Flowmaster在CAP1000化容系統(tǒng)瞬態(tài)仿真計(jì)算中的應(yīng)用

桂璐廷

前言

根據(jù)CAP1000化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置情況，利用Flowmaster程序建立了化容系統(tǒng)的凈化回路模型，并進(jìn)行了典型的瞬態(tài)仿真。分析表明軟件模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)與手算結(jié)果基本保持一致，F(xiàn)lowmaster的計(jì)算結(jié)果能夠更真實(shí)的反應(yīng)瞬態(tài)的變化過(guò)程。

1.背景

化容系統(tǒng)是CAP1000重要的輔助系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)一回路水化學(xué)和控制一回路水裝量。由于化容系統(tǒng)的凈化環(huán)路在正常運(yùn)行期間與一回路始終保持聯(lián)通，因此在壽期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷很多設(shè)計(jì)瞬態(tài)。這些瞬態(tài)計(jì)算可用于化容系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備和部件的結(jié)構(gòu)力學(xué)和疲勞應(yīng)力分析。本文根據(jù)CAP1000化容系統(tǒng)的實(shí)際布置情況，使用flowmaster程序進(jìn)行了仿真建模;旨在通過(guò)本次模擬為flowmaster在系統(tǒng)瞬態(tài)計(jì)算上的應(yīng)用提供參考。

2.瞬態(tài)描述

化容系統(tǒng)的設(shè)計(jì)瞬態(tài)包括以下幾種：（1）由于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)瞬態(tài)而引起的化容設(shè)計(jì)瞬態(tài)，化容系統(tǒng)在此情況下不采取任何動(dòng)作。（2）由化容系統(tǒng)運(yùn)行引起的瞬態(tài)，如凈化隔離、補(bǔ)水泵驅(qū)動(dòng)。本文模擬的瞬態(tài)工況是電廠全范圍升溫工況。電廠全范圍升溫是每個(gè)換料周期必須經(jīng)歷的瞬態(tài)，CAP1000電廠全壽期內(nèi)假設(shè)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)會(huì)發(fā)生200次全范圍的升溫瞬態(tài)。

3.模型和程序介紹

3.1模型介紹

由于化容系統(tǒng)在下泄熱交換器下游的溫度基本穩(wěn)定在50℃以下，因此設(shè)計(jì)瞬態(tài)的計(jì)算僅考慮了下泄熱交換器上游的管道、閥門(mén)、再生熱交換器和再生熱交換器殼側(cè)下游的凈化返回部分。但整個(gè)仿真模型仍按照全系統(tǒng)的真實(shí)設(shè)計(jì)和布置，使用flowmaster V7.9建立。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，其中A、B、C三部分為瞬態(tài)計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)出部分。

圖1 CVS系統(tǒng)流程示意圖

3.2程序介紹[2]

對(duì)多個(gè)元器件的管道系統(tǒng)，F(xiàn)lowmaster均把管道系統(tǒng)當(dāng)做網(wǎng)格來(lái)處理，網(wǎng)絡(luò)中元器件的壓力、溫度、流量等參數(shù)的求解實(shí)際上是求解一個(gè)大型矩陣，其中，矩陣中的各系數(shù)由相應(yīng)元件的參數(shù)決定。在對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型進(jìn)行求解時(shí)，會(huì)采用設(shè)置的初始流量進(jìn)行求解，當(dāng)完成第一次求解后，得到了各節(jié)點(diǎn)的壓力，而后再通過(guò)壓力可以求得一個(gè)新的流量，因此，矩陣中的各系數(shù)會(huì)被修改，需要再次求解。對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型的求解過(guò)程，就是通過(guò)這樣的往復(fù)迭代過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，直到所有結(jié)果都達(dá)到預(yù)先設(shè)定的殘差時(shí)，迭代中止，計(jì)算完成。

4.冷卻劑物理參數(shù)和性質(zhì)

4.1物理性質(zhì)

在化容系統(tǒng)中，冷卻劑從一回路引出后溫度較高，經(jīng)過(guò)再生和下泄熱交換器后會(huì)經(jīng)歷較大的降溫和降壓變化。因此，在計(jì)算中需要考慮冷卻劑密度、粘性、導(dǎo)熱系數(shù)等物理性質(zhì)參數(shù)隨溫度和壓力的變化。另外主系統(tǒng)冷卻劑是含有硼酸等化合物的混合溶液，在本計(jì)算中近似作為水來(lái)處理。

4.2模擬參數(shù)

