本發(fā)明屬于核電接入電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析技術(shù)領域，涉及一種核電機組冷卻劑屏蔽主泵動態(tài)建模及分析方法。

背景技術(shù)：

反應堆冷卻劑主循環(huán)泵是核電站最重要的設備之一，也是整個冷卻劑系統(tǒng)中唯一的旋轉(zhuǎn)設備，具有功率大、工作條件苛刻的特點。

正常運行情況下，核電廠的廠用電系統(tǒng)由電網(wǎng)供電，若電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)事故，導致核電廠不能從電網(wǎng)側(cè)獲取廠用電時，反應堆會自動安全停堆，但在反應堆安全停堆過程中，需要反應堆冷卻系統(tǒng)繼續(xù)工作，以將堆芯中殘余的熱量傳遞出去。以ap1000為代表的第三代先進壓水堆核電機組冷卻劑主泵采用屏蔽電動機，其飛輪和電動機轉(zhuǎn)子一起包容在rcs的承壓部件內(nèi)，使其徑向尺寸受到極大限制，因此，相比于其他堆型，具有更小的轉(zhuǎn)動慣量，冷卻劑流量對電網(wǎng)側(cè)波動反映更為明顯，因此研究電網(wǎng)側(cè)波動對冷卻劑流量造成的影響，針對根據(jù)分析結(jié)果，進行繼電保護整定，停堆等措施提供系統(tǒng)安全可靠性。

目前，常用的冷卻劑主泵流量建模方法主要有，流體網(wǎng)格計算方法相關模型、基于四象限特性曲線的相關計算模型等?；诹黧w網(wǎng)格計算方法的冷卻劑主泵流量計算模型主要應用于電站仿真系統(tǒng)中，將冷卻劑主泵的工作過程簡化為由管路、閥門等連接而成的流體網(wǎng)格系統(tǒng)，更多的是從泵的壓力特性入手分析建模，忽略了泵本身的電學特性，并不適用于電力系統(tǒng)分析，也無法反映電網(wǎng)側(cè)波動對冷卻劑流量的影響。而基于四象限特性曲線的冷卻劑主泵流量計算模型雖然考慮了冷卻劑主泵的電學特性，但由于計算繁瑣，參數(shù)不易獲得，一般只用于獨立分析主泵特性采用，難以與其他設備模型及電力系統(tǒng)仿真進行結(jié)合。

基于此，為了通過仿真研究電網(wǎng)波動對核電機組安全運行的影響，一方面要求冷卻劑屏蔽主泵仿真模型能夠精確快速地表征冷卻劑流量的波動，以便于制定相應控制措施；另一方面，仿真模型應能夠接入電力系統(tǒng)仿真軟件和其他核電設備模型中進行仿真運算。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種核電機組冷卻劑屏蔽主泵動態(tài)建模及分析方法，該方法考慮了冷卻劑主泵的摩擦轉(zhuǎn)矩，能夠準確實時反映電網(wǎng)側(cè)電壓、頻率波動對冷卻劑流量影響，進而準確分析電網(wǎng)波動對核電安全影響，彌補目前已公開方法對主泵惰轉(zhuǎn)和主泵卡死分析的不足，對接入電網(wǎng)的核電分析具有更高的實時性；同時，模型結(jié)構(gòu)清晰、參數(shù)意義明確、易獲取，具有很高的準確性和實用性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種核電機組冷卻劑屏蔽主泵動態(tài)建模及分析方法，包括如下步驟，

s1、基于核電機組冷卻劑屏蔽主泵特性，建立冷卻劑主泵流量計算模型，包括轉(zhuǎn)矩平衡方程、質(zhì)量流量方程；

s2、基于冷卻劑主泵設計參數(shù)及測試數(shù)據(jù)，計算或辨識得到主泵模型參數(shù)，并計算主泵電磁轉(zhuǎn)矩、水力轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩；

s3、基于步驟s1所建立的冷卻劑主泵流量計算模型，仿真計算主泵惰轉(zhuǎn)工況，電壓、頻率波動工況時冷卻劑流量實時變化，與測試曲線作對比，校驗模型及參數(shù)；

s4、將步驟s1所建立的冷卻劑主泵流量計算模型接入核電機組系統(tǒng)模型，并接入電力系統(tǒng)仿真軟件，實現(xiàn)核電機組整體動態(tài)仿真分析。

