一种蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布估计方法技术

本发明专利技术提供了一种蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布估计方法，其中：获取给定时刻下蒸汽发生器的实时运行数据；计算一回路冷却剂与倒U型管金属壁之间的传热系数以及倒U型管金属壁与二回路工质之间的传热系数；建立下降通道模型，得到当前时刻下降通道底部出口液相工质的流量、温度及压力；建立一回路冷却剂模型，得到倒U型管金属壁的温度分布；建立上升通道模型，得到当前时刻沿倒U型管高度的二回路工质的流速、温度和压力分布；建立汽水分离器模型，计算得到汽水分离器出口气相工质和液相工质的温度、压力和质量流量。在实际应用中，蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布无实测值，本发明专利技术可用于蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布实时估计。时估计。时估计。

【技术实现步骤摘要】
一种蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布估计方法


[0001]本专利技术属于核电站运行优化控制
，具体地，给出了一种机理建模与DCS(运行机组现场分布式控制系统)实时测量数据相结合的核电蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布实时估计(辨识)方法及系统，属于核电站运行优化控制


技术介绍

[0002]蒸汽发生器是核动力设备的主要设备之一，它既是一回路设备，又是二回路设备，被称为核电站一、二回路之间的枢纽，它是完成热量从一回路到二回路的传递设备，它的安全运行事关整个核电站的正常运行。在核反应堆中，核裂变产生的热量由一回路冷却剂带出，通过蒸汽发生器倒U型管将热量传递给二回路工质，使过冷状态水转变成饱和蒸汽。饱和蒸汽再流入汽轮机中做功，通过同轴发电机转换为电能。
[0003]蒸汽发生器结构复杂，它是由外壳、水室、管束、管板、和蒸汽干燥器等装置组成。在蒸汽发生器内部存在着复杂的传热过程。例如在蒸汽发生器二回路侧，过冷水被逐渐气化变成饱和蒸汽，在气化过程中，倒U型管向工质的热量传递包括单相对流换热、过冷沸腾以及饱和沸腾对流换热。在沸腾对流换热过程中，二回路工质局部汽化，形成气液两相流。气泡产生、成长、脱离壁面区域的过程强烈扰动二回路水位及传热阻力。而在蒸汽发生器一回路侧，冷却剂向倒U型管的热量传递为单相对流换热。由于蒸汽发生器系统的非线性、非对称性、时滞以及两相流换热过程的复杂性，目前国内外的相关研究以对蒸汽发生器集总参数建模和稳态性能仿真为主，对蒸汽发生器内部工质动态研究较少，故研究成果并不能用于变工况条件下的蒸汽发生器动态特性仿真，也不能用于改进蒸汽发生器实时液位控制系统的控制品质。
[0004]经过对现有技术检索后发现，授权公告号为CN201410373080.5，授权公告日为2014年10月08日的中国专利技术专利《一种自然循环蒸汽发生器的热传导建模与计算方法》，提出了一种建立反应堆U型管式蒸汽发生器热传导计算方法，包括建立倒U型传热管一次侧壁温、二次侧壁温和污垢表面温度传递函数，实现了自然循环蒸汽发生器热传导的快速计算。该专利主要贡献在于实现了蒸汽发生器内工质热传导的实时计算，但未提出蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布计算方法。综上，现有公开报道均未涉及核电蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布实时估计问题，这一空缺有待填补。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种核电蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布实时估计方法。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的。
[0007]本专利技术提供了一种蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布估计方法，包括：
[0008]获取给定时刻下蒸汽发生器的实时运行数据；
[0009]将蒸汽发生器划分为热段、冷段和汽水分离器，其中热段和冷段又分别划分为下
