某核电厂主给水流量调节阀仿真研究

周 华，陈 杰

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430223）

0 引言

主给水流量调节阀是给水系统重要设备，在核电厂正常运行时，蒸汽发生器液位控制系统主要是主给水流量的控制，主给水控制包括高功率控制模式和低功率控制模式，两种模式的切换信号来自于给水流量信号，切换定值为15%额定给水流量。当给水流量大于15%额定流量，控制模式从低功率模式切换至高功率模式，通过控制主给水流量调节阀调节主给水流量，从而实现蒸汽发生器液位控制[1]。

本文重点介绍根据主给水调节阀性能参数，如何在RINSIM 1.0仿真平台，运用流体网络相关理论，实现其仿真并验证其仿真结果是否满足要求。

1 RINSIM 1.0仿真平台

RINSIM 1.0仿真平台是CNPO自主研发的基于Linux的核电仿真支撑软件平台。该平台包含以SimBase数据库为基础的多个离线和在线软件包。

图形化建模软件SimGen有强大的部件库，可实现工艺系统以及各类控制系统的建模。图形化调试工具SimUgd和趋势软件（SimCurv）可实现各类模型的在线调试和趋势监视。SimDraw可实现核电主控室中盘台的仿真，SimWare可实现各类型部件开发。同时，RINSIM1.0仿真平台支持多种高级编程语言的非图形化建模和调试，其构架图如图1所示[2]。

图1 RINSIM 1.0仿真平台主要结构Fig.1 Main structure of RINSIM 1.0 simulation platform

2 流体网络理论知识

为计算流体网络中各处流体的热工水力参数，首先引入节点、容积及边界概念，在此基础上，综合运用质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程以及气体浓度守恒方程建立数学模型，基于RNSIM 1.0仿真平台最终求解得到各流体参数。

2.1 数学模型假设

对流体网络而言，数学模型的建立总会存在相关假设。针对本文的主给水流量调节阀，由于是水流网，在不影响计算精度的情况下作以下假设：

1）介质为不可压缩液体水。

2）介质密度不变。

3）介质温度T=Ts(H)。

2.2 数学微分方程

如前所述，流体网络的数学模型离不开各数学微分方程，对于水流网，各方程的具体公式如下：

1）质量守恒方程：

M——节点质量；G——管道流量；τ——时间步长。

2）能量守恒方程：

H——节点比焓；p——节点压力；ρ——节点介质密度；Q——外热源；R——内热源。

3）动量守恒方程：

L——管道长度；S——管道横截面积；ξ——水力摩擦系数；Δp'——管道压降；H——泵压头。

图2 节点j，流量 & 状态参数Fig.2 Node j, flow & state parameters

图3 管道 i -j，流量Fig.3 Pipeline i -j, flow

由动量守恒方程式（3）可知，管道流量Gij是管道前后节点压力&密度：Pi、Pj、ρi、ρj的函数，根据其函数关系式：Gij= f（Pi，Pj，ρi，ρj），可得出：

根据介质密度与压力、比焓、不凝气体浓度的函数关系式：ρi= f（pi，hi，Cjk）可得出 ：

根据：mi= Vi* ρi有：

将式（4）、式（5）带入式（6），可得到关于节点i的质量变化方程式：

经整理后，可得到：

考虑到水也具有微弱的可压缩性，可在上式中加上一项：

kass*(1-φ)，其中kass=S/c，kass为可压缩系数，S为节点所在管道横截面积总和，g为重力加速度，φ为蒸汽在节点中所占的容积比，则式（7）变成：

如果对所有的节点和流量列出该方程，就可以得到一个关于dp/dτ的n*n矩阵（n为节点数），求解该矩阵即可求出n个节点中混合流体的压力，其余的流体参数可相应求解得出。

2.3 主给水流量调节阀性能参数

根据某核电厂主给水流量调节阀设计文件，其阀门数据和曲线分别如图4、图5所示[3]。

3 主给水流量调节阀性能仿真研究

图4 阀门数据Fig.4 Valve data

图5 阀门曲线Fig.5 Valve curves

系统的动态特性反应了输入输出变量的相互影响作用以及各主要参数的动态变化规律，为了验证主给水流量调节阀门模型的准确性，利用之前所述的数学模型，将其集成到全范围模拟机中，对其稳态性能和动态特性进行了仿真计算分析。

3.1 满功率工况

满功率状态下，电功率、阀门位置和阀门流量曲线如图6所示。

由图6可知，满功率状态下，阀门的流量为945kg/s，阀门开度为80.2%，和图4中阀门设计数据保持一致。

3.2 变工况分析

如前所述，主给水控制包括高功率控制模式和低功率控制模式，其切换基于高给水流量信号，切换点设置在主给水流量的15%，选取22%负荷降至5%负荷工况验证阀门参数在变工况的特性，如图7所示。

图6 100%负荷各参数曲线Fig.6 100% Load parameter curves

由图7可知，22%负荷状态下，阀门的流量为244.8kg/，阀门开度为24.1%，和图4中阀门设计数据保持一致，随着功率的下降，给水流量以及阀门开度也随之平滑下降。当高给水流量信号由true变为false时，即主给水流量低于15%时，主给水由高功率控制切换成低功率控制模式，由图7可以看出阀门并无剧烈波动，继续下降，随着功率继续下降，当主给水流量低于5%时，给水路径发生变化，由主给水流量调节阀切换至启动给水流量调节阀，阀门关闭。

4 总结

图7 降负荷工况各参数曲线Fig.7 Parameter curves for load reduction conditions

本文根据主给水调节阀性能参数，基于RINSIM 1.0平台，运用流体网络知识对阀门建立数学模型，对主给水流量调节阀稳态性及变工况性能进行研究，计算及测试结果表明和设计数据保持一致，从而验证了主给水流量调节阀的性能参数，同时也验证了基于RINSIM仿真平台的数学模型的正确性。