在本發(fā)明一實施例中，在步驟s1中，所述冷卻劑主泵流量計算模型的轉(zhuǎn)矩平衡方程、質(zhì)量流量方程，是采用以下方法建立的：

冷卻劑屏蔽主泵轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

式中，ip為冷卻劑主泵的轉(zhuǎn)動慣量，ωp為冷卻劑主泵轉(zhuǎn)子角速度，mpe為冷卻劑主泵電磁轉(zhuǎn)矩，mpm為冷卻劑主泵受到的總阻力矩；

主泵電磁轉(zhuǎn)矩mpe計算表達式為：

式中，p為主泵電動機磁極對數(shù)，r2為主泵電動機轉(zhuǎn)子每相繞組電阻，s為主泵電動機轉(zhuǎn)差率，m1為主泵電動機磁極對數(shù)，u1n為電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)基準電壓，f1n為電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)基準頻率，上述各參數(shù)均為設計常數(shù)；xσ為主泵電動機轉(zhuǎn)子漏電抗，u1*、f1*分別為實際電網(wǎng)電壓標幺值和頻率標幺值；k1、k2為與冷卻劑主泵相關的常系數(shù)；

屏蔽主泵因其飛輪和轉(zhuǎn)子固封于承壓部件內(nèi)，使得其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小于常規(guī)泵；轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)矩變化靈敏度高，摩擦轉(zhuǎn)矩不可忽略，因此屏蔽主泵的阻力矩應同時計及冷卻劑流量產(chǎn)生的阻力矩mp1和由于機械摩擦造成的摩擦阻力矩mp2，即有

mpm＝mp1+mp2(3)

冷卻劑流量產(chǎn)生的阻力矩mp1表達式為：

式中，d為冷卻劑質(zhì)量流量，ωp為為冷卻劑主泵轉(zhuǎn)子角速度，η為冷卻劑主泵效率，h為冷卻劑主泵揚程；

mp2表示主泵機械摩擦引起的阻力矩，采用經(jīng)驗公式表示為

式中，k3為常數(shù)，由泵的實驗值確定；n取1.7-2.4；

冷卻劑質(zhì)量流量正比于主泵轉(zhuǎn)子角速度，但由于系統(tǒng)慣性，冷卻劑流量變化滯后于轉(zhuǎn)子角速度變化，將冷卻劑質(zhì)量流量方程表示為

式中，為轉(zhuǎn)子角速度標幺值，d^*為主泵質(zhì)量流量標幺值，τ為常數(shù)，取0.2s。

在本發(fā)明一實施例中，在步驟s2中，基于冷卻劑主泵設計參數(shù)及測試數(shù)據(jù)，計算或辨識得到主泵模型參數(shù)的具體實現(xiàn)如下：

s21、基于冷卻劑主泵惰轉(zhuǎn)工況測試數(shù)據(jù)，采用matlab優(yōu)化設計工具箱進行參數(shù)辨識計算，辨識出主泵摩擦阻力矩相關系數(shù)k3，n；

s22、基于電網(wǎng)側(cè)頻率或電壓波動情況下，冷卻劑流量測試數(shù)據(jù)，并將主泵摩擦阻力矩相關系數(shù)k3，n作為已知參數(shù)，采用matlab優(yōu)化設計工具箱進行參數(shù)辨識，得到冷卻劑主泵電磁轉(zhuǎn)矩相關系數(shù)k1、k2；

s23、基于辨識的參數(shù)，建立相應的電磁轉(zhuǎn)矩，摩擦轉(zhuǎn)矩模型方程。

在本發(fā)明一實施例中，所述步驟s3的具體實現(xiàn)過程如下：

s31、仿真冷卻劑主泵惰轉(zhuǎn)工況下，根據(jù)冷卻劑流量變化曲線，求解惰轉(zhuǎn)時間常數(shù)，與相關模型及參數(shù)進行比較分析，驗證所述冷卻劑主泵流量計算模型的有效性；