降通道和上升通道：下降通道是指外壳与内部套筒之间工质流经的空间，工质向下流动；上升通道是指内部套筒与倒U型管金属壁之间工质流经的空间，工质向上流动；
[0010]利用获取的蒸汽发生器的实时运行数据，建立下降通道模型，采用差分解法求解下降通道模型，得到当前时刻下降通道底部出口液相工质的温度、压力及质量流量；
[0011]利用获取的蒸汽发生器的实时运行数据，建立一回路冷却剂模型，采用差分解法求解一回路冷却剂模型，得到倒U型管金属壁的温度分布；
[0012]利用获取的蒸汽发生器的实时运行数据以及得到的下降通道底部出口液相工质的流量、温度、压力，采用差分解法求解上升通道模型，得到当前时刻沿倒U型管高度的二回路工质的流速、温度以及压力分布；
[0013]利用获取的蒸汽发生器的实时运行数据以及解算上升通道模型得到的上升通道顶部出口气液混合物工质的流速、温度以及压力，建立汽水分离器模型，采用差分解法求解汽水分离器模型，得到汽水分离器出口气相工质、液相工质的温度、压力和质量流量；汽水分离器出口液相工质就是下降通道模型入口再循环水；
[0014]利用计算得到的汽水分离器出口液相工质参数重新计算上述的下降通道模型、一回路冷却剂模型、上升通道模型以及汽水分离器模型，重复计算至模型收敛，得到蒸汽发生器倒U型管金属壁的温度分布。
[0015]优选地，所述给定时刻下蒸汽发生器的实时运行数据，包括：
[0016]-机组负荷；
[0017]-给水温度、压力以及质量流量；
[0018]-饱和蒸汽温度、压力以及质量流量；
[0019]-一回路冷却剂进出口温度、压力以及质量流量；
[0020]-水位高度。
[0021]优选地，在所述上升通道中，根据二回路工质状态将上升通道划分为预热区和沸腾区；其中，预热区和沸腾区分界面的划分依据为：
[0022]h
RC
(t,z)＝h
sw
(t,z)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0023]式中，h
RC
(t,z)是上升通道在当前时刻t下高度为z的二回路工质的比焓；h
sw
(t,z)是在当前时刻t下高度为z的二回路工质饱和状态的比焓。
[0024]优选地，所述下降通道入口液相工质中，占比的给水流入热段，占比占比的给水流入冷段，占比的再循环水流入热段，占比的再循环水流入冷段；根据动量、质量和能量守恒关系，建立热段下降通道模型为式(2)～(4)：
[0025][0026][0027][0028]式中，M
HL,DC
是热段下降通道液相工质质量；ρ
HL,DC
是热段下降通道底部出口液相工
质密度；A
HL,DC
是热段下降通道的横截面积；H是下降通道的水位高度；G
fw
是给水质量流量；G
rw
是再循环水质量流量；G
HL,DC,out
是热段下降通道底部出口液相工质质量流量；C
P,HL,DC
是热段下降通道液相工质的定压比热容；T
HL,DC
是热段下降通道底部出口液相工质温度；h
HL,DC
是热段下降通道液相工质比焓，可根据热段下降通道液相工质温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；h
fw
是给水比焓，可根据给水温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；h
rw
是再循环水比焓，可根据再循环水温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；h
HL,DC,out
是热段下降通道底部出口液相工质比焓，可根据热段下降通道底部出口液相工质温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；P
HL,DC
热段下降通道底部出口液相工质压力；G
HL,DC
是热段下降通道液相工质质量流量；f
HL,DC
是热段下降通道摩擦因子；D
e,HL,DC
是热段下降通道当量直径；g是重力加速度。
[0029]通过对热段下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布估计方法，其特征在于，包括：获取给定时刻下蒸汽发生器的实时运行数据；将蒸汽发生器划分为热段、冷段和汽水分离器，其中热段和冷段又分别划分为下降通道和上升通道：下降通道是指外壳与内部套筒之间工质流经的空间，工质向下流动；上升通道是指内部套筒与倒U型管金属壁之间工质流经的空间，工质向上流动；利用获取的蒸汽发生器的实时运行数据，建立下降通道模型，采用差分解法求解下降通道模型，得到当前时刻下降通道底部出口液相工质的温度、压力及质量流量；利用获取的蒸汽发生器的实时运行数据，建立一回路冷却剂模型，采用差分解法求解一回路冷却剂模型，得到倒U型管金属壁的温度分布；利用获