直接布雷頓循環(huán)氣冷反應(yīng)堆系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

明 楊，易經(jīng)緯，方華偉，劉 凱，趙富龍,*，譚思超，田瑞峰

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213)

布雷頓循環(huán)反應(yīng)堆是第4代核能系統(tǒng)的優(yōu)先發(fā)展堆型之一[1]。該堆型通常采用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱工性能良好的氣體冷卻劑(如氦氣、氙氣等)，堆芯冷卻劑出口溫度可達(dá)1 000 ℃甚至更高[2]，其主要特點(diǎn)是固有安全性高、經(jīng)濟(jì)性好、發(fā)電效率高、工藝熱應(yīng)用廣泛[3]。

布雷頓循環(huán)系統(tǒng)分析程序方面，國內(nèi)外已開展了很多研究。成利等[4]利用simulink程序，對(duì)核電站反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，驗(yàn)證動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模方法可行性。李海鵬等[5]采用集總參數(shù)的建模方法，建立了HTR-10系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，結(jié)果能正確反映系統(tǒng)的正常運(yùn)行特性。唐麗麗[6]針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)布雷頓循環(huán)進(jìn)行了建模仿真，研究了壓氣機(jī)與氣輪機(jī)的運(yùn)行特性。王恩華等[7]針對(duì)布雷頓循環(huán)氦氣輪機(jī)的起動(dòng)過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，得到了壓氣機(jī)和透平的工作曲線。解衡等[8]開發(fā)了仿真程序，對(duì)布雷頓循環(huán)負(fù)荷喪失事故工況以及主換熱器換熱量減少兩種瞬態(tài)工況進(jìn)行了仿真。李文龍等[9]開發(fā)出布雷頓循環(huán)的瞬態(tài)分析軟件，針對(duì)引入反應(yīng)性、工質(zhì)質(zhì)量流量變化等工況進(jìn)行了仿真研究。Wright等[10-11]基于simulink程序首先針對(duì)閉式布雷頓循環(huán)建立了系統(tǒng)分析程序，分析系統(tǒng)的變工況特性，并在已有程序基礎(chǔ)上引入控制，研究不同控制方法下系統(tǒng)的響應(yīng)特性。Verkerk[12]針對(duì)布雷頓循環(huán)，預(yù)測(cè)了布雷頓循環(huán)在反應(yīng)堆變功率工況下的動(dòng)態(tài)變化。Becker等[13]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX-4建立了高溫氣冷堆傳熱流動(dòng)的三維數(shù)值仿真模型，進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)仿真計(jì)算與分析。Tauveron等[14-15]開發(fā)出一維計(jì)算機(jī)仿真程序CATHARE對(duì)布雷頓循環(huán)進(jìn)行安全性分析，并對(duì)系統(tǒng)破口事故進(jìn)行了仿真。Saez等[16]利用CATHARE程序?qū)Σ祭最D循環(huán)的氣輪機(jī)組通流阻塞情況進(jìn)行了仿真研究。Bentivoglio等[17]應(yīng)用CATHARE程序?qū)Φ聡鳲berhausenⅡ50 MW直接布雷頓循環(huán)核電站進(jìn)行了仿真研究。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多關(guān)于布雷頓循環(huán)反應(yīng)堆系統(tǒng)的仿真分析研究，并進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)行特性的分析以及參數(shù)優(yōu)化，但針對(duì)小型直接布雷頓循環(huán)反應(yīng)堆系統(tǒng)分析程序的相關(guān)研究較少。此外工質(zhì)物性模型多為常物性，對(duì)系統(tǒng)變工況運(yùn)行時(shí)的仿真能力存在一定的不足[10-11]。因此本文針對(duì)小型直接布雷頓循環(huán)反應(yīng)堆系統(tǒng)建立系統(tǒng)分析程序，并建立精確的工質(zhì)物性數(shù)據(jù)庫，考慮工質(zhì)變工況時(shí)的物性變化，開展小型布雷頓循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況仿真以及反應(yīng)堆升降功率、引入階躍反應(yīng)性、關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)變化、機(jī)組甩負(fù)荷等瞬態(tài)工況下的動(dòng)態(tài)仿真。

