核动力船舶非能动余热排出系统建模与仿真

摘要

非能动安全系统因为其不依赖外部动力源、结构简洁、设备数量少并且故障率低、安全性高等优点，成为近年来核动力系统的重要发展方向。作为重要的核安全系统，非能动余热排出系统担负着在正常停堆与事故停堆时排出堆芯余热的任务，它是否能正常工作直接关系到堆芯的安全。目前，非能动余热排出系统已经被应用于陆地核电站，但仍未见有应用于船用核动力装置的报道，关于应用于船用核动力装置的非能动余热排出系统动态特性的研究不多。本文以一种可用于核动力舰船的非能动余热排出系统为研究对象，通过建立其动态数学模型，运用数值模拟方法，对非能动余热排出系统的动态机理进行了深入的研究。
　　论文采用了模块化、通用化、分区集总和三回路耦合的建模方法，根据设备的内在机理划分了控制体，建立了能合理反映非能动余热排出系统中两相流的流动和换热特性以及三个自然循环回路耦合关系的动态数学模型，主要包括:热工水力模型;堆芯功率模型、主泵模型、蒸汽发生器模型和余热排出换热器模型等设备模型;以及状态方程、换热关系式、流动压降方程、物性方程等辅助计算模型。
　　根据所建立的动态数学模型，兼顾计算精度与实时性要求，选择合理的数值方法对模型进行了求解。在此基础上，利用C＃语言实现了非能动余热排出系统仿真程序的自主研发，建立了该系统的动态数值仿真和调试环境。仿真程序的开发采用模块化的思想，根据计算功能和系统设备划分了模块，通过调用所需模块实现整个系统的动态仿真。
　　将本文所研发的非能动余热排出系统仿真程序与RELAP5以及一些已发表的文献进行静态与动态对比，验证了其正确性。在此基础上，利用该仿真程序研究了全船断电事故下非能动余热排出系统的动态变化过程，揭示了系统主要参数的动态响应特性以及各参数间的动态耦合关系。结果表明非能动余热排出系统，能在保证一、二回路温度和压力不超过安全值的情况下及时排出堆芯余热，保障反应堆运行安全;进一步地，根据船用核动力装置的特点，研究了船体在海洋环境作用下进行加速上升、下降以及倾斜等非常规运动时非能动余热排出系统的动态特性。
　　基于图形化仿真支撑系统IMAGE构建了传统能动式余热排出系统的动态仿真模型，研究了正常停堆工况下，能动式余热排出系统投运后各主要参数的动态响应过程，分析了余热排出系统的流量调节阀开度阶跃扰动时，一回路冷却剂平均温度以及换热器换热功率的跟随特性。在相同的工况下，利用非能动余热排出系统仿真程序研究了系统投运后的动态特性，并与基于IMAGE仿真支撑系统得到的能动式余热排出系统的仿真结果进行对比，分析了非能动与能动式系统动态特性的差异以及两者应用于船用核动力系统时的优劣。
　　本研究对于核动力船舶非能动余热排出系统的设计、运行以及对操作人员的培训均具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

符号表

第一章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．1．1 系统概述

1．1．2 余热排出系统的应用概况

1．1．3 余热排出系统的国内外研究现状

1．2 本文的研究目标和思路

1．2．1 研究目标

1．2．2 研究思路

1．3 本文的研究内容

1．4 本章小结

第二章 基本热工水力模型

2．1 自然循环流动

2．2 单相流模型

2．3 两相流模型

2．4 本章小结

第三章 PRHR系统动态建模

3．1 模型概述

3．1．1 分区集总方法

3．1．2 PRHR系统控制体划分

3．2 PRHR系统模块化建模

3．2．1 反应堆功率模型

3．2．2 稳压器数学模型

3．2．3 主泵数学模型

3．2．4 蒸汽发生器数学模型

3．2．5 余热排出换热器数学模型

3．2．6 换热关系式模型

3．2．7 流动压降模型

3．3 本章小结

第四章 PRHR系统动态仿真研究

4．1 仿真实现

4．1．1 数学模型求解

4．1．2 基于C#的仿真实现

4．2 模型验证

4．2．1 研究对象设计

4．2．2 静态验证

4．2．3 动态验证

4．3 动态特性分析

4．3．1 全船断电事故

4．3．2 海洋环境的影响

4．3．3 RRA与PRHR系统动态特性比较

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果