一种核动力装置冷凝器的分区化仿真方法与流程

本发明涉及的是一种仿真方法，具体地说是一种核动力装置冷凝器的仿真方法。

背景技术：

核动力装置冷凝器是二回路中的主要设备之一，负责将汽轮机内做功完毕的湿蒸汽凝结为凝水，并将凝结放出的热量传递给循环水。核动力装置采用的冷凝器分为壳侧与管侧两部分，依靠换热管进行物理隔离。汽轮机组排放的蒸汽及其它蒸汽，由于温度高于传热管外壁面温度，因此发生换热现象，通过液化释放汽化潜热，将热量传递给换热管外壁；由于换热管外壁面温度高于内壁面温度，因此发生导热现象，热量从传热管外壁面传递到传热管内壁面；由于传热管内壁面温度高于循环水温度，因此继续发生强迫对流换热现象，将热量从传热管内壁传递给循环水，并由循环水带出核动力装置，完成能量的转移过程。如果冷凝器有多个进汽口，负责不同汽轮机排汽的冷凝任务，则称为共用冷凝器。共用冷凝器内部的流动与换热方式更加复杂。

随着技术的进步，目前核动力装置冷凝器内已经布置了多个传感器进行压力测量，不同传感器的设置位置，接收到的压力也不相同。基于集总参数法的冷凝器仿真方法无法考虑设备内部压力的细小区别；目前已有的分区仿真方法中针对轴向进行分区，仅能体现流动顺序，不能体现不同位置热工参数的区别。在共用冷凝器中，不同进汽口、抽气口的压力差别是较为重要的参数，传统计算方法无法区别计算。因此，传统仿真建模方法已经无法满足高精度实时仿真的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种精确度高的核动力装置冷凝器的分区化仿真方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)对仿真对象进行分区划分，所述仿真对象包括普通冷凝器与共用冷凝器，所述分区划分包括均匀分区与非均匀分区；

(2)输入冷凝器的结构尺寸、物理性质、边界参数、计算初值；

(3)对壳侧与管侧一一对应的分区进行传热计算；

(4)进行热工参数计算；

(5)仿真结果输出。

本发明还可以包括：

1、所述对仿真对象进行分区划分具体包括：

a.对普通冷凝器的非均匀分区划分：根据实际冷凝器传感器的布置位置进行分区划分，划分的分区包括分区(a1)汽轮机排汽口区域、分区(a2)抽气器区域、分区(a3)热井区域、分区(a4)传感器所在区域、分区(a5)除上述区域(a1)-(a4)外的其他壳侧区域、分区(a6)管侧循环水进口水室、分区(a7)管侧循环水出口水室；除热井分区(a3)、管侧循环水进口水室分区(a6)、管侧循环水出口水室外分区(a7)，其他各壳侧与管侧分区物理区域重合，一一对应，均应包含部分传热管道；

b.对普通冷凝器的均匀分区划分：将冷凝器除热井外划分为2×2个、3×3个或4×4个分区，每个分区体积相同，且包含有相同数量的传热管道；并将汽轮机排汽口区域、抽气器区域、传感器区域分别划入其中某个分区；热井部分单独划分为一个分区、管侧循环水进口水室单独划分为一个分区、管侧循环水出口水室单独划分为一个分区；除热井分区、管侧循环水进口水室、管侧循环水出口水室外，其他各壳侧与管侧分区物理区域重合，一一对应；

c.对共用冷凝器的非均匀分区划分：根据实际冷凝器内传感器的布置位置以及主机、辅机进汽口的位置进行分区划分，划分的分区包括分区(c1)主机排汽区域、分区(c2)辅机排汽区域、分区(c3)抽气器区域、分区(c4)热井分区、分区(c5)传感器所在区域、分区(c6)除上述区域外的其他壳侧区域、分区(c7)管侧循环水进口水室、分区(c8)管侧循环水出口水室；除热井分区(c4)、管侧循环水进口水室分区(c7)、管侧循环水出口水室外分区(c8)外，其他各壳侧与管侧分区物理区域重合，一一对应，均应包含部分传热管道；

