一种反应堆一回路系统瞬态水锤波的计算方法及系统与流程

1.本发明涉及核电站水锤波计算技术领域，特别是涉及一种反应堆一回路系统瞬态水锤波的计算方法及系统。


背景技术：

2.核电站系统中，核反应堆主冷却剂循环泵(又称核主泵、一回路泵)是一回路系统(又称反应堆冷却剂系统)中唯一高速旋转的设备，被喻为核反应堆的“心脏”。核主泵的主要作用是给核反应堆供给冷却剂，实现一回路系统内冷却剂的循环，以便将反应堆的热量带至蒸汽发生器并加热二回路的热工质。因此，核主泵对整个核电站的安全具有至关重要的作用。
3.然而，核主泵卡转子事故工况下产生的瞬态水锤波，会导致一回路系统的冷却剂流量骤降，压力急剧变化，温度升高，燃料棒存在偏离泡核沸腾(departure fromnucleateboiling，dnb)的危险，使管路和蒸汽发生器传热管产生变形甚至发生爆管等严重核泄漏事故。因此，在一回路系统设计阶段，必须预防和评估核主泵事故瞬态停泵工况及其水锤波的动态安全性。
4.但目前，国内外普通采用一维理论与经验结合的方法实现反应堆一回路系统的流动计算与一回路系统的安全评估，其缺点是计算精度低，编程工作量大，可移植性差，且其物理模型忽略了流场的时空效应，无法准确反映实际的流动状态和安全评估指标。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种反应堆一回路系统瞬态水锤波的计算方法及系统，能够实现一回路系统瞬态水锤波的计算，大幅度提高事故工况下一回路系统流动计算的精度，快速实现一回路系统瞬态压力计算和安全性评估。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种反应堆一回路系统瞬态水锤波的计算方法，所述计算方法包括如下步骤：
8.对反应堆一回路系统中的单个冷却环路进行建模，得到单环路模型；
9.在流体数值计算软件中对所述单环路模型进行阻力调节，使所述单环路模型运行在额定工况；
10.以主泵转速变化曲线作为输入曲线，监测所述单环路模型预设监测点处的压力，得到所述预设监测点的压力波；所述压力波即为水锤波。
11.本发明还提供了一种反应堆一回路系统瞬态水锤波的计算系统，所述计算系统包括：
12.模型获取模块，用于对反应堆一回路系统中的单个冷却环路进行建模，得到单环路模型；
13.阻力调节模块，用于在流体数值计算软件中对所述单环路模型进行阻力调节，使所述单环路模型运行在额定工况；
14.水锤波数据获取模块，用于以主泵转速变化曲线作为输入曲线，监测所述单环路模型预设监测点处的压力，得到所述预设监测点的压力波；所述压力波即为水锤波。
15.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
16.本发明所提供的一种反应堆一回路系统瞬态水锤波的计算方法及系统，先对反应堆一回路系统中的单个冷却环路进行建模，得到单环路模型，并在流体数值计算软件中对单环路模型进行阻力调节，使单环路模型运行在额定工况，进而所建立的物理模型考虑到了流场的时空效应，能够准确反映实际的流动状态，并基于多孔介质域的应用，实现单环路模型的流阻动态调控，使核主泵外特性曲线和系统管路特性曲线匹配优化，实现一回路闭式系统三维稳态计算，相较于一回路开式系统的数值模拟，不必给出进出口的边界条件，简化了计算步骤，使数值模拟更加精确。最后以主泵转速变化曲线作为输入曲线，监测单环路模型预设监测点处的压力，得到预设监测点的压力波，所述压力波即为水锤波，进而能够实现一回路系统瞬态水锤波的计算，大幅度提高事故工况下一回路系统流动计算的精度，快速实现一回路系统瞬态压力计算和安全性评估。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例1所提供的计算方法的方法流程图。
19.图2为本发明实施例1所提供的蒸汽发生器简化结构的仰视图。
20.图3为本发明实施例1所提供的单环路模型的结构示意图。
21.图4为本发明实施例1所提供的对单环路模型进行阻力调节的方法流程图。
