核动力装置动力力学--核动力装置.pptx

船舶核动力装置Marine Nuclear Power Plants核科学与技术学院核科学与技术学院（V2009.05.04）MNPP-C07-L184/20/2024核动力装置核动力装置28 核动力装置动力力学核动力装置动力力学 8.1 目的和方法目的和方法 8.2 反应堆动力学反应堆动力学8.3 管道传输动力学管道传输动力学8.4 蒸汽发生器的动力学蒸汽发生器的动力学8.5 稳压器动力学稳压器动力学8.6 压水堆核动力装置的动态特性压水堆核动力装置的动态特性4/20/2024核动力装置核动力装置38.1 目的和方法目的和方法l8.1.1 研究对象研究对象 l8.1.2 研究装置动力学的目的研究装置动力学的目的l8.1.3研究动力学的方法研究动力学的方法 4/20/2024核动力装置核动力装置48.1.1 研究对象研究对象l在核动力装置运行过程中，各热力设备所进行的过程可以用两类参数在核动力装置运行过程中，各热力设备所进行的过程可以用两类参数描述描述l数量参数和质量参数。数量参数和质量参数。l描述过程进行的规律的参数叫作数量参数，例如流量、热量、扭矩等。描述过程进行的规律的参数叫作数量参数，例如流量、热量、扭矩等。l描述过程在什么水平上进行的参数叫质量参数，例如水位、压力、温度和转速描述过程在什么水平上进行的参数叫质量参数，例如水位、压力、温度和转速等。等。l稳态工况：稳态工况：装置参数不随时间变化的平衡状态称为装置的。装置参数不随时间变化的平衡状态称为装置的。l动态过程：动态过程：任何一个处于平衡状态的对象，如果由于干扰或操作破坏任何一个处于平衡状态的对象，如果由于干扰或操作破坏了平衡状态，即开始了动态过程，受某种影响又变成一个新的平衡状了平衡状态，即开始了动态过程，受某种影响又变成一个新的平衡状态。态。l压水堆核动力装置动力学所研究的对象，是在各种扰动的情况下装置压水堆核动力装置动力学所研究的对象，是在各种扰动的情况下装置参数随时间变化的规律参数随时间变化的规律，也就是装置在过渡过程中系统和设备的，也就是装置在过渡过程中系统和设备的动态动态特性。特性。4/20/2024核动力装置核动力装置58.1.2 研究装置动力学的目的研究装置动力学的目的l为装置的设计提供依据。为装置的设计提供依据。l为装置的调节、控制提供依据。为装置的调节、控制提供依据。l对装置动力学的研究，有助于正确指导运行。对装置动力学的研究，有助于正确指导运行。4/20/2024核动力装置核动力装置68.1.3 研究装置动力学的方法研究装置动力学的方法l实验测定实验测定l数学模拟数学模拟4/20/2024核动力装置核动力装置7实验测定l实实验验测测定定是是在在实实际际装装置置上上通通过过实实验验获获得得装装置置的的动动态态特特性性。在在核核动动力力船船舶舶的的发发展展过过程程中中，往往往往先先建建造造陆陆上上模模式式堆堆或或核核动动力力实实验验船船，从从这这些些装装置置中中获获得得必必要要的的实实验验数数据据。这这种种在在实实际际装装置置上上进进行行实实验验所所获获得得的的第第一一手手资资料料，比比较较客客观观地地反反映映了了装装置置的的动动态态特特性性，是是研研究装置动力学的重要原始资料。究装置动力学的重要原始资料。l在在陆陆上上模模式式堆堆或或实实验验船船上上只只能能进进行行小小扰扰动动下下的的动动态态实实验验。对对于于一一些些重重大大事事故故或或极极端端事事故故就就无无法法模模拟拟。在在实实际际装装置置中中很很难难排排除除各各系系统统，设设备备之之间间的的互互相相干干扰扰和和影影响响。