d.对共用冷凝器均匀分区划分：将共用冷凝器除热井外划分为3×3个或4×4个分区，每个分区体积相同，且包含有相同数量的传热管道；并将主机排汽口区域、辅机排汽口区域、抽气器区域、传感器区域分别划入其中某个分区；分区划分数目以主机排汽口区域与辅机排汽口区域不在同一分区为准；热井部分单独划分为一个分区、管侧循环水进口水室单独划分为一个分区、管侧循环水出口水室单独划分为一个分区；除热井分区、管侧循环水进口水室分区、管侧循环水出口水室分区外，其他各壳侧与管侧分区物理区域重合，一一对应。

2、所述输入冷凝器的结构尺寸、物理性质、边界参数、计算初值。具体包括：

a.实型结构数据输入包括以国际单位制描述的核动力装置冷凝器的外形尺寸、管道内径、管道外径、管道长度、流动阻力数据；

b.整型结构数据输入包括核动力装置冷凝器管排数、流程数、传热管排列方式；其中，传热管排列方式为三角形时认为值为1，正方形时为0；

c.运行边界数据输入包括管侧循环水进口流量、温度，大气压力，抽气器抽气压力，凝水泵前压力；针对普通冷凝器，还包括汽轮机排汽流量、压力、干度；针对共用冷凝器，还包括主机排汽流量、压力、干度与辅机排汽流量、压力、干度；

d.计算初值输入包括所述计算用初值，具体为管侧与壳侧各分区间流量、初始压力、初始温度、凝结速率。

3、所述传热计算具体包括：

a.在计算开始时使用实型结构数据输入与整型结构数据输入所包含的数据；在迭代过程中的第一次计算时，额外使用计算初值输入所包含的数据；

b.利用努赛尔膜状凝结计算公式，添加管排数修正、流程数修正，计算除热井分区外的各壳侧分区凝结换热及蒸汽凝结速率；

c.利用强迫对流换热D-B公式，添加变物性修正，计算各管侧分区内强制对流换热量与循环水温升；

d.通过金属导热方程计算各壳侧分区传热管外壁面向管侧分区传热管即内壁面的到热量。

4、所述进行热工参数计算具体包括：

a.针对壳侧分区，除热井外，采用蒸汽质量平衡方程求解各分区蒸汽压力；针对热井分区，采用水质量平衡方程计算液位，采用蒸汽质量平衡方程与水质量平衡方程联立求解热井分区压力；

b.针对管侧各分区，采用水质量平衡方程计算各分区的循环水压力；

c.针对壳侧分区，除热井外，采用饱和温度作为分区温度；热井蒸汽温度为饱和温度，水温度为凝水混合温度；

d.针对管侧分区，采用压力与焓值确定循环水温度。

本发明提供了一种核动力装置冷凝器的分区化仿真方法，通过分析冷凝器的具体结构布置，结合仿真需要，可以进行普通冷凝器与共用冷凝器的均匀分区划分与非均匀分区划分；分区划分完成后，通过实型结构数据如外形尺寸输入、整型结构数据如流程数输入、运行边界数据输入如循环水流量以及计算初值输入如各分区压力，对计算变量进行赋值；通过努赛尔膜状凝结计算公式等方法对各壳侧换热分区进行凝结速率与换热量的计算，通过强迫对流换热D-B公式等对管侧各换热分区进行换热计算，通过金属导热方程对各换热分区传热管导热进行计算；采用质量平衡方法对所有分区进行热工参数计算；计算结果通过输出程序输出。本发明所提供的仿真方法，包含分区划分、输入参数、换热计算、热工参数计算、结果输出等若干重要步骤，所建立的仿真模型在稳态及瞬态情况下的输出数据与实际设备相比，可以满足设备仿真的精确度要求，可以利用本仿真方法进行运行特性研究。

