先進核電系統(tǒng)仿真及穩(wěn)定性研究.pdf

1、進入21世紀，中國核電進入積極發(fā)展階段，在保證電廠安全性的基礎上，對經(jīng)濟性也提出了更高要求。仿真在核電領域發(fā)揮著越來越重要的作用，它廣泛地應用于反應堆設計安全分析、獨立安全評價、先進主控室設計驗證、事故緩解措施、控制與保護系統(tǒng)設計、操縱員培訓以及教學等方面的研究，有效地提高了電廠的安全性和經(jīng)濟性。本文開發(fā)了核電站工程模擬機，并用于嶺澳二期核電站DCS系統(tǒng)功能驗證。
　　 超臨界水堆作為第四代核能系統(tǒng)國際論壇(GIF)提出的六種先

2、進反應堆之一，具有廣闊的發(fā)展前景。相比于目前的輕水反應堆而言，超臨界水堆具有熱效率高、系統(tǒng)簡單、裝置尺寸小和經(jīng)濟性好等優(yōu)點，但超臨界水在堆芯入口和出口之間有較大的溫度差(系統(tǒng)壓力為25MPa，出入口溫度分別為500C和280℃)，致使其密度就會發(fā)生劇烈變化(從堆芯入口780kg／m3變化到出口90kg/m3)，這就容易引發(fā)系統(tǒng)振蕩，從而可能導致系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以超臨界水堆的穩(wěn)定性問題引起諸多學者的廣泛關注。本文開展了超臨界水多功能

3、實驗室的電氣系統(tǒng)和測控系統(tǒng)的設計工作，并基于頻域法開展了流動穩(wěn)定性研究。
　　 本文研究的核電站工程模擬機主要由反應堆熱工水力計算、控制與保護系統(tǒng)模擬、人機交互界面仿真三個主要子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結構主要采用分布式并行仿真結構。他們分別由不同程序完成，熱工水力系統(tǒng)是由RELAP5程序模擬，控制與保護系統(tǒng)采用Matlab／Simulink建模，人機界面程序為Labview程序開發(fā)。每個程序可在不同的計算機上和操作系統(tǒng)下運行，通過網(wǎng)絡互

4、連。所有獨立子系統(tǒng)之間通過信號通訊的方式建立聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以及并行管理。本文建立了的較完備的核島及常規(guī)島儀控系統(tǒng)模型，與已有的核電廠熱工水力模型相連接構成閉環(huán)系統(tǒng)并進行聯(lián)合調(diào)試，構成了較完整的工程模擬機，對于實際電廠可能發(fā)生的瞬態(tài)工況能夠進行實時模擬計算。將計算結果與電廠實際試驗曲線對比，結果表明模擬機具備良好的瞬態(tài)工況調(diào)節(jié)能力。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了將工程模擬機用于DCS功能驗證工作。建立的控制系統(tǒng)模型中擴展了與實際電廠DCS系

5、統(tǒng)指令切換的控制邏輯，使熱工水力模型接收的控制指令信號可在虛擬控制系統(tǒng)和實際電廠的DCS系統(tǒng)間自由切換，保證了現(xiàn)場單個控制系統(tǒng)調(diào)試和聯(lián)合調(diào)試的順利進行。文中還實現(xiàn)了虛擬主控室和安全殼內(nèi)部漫游系統(tǒng)，研究結果表明虛擬實現(xiàn)技術能夠很好應用在核電站仿真中，是一種新的仿真方向。
　　 本文引入了超臨界水簡化熱力系統(tǒng)模型，并給出其熱工水力方程、初始條件和邊界條件。通過比較，選用合適的適用于超臨界流體的摩擦系數(shù)計算公式。采用微擾動線性化及La

6、place變換，對熱力系統(tǒng)的非線性守恒方程線性化，建立入口質(zhì)量流速擾動和系統(tǒng)壓降擾動之間的傳遞函數(shù)，并推導出系統(tǒng)的特征方程。運用控制理論所得特征方程的根，通過判斷特征根的實部是否大于零得到系統(tǒng)的穩(wěn)定邊界點，并用無量綱的次擬臨界數(shù)和過擬臨界數(shù)建立穩(wěn)定邊界圖，文中還考察一些重要參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定邊界和衰減比的影響。研究結果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在擬臨界點附近存在不穩(wěn)定區(qū)域；增大系統(tǒng)阻力、流體入口速度或系統(tǒng)壓力有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，但改變摩擦阻力或系統(tǒng)壓力對系統(tǒng)穩(wěn)