基于RINSIM仿真平台的汽机蒸汽与疏水系统（CNP600机组）仿真实现

黄秋兰　谢成龙　祁蔚　田波　向俊瑛

【摘 要】CP600全范围模拟机以CNP600机组的电厂系统划分仿真系统。本文主要介绍了RINSIM平台下仿真建模的原理与仿真过程，以CP600汽机蒸汽与疏水系统的建模过程为例，说明了在RINSIM平台下使用SimGen和SimUgd进行建模和调试的方法和过程。

【关键词】CNP600；汽机蒸汽；RINSIM；仿真

中圖分类号： TL364.4 文献标识码： A 文章编号： 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仿真平台介绍

RINSIM是一个包含了建模，在线调试，图形组态，数据库管理等功能的大型仿真平台软件。该平台软件在多个核动力仿真机研制项目中使用，包括：ACP1000，CP1000，CP600全范围模拟机的研制、330MW机组全范围仿真机改造、CANDU堆型全范围模拟机Desktop项目等在内的大型仿真机开发项目，还为使用全范围仿真机的各大专院校等单位提供了RINSIM仿真平台用于开发运行。

SimBase仿真支撑软件系统，是支撑实时仿真软件开发，调试和执行的软件工具，是整个仿真平台的底层环境。它适合大型数据库，Fortran编写的模型程序，多处理器仿真系统的需要。系统同样也支持c语言编写的程序，但一般是用Fortran语言开发程序。各分用户能够在SimBase下开发和调试各自用户的模块。将模块装载编译后，可在调试环境中监控中直接观察实时值。

2 汽机蒸汽和疏水系统简介

汽轮机蒸汽和疏水系统是二回路非常重要的一个系统，汽轮机蒸汽和疏水系统接受来自主蒸汽系统（VVP）的蒸汽，在汽轮机中将热能转化为机械能，驱动发电机发电。同时从汽轮机流道的适当位置抽出蒸汽加热凝结水和给水，提高热循环效率。在汽轮机启动和运行中排除汽轮机本体范围内高压蒸汽进汽管道的疏水、高压缸排汽管道的疏水、高低压汽缸内的疏水等，以避免疏水在这些部位积聚，若不及时排除疏水，则可能导致汽轮机承受热冲击和机械冲击，致使部件过度变形、受叶片冲蚀和动静部件摩擦碰撞。

汽机蒸汽及疏水系统流程：

由主蒸汽系统来的新蒸汽经过主汽阀和调节汽阀进入汽轮机高压缸，在高压缸内膨胀做功后形成湿蒸汽，然后通过高压缸排汽管线进入汽水分离再热器。在汽水分离再热器中经过去湿和再热成为微过热蒸汽，再经蒸汽管线和再热阀进入低压缸。在低压缸中蒸汽继续膨胀做功，最后蒸汽进入凝汽器中冷凝成凝结水。

为了提高循环热效率，系统中设置了3级双列表面式低压加热器，3级双列表面式高压加热器，1台除氧器和2台汽水分离再热器。除了第2级再热器的加热蒸汽来自主蒸汽外，其余加热器，除氧器和第1级再热器的加热蒸汽在正常运行时均来自汽轮机各级抽汽。

在汽轮机甩负荷等瞬态运行时，汽轮机旁路系统投入运行，以平衡反应堆和汽轮机之间的功率差，将多余蒸汽量排向凝汽器和大气，保证反应堆安全运行。

汽轮机控制由汽轮机调节系统控制，汽轮机疏水系统由汽机疏水阀控制。

CP600100%满功率运行时，汽机进汽流量为1038kg/s，汽机输出机械功率为686MW，整个机组有7级抽汽，高压缸排汽经过两级再热后送往低压缸。

3 汽机蒸汽及疏水系统模拟数学模型

本系统建模时采用simflow2蒸汽流网模型。simflow2的数学模型是根据以下假设来建立的：

蒸汽—不凝气—水的混合物是饱和的，蒸汽和不凝气的温度同是蒸汽分压下的饱和温度；

混合物流被定义为近似的均匀流，也就是不考虑滑移；

蒸汽和不凝气组成的是理想气体混合物，其蒸气—不凝气常数依据真实蒸汽性质每个时间步长都不断更正；

节点混合物的参数为整个节点的参数。

根据这些假设，我们有以下质量、能量和浓度的平衡方程式：

=G（1）

=-G*h+Q+R（2）

=-G*C.+J（3）

其中，h—节点混合物焓；p—节点压力；C—节点不凝气浓度；m—节点的质量；G—两节点之间的质量流量（如果流向从i到j，为正向流，反之，为负）；ρ—节点介质密度；Q—热交换量（如果该节点为热交换器）；R—内热源；J—内浓度源；h=hi，C=Ci –在流向为从i到j时；h=hj，C=Cj –在流向为从j到i时；

