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1、核动力仿真中心实习报告2011年6月29日目录一、系统仿真技术概述31.1系统仿真技术概述31.2系统仿真技术分类3二、核动力装置运行方案42.1冷却剂平均温度不变运行方案42.2反应堆出口温度不变运行方案42.3蒸汽压力恒定运行方案52.4折中运行方案6三、数据记录表格73.1额定工况时主要参数值73.2变工况时主要参数值8四、仿真机运行方案分析8五、核动力仿真中心实习感受11一、系统仿真技术概述1.1系统仿真技术概述以相似原理、信息技术、系统理论及其利用领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或假想的系统进行试验研究的一门新兴综合技术。物理仿真1.2系统
2、仿真技术分类按照仿真实验中所取的时间标尺 (模型时间)与自然时间(原型)时间标尺之间的比例关系按照参与仿真的模型的种类不同数学仿真物理-数学仿真(半物理仿真或半实物仿真)实时仿真超实时仿真欠实时仿真二、核动力装置运行方案2.1冷却剂平均温度不变运行方案这种运行方案的特点是冷却剂的平均温度不随装置负荷变化。假设冷却剂流量不变，反应堆具有负温度系数，核蒸汽供应系统采用U形管自然循环蒸汽发生器，则平均温度恒定运行方案下的静态特性如图（1）所示。T p Ps0 25 50 75 100图（1）装置负荷%由图中曲线可以看出，随着装置负荷的变化，一回路测冷却剂在反应堆出口和入口的温度呈线性变化，二回路侧的
3、蒸汽温度也近似呈线性规律变化。当装置负荷降低时，蒸汽温度升高，因而蒸汽压力也随之升高。这种运行方案的主要优点是，反应堆在没有外部控制时，反应堆冷却剂能够自己稳定在某一平均温度，并可自动适应功率的需要。例如，当装置负荷增加时，蒸汽发生器出口冷却剂温度（反应堆入口温度）降低，引起平均温度降低，由于反应堆具有负温度系数，导致堆芯反应性增加，反应堆由临界状态暂时成为超临界状态，输出功率增加，使反应堆出口冷却剂温度（蒸汽发生器入口温度）升高，反应堆又回到临界状态，而冷却剂平均温度则恢复到原来数值。由此可见，假如不考虑燃耗和中毒的效应，在正常运行时可以不需要堆外控制系统，反应堆只依靠负温度系数就可以保持稳
4、定工作。该方案的另一优点是压力控制系统中的稳压器尺寸可以最小。由于运行过程中保持恒定，一回路冷却剂体积随负荷的波动最小，所以稳压器的体积可小一些。另外，该方案使装置中热应力变化也变小，负荷响应快，负荷波动后恢复到整定值所需要的时间也较少。这种运行方案的主要缺点是二回路侧蒸汽参数随输出功率变化幅度很大，尤其是在低功率运行时，蒸汽压力较高，要求二回路蒸汽管道、阀门、汽轮机等设备的承压能力较高。船舶核动力装置为满足机动性的要求，工况变化较为频繁，功率变化幅度较大，低负荷下运行的时间也较长，因此这种运行方案的缺点显得更加突出。2.2反应堆出口温度不变运行方案这种运行方案的特点是反应堆出口冷却剂温度不随
5、装置负荷变化。在与恒定运行方案相同的假设条件下，核蒸汽供应系统在恒定时的静态特性如图（2）所示。T p Ps 0 25 50 75 100 图（2）装置负荷%由图中曲线可以看出，随着装置负荷的变化，、呈线性变化，也近似呈线性规律变化。随着装置负荷的降低，蒸汽压力和温度相应升高。如果设计工况下的平均温度与恒定运行方案相同，则在此运行方案下可使部分负荷时冷却剂的平均温度提高，二回路侧蒸汽参数随负荷降低而增高，二回路侧蒸汽参数随负荷降低而增高得更快。核动力装置采用这种运行方案，在整个稳定功率运行范围内反应堆出口温度都保持在某一固定的最大值，不会出现反应堆出口温度超温的情况，可以很好地满足反应堆设计的
6、热工安全准则，同时对材料强度也是有利的。但是，由于变化较大要求稳压器尺寸也较大，而且反应堆必须设置一个外部控制系统，以满足功率水平改变的需要。这种运行方案的突出问题是二回路侧蒸汽参数随装置负荷的降低升高很快，对二回路蒸汽系统和用气设备的设计、运行要求显著提高。2.3蒸汽压力恒定运行方案上述运行方案的共同特点是二回路侧蒸汽压力随装置负荷的改变有较大的变化，这对二回路系统和用气设备的设计、运行和管理都带来一定的困难，因此提出了蒸汽压力不随负荷变化的方案，其静态特性如图（3）所示。 T p Ps 0 25 50 75 100 图（3） 装置负荷%由图中曲线可以看到，随着装置负荷的降低，反应堆进、出口
7、温度以及冷却剂平均温度也相应降低。由于二次侧蒸汽参数不变，给二回路系统和主要用气设备的设计、运行和管理带来许多方便。例如，可以不用蒸汽自动调压阀来稳定二回路蒸汽压力，或不需要使用特殊要求的汽轮机；由于给水泵的扬程基本不随装置负荷变化，在不同工况下给水泵叶轮进出口的压差基本不变，大大改善了给水泵的运行特性，不需要特殊设计。但是，在整个稳定功率运行范围内的变化很大，由于温度效应而引起的堆芯反应性扰动也较大，一方面要求稳压器具有更大的容积补偿能力，重量尺寸增大；另一方面也要求反应堆功率控制系统频繁移动控制棒以补偿堆芯反应性的变化，给一回路系统的设计和运行带来一定的困难。2.4折中运行方案图（4）所示