22.图5为本发明实施例1所提供的对蒸汽发生器进行划区后的单环路模型的结构示意图。
23.图6为本发明实施例1所提供的多孔介质域阻力调节的方法流程图。
24.图7为本发明实施例1所提供的预设监测点的布置位置示意图。
25.图8为本发明实施例1所提供的连接管道弯曲处预设监测点的布置位置示意图。
26.图9为本发明实施例1所提供的倒u型弯管上预设监测点的布置位置示意图。
27.图10为本发明实施例1所提供的计算系统的结构示意图。
28.符号说明：
29.1-蒸汽发生器；2-反应堆堆芯；3-核主泵；4-连接管路；11-倒u型弯管；12-弯管段区；13-直管段区；14-混合腔区；15-管路简化区。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.本发明的目的是提供一种反应堆一回路系统瞬态水锤波的计算方法及系统，能够实现一回路系统瞬态水锤波的计算，大幅度提高事故工况下一回路系统流动计算的精度，快速实现一回路系统瞬态压力计算和安全性评估。
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.实施例1：
34.本实施例用于提供一种反应堆一回路系统瞬态水锤波的计算方法，如图1所示，所述计算方法包括如下步骤：
35.s1：对反应堆一回路系统中的单个冷却环路进行建模，得到单环路模型；
36.在反应堆一回路系统中，一回路系统所包括的各个冷却环路相互独立，且多个冷却环路均发生瞬态停泵事故工况的概率极低，所以本实施例假定当反应堆某单环路处于主泵卡转子事故工况时，其它冷却环路均处于正常运行工况。基于这一假定，本实施例不再对整个一回路系统进行建模，而是仅对一回路系统中的单个冷却环路进行建模，得到单环路模型，能够进一步提高建模的速度。
37.为了使本领域技术人员更好的理解s1，本实施例在此对s1的一种具体实现方式进行说明，但本领域技术人员可以理解的是，其他能够得到单环路模型的方法也处于本发明的保护范围内。
38.基于过流截面面积相等原理，将单个冷却环路中的蒸汽发生器1简化为59根倒u型弯管11。如图2所示，其给出了蒸汽发生器1简化结构的仰视图，进而能够将内部结构复杂，传热管数量巨大的蒸汽发生器1简化为59根倒u型弯管11，然后根据蒸汽发生器1对应的实际流体区域，对蒸汽发生器1进行几何建模。需要说明的是，过流截面面积相等原理是指未简化之前的蒸汽发生器1中所包含的所有传热管的总横截面面积与简化后的蒸汽发生器1所包含的59根倒u型弯管11的总横截面面积相等。
39.将单个冷却环路中的反应堆堆芯2简化为一个n分之一圆柱，n等于一回路系统中所包括的冷却环路的数量。本实施例以一回路系统包括三个冷却环路作为具体的一种一回路系统的结构，故本实施例将反应堆堆芯2复杂结构简化为一个三分之一圆柱。然后根据反应堆堆芯2与蒸汽发生器1之间的位置关系，对反应堆堆芯2进行几何建模。
40.根据单个冷却环路中的核主泵3对应的实际流体区域，对核主泵3进行几何建模。根据单个冷却环路中的连接管路4对应的实际流体区域，对连接管路4进行几何建模，进而得到单环路模型。所得到的单环路模型的结构如图3所示。
41.s2：在流体数值计算软件中对所述单环路模型进行阻力调节，使所述单环路模型运行在额定工况；
42.由于s1在建立单环路模型时，将一回路系统中的蒸汽发生器1和反应堆堆芯2均进行了几何简化，虽然能够简化单环路模型的建模过程，但相较于真实单个冷却环路的系统阻力值，单环路模型的系统阻力值会相应变小，进而导致在流体数值计算软件中，单环路模型无法运行在额定工况，故本实施例需要在流体数值计算软件中对单环路模型进行阻力调节，使单环路模型运行在额定工况。
43.在s2之前，本实施例的计算方法还包括在流体数值计算软件中对单环路模型进行流体数值计算，得到单环路模型的系统阻力值。并将单环路模型的系统阻力值与额定工况
下的系统阻力值进行做差，得到单环路模型对应的阻力差值，根据阻力差值，在流体数值计算软件中对单环路模型进行阻力调节，使单环路模型能够在流体数值计算软件中运行在额定工况。
44.具体的，如图4所示，s2具体包括：
