度反馈系数且为正值；TF为燃料元件平均温度；Tr为反射层温度；Gr是控制棒微分价值；zr是控制棒棒速；
所述堆芯燃料温度模块，考虑了燃料发热份额Ff，其数学方程为
式中：μ表示总热容量；μc是燃料元件的总热容量；ε5表示堆芯下降通道的体积空隙率；P0是反应堆额定功率；Ω5表示堆芯与下降通道传热系数，Ωcr表示堆芯和反射层之间的传热系数；T5为下降通道温度；
所述反射层温度模块数学方程为
式中：μr表示反射层的热容量；Tr表示反射层温度；Ω3表示上升通道与反射层之间传热系数，T3表示堆芯上升通道的温度；
所述堆芯下腔室传热模块数学方程为
式中：T1表示下腔室温度，Tin表示堆芯入口冷氦温度；Min表示下腔室氦气热容流率，等于氦气流量与氦气定压比热的乘积；μ1表示下腔室热容量；
所述堆芯上升通道传热模块数学方程为
式中：μ3表示堆芯上升通道的热容量；M1表示堆芯上升通道氦气热容流率；γ2表示下部联箱向出口联箱的氦气泄漏率；T2表示下部联箱温度；
所述堆芯下降通道传热模块数学方程为
式中：μ5表示堆芯下降通道的热容量；M3表示堆芯下降通道氦气热容流率；
所述堆芯出口联箱模块数学方程为
Tout＝T6
式中：Tout表示出口氦气温度，T6表示出口联箱温度；μ6表示出口联箱的热容量；M5表示下降通道氦气热容流率，M6表示出口联箱氦气热容流率；
所述氦风机模块，考虑主氦风机提供一回路所需氦气的流量和压力升，假设主氦风机提供恒定工作压力，对氦气流量采用一阶惯性延迟模型，即
式中：Ggiv为主氦风机需求流量；Gout为主氦风机输出流量；τ为主氦风机惯性延迟时间常数。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明基于高温气冷堆工作原理及运行特性，建立全系统微分方程数学模型，模型参数意义明确、易获取；建立的自定义模型，能实现高温气冷堆模型与电力系统的联合仿真，实用性强。
附图说明
图1为高温气冷堆仿真建模步骤。
图2为高温气冷堆模块化划分示意图。
图3为反应堆控制系统模块。
图4为旁路调节系统模块。
图5为核汽轮机模型。
图6为核电机组无刷励磁系统模型。
图7为核电机组PSS模型。
图8为自定义高温气冷堆堆芯中子动态模型。
图9为高温气冷堆接入电力系统示意图。
图10为外部反应性阶跃增加时反应堆输出量变化。(a)为TF变化曲线；(b)为Nr变化曲线；(c)为Td变化曲线；(d)为Tr变化曲线。
图11为堆芯入口冷氦温度阶跃变化1℃时反应堆输出量变化。(a)为TF变化曲线；(b)为Nr变化曲线；(c)为Td变化曲线；(d)为Tr变化曲线。
图12为入口氦气流量阶跃增加时反应堆输出量变化。(a)为TF变化曲线；(b)为Nr变化曲线；(c)为Td变化曲线；(d)为Tr变化曲线。
图中，Tref指堆芯出口氦气温度；TCH、TRH和TCO分别为高压蒸汽、中间再热蒸汽和低压蒸汽容积时间常数；FHP、FIP和FLP分别为高压缸、中压缸和低压缸稳态输出功率占总输出功率的百分比；λh为高压缸功率自然过调系数。Us为PSS输入信号；UC为机端测量电压；UREF为机端参考电压；IFD为励磁机电流；K为串联校正环节的直流增益；KV为积分校正选择因子；T1、T2、T3、T4为串联校正环节时间常数；KA、TA为功率放大环节增益和时间常数；KB、T5为第二级调节器增益和时间常数；KF、TF为并联校正环节增益和时间常数；KH为补偿度的比例反馈系数；TE为励磁回路时间常数；SE为励磁机饱和系数；KE为励磁机自励系数；KD为交流励磁机负载电流电枢反应的去磁系数；FEX和IN为励磁机整流器调节特性函数；EfdMAX为励磁电压上限。Tw1～Tw4为转速和频率信号通道隔离环节时间常数；T6和T7为转速和频率信号通道的惯性时间常数；T8、T9、N、M为低通滤波器滤波参数；uSI1MAX和uSI1MIN为频率通道限幅值；uSI2MAX和uSI2MIN为功率通道限幅值；uSMAX和uSMIN为PSS输出限幅值；KS1、KS2、KS3为相应通道放大倍数；T1～T4和T5～T10为PSS领先环节时间常数。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种用于电力系统分析的高温气冷堆仿真建模方法，具体实现步骤如图1所示，包括如下建模步骤：