1 系統(tǒng)分析程序建模

1.1 建模方法及假設(shè)

建模對(duì)象為一種以氦氙混合氣體作為工質(zhì)的小型氣冷快堆，系統(tǒng)循環(huán)方式為直接布雷頓循環(huán)，其原理如圖1所示，相應(yīng)的一維系統(tǒng)分析程序基于圖1建立，子模塊功能和布置與系統(tǒng)圖基本相同，旨在盡可能還原系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行過程。

圖1 直接布雷頓循環(huán)氣冷反應(yīng)堆系統(tǒng)原理圖

基本建模思路為：1) 依據(jù)布雷頓循環(huán)各重要設(shè)備的熱力學(xué)特性、流體力學(xué)特性、轉(zhuǎn)動(dòng)特性等逐步建立各設(shè)備的數(shù)學(xué)物理模型，基于質(zhì)量守恒、能量守恒、轉(zhuǎn)子功率平衡等原理，構(gòu)造各重要設(shè)備共同運(yùn)行的數(shù)學(xué)物理關(guān)系；2) 通過數(shù)值方法對(duì)模型進(jìn)行求解，獲得主要設(shè)備不同工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，模擬布雷頓循環(huán)的實(shí)際工作過程，并加入相應(yīng)的控制方法，盡可能復(fù)現(xiàn)布雷頓循環(huán)的實(shí)際工作狀態(tài)。

建立的系統(tǒng)分析程序包括8個(gè)子模塊：反應(yīng)堆模塊、氣輪機(jī)模塊、壓氣機(jī)模塊、回?zé)崞髂K、冷卻器模塊、轉(zhuǎn)子模塊、流量變化模塊、PID控制模塊。

各子模塊內(nèi)部的計(jì)算公式、自定義函數(shù)、物性數(shù)據(jù)庫、曲線插值方法等實(shí)現(xiàn)了每個(gè)子模塊的計(jì)算功能，選取合適的初始參數(shù)與求解算法，進(jìn)而完成布雷頓循環(huán)的系統(tǒng)分析計(jì)算。為簡化數(shù)學(xué)物理模型，基本假設(shè)如下：1) 工質(zhì)為實(shí)際氣體，在關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)一維流動(dòng)，忽略工質(zhì)物性在空間上的不均勻性；2) 忽略工質(zhì)泄漏，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)與外界環(huán)境無質(zhì)量與能量的交換；3) 忽略轉(zhuǎn)動(dòng)部件運(yùn)行時(shí)摩擦導(dǎo)致的能量損失；4)忽略長期運(yùn)行對(duì)換熱系數(shù)、局部阻力系數(shù)等參數(shù)的影響。

1.2 關(guān)鍵設(shè)備物理模型

1) 反應(yīng)堆模型

反應(yīng)堆是布雷頓循環(huán)的能量來源，反應(yīng)堆模塊需在各工況下正確計(jì)算反應(yīng)堆的進(jìn)出口工質(zhì)溫度、壓力以及反應(yīng)堆功率，同時(shí)反映反應(yīng)堆的溫度反饋與核反饋等物理過程。由于在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中，主要關(guān)注反應(yīng)堆功率變化以及中子通量變化，因此選取點(diǎn)堆中子動(dòng)力學(xué)方程，主要方程如下：

(1)

(2)

(3)

ρ=ρin-α(Tf-Tf0)

(4)

式中：N堆為反應(yīng)堆熱功率；ρ為總反應(yīng)性；β為總緩發(fā)中子份額；βi為第i組緩發(fā)中子份額；Λ為中子代時(shí)間；λi為第i代緩發(fā)中子衰變常量；Ci為緩發(fā)中子先驅(qū)核濃度；ρin為控制棒引入的反應(yīng)性；α為溫度負(fù)反饋系數(shù)；Tf為核燃料溫度；Tf0為額定功率下燃料溫度。