s32、仿真電網(wǎng)側(cè)極端事故情況下，根據(jù)冷卻劑流量與轉(zhuǎn)速變化趨勢，驗證主泵低轉(zhuǎn)速保護優(yōu)先級高于冷卻劑低流量保護，驗證所述冷卻劑主泵流量計算模型的合理性；

s33、仿真電網(wǎng)電壓、頻率階躍波動工況下，根據(jù)冷卻劑流量變化，驗證冷卻劑主泵流量計算模型對電網(wǎng)側(cè)電壓、頻率擾動響應仿真的準確性。

在本發(fā)明一實施例中，在步驟s4中，實現(xiàn)核電機組整體動態(tài)仿真分析具體為分析電網(wǎng)側(cè)波動情況下，核電側(cè)主泵流量，燃料溫度，蒸汽壓力相關參數(shù)動態(tài)響應過程。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明方法考慮了冷卻劑主泵的的摩擦轉(zhuǎn)矩，能夠準確實時反映電網(wǎng)側(cè)電壓、頻率波動對冷卻劑流量影響，進而準確分析電網(wǎng)波動對核電安全影響，彌補目前已公開方法對主泵惰轉(zhuǎn)和主泵卡死分析的不足，對接入電網(wǎng)的核電分析具有更高的實時性。同時，模型結(jié)構(gòu)清晰、參數(shù)意義明確、易獲取，具有很高的準確性和實用性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的冷卻劑屏蔽主泵動態(tài)建模分析流程圖。

圖2是本發(fā)明的核電機組冷卻劑屏蔽主泵電動機等效示意圖。

圖3是摩擦阻力矩相關參數(shù)k3、n辨識結(jié)果圖。

圖4是摩擦轉(zhuǎn)矩參數(shù)擬合曲線圖。

圖5是電磁轉(zhuǎn)矩相關參數(shù)k1、k2擬合結(jié)果圖。

圖6是冷卻劑主泵流量計算模型傳輸框圖。

圖7是t＝10s時主泵失去外電源冷卻劑流量變化曲線圖。

圖8是冷卻劑主泵電動機供電頻率以4hz/s下降事故時堆芯流量與轉(zhuǎn)速歸一化曲線圖。

圖9是電壓/頻率階躍擾動下冷卻劑流量變化曲線圖。

圖10是電網(wǎng)頻率下降時，核電機組動態(tài)響應圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行具體說明。

本發(fā)明的一種核電機組冷卻劑屏蔽主泵動態(tài)建模及分析方法，包括如下步驟，

s1、基于核電機組冷卻劑屏蔽主泵特性，建立冷卻劑主泵流量計算模型，包括轉(zhuǎn)矩平衡方程、質(zhì)量流量方程；

s2、基于冷卻劑主泵設計參數(shù)及測試數(shù)據(jù)，計算或辨識得到主泵模型參數(shù)，并計算主泵電磁轉(zhuǎn)矩、水力轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩；

s3、基于步驟s1所建立的冷卻劑主泵流量計算模型，仿真計算主泵惰轉(zhuǎn)工況，電壓、頻率波動工況時冷卻劑流量實時變化，與測試曲線作對比，校驗模型及參數(shù)；

s4、將步驟s1所建立的冷卻劑主泵流量計算模型接入核電機組系統(tǒng)模型，并接入電力系統(tǒng)仿真軟件，實現(xiàn)核電機組整體動態(tài)仿真分析。

在步驟s1中，所述冷卻劑主泵流量計算模型的轉(zhuǎn)矩平衡方程、質(zhì)量流量方程，是采用以下方法建立的：

冷卻劑屏蔽主泵轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

式中，ip為冷卻劑主泵的轉(zhuǎn)動慣量，ωp為冷卻劑主泵轉(zhuǎn)子角速度，mpe為冷卻劑主泵電磁轉(zhuǎn)矩，mpm為冷卻劑主泵受到的總阻力矩；