步骤1，基于高温气冷堆工作原理及运行特性，将其分解为多个子模块，包括堆芯中子动态模块、堆芯燃料温度模块、反射层温度模块、堆芯下腔室传热模块、堆芯上升通道传热模块、堆芯下降通道传热模块、堆芯出口联箱模块、氦风机模块、反应堆控制系统模块、旁路调节系统模块。高温气冷堆模块化划分如图2所示。
步骤2，基于能量守恒等定律，建立各子模块微分方程数学模型，模型兼顾软件可实现性；
(1)反应堆及其热力系统模型
反应堆堆芯内进行的是核裂变反应，通过中子动力学方程进行描述。关心堆芯发热对整个反应堆的宏观影响，忽略内部温度变化。堆芯的温度反应性反馈主要包括燃料温度反馈、慢化剂温度反馈和反射层温度反馈。其中只有反射层温度反馈系数是较小的正值，其余两个反馈系数是较大的负值。采用集总参数的等效单组缓发中子点堆动力学模型方程为
式中：Nr为中子通量密度，与反应堆热功率近似存在线性关系；ρ为堆芯的总反应性，ρext为外部输入反应性、ρfuel为堆芯燃料反应性、ρfeedback为温度反馈反应性；β为缓发中子组的总份额；βi为第i组缓发中子有效份额；l为平均中子寿命；λ为等效缓发中子组的延时常数；λi为第i组缓发中子衰减时间常数；C为等效单组缓发中子先驱核密度；αf为燃料温度反应性系数，αm为慢化剂温度反应性系数；αr是反射层温度反馈系数且为正值；TF为燃料元件平均温度；Tr为反射层温度；Gr是控制棒微分价值；zr是控制棒棒速；
假定反应堆入口氦气压力恒定，氦气密度近似为常数，堆芯燃料温度方程考虑了燃料发热份额Ff，堆芯燃料温度模块数学方程为
式中：μ表示总热容量；μc是燃料元件的总热容量；ε5表示堆芯下降通道的体积空隙率；P0是反应堆额定功率；Ω5表示堆芯与下降通道传热系数，Ωcr表示堆芯和反射层之间的传热系数；T5为下降通道温度。
反射层温度模块数学方程为
式中：μr表示反射层的热容量；Tr表示反射层温度；Ω3表示上升通道与反射层之间传热系数，T3表示堆芯上升通道的温度。
堆芯下腔室传热模块数学方程为
式中：T1表示下腔室温度，Tin表示堆芯入口冷氦温度；Min表示下腔室氦气热容流率，等于氦气流量与氦气定压比热的乘积；μ1表示下腔室热容量；
堆芯上升通道传热模块
式中：μ3表示堆芯上升通道的热容量；M1表示堆芯上升通道氦气热容流率；γ2表示下部联箱向出口联箱的氦气泄漏率；T2表示下部联箱温度；
堆芯下降通道传热模块
式中：μ5表示堆芯下降通道的热容量；M3表示堆芯下降通道氦气热容流率；
堆芯出口联箱模块
式中：Tout表示出口氦气温度，T6表示出口联箱温度；μ6表示出口联箱的热容量；M5表示下降通道氦气热容流率，M6表示出口联箱氦气热容流率；
此外，主氦风机提供一回路所需氦气的流量和压力升，假设主氦风机提供恒定工作压力，对氦气流量采用一阶惯性延迟环节，即
式中：Ggiv为主氦风机的需求流量；Gout为主氦风机的输出流量；τ为主氦风机惯性延迟时间常数。
反应堆控制系统模块如图3所示。功率调节时控制棒引入反应性到堆芯中子动态模块。核蒸汽供给系统采用“汽轮机跟随反应堆”方式，在30％-100％额定功率下，保持主给水流量、主氦气流量和核功率成正比，有
式中：VW为主给水流量；VH为主氦气流量；VW0、VH0、Nr0为变量初值。
这种运行方式下堆芯出入口热、冷氦气温度随功率的降低而缓慢下降。即主要采用给水泵调节给水流量来控制蒸汽温度，并通过氦风机调节氦流量同给定功率成比例；通过控制氦气与给水的流量比来维持蒸汽发生器出口温度和汽轮机进汽温度的恒定。此外还需配合给水流量的上升逐渐打开汽轮机进汽阀，保证蒸汽发生器出口压力和汽轮机进汽压力稳定。考虑到维持蒸汽温度恒定，忽略其调节动态过程。旁路调节系统模块如图4所示。
(2)核汽轮机模型