堆芯傳熱模型基于集總參數(shù)法建立，由于堆芯傳熱模型關(guān)心反應(yīng)堆的出口溫度與堆芯功率的關(guān)系，可認(rèn)為整個(gè)堆芯的燃料元件在同一時(shí)刻均處于同一溫度。模型主要方程如下：

(5)

G堆cp冷(T堆冷o-T堆冷i)]

(6)

(7)

式中：Pr為反應(yīng)堆熱功率；Tf為燃料平均溫度；ρf為燃料元件密度；cvf為燃料元件熱容；Vc為反應(yīng)堆總體積；α為燃料元件換熱系數(shù)；A為燃料元件換熱面積；ρ冷為冷卻劑密度；cp冷為冷卻劑比定壓熱容；T堆冷a為堆芯冷卻劑平均溫度；T堆冷o為堆芯冷卻劑出口溫度；T堆冷i為堆芯冷卻劑進(jìn)口溫度；ε為堆芯孔隙率；G堆為堆芯質(zhì)量流量。

2) 氣輪機(jī)與壓氣機(jī)模型

由于系統(tǒng)需計(jì)算氣輪機(jī)與壓氣機(jī)的變工況運(yùn)行特性，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法不適用于偏離穩(wěn)態(tài)工況較大的計(jì)算，因此系統(tǒng)分析程序采取特性曲線插值法對(duì)氣輪機(jī)進(jìn)行建模。氣輪機(jī)模型主要方程如下：

δ氣=T氣i/T氣o

(8)

(9)

(10)

式中：G氣為氣輪機(jī)質(zhì)量流量；T氣o為氣輪機(jī)出口溫度；T氣i為氣輪機(jī)進(jìn)口溫度；δ氣為氣輪機(jī)膨脹比；n為氣輪機(jī)轉(zhuǎn)速；η氣為氣輪機(jī)等熵效率；N氣為氣輪機(jī)功率；k為絕熱指數(shù)。

系統(tǒng)分析程序采取特性曲線插值法對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行建模。壓氣機(jī)模型主要方程如下：

ε壓=T壓o/T壓i

(11)

(12)

(13)

式中：G壓為壓氣機(jī)質(zhì)量流量；T壓o為壓氣機(jī)出口溫度；T壓i為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度；ε壓為壓氣機(jī)壓縮比；η壓為壓氣機(jī)等熵效率；N壓為壓氣機(jī)功率；k為絕熱指數(shù)。

3) 回?zé)崞髋c冷卻器模型

回?zé)崞髂Ｐ突谄浣Y(jié)構(gòu)和換熱方式對(duì)其建模，并作一定程度的假設(shè)，忽略回?zé)崞髋c外界的換熱，認(rèn)為同一截面內(nèi)工質(zhì)的溫度、速度、壓力參數(shù)一致，流體沿軸向一維流動(dòng)，主要方程如下:

G低i=G低o=G壓

(14)

G高i=G高o=G氣

(15)

(16)

T高s=(T高o-T高i)/2

(17)

(18)

(19)

式中：G高i為回?zé)崞鞲邷貍?cè)進(jìn)口質(zhì)量流量；G高o為回?zé)崞鞲邷貍?cè)出口質(zhì)量流量；T高i為回?zé)崞鞲邷貍?cè)進(jìn)口溫度；T高o為回?zé)崞鞲邷貍?cè)出口溫度；G低i為回?zé)崞鞯蜏貍?cè)進(jìn)口質(zhì)量流量；G低o為回?zé)崞鞯蜏貍?cè)出口質(zhì)量流量；T低i為回?zé)崞鞯蜏貍?cè)進(jìn)口溫度；T低o為回?zé)崞鞯蜏貍?cè)出口溫度；Q高為回?zé)崞鞲邷貍?cè)換熱量；Q低為回?zé)崞鞯蜏貍?cè)換熱量；M高為回?zé)崞鞲邷貍?cè)流體總質(zhì)量；M低為回?zé)崞鞯蜏貍?cè)流體總質(zhì)量；a高、a低為回?zé)崞鲹Q熱系數(shù)；A高、A低為回?zé)崞鲹Q熱面積；e高、e低為回?zé)崞鲹Q熱面效率。冷卻器模型與回?zé)崞髂Ｐ皖愃啤?/p>