8、为冷却剂平均温度、冷却剂流量按程序变化的一种折中运行方案。 T p Ps 0 25 50 75 100 图（4） 装置负荷%如图所示，装置负荷在50%FP时，冷却剂流量降低为额定流量的1/2或1/3，随装置负荷的而减小而线性降低，使得二次侧蒸汽压力和温度升高的幅度显著减小。这种运行方案的提出，是因为前面所述几种基本运行方案的优点和缺点都过于突出，有的方案对一回路有利，给二回路的设计、运行带来较大困难，有的方案则正好相反，主要限制因素是反应堆出口温度、冷却剂平均温度及二回路侧蒸汽压力变化范围不应太大。图（4）所示的这种方案实际上是将设计、运行和管理的困难由一、二回路共同承担，对于一、二回路都较为
9、有利，但是增加了控制环节，增大了系统的复杂性。三、数据记录表格3.1额定工况时主要参数值参数名数值参数名数值反应堆功率907.93MW电站电功率302.20反应堆入口温度283.52反应堆出口温度306.80冷却剂平均温度295.15冷却剂流量左：3611.2Kg/s右：3613.5 Kg/s一回路系统压力15.221MPa稳压器温度356.55稳压器水位5.460m蒸汽发生器水位10.479 m主蒸汽压力（SG出口）5.859 MPa主蒸汽流量241.710 Kg/s主给水温度212.56主给水流量244.40 Kg/s反应堆出口过冷度49.75下泄流量2.93 Kg/s离子交换器入口温度4
10、0.74上充流量2.166 Kg/s冷凝器温度35.31冷凝器压力5.42KPa3.2变工况时主要参数值电功率参数300 MW270 MW240 MW210 MW冷却剂平均温度295.15295.10294.03292.17反应堆出口温度306.80305.92303.83300.66反应堆入口温度283.52284.40284.32283.57蒸汽压力5.859 MPa5.937 MPa5.994 MPa6.005 MPa四、仿真机运行方案分析表1列举了该压水堆100%功率运行时的部分参数。由表1可知，满功率运行时，反应堆功率为907.89MW，而电站电功率为303.22MW，热效率大约为3
11、0%。两个环路的总蒸汽产量为486.939kg/s，而主冷却剂总流量为7225.3kg/s。下泄流量为2.93kg/s，而上充流量为2.166kg/s，略小于下泄流量，差额应为主泵轴封水流量。蒸汽发生器产生的新蒸汽压力约为5.8MPa。表2记录了降功率过程的一些运行参数。根据表2绘图如下。由以上两图可以看出，该运行方案降功率过程中，主冷却剂温度降低，新蒸汽压力升高，但反应堆冷却剂入口温度不变，可见是一种反应堆冷却剂入口温度不变的折中方运行方案。采用冷却剂平均温度不变的运行方案时，反应堆可自动适应功率的调节，不需要外界引入过多的负反应性。此外，稳压器的的体积波动较小，稳压器的尺寸可以适当减小。但
12、是，二回路侧蒸汽参数随功率变化幅度很大，尤其是低功率运行时，蒸汽压力较高，对设备的承压能力要求较高。采用二回路新蒸汽压力不变的运行方案时，二回路的压力控制系统可以大大简化，但是一回路的冷却剂平均温度会出现较大幅度的波动，由温度变化引起的负反馈效应较大，堆芯反应性扰动较大，不利于反应堆稳定运行。由于以上两种方案都有明显的不足之处，在反应堆实际运行过程中，并不直接采用以上两种方案，而是采用折中运行方案。目前压水堆使用的一种折中方案是选择反应堆冷却剂平均温度和二回路新蒸汽压力参数作适当变化，反应堆冷却剂入口温度不变的方案。下面分析采用反应堆冷却剂入口温度不变的折中运行方案时反应堆的静态变化趋势。蒸汽
13、发生器的传热方程为：对于蒸汽发生器一回路冷却剂：式中，蒸汽发生器一、二次侧之间的平均传热温差，；蒸汽发生器换热面积，m2；传热系数，W/(m2)；二回路侧饱和蒸汽温度，;主冷却剂质量流量，kg/s;主冷却剂比热容，J/(kg)反应堆冷却剂出口温度，；反应堆冷却剂进口温度，；由传热方程我们知道，降功率过程中，减小，而不变，因此应设法减小和。实际降功率运行时，主机阀门开度减小，短时间内蒸汽产量不变，因而蒸汽压力会有所升高；另一方面，对于一回路，稳定时其传热负荷也相应降低，对于方程，变化不大，主冷却剂质量流量和反应堆冷却剂进出口温差会减小。因此，在反应堆进口温度不变的情况下，冷却剂出口温度和平均温度都会有所降低。这正好符合运行数据的变化趋势，即降功率过程中，反应堆冷却剂平均温度下降，蒸汽压力上升。五、核动力仿真中心实习感受我们学习了核动力仿真的相关知识。利用仿真技术制造的核电站模拟机，是核电站培训操纵员和管理员的重要培训工具，直接影响着核电站运行的安全性、稳定性和经济性。老师为我们介绍了仿真机的基本原理，在仿真机上为我们演示了各个系统的组成和工作原理，并利用三维虚拟现实技术为我们演示了核电厂区布置、核动力系统主要设备的结构和原理，通过直观的呈现我们对核动力系统有了更直接和清晰的认识。老师还在仿真机上进行了反应堆额定工况稳态运行和降功率实验，