考虑低蒸汽参数的气缸和管道容积方程模型，高、中、低压缸的组合，建立核汽轮机模型如图5所示。
(3)核电机组无刷励磁系统模型
无刷励磁系统由励磁电压调节器、无数励磁机、电力系统稳定器(PSS)及相关保护系统组成。考虑励磁电压自动调节器(AVR)模型、无刷励磁机，基于IEEEAC1A模型可建立核电机组无刷励磁系统模型，如图6所示。考虑电磁功率和机组转速两个控制变量，基于PSS2A的PSS模型可以建立核电机组PSS模型如图7所示，其输出信号直接作用于励磁系统。
步骤3，基于步骤2中建立的数学模型，在电力系统分析软件中，建立高温气冷堆的各子模块数学模型及整体系统自定义模型，确定自定义模型的输入量、输出量及模型参数，采用图形化编辑方式实现各子模块微分方程及限幅、限速等功能，在基础数据库的发电机及其调节器窗口设置自定义模型参数，从而将高温气冷堆自定义模型通过调速器模型导入发电机模型，进而接入电力系统模型中，实现高温气冷堆核电机组和电力系统联合仿真计算的功能。
将反应堆输出热功率接入作为汽轮机进汽流量，并利用旁路调节系统模块响应电网频率变化，从而通过调速器模型接入电力系统。
在PSASP中建立高温气冷堆自定义模型，其中堆芯中子动态模型如图8所示。高温气冷堆反应堆模型输入量主要考虑外部输入反应性、入口氦气温度、氦气流量；反应堆模型输出量主要为反应堆相对功率、氦气平均温度、堆芯燃料平均温度。
高温气冷堆接入电力系统示意图如图9所示。对高温气冷堆自定义模型进行仿真分析，验证所建立高温气冷堆模型的有效性。
(1)外部反应性变化时，高温气冷堆数学模型仿真验证
在10s时外部反应性阶跃增加0.01β，反应堆输出中子通量密度、各温度变化如图10所示。
(2)堆芯入口冷氦温度变化时，高温气冷堆数学模型仿真验证
在10s时，堆芯入口冷氦温度阶跃向上变化1℃，反应堆输出中子通量密度、温度变化如图11所示。
(3)氦气流量变化时，高温气冷堆数学模型仿真验证
在10s时，入口氦气流量阶跃增加时，反应堆输出中子通量密度、温度变化如图12所示。
结合图10-图12仿真结果可知：
1)所建立的高温气冷堆模型准确反映的其运行特性，模型正确有效；
2)外部输入反应性增加时，引起燃料温度增加，堆芯氦气平均温度也上升，氦气出口温度上升，堆芯燃料平均温度上升，反射层温度上升，中子通量密度增加；
3)堆芯入口冷氦温度正阶跃变化时，堆芯氦气平均温度上升，氦气出口温度上升，堆芯燃料平均温度上升，反射层温度上升，但入口氦气温度与出口氦气温度差降低，中子通量密度降低。
4)氦气流量上升时，出口氦气温度降低，核功率上升，堆芯燃料平均温度降低，反射层温度降低；
5)与压水堆相比较，高温气冷堆堆芯的热容量要大得多，因而在功率瞬态过程中热惯性很大，温度的响应较慢，有利于反应堆的稳定性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (2)
1.一种用于电力系统分析的高温气冷堆仿真建模方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤S1、基于高温气冷堆工作原理及运行特性，将其分解为多个子模块，包括堆芯中子动态模块、堆芯燃料温度模块、反射层温度模块、堆芯下腔室传热模块、堆芯上升通道传热模块、堆芯下降通道传热模块、堆芯出口联箱模块、氦风机模块、反应堆控制系统模块、旁路调节系统模块；
步骤S2、基于能量守恒定律，建立高温气冷堆各子模块微分方程数学模型；
步骤S3、基于步骤S2中建立的各子模块微分方程数学模型，在电力系统分析软件中，建立高温气冷堆的各子模块数学模型及整体系统自定义模型，确定自定义模型的输入量、输出量及模型参数，采用图形化编辑方式实现各子模块微分方程及限幅、限速功能，在基础数据库的发电机及其调节器窗口设置自定义模型参数，从而将高温气冷堆自定义模型通过调速器模型导入发电机模型，进而接入电力系统模型中，实现高温气冷堆核电机组和电力系统联合仿真计算的功能。
2.根据权利要求1所述的一种用于电力系统分析的高温气冷堆仿真建模方法，其特征在于：所述步骤S2中，高温气冷堆各子模块微分方程数学模型如下：