4) 轉(zhuǎn)子模型

轉(zhuǎn)子模型建立基于假設(shè)3，忽略轉(zhuǎn)動(dòng)部件間的摩擦。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子力矩平衡，氣輪機(jī)轉(zhuǎn)速維持恒定。當(dāng)氣輪機(jī)的輸出功與壓氣機(jī)耗功不等時(shí)，轉(zhuǎn)子將在力矩的作用下加速或減速。轉(zhuǎn)子模型主要方程如下：

(20)

n=30ω/π

(21)

式中：ω為轉(zhuǎn)子角速度；Ne為系統(tǒng)電功率；Nt、Nc為氣輪機(jī)、壓氣機(jī)功率；I為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；n為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速。

5) 壓降模型

氣體冷卻劑在管道中的壓降采用沿程摩擦壓降進(jìn)行計(jì)算，文中采取經(jīng)典的Darcy公式，選取合理的摩擦系數(shù)，確定流道的水力直徑、通道長度等參數(shù)即可計(jì)算管道中的壓降與關(guān)鍵設(shè)備中的壓力變化情況，主要方程如下：

(22)

式中：Δpf為壓降；f為摩擦系數(shù)，它與流體的流動(dòng)性質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)、受熱情況、流道的幾何形狀、表面粗糙程度相關(guān)；ρ為工質(zhì)密度；L為通道長度；De為流道水力直徑；V為體積。

6) 物性模型

首先查詢工質(zhì)在系統(tǒng)運(yùn)行溫度、壓力范圍內(nèi)的絕熱系數(shù)、比熱容、密度，并在系統(tǒng)分析程序中生成數(shù)據(jù)庫。之后定義插值函數(shù)的計(jì)算方法，在計(jì)算過程的每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)實(shí)時(shí)更新物性參數(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)布雷頓循環(huán)系統(tǒng)在額定工況下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比后求出仿真誤差，結(jié)果列于表1?？煽闯鲈诓祭最D循環(huán)系統(tǒng)額定工況的仿真過程中最大仿真誤差為6.38%，計(jì)算結(jié)果較為合理，說明開發(fā)的系統(tǒng)分析程序可靠，可繼續(xù)進(jìn)行布雷頓循環(huán)系統(tǒng)變工況條件下的動(dòng)態(tài)分析。

2.2 瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

1) 引入反應(yīng)性工況

在布雷頓循環(huán)的變工況運(yùn)行過程中，反應(yīng)堆會(huì)由于控制棒的動(dòng)作或其他原因而引入反應(yīng)性，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆的功率發(fā)生變化，從而引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的較大波動(dòng)，因此引入反應(yīng)性是探究系統(tǒng)特性的重要工況之一。計(jì)算初始反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，1 000 s時(shí)引入100 pcm的正反應(yīng)性，而后在2 000 s時(shí)引入100 pcm的負(fù)反應(yīng)性，其他輸入變量保持額定運(yùn)行值不變，對(duì)系統(tǒng)各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真，總仿真時(shí)長為3 000 s。

反應(yīng)堆出口溫度、核燃料溫度的動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。引入正反應(yīng)性導(dǎo)致中子通量與反應(yīng)堆熱功率迅速升高，導(dǎo)致堆芯核燃料與反射層溫度上升。由于反應(yīng)堆的核反饋與溫度反饋?zhàn)饔?，等同于向反?yīng)堆引入了負(fù)反應(yīng)性，以此來抑制核燃料和反射層溫度的上升，工質(zhì)出口溫度與核燃料的響應(yīng)曲線會(huì)呈波動(dòng)變化并逐漸平穩(wěn)。引入負(fù)反應(yīng)性時(shí)與引入正反應(yīng)性時(shí)功率趨勢(shì)相反。