本文使用基于幾何的高級(jí)管殼式換熱器模擬再生熱交換器和下泄熱交換器，根據(jù)換熱器的幾何參數(shù)創(chuàng)建新的換熱器模型，使其能夠適用更多工況的計(jì)算。兩個(gè)熱交換器的基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。為了使給整個(gè)瞬態(tài)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，本文使用Flowmaster軟件中的離散阻力元件來(lái)模擬熱交換器外其他管路或設(shè)備的阻力特性。因此這些管道和設(shè)備的壓降會(huì)根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果而調(diào)整。

4.3邊界條件

在電廠全范圍升溫工況下化容只有凈化環(huán)路運(yùn)行，瞬態(tài)由反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的波動(dòng)引起。主系統(tǒng)的壓力和溫度波動(dòng)情況作為瞬態(tài)計(jì)算的邊界條件，見(jiàn)圖2。

5.計(jì)算結(jié)果

根據(jù)4.2節(jié)中全范圍升溫瞬態(tài)的進(jìn)出口壓力、溫度曲線，設(shè)定仿真模型進(jìn)出口邊界條件。模擬時(shí)間設(shè)定為36000秒，模擬步長(zhǎng)為100秒。最終采用再生熱交換器管側(cè)入口、管側(cè)出口和殼側(cè)出口的狀態(tài)來(lái)繪制瞬態(tài)曲線，這三處分別對(duì)應(yīng)圖1中的A部分、C部分和B部分。由于A部分使用的是同樣的設(shè)計(jì)輸入，因此手算和軟件計(jì)算的結(jié)果是一致的。在本文中比較了C部分和B部分的區(qū)別，手算和軟件模擬產(chǎn)生的曲線比較分別見(jiàn)圖3～6。

圖3 ?B部分溫度手算和軟件計(jì)算結(jié)果比較

圖4 ?C部分溫度手算和軟件計(jì)算結(jié)果比較

圖5 ?B部分壓力手算和軟件計(jì)算結(jié)果比較

從模擬結(jié)果來(lái)看，B部分和C部分的壓力和溫度均與A部分的變化趨勢(shì)一致。對(duì)比手算和flowmaster計(jì)算結(jié)果，其中壓力的變化曲線基本重合，溫度的變化曲線有一定的差異，偏差在2%～28%。

在手算時(shí)，選取了幾個(gè)再生熱交換器和下泄熱交換器的工況來(lái)計(jì)算進(jìn)出口溫度，并將這些溫度擬合成進(jìn)口溫度和出口溫度的關(guān)系曲線。這樣B、C部分的溫度可以通過(guò)A部分的溫度來(lái)計(jì)算獲得。由于數(shù)據(jù)點(diǎn)有限，在計(jì)算某些溫度點(diǎn)時(shí)不能較好的體現(xiàn)實(shí)際情況，尤其是在A部分溫度較低的情況下。而使用flowmaster模擬時(shí)，熱交換器均通過(guò)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，出口溫度均通過(guò)軟件計(jì)算產(chǎn)生。

6.結(jié)論

本文使用計(jì)算流體軟件Flowmaster7.9對(duì)CAP1000的化學(xué)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)全范圍升溫瞬態(tài)進(jìn)行了軟件模擬。根據(jù)比對(duì)結(jié)果，總結(jié)如下：（1）Flowmaster軟件模擬的結(jié)果和手算結(jié)果基本保持一致。（2）Flowmaster通過(guò)可視化模型，能夠更直觀的展現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)架和全貌。在模型調(diào)試過(guò)程中，也更方便調(diào)整系統(tǒng)和設(shè)備參數(shù)。（3）Flowmaster可以完整的將整個(gè)主系統(tǒng)瞬態(tài)曲線作為設(shè)計(jì)輸入。而在手算時(shí)，由于數(shù)據(jù)量大，一般只能選取數(shù)個(gè)有代表性的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。（4）Flowmaster在設(shè)定好設(shè)備參數(shù)后，可以自動(dòng)模擬所有工況下的換熱情況。而在手算時(shí)，由于數(shù)據(jù)量大，一般選取數(shù)個(gè)工作點(diǎn)來(lái)擬合熱交換器進(jìn)出口溫度關(guān)系公式，并通過(guò)該擬合公式來(lái)計(jì)算所有工況，誤差較大。（5）Flowmaster可以根據(jù)設(shè)計(jì)輸入，較真實(shí)的重現(xiàn)瞬態(tài)工況。而在手算時(shí)，為了減少工作量，需要進(jìn)行大量的假設(shè)工作。（6）Flowmaster不僅可以給出溫度、壓力的計(jì)算結(jié)果，還能同時(shí)輸出質(zhì)量流量、體積流量、流速、雷諾數(shù)、壓降等參數(shù)，計(jì)算結(jié)果更為全面。