一种通过发电机调速的核电汽动给水泵系统及验证方法与流程

本发明属于核电，尤其涉及一种通过发电机调速的核电汽动给水泵系统及验证方法。

背景技术：

1、在核电厂中，早期工程采用的汽动给水泵通过调整给水泵汽轮机进汽调门开度的方式来调节给水泵组功率，但由于核电机组参数较低，给水泵汽轮机进汽流量较大，调阀存在较大的节流损失，全场热效率因此下降较多。

2、在核电给水泵汽轮机选型中，给水泵汽轮机相比给水泵组，其轴功率有约10％的裕量，也就是说机组运行时，如果不调节给水泵汽轮机，会出现“大马拉小车”的情况。通常，核电厂都通过调整给水泵汽轮机进汽口调节阀的开度，来确保其出力和给水泵组所需值相匹配。

3、现有核电汽动给水泵系统只能依靠调节给水泵汽轮机入口调节阀的开度控制轴系转速，具有较大的节流损失。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种通过发电机调速的核电汽动给水泵系统及验证方法，解决了通过发电机来调节核电汽动给水泵系统中的轴功率的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种通过发电机调速的核电汽动给水泵系统，包括给水泵汽轮机、给水泵组和发电机，给水泵汽轮机、给水泵组和发电机均为同轴连接，发电机连接一个变流器，变流器连接电网；

4、给水泵汽轮机带动给水泵组和发电机做同轴转动；

5、发电机用于通过调节发电机的输出功率来调节给水泵汽轮机和给水泵组的同轴转速，若发电机或变流器故障时，使发电机解列空转，给水泵汽轮机切换为采用调节阀节流的方式控制给水泵汽轮机的转速，若给水泵汽轮机故障时，使发电机在线切换为电动机，从而带动给水泵组继续运行。

6、优选的，给水泵汽轮机的选型包括凝汽式或背压式，凝汽式排汽至主机凝汽器或独立的凝汽器，背压式排汽至加热器或供热。

7、优选的，给水泵汽轮机的汽源在核电站中的选型包括设定机组功率pe，当70％≤pe时，给水泵汽轮机的汽源来自于再热蒸汽；机组功率40％≤pe＜70％时，给水泵汽轮机的汽源使用再热蒸汽和主蒸汽双汽源；机组功率在pe＜40％时，给水泵汽轮机的汽源使用主蒸汽。

8、优选的，电网为厂外电网或厂内用电设备的电网。

9、优选的，变流器用于将发电机输出的电流转换成电网同频的工频电流。

10、优选的，给水泵组包括单台全容量给水泵或部分容量给水泵，发电机包括同步发电机或异步发电机。

11、一种通过发电机调速的核电汽动给水泵系统的验证方法，包括利用apros软件构建二回路全部热力系统模型，二回路全部热力系统的模型包括汽轮机系统模型，汽水分离再热器系统模型，高低加除氧器系统模型和汽动给水泵系统模型等；

12、设置二回路与一回路分界处的边界条件，一回路和二回路的分界处的边界条件包括蒸汽发生器进出口的压力、温度、流量和蒸汽发生器水位的变化曲线等；

13、对核岛方的瞬态工况进行仿真，得出的汽泵工况，将汽泵工况与电泵工况的仿真曲线进行比较，验证系统安全性：若电泵和汽泵曲线的趋势基本一致，则认为使用汽泵的安全性与电泵相当，即认为是满足核岛安全稳定运行的要求。

14、优选的，所述汽轮机系统模型包括主蒸汽调门模型、高压级组模型、中低压级组模型和主轴模型，建模时，将每个缸看成是由多个级组构成，两个抽汽点之间视作一个级，每个级通过apros的透平模块进行模拟，汽轮机系统模型边界条件包括汽轮机进出口蒸汽的温度、压力和流量；

15、高压级组模型包括主蒸汽调门以及汽轮机高压级组本体部分，主蒸汽从蒸汽发生器出口，通过节点po21进入汽轮机系统，阀门组cov14与chv05共同构成主蒸汽调门，控制阀cov14通过调节开度控制主蒸汽流量，逆止阀chv05防止蒸汽倒流；