圖3為關(guān)鍵設(shè)備功率曲線。由圖3a可看出，引入正反應(yīng)性時(shí)，反應(yīng)堆功率峰值達(dá)到11.8 MW，隨后在燃料溫度效應(yīng)、慢化劑溫度效應(yīng)等物理現(xiàn)象的影響下出現(xiàn)負(fù)反饋，并迅速下降。之后呈現(xiàn)功率高低震蕩現(xiàn)象，并最終趨于穩(wěn)定，功率提升至10.5 MW。引入負(fù)反應(yīng)性時(shí)，反應(yīng)堆功率谷值達(dá)到8.0 MW，隨后在反應(yīng)堆的自穩(wěn)調(diào)節(jié)作用下出現(xiàn)回升，之后呈現(xiàn)功率高低震蕩現(xiàn)象后穩(wěn)定，功率降至9.6 MW。由圖3b、c、d可看出，引入正反應(yīng)性后反應(yīng)堆功率的上升導(dǎo)致工質(zhì)出口溫度升高，同時(shí)氣輪機(jī)做功功率提升，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提升。同時(shí)壓氣機(jī)功率也相應(yīng)升高，發(fā)電機(jī)功率由額定工況下的2.63 MW增至2.71 MW，布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的功率輸出能力提升。

表1 額定工況仿真結(jié)果

圖2 反應(yīng)堆出口溫度與核燃料溫度曲線

圖3 關(guān)鍵設(shè)備功率曲線

2) 溫度階躍變化工況

初始系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在2 000 s時(shí)堆芯進(jìn)口工質(zhì)溫度由604.9 K階躍上升至620 K，其他輸入變量保持額定值不變，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，總仿真時(shí)長為4 000 s。反應(yīng)堆出口溫度、反應(yīng)堆核燃料溫度和反應(yīng)堆功率的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，反應(yīng)堆進(jìn)口工質(zhì)溫度階躍升高，由于工質(zhì)與堆芯以及反射層間的換熱量下降，堆芯燃料溫度與反射層溫度上升，由于堆芯溫度具有負(fù)溫度反應(yīng)性系數(shù)，因此引入負(fù)反應(yīng)性，導(dǎo)致反應(yīng)堆功率下降，進(jìn)而使反應(yīng)堆功率降低，同時(shí)堆芯燃料溫度也進(jìn)一步降低。反應(yīng)堆功率、堆芯燃料溫度和反應(yīng)堆出口溫度的響應(yīng)曲線會(huì)呈先升高后降低的波動(dòng)變化，并逐漸趨于穩(wěn)定。

3) 流量階躍變化工況

在2 000 s時(shí)反應(yīng)堆進(jìn)口工質(zhì)質(zhì)量流量由 4.60 kg/s階躍降至4.50 kg/s，其他輸入變量保持額定值不變，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，總仿真時(shí)長為4 000 s。反應(yīng)堆出口溫度、核燃料溫度和反應(yīng)堆功率仿真結(jié)果如圖5所示。反應(yīng)堆進(jìn)口氦氣質(zhì)量流量階躍下降，工質(zhì)與堆芯及反射層間的換熱量下降，導(dǎo)致堆芯燃料溫度與堆芯反射層溫度上升。由于堆芯核燃料具有負(fù)溫度反應(yīng)性系數(shù)，溫度升高導(dǎo)致引入負(fù)反應(yīng)性，導(dǎo)致反應(yīng)堆功率下降，進(jìn)而導(dǎo)致反應(yīng)堆出口溫度與核燃料溫度的回落。反應(yīng)堆出口溫度、核燃料溫度和反應(yīng)堆功率的響應(yīng)曲線會(huì)呈先上升后下降的波動(dòng)變化，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 溫度階躍變化工況下反應(yīng)堆出口溫度、核燃料溫度、反應(yīng)堆功率曲線