以及动量方程：

*+ξ*-Δp'-k*n-k*n*G-k*G=0（4）

其中，L—管长；Δp'—管道压降；n—泵的归一化转速；k1，k2，k3—泵的特性曲线常数；Δp'=Δp+ρ*g*Δz=pi-pi+ρ*g*Δz；为高差

設A2=S2/ξ，并将式（4）写成有限差分形式，得到：

G=-（-k*ρ*A）

其中，Gc为上一步长流量。

又设，ε=-k*ρ*A，这样，

G=-ε

将上式等号右侧分子分母同乘以

+ε

则，

G=

从而，

=-=

又因为

G～

经过转换可得，

=

把流量写成全微分方程，

G=Gc+*+*+**|（当流量从i—j为i；当流量从j—i为j.）（5）

又，对于节点i，=-∑Gi，j也就是

Vi**=-∑Gi，j（6）

考虑到水也具有微弱的可压缩性，我们在式中加上一项kass*（1-φ），式中kass为可压缩系数，φ为蒸汽在节点中所占的容积比，则（5）变成：

（kass*（1-φ）+Vi*）*=-∑Gi，j（7）

将（7）带入（5），有

（+*+kass*（1-φ）+Vi*）*+*+*=-∑G（8）

如果对所有的节点和流量列出该方程，我们就可以得到一个关于的n×n矩阵（n为节点数），而矩阵的元素也可根据上述一些列计算式求出。

现举例说明：

如果有①—②—③这样一个流体网络，G1为从节点1到节点2的流量，G2为从节点2到节点3的流量。那么，根据全微分方程，有：

流道一：

-[G+（+*）*+*]=+G1

流道二：

G+（+*）*+*=-G2

以上两式相加，并利用-（G2-G1）=-（kass*（1-φ）+V2*）*

得到，

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

在完成三个节点的计算后，我们就会得到如下的矩阵：

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

ag为矩阵元素，可以利用前面的公式计算得出，，。

这样，我们就可以解出矩阵，得到

4 汽机蒸汽及疏水系统建模过程

4.1 建模准备工作

汽机蒸汽及疏水系统建模工作大致可分为如下步骤：

（1）建模前准备：资料收集与分析，并确定系统模拟范围；

（2）仿真节点的确定，管路的简化、合并，仿真节点图的绘制

（3）资料的研究、归纳；

（4）确定系统参考基准（应根据整个工程来确定，所有系统采用同一个参考基准零点）；

（5）节点压力分配及管线流导参数的计算；

（6）系统控制部分的建模；

（7）系统运行、调试。

4.2 模型建立

确定模拟范围后使用simgen图形化建模工具进行建模， 根据仿真节点图分配理念，用尽可能少的节点，同时又要满足模拟机功能的需要。

本系统的控制包括逻辑与模拟两部分的控制；根据GPV系统的逻辑设计文件用simgen进行建模。

4.3 系统运行及调试

4.3.1 节点压力分配及管线流导参数的计算

根据设计资料提供的数据，结合本系统的流网模型，对系统各管线的流导进行计算如下图：

根据表中的数据模型进行数据输入，对汽轮机进汽调节阀进行参数设置。完成调试前的准备。

4.3.2 在SimUgd中调试

在绘制完节点图与控制图，并完成系统的节点压力分配与管线流导后，对模型进行调试，修改流导及相关参数，验证节点压力分布及管线流导的合理性。

调试稳定后，将重要的参数与设计资料提供的数据进行对比，计算误差范围，确定模拟是否满足仿真精度要求。

100%功率稳态调试稳定后，进行手动跳机瞬态测试，跳机后25分钟后汽机功率迅速降为0，核功率快速下降，稳定在20%左右，通过旁排的蒸汽流量稳定。

5 小结

本文介绍了基于RINSIM平台的汽机蒸汽及疏水系统的建模的方法与过程。经过SimGen建模及SimUgd的调试，汽机蒸汽及疏水系统的运行参数符合电厂设计数据要求，各节点压力，温度，各管线流量均在误差允许范围内，满足仿真精度要求，跳机瞬态过程也符合电厂设计要求。