也也很很难难根根据据实实验验要要求求随随时时改改变变设备尺寸、结构和参数。设备尺寸、结构和参数。l实实验验结结果果往往往往无无法法满满足足理理论论分分析析的的需需要要。也也难难以以排排除除一一些些随随机机因因素素的的干干扰扰。所所有有实实验验只只能能在在装装置置建建成成后后进进行行，不不能能及及时时为为装装置置设设计提供依据。计提供依据。l台台架架模模拟拟，又又称称物物理理模模拟拟，根根据据所所要要研研究究的的课课题题，建建成成一一比比一一或或按相似理论缩小的实验台架。按相似理论缩小的实验台架。4/20/2024核动力装置核动力装置8数值模拟l根根据据压压水水堆堆核核动动力力装装置置的的物物理理和和热热工工过过程程的的基基本本原原理理，建建立立一一组组描描述述装装置置动动态态特特性性的的微微分分方方程程，这这组组方方程程称称为为装装置置的的动动力力学学模模型型。通通过过对对装装置置动动力力学学模模型型在在给给定定的的边边界界条条件件下下求求解解，找找出出各各参参数数随随时时间间变变化化的的规律，以及各参数之间相互影响的关系，这种方法叫做数学模拟法。规律，以及各参数之间相互影响的关系，这种方法叫做数学模拟法。l分分布布参参数数：用用偏偏微微分分方方程程来来描描述述，微微分分方方程程组组往往往往又又是是非非线线性性的的，给给分析求解带来许多困难。分析求解带来许多困难。l需需要要进进行行若若干干必必要要的的简简化化和和假假设设，忽忽略略对对动动态态过过程程影影响响不不大大的的次次要要因因素，抓住动态过程的主要矛盾。素，抓住动态过程的主要矛盾。4/20/2024核动力装置核动力装置9数学模型的求解方法数学模型的求解方法l建立了装置的动力学模型后，就可以根据确定的初始建立了装置的动力学模型后，就可以根据确定的初始条件和边界条件，对方程组进行求解。常用的求解方条件和边界条件，对方程组进行求解。常用的求解方法有三种，即解析法，数值解法和电模拟计算法。法有三种，即解析法，数值解法和电模拟计算法。l解析法解析法l应用变量分离法，特征方程法等古典方法求解方程组，得到应用变量分离法，特征方程法等古典方法求解方程组，得到装置参量与自变量时间装置参量与自变量时间T T之间的解析表达式，从而得出在动之间的解析表达式，从而得出在动态过程中参量随时间的变化规律，这种方法称为解析法。态过程中参量随时间的变化规律，这种方法称为解析法。l解析法只适用于一些简单的设备或系统，在许多情况下，如解析法只适用于一些简单的设备或系统，在许多情况下，如果模型比较复杂，或动态过程中扰动量本身就是一个复杂的果模型比较复杂，或动态过程中扰动量本身就是一个复杂的时间函数，则很难用解析法给出装置的动态特性。时间函数，则很难用解析法给出装置的动态特性。4/20/2024核动力装置核动力装置10l数值计算法数值计算法l在建立装置动力学模型后，把动态过程开始后的时间划分为若干微元在建立装置动力学模型后，把动态过程开始后的时间划分为若干微元(称称为计算时间步长为计算时间步长)，只要这一时间间隔取得足够小，由微分方程描述的动，只要这一时间间隔取得足够小，由微分方程描述的动态特性便可用差分方程或增量方程来描述，这样就可以由动态过程开始时态特性便可用差分方程或增量方程来描述，这样就可以由动态过程开始时起，逐步积分求得起，逐步积分求得t t时刻的有关参数的值。时刻的有关参数的值。l由于该方法计算工作量大，无法采用人工手算完成，通常都采用数字电子由于该方法计算工作量大，无法采用人工手算完成，通常都采用数字电子计算机求解装置动力学问题。计算机求解装置动力学问题。l数值计算一般要经过以下步骤：数值计算一般要经过以下步骤：l根据装置特性，列出动力学方程组，确定初始条件和边界条件。