圖5 流量階躍變化工況下反應(yīng)堆出口溫度、核燃料溫度、反應(yīng)堆功率曲線

4) 氣輪機(jī)組甩負(fù)荷工況

在布雷頓循環(huán)的變工況運(yùn)行過程中，可能出現(xiàn)氣輪機(jī)組甩負(fù)荷情況，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與氣輪機(jī)組轉(zhuǎn)子脫扣，氣輪機(jī)組失去載荷的工況，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)會(huì)因此產(chǎn)生較大的波動(dòng)。因此本節(jié)將著重研究甩負(fù)荷工況下的系統(tǒng)響應(yīng)特性。初始系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在2 000 s時(shí)堆芯進(jìn)口工質(zhì)溫度由604.9 K階躍升至 620 K，其他輸入變量保持額定值不變，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，總仿真時(shí)長為4 000 s。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、反應(yīng)堆功率和反應(yīng)堆出口溫度的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由于氣輪機(jī)組失去載荷，與發(fā)電機(jī)脫扣，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由15 000 r/min迅速飆升至16 200 r/min。系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量迅速增大，導(dǎo)致冷卻劑從反應(yīng)堆帶走的熱量增加。反應(yīng)堆出口溫度在流量的增加作用下迅速降低，同時(shí)由于溫度反饋的作用，反應(yīng)堆功率增高。這種反應(yīng)堆功率的迅速升高對(duì)布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的影響十分嚴(yán)重，可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生。由程序計(jì)算結(jié)果顯示，系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子引入轉(zhuǎn)速控制是極其必要的。

加入轉(zhuǎn)速控制后的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、反應(yīng)堆功率和反應(yīng)堆出口溫度的計(jì)算結(jié)果如圖7所示?？刂葡到y(tǒng)相當(dāng)于為氣輪機(jī)組加入引入的負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過限值后對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行剎車從而減少轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)子減速到15 370 r/min，從而抑制系統(tǒng)質(zhì)量流量的增加，并且控制反應(yīng)堆功率在11 MW左右，從而控制反應(yīng)堆功率在安全范圍內(nèi)，防止極限工況與事故發(fā)生。

圖6 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、反應(yīng)堆功率、反應(yīng)堆出口溫度曲線

圖7 加入轉(zhuǎn)速控制后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、反應(yīng)堆功率、反應(yīng)堆出口溫度曲線

3 結(jié)論

本文基于模塊化建模思想，建立了直接布雷頓循環(huán)反應(yīng)堆系統(tǒng)分析程序，并針對(duì)典型穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)工況條件下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了模擬仿真，主要得到以下結(jié)論：

1) 系統(tǒng)分析程序穩(wěn)態(tài)仿真精度較高，關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)仿真值與設(shè)計(jì)值相對(duì)誤差不超過6.38%；

2) 各子模塊耦合性能較好，能實(shí)時(shí)反映變工況下系統(tǒng)主要設(shè)備相關(guān)參數(shù)的變化趨勢(shì)；

3) 系統(tǒng)具有一定的自穩(wěn)自調(diào)能力，與小型布雷頓循環(huán)反應(yīng)堆系統(tǒng)的固有安全性吻合較好；

4) 針對(duì)氣輪機(jī)組甩負(fù)荷這種極限工況，在引入控制模塊后，系統(tǒng)能在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，并驗(yàn)證了引入控制的必要性。

綜上所述，本文開發(fā)的小型系統(tǒng)分析程序模塊化程度高、計(jì)算速度快，為系統(tǒng)運(yùn)行提供分析與變工況特性預(yù)測(cè)，并為直接布雷頓循環(huán)氣冷反應(yīng)堆系統(tǒng)的分析和優(yōu)化提供技術(shù)支撐。