本发明可以对冷凝器进行不同于现有方式的仿真，本发明的主要优点体现在：

(1)本发明采用分区方式，将冷凝器的径向方向分为不同分区，可以计算冷凝器不同位置处的不同参数；

(2)采用密度对压力的微分方法对蒸汽分压进行求解，精确度较利用理想气体方法求解有提高；

(3)不同外部扰动对应不同分区，解决了共用冷凝器在计算过程中，由于不同进汽口进汽量不同导致的背压不同的计算问题；

(4)所提出的方法可以很好的实现冷凝器内部参数的实时仿真计算，可以实现对于抽气器故障、共用冷凝器中某一进汽突变等情况下冷凝器内部的压力变化计算。

附图说明

图1本发明的仿真方法流程框图。

图2普通冷凝器非均匀分区仿真方法示意图。

图3共用冷凝器均匀分区仿真方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

结合图1，本发明的实现步骤主要包括：

(1)针对仿真对象进行分区划分，按仿真对象可分为普通冷凝器、共用冷凝器两种；按分区划分形式可分为均匀分区、非均匀分区两种。具体实施方法是这样确定的：

a.针对普通冷凝器非均匀分区划分方案，根据实际冷凝器传感器的布置位置进行分区划分，划分的分区包括分区(1)汽轮机排汽口区域、分区(2)抽气器区域、分区(3)热井区域、分区(4)传感器所在区域、分区(5)除上述区域外的其他壳侧区域、分区(6)管侧循环水进口水室、分区(7)管侧循环水出口水室。上述区域中，根据仿真要求的不同，分区(4)可以为一个，也可以为多个，也可以与其他分区合并；除热井分区(3)、管侧循环水进口水室分区(6)、管侧循环水出口水室外分区(7)，其他各壳侧与管侧分区物理区域重合，一一对应，均应包含部分传热管道；

b.针对普通冷凝器的均匀分区划分方案，根据实际冷凝器横截面的尺寸与仿真的要求，将冷凝器除热井外划分为2×2个、3×3个或4×4个分区，每个分区体积相同，认为包含有相同数量的传热管道；并将汽轮机排汽口区域、抽气器区域、传感器区域分别划入其中某个分区；热井部分单独划分为一个分区、管侧循环水进口水室单独划分为一个分区、管侧循环水出口水室单独划分为一个分区；除热井分区、管侧循环水进口水室、管侧循环水出口水室外，其他各壳侧与管侧分区物理区域重合，一一对应；

c.针对共用冷凝器的非均匀分区划分方案，根据实际冷凝器内传感器的布置位置以及主机、辅机进汽口的位置进行分区划分，划分的分区包括分区(1)主机排汽区域、分区(2)辅机排汽区域、分区(3)抽气器区域、分区(4)热井分区、分区(5)传感器所在区域、分区(6)除上述区域外的其他壳侧区域、分区(7)管侧循环水进口水室、分区(8)管侧循环水出口水室。上述区域中，根据仿真要求的不同，分区(5)可以为一个，也可以为多个，也可以与其他分区合并；除热井分区(4)外、管侧循环水进口水室分区(7)、管侧循环水出口水室外分区(8)，其他各壳侧与管侧分区物理区域重合，一一对应，均应包含部分传热管道；

d.针对共用冷凝器均匀分区划分方案，根据实际共用冷凝器横截面的尺寸及仿真的要求，将共用冷凝器除热井外划分为3×3个或4×4个分区，每个分区体积相同，认为包含有相同数量的传热管道；并将主机排汽口区域、辅机排汽口区域、抽气器区域、传感器区域分别划入其中某个分区；分区划分数目以主机排汽口区域与辅机排汽口区域不在同一分区为准；热井部分单独划分为一个分区、管侧循环水进口水室单独划分为一个分区、管侧循环水出口水室单独划分为一个分区；除热井分区、管侧循环水进口水室分区、管侧循环水出口水室分区外，其他各壳侧与管侧分区物理区域重合，一一对应；

