核动力装置化学与容积控制系统动态特性仿真研究

摘要

化学与容积控制系统（化容系统）是核动力装置主回路的重要辅助系统，是由管道、泵、阀和换热器等设备组成的典型流体网络系统。化容系统对主回路进行化学控制和容积控制，是确保反应堆安全运行的需要，因此对化容系统建立精确的仿真模型，分析其稳态和瞬态运行工况下的系统动态特性显得十分有必要。本文针对某核动力装置的化容系统，建立系统仿真模型，开发了系统动态实时仿真程序，通过现有运行数据对仿真结果进行验证，最终将仿真程序作为完整的模块整合到核动力装置实时仿真系统中，实现了化容系统动态特性的实时仿真以及与其他程序模块的实时交互。
　　为了实现系统的实时仿真，本文首先分析了核动力装置化容系统的结构和运行特性，给出多支路的化容系统复杂流体网络系统物理模型，建立流体网络的节点流量守恒方程、动力守恒方程和能量守恒方程，以及泵、阀、换热器等关键设备的模型，分别对方程进行时间上的离散，将离散后的节点动量守恒方程线性化，与节点的质量守恒方程联立求解出不同时刻下节点压力和支路流量，将解出的支路流量和节点压力作为己知值代入节点能量守恒方程，从而求解节点焓和温度。
　　本文自主开发了基于流体网络理论的化容系统实时仿真程序，基于MATLAB平台实现了流体网络仿真的核心程序编写，基于Visual Basic平台实现软件界面，数据交互模块编写，并利用MATLAB和VB的混合编程技巧实现VB对MATLAB的调用。
　　对化容系统仿真程序进行了独立调试，并与核动力装置实时仿真系统进行联调，分析了化容系统的稳态和瞬态特性，并检验了程序的稳定性和可靠性。首先，在稳态运行条件下，将仿真结果分别与实际运行数据及Flowmaster仿真结果进行对比，结果显示本文程序得到的节点压力、温度和支路流量与实际运行数据的差异均在5％以内，验证了流体网络算法和化容系统设备数学模型的精确性。其次，对化容系统在多种瞬态和故障工况下进行动态仿真，得出不同工况下支路的流量和重要节点的压力、温度的实时变化曲线，上述不同工况下的动态响应趋势合理，满足实时运行要求。最后，将化容系统仿真程序作为一个模块整合到核动力装置实时仿真系统中进行联合调试，结果显示程序运行稳定，数据交互满足实时仿真需求。本文开发了完整的核动力装置化容系统实时仿真程序模块，实现了各项仿真和数据交互功能，同时可为同类流体系统的实时仿真提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 核动力装置系统仿真研究现状

1．1．1 核电技术发展现状

1．1．2 核动力装置系统仿真技术现状

1．2 流体网络仿真的意义及应用

1．3 流体网络仿真方法研究现状

1．3．1 单相不可压缩流体网络

1．3．2 单相可压缩流体网络

1．3．3 两相流体网络

1．4 本文研究对象

第2章 一维不可压缩流体网络数学模型

2．1 流体网络的节点化

2．2 流体网络拓扑结构

2．3 流量和压力计算模型

2．3．1 节点流量守恒方程

2．3．2 支路的动量守恒方程

2．3．3 泵计算模型

2．4 温度计算模型

2．4．1 节点的能量守恒方程

2．4．2 换热器计算模型

2．5 本章小结

第3章 程序的算法与编制

3．1 MATLAB核心程序算法

3．1．1 节点动量和质量守恒方程的离散

3．1．2 节点能量守恒方程的离散

3．2 MATLAB与VB的混合编程

3．3 计算程序的编制

3．4 本章小结

第4章 化学与容积控制系统描述

4．1 仿真系统组成与功能

4．1．1 化学控制

4．1．2 容积控制

4．2 设备的主要特性与工作原理

4．2．1 下泄回路

4．2．2 净化回路

4．2．3 上充回路

4．2．3 轴封水，轴封回流及过剩下泄回路

4．2．4 低压下泄回路

4．3 仿真系统设备数学模型

4．3．1 系统的简化与假设

4．3．2 设备元件的数学模型

4．4 本章小结

第5章 化学与容积控制系统仿真结果分析

5．1 化容系统初始参数

5．2 化容系统稳态工况仿真结果

5．2．1 Flowmaster功率运行时稳态调试计算结果

5．2．2 流体网络仿真程序功率运行时稳态计算结果

5．2 瞬态工况仿真结果

5．2．1 改变边界节点的压力

5．2．2 改变阀门的开度

5．2．3 边界节点温度发生变化

5．2．4 事故工况的模拟

5．3 独立调试软件界面

5．4 联合调试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介