所述堆芯中子动态模块，反应堆入口氦气压力恒定，氦气密度近似为常数，采用集总参数的等效单组缓发中子点堆动力学模型方程为
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ρ＝ρext+ρfuel+ρfeedback＝ρext+(αf+αm)ΔTF+αrΔTr
ρext＝Grzr
式中：Nr为中子通量密度，与反应堆热功率近似存在线性关系；ρ为堆芯的反应性，ρext为外部输入反应性、ρfuel为堆芯燃料反应性、ρfeedback为温度反馈反应性；β为缓发中子组的总份额；βi为第i组缓发中子有效份额；l为平均中子寿命；λ为等效缓发中子组的延时常数；λi为第i组缓发中子衰减时间常数；C为等效单组缓发中子先驱核密度；αf为燃料温度反应性系数，αm为慢化剂温度反应性系数；αr是反射层温度反馈系数且为正值；TF为燃料元件平均温度；Tr为反射层温度；Gr是控制棒微分价值；zr是控制棒棒速；
所述堆芯燃料温度模块，考虑了燃料发热份额Ff，其数学方程为
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式中：μ表示总热容量；μc是燃料元件的总热容量；ε5表示堆芯下降通道的体积空隙率；P0是反应堆额定功率；Ω5表示堆芯与下降通道传热系数，Ωcr表示堆芯和反射层之间的传热系数；T5为下降通道温度；
所述反射层温度模块数学方程为
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式中：μr表示反射层的热容量；Tr表示反射层温度；Ω3表示上升通道与反射层之间传热系数，T3表示堆芯上升通道的温度；
所述堆芯下腔室传热模块数学方程为
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式中：T1表示下腔室温度，Tin表示堆芯入口冷氦温度；Min表示下腔室氦气热容流率，等于氦气流量与氦气定压比热的乘积；μ1表示下腔室热容量；
所述堆芯上升通道传热模块数学方程为
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</mrow>
式中：μ3表示堆芯上升通道的热容量；M1表示堆芯上升通道氦气热容流率；γ2表示下部联箱向出口联箱的氦气泄漏率；T2表示下部联箱温度；
所述堆芯下降通道传热模块数学方程为
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<mi>dT</mi>
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</mrow>
式中：μ5表示堆芯下降通道的热容量；M3表示堆芯下降通道氦气热容流率；
所述堆芯出口联箱模块数学方程为
<mrow>
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<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
Tout＝T6
式中：Tout表示出口氦气温度，T6表示出口联箱温度；μ6表示出口联箱的热容量；M5表示下降通道氦气热容流率，M6表示出口联箱氦气热容流率；
所述氦风机模块，考虑主氦风机提供一回路所需氦气的流量和压力升，假设主氦风机提供恒定工作压力，对氦气流量采用一阶惯性延迟模型，即
<mrow>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：Ggiv为主氦风机需求流量；Gout为主氦风机输出流量；τ为主氦风机惯性延迟时间常数。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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