根据装置特性，列出动力学方程组，确定初始条件和边界条件。l择适当的计算方法，确定解题步骤。择适当的计算方法，确定解题步骤。l编制计算程序。编制计算程序。l上机计算。上机计算。l计算结果进行整理，绘制装置动态特性曲线，对计算结果进行分析。计算结果进行整理，绘制装置动态特性曲线，对计算结果进行分析。4/20/2024核动力装置核动力装置11l电模拟计算法电模拟计算法l利用电路网络中的电物理量来模拟核动力装置中的参量，通过电利用电路网络中的电物理量来模拟核动力装置中的参量，通过电路的适当联接，可以模拟核动力装置的动态方程组，这种利用电路的适当联接，可以模拟核动力装置的动态方程组，这种利用电子模拟计算机求解装置动态方程组的方法叫做电模拟计算法。子模拟计算机求解装置动态方程组的方法叫做电模拟计算法。l用该方法解装置动力学问题，一般要经过以下几个步骤：用该方法解装置动力学问题，一般要经过以下几个步骤：l建立动力学模型，确定初始条件和边界条件。建立动力学模型，确定初始条件和边界条件。l选择适当的时间比例尺和幅值比例尺，把动力学原始方程变换成选择适当的时间比例尺和幅值比例尺，把动力学原始方程变换成适合机器计算的模拟方程，或叫机器方程。适合机器计算的模拟方程，或叫机器方程。l绘制排题图。绘制排题图。l根据排题图，在模拟机上联接电路，进行调试和计算，并记录计根据排题图，在模拟机上联接电路，进行调试和计算，并记录计算结果。算结果。l对计算结果进行分析。对计算结果进行分析。4/20/2024核动力装置核动力装置128.2反应堆动力学反应堆动力学 l反应堆中子动力学方程反应堆中子动力学方程l在各种扰动下反应堆输出功率随时间的变化特性，而不是反应在各种扰动下反应堆输出功率随时间的变化特性，而不是反应堆内部功率的空间分布情况。堆内部功率的空间分布情况。l采用集中参数的反应堆中子动力学模型，或称点堆中子动力学采用集中参数的反应堆中子动力学模型，或称点堆中子动力学方程方程l 4/20/2024核动力装置核动力装置138.2反应堆动力学反应堆动力学 l堆内热力系统的微分方程堆内热力系统的微分方程l在建立反应堆集中参数热动力学方程时，作如下假定：在建立反应堆集中参数热动力学方程时，作如下假定：l反应堆内的燃料温度一致，堆内的冷却剂温度也一致；反应堆内的燃料温度一致，堆内的冷却剂温度也一致；l冷却剂的流量为常数；冷却剂的流量为常数；l在动态过程中，结构材料和介质的物性和传热系数保持恒定。在动态过程中，结构材料和介质的物性和传热系数保持恒定。l燃料元件的热平衡方程为燃料元件的热平衡方程为l反应堆内冷却剂热平衡方程为反应堆内冷却剂热平衡方程为4/20/2024核动力装置核动力装置148.3管道传输动力学管道传输动力学 l在主冷却剂系统中，主冷却剂经管道由一个设备传到另一个设备在主冷却剂系统中，主冷却剂经管道由一个设备传到另一个设备需要一定的传输时间。当装置稳态运行时，如果管道散热和压降需要一定的传输时间。当装置稳态运行时，如果管道散热和压降均很小，反应堆出口热工参数和蒸汽发生器入口热工参数基本相均很小，反应堆出口热工参数和蒸汽发生器入口热工参数基本相同，蒸汽发生器出口冷却剂的温度和反应堆入口冷却剂温度也基同，蒸汽发生器出口冷却剂的温度和反应堆入口冷却剂温度也基本相同。本相同。l当装置动态工况运行时，主冷却剂系统各部位的热工参数随时间当装置动态工况运行时，主冷却剂系统各部位的热工参数随时间变化，由于管道传输的滞后作用，使管道前后的热工参数的变化变化，由于管道传输的滞后作用，使管道前后的热工参数的变化存在一定的滞后过程。存在一定的滞后过程。