[发明专利]一种直管式直流蒸汽发生器换热性能的仿真方法

说明书

本发明公开了一种直管式直流蒸汽发生器换热性能的仿真计算模型及其算法。本发明建立了基于传热分区的直流蒸汽发生器一维均相流数学模型，采用适当的判别条件对二次侧换热过程进行划分，在此基础上自主开发了基于MATLAB软件的直流蒸汽发生器换热仿真程序，进行直流蒸汽发生器在不同工况下稳态换热性能的仿真。该发明不仅简化并降低了编程难度，还可实现自动判断分段计算，准确预测不同工况下壁温飞升的幅度、位置及各传热区域传热管的长度，得到直流蒸汽发生器工作恶劣区域。采用该发明可为预防直流蒸汽发生器超温爆管等事故提供理论支持。

技术领域

本发明属于核电技术领域，涉及一种直管式直流蒸汽发生器换热性能的仿真方法。

背景技术

直流蒸汽发生器是核反应堆中的重要设备，近年来多被应用于一体化压水堆。由于二次侧工质从过冷水被加热为过热蒸汽的过程中会发生蒸干现象，易造成传热管破裂，进而导致整个反应堆停堆、核辐射泄露等严重问题。因此在核动力装置运行过程中直流蒸汽发生器的安全可靠性引起了大家的高度重视。

1982年Walter应用一阶一维守恒方程，采用漂移流模型描述两相流部分，建立了蒸汽发生器集总参数模型；1997年解衡等人采用可移动边界差分法及节点划分法编制了热工水力程序MOFS，可应用于直管式直流蒸汽发生器的稳态及瞬态计算；2002年付明玉等人采用以集总参数代替分布参数的方法，把每个换热段都看作一个热交换器，串联构成整个蒸发器，以此来研究直流蒸汽发生器静态和动态特性。2013年李娜等人基于集总参数法建立了蒸汽发生器一维均相流动态数学模型，对蒸汽发生器不同工况进行了稳态和动态仿真；

目前对一维模型的分析大多采用集总参数法，将一维问题简化为零维问题能更加简便的进行运算，研究蒸汽发生器的热工水力参数的响应特性，或采用类集总参数法，将系统分为若干个控制体，分别研究各个控制体进、出口的热工水力参数变化规律，且在处理二次侧计算模型时简化了换热区域，无法准确探知直流蒸汽发生器传热管温度的变化规律。模型建立完成之后，既可选择某一软件或语言自行编程进行仿真，例如C语言、Fortran、Matlab/Simulink，也可选择专业仿真软件来进行仿真，例如CFX、ATHOS、RELAP5等。前者编写程序有一定难度，但具有运算速度快等优点；后者得到的仿真结果虽然精确，但却计算速度慢、建模复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直管式直流蒸汽发生器换热性能的仿真方法，解决了目前的直流蒸汽发生器的传热计算方法复杂，传热管壁温计算结果不准确的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤：

步骤1：建立直流蒸汽发生器物理模型，设定直流蒸汽发生器结构参数和边界条件；

步骤2：划分二次侧流体的换热区域，得到分段判别条件；

步骤3：计算各个换热区域的对流传热系数；

步骤4：建立直流蒸汽发生器数学模型，以一、二次侧流体、传热管内、外壁为研究对象，以直流蒸汽发生器两个固定管板间距离为计算长度，对微元dx应用能量守恒定律，建立一维均相流传热数学模型；运用有限差分法建立直流蒸汽发生器数学模型的常微分方程；建立五个传热区域的系数矩阵；

步骤5：根据步骤1中的结构参数、边界条件；步骤2中的分段判别条件；步骤3中的各区域对流传热系数；步骤4中的系数矩阵，进行基于MATLAB的仿真。

进一步，所述步骤1中直流蒸汽发生器结构参数包括传热管长度、传热管外径、传热管内径、传热管数目；100％工况的边界条件：一次侧包括入口温度、质量流量、入口压力，二次侧包括入口温度、质量流量、入口压力。

进一步，所述步骤2中将二次侧流体分为预热段、过冷沸腾段、饱和核态沸腾段、强制对流蒸发段、缺液段、过热段，其中由于对流传热系数计算公式的限制，饱和核态沸腾段和强制对流蒸发段作为一个计算区域，称为核态沸腾段。