取的蒸汽发生器的实时运行数据以及得到的下降通道底部出口液相工质的流量、温度、压力，采用差分解法求解上升通道模型，得到当前时刻沿倒U型管高度的二回路工质的流速、温度以及压力分布；利用获取的蒸汽发生器的实时运行数据以及解算上升通道模型得到的上升通道顶部出口气液混合物工质的流速、温度以及压力，建立汽水分离器模型，采用差分解法求解汽水分离器模型，得到汽水分离器出口气相工质、液相工质的温度、压力和质量流量；汽水分离器出口液相工质就是下降通道模型入口再循环水；利用计算得到的汽水分离器出口液相工质参数重新计算上述的下降通道模型、一回路冷却剂模型、上升通道模型以及汽水分离器模型，重复计算至模型收敛，得到蒸汽发生器倒U型管金属壁的温度分布。2.根据权利要求1所述的蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布估计方法，其特征在于，所述给定时刻下蒸汽发生器的实时运行数据，包括：-机组负荷；-给水温度、压力以及质量流量；-饱和蒸汽温度、压力以及质量流量；-一回路冷却剂进出口温度、压力以及质量流量；-水位高度。3.根据权利要求1所述的蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布估计方法，其特征在于，在所述上升通道中，根据二回路工质状态将上升通道划分为预热区和沸腾区；其中，预热区和沸腾区分界面的划分依据为：h
RC
(t,z)＝h
sw
(t,z)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，h
RC
(t,z)是上升通道在当前时刻t下高度为z的二回路工质的比焓；h
sw
(t,z)是在当前时刻t下高度为z的二回路工质饱和状态的比焓。4.根据权利要求1所述的蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布估计方法，其特征在于，所述下降通道入口液相工质中，占比的给水流入热段，占比占比的给水流入冷段，占比的再循环水流入热段，占比的再循环水流入冷段；根据动量、质量和能量守恒关系，分别建立蒸汽发生器热段下降通道模型和冷段下降通道模型，其中：建立的热段下降通道模型为式(2)～(4)所示：
式中，M
HL,DC
是热段下降通道液相工质质量；ρ
HL,DC
是热段下降通道底部出口液相工质密度；A
HL,DC
是热段下降通道的横截面积；H是下降通道的水位高度；G
fw
是给水质量流量；G
rw
是再循环水质量流量；G
HL,DC,out
是热段下降通道底部出口液相工质质量流量；C
P,HL,DC
是热段下降通道液相工质的定压比热容；T
HL,DC
是热段下降通道底部出口液相工质温度；h
HL,DC
是热段下降通道液相工质比焓，可根据热段下降通道液相工质温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；h
fw
是给水比焓，可根据给水温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；h
rw
是再循环水比焓，可根据再循环水温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；h
HL,DC,out
是热段下降通道底部出口液相工质比焓，可根据热段下降通道底部出口液相工质温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；P
HL,DC
热段下降通道底部出口液相工质压力；G
HL,DC
是热段下降通道液相工质质量流量；f
HL,DC
是热段下降通道摩擦因子；D
e,HL,DC
是热段下降通道当量直径；g是重力加速度；通过对热段下降通道模型求解，得到当前时刻热段下降通道底部出口液相工质的温度、压力以及质量流量；进一步，建立冷段下降通道模型为式(5)～(7)：建立冷段下降通道模型为式(5)～(7)：建立冷段下降通道模型为式(5)～(7)：式中，M
CL,DC
是冷段下降通道液相工质质量；ρ
CL,DC
是冷段下降通道液相工质密度；A
CL,DC
是冷段下降通道的横截面积；G
CL,DC,out
是冷段下降通道底部出口液相工质质量流量；C
P,CL,DC
是冷段下降通道液相工质的定压比热容；T
CL,DC
是冷段下降通道液相工质温度；h
CL,DC
是冷段下降通道液相工质比焓，可根据冷段下降通道液相工质温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；h
CL,DC,out