4/20/2024核动力装置核动力装置158.3管道传输动力学管道传输动力学 l主冷却剂系统冷管段和热管段传输滞后方程主冷却剂系统冷管段和热管段传输滞后方程l泰勒级数展开泰勒级数展开4/20/2024核动力装置核动力装置168.4蒸汽发生器的动力学蒸汽发生器的动力学 l蒸汽发生器一回路侧动力学方程蒸汽发生器一回路侧动力学方程l采用集中参数法推导蒸汽发生器的动态方程。采用集中参数法推导蒸汽发生器的动态方程。l假设传热管束各处传热工况都相同。可用单一的传热系假设传热管束各处传热工况都相同。可用单一的传热系数描述整个传热工况。数描述整个传热工况。l蒸汽发生器一回路侧主冷却剂的热平衡方程为：蒸汽发生器一回路侧主冷却剂的热平衡方程为：4/20/2024核动力装置核动力装置178.4蒸汽发生器的动力学蒸汽发生器的动力学 l蒸汽发生器二回路侧动力学方程蒸汽发生器二回路侧动力学方程l蒸汽发生器二回路侧的动态特性由质量守恒和能量守恒蒸汽发生器二回路侧的动态特性由质量守恒和能量守恒方程描述，为使模型简化，作如下假设：方程描述，为使模型简化，作如下假设：l 蒸汽发生器二次侧炉水和蒸汽均处于饱和状态，忽略预热段过蒸汽发生器二次侧炉水和蒸汽均处于饱和状态，忽略预热段过冷水的影响；冷水的影响；l 蒸汽发生器具有良好的热绝缘，忽略壳体对环境的散热。蒸汽发生器具有良好的热绝缘，忽略壳体对环境的散热。4/20/2024核动力装置核动力装置188.4蒸汽发生器的动力学蒸汽发生器的动力学 l质量守恒方程质量守恒方程4/20/2024核动力装置核动力装置198.4蒸汽发生器的动力学蒸汽发生器的动力学 l能量守恒方程能量守恒方程l考虑到考虑到4/20/2024核动力装置核动力装置208.4蒸汽发生器的动力学蒸汽发生器的动力学 l液面以下蒸汽容积与压力和蒸汽产量关系液面以下蒸汽容积与压力和蒸汽产量关系 4/20/2024核动力装置核动力装置218.4蒸汽发生器的动力学蒸汽发生器的动力学 l新蒸汽节流阀开度与负荷的关系新蒸汽节流阀开度与负荷的关系l二回路负荷与流经节流阀的蒸汽流量之间近似成正比关二回路负荷与流经节流阀的蒸汽流量之间近似成正比关系系 4/20/2024核动力装置核动力装置228.5稳压器动力学稳压器动力学l基本假设和热力系统模型基本假设和热力系统模型l在稳压器中存在着由汽水分界面分开的汽液两相介质，对于汽在稳压器中存在着由汽水分界面分开的汽液两相介质，对于汽相和液相分别定义如下：相和液相分别定义如下：l在在t t时刻进入稳压器的任何蒸汽都包括在汽相（时刻进入稳压器的任何蒸汽都包括在汽相（G G）内；在）内；在t t时时刻进入稳压器的任何液体，除了正在蒸汽空间降落的喷淋液滴刻进入稳压器的任何液体，除了正在蒸汽空间降落的喷淋液滴外，都包括在液相（外，都包括在液相（L L）内，液相（）内，液相（L L）还包括波动管内某一数）还包括波动管内某一数量的液体。量的液体。l在动态过程中，汽相（在动态过程中，汽相（G G）和液相（）和液相（L L）中介质的质量随时间连）中介质的质量随时间连续变化。虽然液相（续变化。虽然液相（L L）不包括）不包括t t时刻正在降落的喷淋液滴，但时刻正在降落的喷淋液滴，但包括在包括在t t时刻之前进入水面的喷淋液滴。时刻之前进入水面的喷淋液滴。