16、高压级组模型本体由透平tu01与tu02共同组成，节点po62、阀门cov16与节点po72构成汽轮机高压级组轴封漏气模型，通过调整控制阀门cov16开度控制漏气量或加热蒸汽量，蒸汽经高压级组做功后，通过节点po68混合，经管道pip37流入汽轮机中低压级组或其他设备；

17、中低压级组模型包括汽轮机中低压级组本体部分，上级蒸汽经节点po69进入中低压级组，中低压级组本体由透平tu03和tu04共同组成，节点po63、阀门cov19和节点po75构成中低压级组模型的轴封漏气模型，通过调整控制阀门cov19开度控制漏气量或加热蒸汽量，蒸汽经中低压级组做功后，乏汽通过节点po70混合，经管道pip41流入凝汽设备；

18、透平模块的透平计算主要包括压力计算与焓计算。

19、优选的，所述汽动给水泵系统模型包括给水泵汽轮机模型和给水泵模型，来自汽水分离再热器系统模型的出口的热再蒸汽通过给水泵汽轮机进口调节阀进入给水泵汽轮机做功，带动传动轴转动，转动轴一端带动小发电机发电，另一端带动给水泵，给水泵汽轮机排汽进入凝汽器，从除氧器来的给水通过汽动给水泵升压后，进入#6号高压加热器。

20、优选的，给水泵汽轮机的数学模型如下：

21、质量守恒方程：

22、模型假定汽机内不储存流体，因此离开的质量流量等于进入的质量流量之和：

23、wsl＝wselp+wsehp

24、其中，wsl为流出蒸气流量，单位为kg/s，wselp为低压蒸汽流入流量，单位为kg/s，wsehp为高压蒸汽流入流入流量，单位为kg/s；

25、能量守恒方程：

26、能量守恒方程用于推导涡轮机速度的微分方程；模型使用的能量守恒方程包括机械功率损失ploss；模型使用的相应方程式不包含ploss；根据蒸气源数目，有效蒸气比焓he的计算方法也不同；

27、对于单蒸气源：

28、he＝hselp

29、对于2蒸气源：

30、

31、其中，he为输入蒸气的有效蒸气比焓，单位为j/kg，hselp为低压蒸汽源的有效蒸气比焓，单位为j/kg，hsehp为高压蒸汽源的有效蒸气比焓j/kg，qqw1为最小流量，单位为kg/s，wselp为低压蒸汽流入流量，单位为kg/s，wsehp为高压蒸汽流入流入流量，单位为kg/s；

32、蒸气流动的净功率计算如下：

33、pin＝0.21616wsl(he-hsl)

34、其中，0.21616btu/hr＝ft lbf/s；

35、pin＝wsl(he-hsl)

36、假定机械或摩擦功率损失与速度的平方成正比：

37、ploss＝max(|jout|,kfrn2)

38、其中，jout为负载轴功率，单位为w，kfr为摩擦损失系数，n为汽轮机转速，单位为rad/s.

39、泵-汽轮机的热力学第一定律如下：

40、

41、其中，pin为蒸气净功率w，ploss为机械功损失，单位为w，jout为负载轴功率，单位为w，n为汽轮机转速，单位为rad/s，i为泵及汽轮机的转动惯量，单位为kg.m2。

42、本发明所述的一种通过发电机调速的核电汽动给水泵系统及验证方法，解决了通过发电机来调节核电汽动给水泵系统中的轴功率的技术问题，本发明通过一台小发电机将多余的轴功率变为电能输出，可以大幅度降低节流损失，提高发电效率，进一步降低厂用电率，并提高核电机组的安全性，适用于核电机组，可以同时适用于3x50％、3x33.3％等多种给水泵配置型式，增加了高速变转速小发电机，小发电机与整个轴系同轴连接，小发电机可以是同步电机也可是异步电机，核电站给水泵汽轮机的汽源在中的选型原则为机组功率pe≥70％时，给水泵汽轮机的汽源来自于再热蒸汽；机组功率40％≤pe＜70％时，使用再热蒸汽和主蒸汽双汽源；机组功率在pe＜40％时，使用主蒸汽，对核电常规岛二回路汽动给水泵系统进行安全性验证的方案，小发电机发出的电可以通过变流器整流为工频交流电，送至外网或接入厂用电网使用，给水泵轴系的调速方案为控制小发电机出力的方式控制给水泵汽轮机的转速。