45.步骤201：将单环路模型中的蒸汽发生器1划分为弯管段区12、直管段区13、混合腔区14和管路简化区15；
46.如图5所示，其给出了对蒸汽发生器1进行划区后的单环路模型的结构示意图。作为一种可选的实施方式，本实施例在对蒸汽发生器1进行划区时，所采用的方法为：根据单环路模型中的蒸汽发生器1的管路形状，将蒸汽发生器1划分为直管段和弯管段，并以弯管段作为弯管段区12。再以直管段上与弯管段区12相邻的一端为起点，选取第一预设长度的直管段作为直管段区13，并将剩余长度的直管段简化为两个半圆柱。最后以半圆柱上与直管段区13相邻的一端为起点，选取第二预设长度的半圆柱作为混合腔区14，并将剩余长度的半圆柱作为管路简化区15。需要说明的是，混合腔区14的长度小于管路简化区15的长度。
47.步骤202：将单环路模型中的反应堆堆芯2定义为反应堆堆芯区；
48.步骤203：在流体数值计算软件中，将弯管段区12、直管段区13和混合腔区14设为流体域，将管路简化区15和反应堆堆芯区设为多孔介质域。多孔介质域为增加了阻力源的流体域。设置多孔介质域后，可以人为定义多孔介质域各个方向的阻力系数，来代替多孔介质域中的固体对流体的阻力。
49.步骤204：根据阻力差值，在流体数值计算软件中分别对两个多孔介质域进行参数设置，以对单环路模型进行阻力调节，令单环路模型的系统阻力值等于额定工况下的系统阻力值，使单环路模型运行在额定工况；参数设置时需要设置的参数包括体积孔隙率、各个方向损失比、渗透率以及损失系数。
50.具体的，如图6所示，阻力调节的具体过程包括：对于每一个多孔介质域，在流体数值计算软件中，先设置体积孔隙率这一参数，体积孔隙率的表达式为：
[0051][0052]
式1中，γ为体积孔隙率，v1为多孔介质域中流体所占的体积，v2为多孔介质域的总物理体积。
[0053]
设置好体积孔隙率后，再选择directional loss损失模型，然后确定多孔介质域各方向损失比值，即设置各个方向损失比这一参数。具体的，由于在垂直于流动方向的其他方向上需要抑制流动，故本实施例将多孔介质域垂直于流动方向的方向上的流动阻力系数设置为流动方向的1000倍，保证流体只在真实流动方向上有沿程压降损失。假设流体流动方向为x，则垂直于流体流动方向的方向分别为y和z，进而各个方向损失比为x：y：z＝1:1000:1000。
[0054]
确定各方向损失比值后，再确定渗透率和损失系数。其中渗透率为多孔介质域的本身性质，需要试验测得。损失系数也是一个实验参数，表示多孔介质域流道内摩擦阻力损失与局部阻力损失之和。
[0055]
所述渗透率的表达式为：
[0056][0057]
式2中，k为渗透率，q为通过多孔介质域的流体体积流量，μ为动力粘度，l为流体在多孔介质域的流通长度，a为多孔介质域的横截面积，δp为多孔介质域两端的压差。
[0058]
所述损失系数的表达式为：
[0059][0060]
式3中，k
loss
为损失系数，δp为多孔介质域两端的压差，l为流体在多孔介质域的流通长度，ρ为流体的密度，v为流体的真实速度。
[0061]
需要说明的是，本实施例限定了先设置体积孔隙率，再设置各个方向损失比，最后设置渗透率以及损失系数的具体参数设置顺序，这仅仅是为了更好的对步骤204进行说明。然而，本发明并不对四个参数的设置顺序进行限定，其他设置顺序也处于本发明的保护范围内。另外，本实施例若在流体数值计算软件中输入的是流体的真实速度，则在计算渗透率和损失系数时，采用公式2和公式3进行计算。但若在流体数值计算软件中输入的是流体的表观速度，则在计算渗透率和损失系数时，采用下述公式：
[0062][0063]
式4中，γ为体积孔隙率。
[0064][0065]
式5中，γ为体积孔隙率。
[0066]