4/20/2024核动力装置核动力装置238.5稳压器动力学稳压器动力学l稳压器中的质量变化稳压器中的质量变化l由波动管进入液相并于液相中原有介质由波动管进入液相并于液相中原有介质混合的波动水质量；混合的波动水质量；l由喷淋管进入稳压器的喷淋水质量；由喷淋管进入稳压器的喷淋水质量；l由卸压阀流出稳压器的蒸汽质量；由卸压阀流出稳压器的蒸汽质量；l在喷淋的液滴上冷凝的蒸汽质量；在喷淋的液滴上冷凝的蒸汽质量；l在蒸汽空间稳压器壁面冷凝的蒸汽质量；在蒸汽空间稳压器壁面冷凝的蒸汽质量；l在汽水分界面上蒸发的水质量；在汽水分界面上蒸发的水质量；l在汽水分界面上冷凝的蒸汽质量；在汽水分界面上冷凝的蒸汽质量；l由安全阀流出稳压器的蒸汽质量。由安全阀流出稳压器的蒸汽质量。4/20/2024核动力装置核动力装置248.5稳压器动力学稳压器动力学l稳压器内的传热过程稳压器内的传热过程l自蒸汽向喷淋液滴的传热自蒸汽向喷淋液滴的传热l自蒸汽向壁面的传热自蒸汽向壁面的传热l在汽水分界面上的传热在汽水分界面上的传热 l电加热器向液相水的传热电加热器向液相水的传热4/20/2024核动力装置核动力装置258.5稳压器动力学稳压器动力学l简化和假设简化和假设l在动态过程开始时，稳压器处于稳态运行工况，在动态过程开始时，稳压器处于稳态运行工况，汽相和液相均处于饱和状态；汽相和液相均处于饱和状态；l在动态过程中，稳压器内介质与稳压器壁面的在动态过程中，稳压器内介质与稳压器壁面的热量交换只发生在蒸汽空间，在液相中与壁面热量交换只发生在蒸汽空间，在液相中与壁面的热量交换忽略不计。的热量交换忽略不计。l假定稳压器具有良好的热绝缘层，不考虑壳体假定稳压器具有良好的热绝缘层，不考虑壳体向环境的散热；向环境的散热；l不考虑稳压器蒸汽空间内存在的少量不凝性气不考虑稳压器蒸汽空间内存在的少量不凝性气体对热工过程的影响；体对热工过程的影响；l喷淋液滴下降到汽水分界面时已经达到饱和温喷淋液滴下降到汽水分界面时已经达到饱和温度。事实上，只要液滴直径足够小，蒸汽空间度。事实上，只要液滴直径足够小，蒸汽空间保持足够的高度，这一假设符合实际过程。保持足够的高度，这一假设符合实际过程。4/20/2024核动力装置核动力装置268.6 压水堆核动力装置的动态特性压水堆核动力装置的动态特性l压水堆核动力装置的自稳自调特性压水堆核动力装置的自稳自调特性 l压水堆核动力装置由于反应堆具有负的温度系数，因此它压水堆核动力装置由于反应堆具有负的温度系数，因此它具有良好的负荷跟踪能力和抗反应性干扰能力，即具有良具有良好的负荷跟踪能力和抗反应性干扰能力，即具有良好的自稳自调特性。好的自稳自调特性。l在船舶核动力推进中，人们选择了压水堆核动力装置。理在船舶核动力推进中，人们选择了压水堆核动力装置。理论和实践都证明了这种装置具有良好的机动性能和安全性论和实践都证明了这种装置具有良好的机动性能和安全性能。能。4/20/2024核动力装置核动力装置27压水堆核动力装置的自稳特性压水堆核动力装置的自稳特性 l压水堆核动力装置对反应堆内反应性扰动具有的自平衡能压水堆核动力装置对反应堆内反应性扰动具有的自平衡能力，叫做压水堆核动力装置的自稳特性力，叫做压水堆核动力装置的自稳特性l压水堆的自稳特性是由反应堆的负燃料温度系数和负慢化压水堆的自稳特性是由反应堆的负燃料温度系数和负慢化剂温度系数提供的。反应堆的燃料温度系数和慢化剂温度剂温度系数提供的。反应堆的燃料温度系数和慢化剂温度系数绝对值越大，装置的自稳特性越好。系数绝对值越大，装置的自稳特性越好。l压水堆核动力装置的自稳特性，保证了反应堆抗干扰能力，压水堆核动力装置的自稳特性，保证了反应堆抗干扰能力，增加了反应堆的安全程度。增加了反应堆的安全程度。4/20/2024核动力装置核动力装置28压水堆核动力装置的自稳特性压水堆核动力装置的自稳特性l压水堆核动力装置在稳态功率运行时，如果出现来自反应压水堆核动力装置在稳态功率运行时，如果出现来自反应堆内的反应性扰动堆内的反应性扰动l例如：控制棒组的动作、冷水事故等，引起反应性的增加，例如：控制棒组的动作、冷水事故等，引起反应性的增加，反应堆功率将随之上升。