(2)数据输入。具体是这样实施的：

a.实型结构数据输入包括以国际单位制描述的核动力装置冷凝器的外形尺寸、管道内径、管道外径、管道长度、流动阻力数据；

b.整型结构数据输入包括核动力装置冷凝器管排数、流程数、传热管排列方式；其中，传热管排列方式为三角形时认为值为1，正方形时为0；

c.运行边界数据输入包括管侧循环水进口流量、温度，大气压力，抽气器抽气压力，凝水泵前压力；针对普通冷凝器，还包括汽轮机排汽流量、压力、干度；针对共用冷凝器，还包括主机排汽流量、压力、干度与辅机排汽流量、压力、干度；

d.计算初值输入包括所述计算用初值，具体为管侧与壳侧各分区间流量、初始压力、初始温度、凝结速率。

(3)进行传热计算过程。该过程只针对壳侧与管侧一一对应的分区。具体实施方法是这样的：

a.在计算开始时使用实型结构数据输入与整型结构数据输入所包含的数据；在迭代过程中的第一次计算时，额外使用计算初值输入所包含的数据；

b.利用努赛尔膜状凝结计算公式，添加管排数修正、流程数修正，计算除热井分区外的各壳侧分区凝结换热及蒸汽凝结速率；

c.利用强迫对流换热D-B公式，添加变物性修正，计算各管侧分区内强制对流换热量与循环水温升；

d.通过金属导热方程计算各壳侧分区传热管外壁面向管侧分区传热管即内壁面的到热量。

(4)进行热工参数计算，具体实施方法如下：

a.针对壳侧分区，除热井外，采用蒸汽质量平衡方程求解各分区蒸汽压力；针对热井分区，采用水质量平衡方程计算液位，采用蒸汽质量平衡方程与水质量平衡方程联立求解热井分区压力；

b.针对管侧各分区，采用水质量平衡方程计算各分区的循环水压力；

c.针对壳侧分区，除热井外，采用饱和温度作为分区温度；热井蒸汽温度为饱和温度，水温度为凝水混合温度；

d.针对管侧分区，采用压力与焓值确定循环水温度。

(5)数据输出。根据数据需要的形式与种类，编制数据输出程序，将计算结果输出。

上述步骤中，有关水与水蒸气的物性参数按照IAPWS-IF97公式进行计算。

在步骤(4)中，各分区压力采用质量平衡方法计算；在热井分区中，首先计算水质量平衡方程：

式中，M_w——热井内的水质量，kg；

τ——时间，s；

ρ_w——热井内的水密度，kg/m³；

V_w——热井内的水体积，m³；

P_s——热井压力，MPa；

Σf_w,in——进入热井的疏水流量之和，kg/s；

Σf_w,out——流出热井的凝水流量之和，kg/s；

——各分区蒸汽凝结速率之和，kg/s。

根据上式可以计算水体积，进而可以根据热井尺寸计算水位。热井分区的蒸汽质量平衡方程：

式中，M_s——热井内的蒸汽质量，kg；

ρ_s——热井内的蒸汽密度，kg/m³；

V_s——热井内的水体积，m³；

Σf_s,in——进入热井的蒸汽流量之和，kg/s；

Σf_s,out——流出热井的蒸汽流量之和，kg/s。

根据上述两个方程即可计算压力如下：

结合图2对普通冷凝器的非均匀分区仿真方法进行说明。图2左侧为其结构示意图，E为进汽口、F为抽气器。右侧为其工作流程图，其中A对应汽轮机排汽、B对应分区间的质量传递、C对应抽气器抽走的混合气体、D对应落入热井的凝水。其仿真方法如下：

(1)分区划分：在冷凝器壳侧按壳体径向方向将冷凝器划分为5个分区，如图2右侧示意图所示。分区(1)、(2)包含不同数量的传热管，分区(3)为热井分区，分区(4)、(5)分别为管侧进口水室与出口水室。分区(1)对应汽轮机排汽(A)、分区(2)对应抽气器抽气(C)。除分区(3)、(4)、(5)外，壳侧分区与管侧分区一一对应；