根据阻力差值，在流体数值计算软件中分别对四个参数进行设置，以对单环路模型进行阻力调节，令单环路模型的系统阻力值等于额定工况下的系统阻力值，使单环路模型在流体数值计算时能够运行在额定工况。进而本实施例通过考虑蒸汽发生器1、反应堆堆芯2、核主泵3以及三者之间连接管路4的总体结构布局，进行一回路系统中单个冷却环路的建模，得到单环路模型。然后通过在蒸汽发生器1与反应堆堆芯2内加入多孔介质域来简化单环路模型，再对多孔介质域进行动态参数调节，实现单环路模型的流阻动态调控，所得到的单环路模型考虑到了流场的时空效应，能够准确反映真实的流动状态。且调控后能够使蒸汽发生器1与反应堆堆芯2的阻力值符合相关要求，使整个单环路模型在额定工况下进行三维稳态数值模拟，还能实现核主泵3外特性曲线和系统管路特性曲线的匹配优化，实现一回路闭式系统的三维稳态计算，在数值模拟时，相较于一回路开式系统需要给出相应的进出口边界条件，一回路闭式系统不必给出进出口的边界条件，从而简化了计算步骤，使数值模拟更加精确。
[0067]
s3：在利用s2使单环路模型在流体数值计算中能够运行在额定工况的基础上，以主泵转速变化曲线作为输入曲线，监测所述单环路模型预设监测点处的压力，得到所述预设监测点的压力波；所述压力波即为水锤波。
[0068]
其中，所述主泵转速变化曲线为实际瞬态停泵事故工况过渡过程的主泵转速变化曲线，或用户自定义的主泵转速变化曲线。具体的，根据瞬态停泵事故工况过渡过程的主泵
转速非线性变化规律，通过观察曲线特征，将其拟合为分段曲线，从而得到实际瞬态停泵事故工况过渡过程的主泵转速变化曲线。用户自定义主泵转速变化过程得到用户自定义的主泵转速变化曲线。
[0069]
在得到主泵转速变化曲线后，基于step()函数，在流体数值计算软件中基于udf程序，实现瞬态停泵事故工况过渡过程的主泵转速非线性或线性振荡。然后监测单环路模型预设监测点处的压力，得到预设监测点的压力波，所述压力波即为水锤波，进而实现反应堆一回路系统瞬态水锤波的计算，在一回路闭式系统三维稳态计算的基础上，由于主泵转速变化曲线这一输入条件可根据需求进行调节，通过改变step()函数改变速度随时间变化的曲线，进而还原出不同的卡滞工况，适用于各种卡转子事故，能够得到各种类型事故下的水锤波的计算，满足不同的需求。
[0070]
作为一种可选的实施方式，根据具体技术参数要求，在单环路模型上设置一系列水锤波监测点，即预设监测点，并对预设监测点进行压力监测。如图7所示，在连接管路4的弯曲部位处均匀设置多个监测点，弯曲部位包括pin2，pin3，sgout，sgin，pout2。在核主泵3的进、出口处各设置1个监测点，核主泵3的进口为pin1，核主泵3的出口为pout1。在反应堆堆芯2的进、出口和中间位置处各设置1个监测点，反应堆堆芯2的进口为rein，反应堆堆芯2的出口为reout，反应堆堆芯2的中间位置为remid。在蒸汽发生器1每一根倒u型弯管11的弯管段上均匀设置多个监测点。如图8所示，本实施例在连接管路4的每一个弯曲部位处均匀设置3个监测点。如图9所示，本实施例在每一根倒u型弯管11上均选取8个监测点。所有的预设监测点都位于管路正中心。
[0071]
本实施例所提供的计算方法能够避免现有技术的缺陷，创新性地构建了反应堆一回路闭式系统简化三维模型，基于多孔介质域能量匹配和阻力平衡技术，实现了反应堆一回路闭式系统瞬态水锤波的数值计算，大幅度提高事故工况下反应堆一回路系统流动计算的精度，快速实现反应堆一回路系统瞬态压力计算和安全性评估，有效解决了现有技术存在的问题。
[0072]
实施例2：
[0073]
本实施例用于提供一种反应堆一回路系统瞬态水锤波的计算系统，如图10所示，所述计算系统包括：
[0074]
模型获取模块m1，用于对反应堆一回路系统中的单个冷却环路进行建模，得到单环路模型；
[0075]
阻力调节模块m2，用于在流体数值计算软件中对所述单环路模型进行阻力调节，使所述单环路模型运行在额定工况；
[0076]
水锤波数据获取模块m3，用于以主泵转速变化曲线作为输入曲线，监测所述单环路模型预设监测点处的压力，得到所述预设监测点的压力波；所述压力波即为水锤波。
[0077]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0078]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。