在这种情况下，如果二回路负荷反应堆功率将随之上升。在这种情况下，如果二回路负荷保持不变，反应堆功率调节系统处于解列状态，运行人员保持不变，反应堆功率调节系统处于解列状态，运行人员也没有进行干预，那么反应堆功率的增加使反应堆和一回也没有进行干预，那么反应堆功率的增加使反应堆和一回路主冷却剂系统的热平衡受到破坏，燃料元件的温度和冷路主冷却剂系统的热平衡受到破坏，燃料元件的温度和冷却剂的温度随之上升。却剂的温度随之上升。4/20/2024核动力装置核动力装置29压水堆核动力装置的自稳特性压水堆核动力装置的自稳特性4/20/2024核动力装置核动力装置30压水堆核动力装置的自调特性压水堆核动力装置的自调特性l压水堆核动力装置在稳态功率运行时，如果出现来自二回压水堆核动力装置在稳态功率运行时，如果出现来自二回路负荷的扰动，例如汽轮机负荷的突然阶跃上升、下降、路负荷的扰动，例如汽轮机负荷的突然阶跃上升、下降、主汽门速关等，在这种情况下我们假定反应堆功率调节系主汽门速关等，在这种情况下我们假定反应堆功率调节系统处于解列状态，运行人员也没有进行干预，那么反应堆统处于解列状态，运行人员也没有进行干预，那么反应堆功率与二回路负荷失去平衡功率与二回路负荷失去平衡 l先假定汽轮机负荷阶跃上升的工况。此时汽轮机负荷大于先假定汽轮机负荷阶跃上升的工况。此时汽轮机负荷大于反应堆功率，冷却剂平均温度首先下降。由于反应堆具有反应堆功率，冷却剂平均温度首先下降。由于反应堆具有负的慢化剂温度系数，在反应堆内引入一个正的反应性，负的慢化剂温度系数，在反应堆内引入一个正的反应性，使反应堆功率自动跟随二回路功率的上升而增加，直到达使反应堆功率自动跟随二回路功率的上升而增加，直到达到新的平衡为止。到新的平衡为止。4/20/2024核动力装置核动力装置31压水堆核动力装置的自调特性压水堆核动力装置的自调特性4/20/2024核动力装置核动力装置32负荷变化时主冷却剂系统的压力响应特性负荷变化时主冷却剂系统的压力响应特性 l负荷阶跃下降时的压力响应特性负荷阶跃下降时的压力响应特性l当装置在稳态功率运行时负荷突然阶跃下降，由于反应堆功率调节的当装置在稳态功率运行时负荷突然阶跃下降，由于反应堆功率调节的滞后，以及装置本身传热过程的滞后，在一段时间内二回路负荷小于滞后，以及装置本身传热过程的滞后，在一段时间内二回路负荷小于反应堆输出的热功率，一、二回路热量的产生和传递失去平衡，主冷反应堆输出的热功率，一、二回路热量的产生和传递失去平衡，主冷却剂平均温度逐渐上升，从而引起冷却剂比容的变化。却剂平均温度逐渐上升，从而引起冷却剂比容的变化。l负荷阶跃上升时的压力响应特性负荷阶跃上升时的压力响应特性l当装置在稳态功率运行时负荷突然阶跃提升，同样由于反应堆功率提当装置在稳态功率运行时负荷突然阶跃提升，同样由于反应堆功率提升的滞后，一、二回路热量平衡受到破坏，冷却剂平均温度逐渐下降，升的滞后，一、二回路热量平衡受到破坏，冷却剂平均温度逐渐下降，从而引起冷却剂比容降低，冷却剂的收缩使稳压器内冷却剂经波动管从而引起冷却剂比容降低，冷却剂的收缩使稳压器内冷却剂经波动管进入主冷却剂系统，形成一个负波动流，因而稳压器压力开始下降。进入主冷却剂系统，形成一个负波动流，因而稳压器压力开始下降。4/20/2024核动力装置核动力装置33负荷阶跃下降时的压力响应特性负荷阶跃下降时的压力响应特性4/20/2024核动力装置核动力装置34负荷阶跃上升时的压力响应特性负荷阶跃上升时的压力响应特性