(2)输入数据：实型结构数据输入包括以国际单位制描述的核动力装置包括将冷凝器的外形尺寸、管道内径、管道外径、管道长度、流动阻力数据；整型结构数据输入包括核动力装置冷凝器管排数、流程数、传热管排列方式；其中，传热管排列方式为三角形时认为值为1，正方形时为0；运行边界数据输入包括管侧循环水进口流量、温度，大气压力，抽气器抽气压力，凝水泵前压力，汽轮机排汽流量、压力、干度；计算初值输入包括所述计算用初值，具体为管侧与壳侧各分区间流量、初始压力、初始温度、凝结速率。

(3)换热计算：利用修正的努赛尔膜状凝结计算关系式计算分区(1)、(2)壳侧的换热量及凝结速率；利用修正后的强制对流换热D-B公式计算分区(1)、(2)管侧的换热量；利用金属导热公式计算分区(1)、(2)的金属导热；

(4)热工参数计算：利用边界参数及分区间的质量传递(B)，通过蒸汽质量平衡计算分区(1)、(2)壳侧的压力；通过水质量平衡计算分区(1)、(2)管侧以及分区(4)、(5)内的循环水压力；通过热井水质量平衡、落入热井的凝水(D)计算分区(3)的液位；通过热井蒸汽质量平衡与水质量平衡联立计算分区(3)压力；

(5)结果输出：根据需要数据的类型和格式，对计算结果进行输出。

(6)循环一次后，向前推进一个时间步长，根据实时计算时间需要设定循环条件，完成仿真工作。

结合图3对共用冷凝器的均匀分区仿真方法进行说明。图3左侧为其结构示意图，H为辅机进汽口，G为主机进汽口，F为抽气器；右侧为其工作流程示意图，其中，仿真方法为：I为辅机进汽、J为主机进汽、C为抽气器抽走的混合气体、K为热井。其仿真方法如下：

(1)分区划分：在共用冷凝器壳侧按径向方向将共用冷凝器除热井外均匀划分为3×3个分区，如图3右侧示意图所示。分区(1)-分区(9)内包含相同数量的传热管，分区(10)为热井分区(K)，分区(11)、(12)为循环水进、出口水室。分区(1)对应辅机排汽(I)、分区(3)对应主机排汽(J)，分区(7)对应抽气器抽气(C)。除分区(10)、(11)、(12)外，壳侧分区与管侧分区一一对应；

(2)输入数据：实型结构数据输入包括以国际单位制描述的核动力装置包括将冷凝器的外形尺寸、管道内径、管道外径、管道长度、流动阻力数据；整型结构数据输入包括核动力装置冷凝器管排数、流程数、传热管排列方式；其中，传热管排列方式为三角形时认为值为1，正方形时为0；运行边界数据输入包括管侧循环水进口流量、温度，大气压力，抽气器抽气压力，凝水泵前压力，主机排汽流量、压力、干度，辅机排汽流量、压力、干度；计算初值输入包括所述计算用初值，具体为管侧与壳侧各分区间流量、初始压力、初始温度、凝结速率。

(3)换热计算：利用修正的努赛尔膜状凝结计算关系式计算分区(1)-分区(9)壳侧的换热量及凝结速率；利用修正后的强制对流换热D-B公式计算分区(1)-分区(9)管侧的换热量；利用金属导热公式计算分区(1)-分区(9)的金属导热；

(4)热工参数计算：通过蒸汽质量平衡计算分区(1)-分区(9)壳侧的压力；通过水质量平衡计算分区(1)-分区(9)管侧以及分区(11)、(12)内的循环水压力；通过热井水质量平衡计算分区(10)的液位；通过热井蒸汽质量平衡与水质量平衡联立计算分区(10)压力；

(5)结果输出：根据需要数据的类型和格式，对计算结果进行输出。

(6)循环一次后，向前推进一个时间步长，根据实时计算时间需要设定循环条件，完成仿真工作。