是冷段下降通道底部出口液相工质比焓，可根据冷段下降通道底部出口液相工质温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；P
CL,DC
冷段下降通道液相工质压力；G
CL,DC
是冷段下降通道液相工质质量流量；f
CL,DC
是冷段下降通道摩擦因子；D
e,CL,DC
是冷段下降通道当量直径；通过对冷段下降通道模型求解，得到当前时刻冷段下降通道底部出口液相工质的温度、压力以及质量流量。
5.根据权利要求1所述的蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布估计方法，其特征在于，热段和冷段一回路冷却剂与倒U型管金属壁之间传热系数K
HL,PS
和K
CL,PS
以及热段和冷段预热区倒U型管金属壁与二回路工质之间的传热系数K
HL,RC,PR
和K
CL,RC,PR
，上述4个参数简记为K，均分别采用迪图斯-贝尔特公式计算：K＝0.023Re
w0.8
Pr
w0.3
λ
w
/d
HL,MT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)式中，Re
w
是对应的热段或冷段一回路或二回路工质雷诺数；Pr
w
是对应的热段或冷段一回路或二回路工质普朗特数；λ
w
是对应的热段或冷段一回路或二回路工质热导率；d
HL,MT
是倒U型管内径；将热段和冷段沸腾区倒U型管金属壁与二回路工质之间的传热系数K
HL,RC,BR
和K
CL,RC,BR
简记为K
*
，两参数均分别采用式(9)～(14)计算：K
*
＝K
cht
+K
bht
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)(9)(9)(9)(9)式中，K
cht
、K
bht
分别是对流传热部分的传热系数和泡核沸腾传热部分的传热系数；C
P,w
是工质定压比热容；h
fs
是沸腾区液相工质汽化潜热；σ沸腾区液相工质表面张力系数；
△
T
MT
是沸腾区倒U型管金属壁过热度；
△
P
MT
是沸腾区饱和蒸汽压差；x是质量气含率；ρ
w
是上升通道液相工质密度；ρ
s
是上升通道饱和蒸汽密度；μ
w
是上升通道液相工质粘性系数；μ
s
是上升通道饱和蒸汽粘性系数；d
HL,MT
是热段倒U型管内径；G是工质质量流量；X
tt
和S是中间变量。6.根据权利要求1所述的蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布估计方法，其特征在于，考虑热段一回路冷却剂重力压降，根据动量、质量和能量守恒关系，建立热段一回路冷却剂模型为式(15)～(18)：
式中，ρ
HL,PS
是热段一回路冷却剂密度；W
HL,PS
是热段一回路冷却剂的流速；C
P,HL,PS
是热段一回路冷却剂定压比热容；T
HL,PS
是热段一回路冷却剂温度；T
HL,MT
是热段倒U型管金属壁温度；K
HL,PS
是热段一回路冷却剂通过倒U型管金属壁向二回路工质传热的传热系数；d
HL,MT
是热段倒U型管内径；P
HL,PS
是热段一回路冷却剂压力；通过对热段一回路冷却剂模型求解，得到热段倒U型管金属壁的温度分布；建立冷段一回路冷却剂模型为式(19)～(22)：建立冷段一回路冷却剂模型为式(19)～(22)：建立冷段一回路冷却剂模型为式(19)～(22)：建立冷段一回路冷却剂模型为式(19)～(22)：式中，ρ
CL,PS
是冷段一回路冷却剂密度；W
CL,PS
是冷段一回路冷却剂的流速；C
P,CL,PS
是冷段一回路冷却剂定压比热容；T
CL,PS
是冷段一回路冷却剂温度；T
CL,MT
是冷段倒U型管金属壁温度；K
CL,PS
是冷段一回路冷却剂通过倒U型管金属壁向二回路工质传热的传热系数；d
CL,MT
是冷段倒U型管内径；P
CL,PS
是冷段一回路冷却剂压力；通过对冷段一回路冷却剂模型求解，得到冷段倒U型管金属壁的温度分布。7.根据权利要求1所述的蒸汽发生器倒U型管金属壁温度分布估计方法，其特征在于，考虑热段上升通道工质重力压降、摩擦压降和加速压降，根据动量、质量和能量守恒关系，建立热段上升通道模型为式(23)～(30)：建立热段上升通道模型为式(23)～(30)：建立热段上升通道模型为式(23)～(30)：建立热段上升通道模型为式(23)～(30)：
式中，ρ
HL,RC
是热段上升通道工质密度；W
HL,RC
是热段上升通道工质的流速；ρ

【专利技术属性】
技术研发人员：惠久武，凌君，袁景淇，胡诗曲，邹恒斐，栾振华，王改霞，邓冠华，王浩，高仕航，董贺，孙鑫宇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：