主泵電磁轉(zhuǎn)矩mpe計算表達式為：

式中，p為主泵電動機磁極對數(shù)，r2為主泵電動機轉(zhuǎn)子每相繞組電阻，s為主泵電動機轉(zhuǎn)差率，m1為主泵電動機磁極對數(shù)，u1n為電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)基準電壓，f1n為電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)基準頻率，上述各參數(shù)均為設計常數(shù)；xσ為主泵電動機轉(zhuǎn)子漏電抗，u1*、f1*分別為實際電網(wǎng)電壓標幺值和頻率標幺值；k1、k2為與冷卻劑主泵相關的常系數(shù)；

屏蔽主泵因其飛輪和轉(zhuǎn)子固封于承壓部件內(nèi)，使得其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小于常規(guī)泵；轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)矩變化靈敏度高，摩擦轉(zhuǎn)矩不可忽略，因此屏蔽主泵的阻力矩應同時計及冷卻劑流量產(chǎn)生的阻力矩mp1和由于機械摩擦造成的摩擦阻力矩mp2，即有

mpm＝mp1+mp2(3)

冷卻劑流量產(chǎn)生的阻力矩mp1表達式為：

式中，d為冷卻劑質(zhì)量流量，ωp為冷卻劑主泵轉(zhuǎn)子角速度，η為冷卻劑主泵效率，h為冷卻劑主泵揚程；

mp2表示主泵機械摩擦引起的阻力矩，采用經(jīng)驗公式表示為

式中，k3為常數(shù)，由泵的實驗值確定；n取1.7-2.4；

冷卻劑質(zhì)量流量正比于主泵轉(zhuǎn)子角速度，但由于系統(tǒng)慣性，冷卻劑流量變化滯后于轉(zhuǎn)子角速度變化，將冷卻劑質(zhì)量流量方程表示為

式中，為轉(zhuǎn)子角速度標幺值，d^*為主泵質(zhì)量流量標幺值，τ為常數(shù)，取0.2s。

在步驟s2中，基于冷卻劑主泵設計參數(shù)及測試數(shù)據(jù)，計算或辨識得到主泵模型參數(shù)的具體實現(xiàn)如下：

s21、基于冷卻劑主泵惰轉(zhuǎn)工況測試數(shù)據(jù)，采用matlab優(yōu)化設計工具箱進行參數(shù)辨識計算，辨識出主泵摩擦阻力矩相關系數(shù)k3，n；

s22、基于電網(wǎng)側(cè)頻率或電壓波動情況下，冷卻劑流量測試數(shù)據(jù)，并將主泵摩擦阻力矩相關系數(shù)k3，n作為已知參數(shù)，采用matlab優(yōu)化設計工具箱進行參數(shù)辨識，得到冷卻劑主泵電磁轉(zhuǎn)矩相關系數(shù)k1、k2；

s23、基于辨識的參數(shù)，建立相應的電磁轉(zhuǎn)矩，摩擦轉(zhuǎn)矩模型方程。

所述步驟s3的具體實現(xiàn)過程如下：

s31、仿真冷卻劑主泵惰轉(zhuǎn)工況下，根據(jù)冷卻劑流量變化曲線，求解惰轉(zhuǎn)時間常數(shù)，與相關模型及參數(shù)進行比較分析，驗證所述冷卻劑主泵流量計算模型的有效性；

s32、仿真電網(wǎng)側(cè)極端事故情況下，根據(jù)冷卻劑流量與轉(zhuǎn)速變化趨勢，驗證主泵低轉(zhuǎn)速保護優(yōu)先級高于冷卻劑低流量保護，驗證所述冷卻劑主泵流量計算模型的合理性；

s33、仿真電網(wǎng)電壓、頻率階躍波動工況下，根據(jù)冷卻劑流量變化，驗證冷卻劑主泵流量計算模型對電網(wǎng)側(cè)電壓、頻率擾動響應仿真的準確性。

在步驟s4中，實現(xiàn)核電機組整體動態(tài)仿真分析具體為分析電網(wǎng)側(cè)波動情況下，核電側(cè)主泵流量，燃料溫度，蒸汽壓力相關參數(shù)動態(tài)響應過程。

以下為本發(fā)明的具體實現(xiàn)過程。

本實施例提供了一種核電機組冷卻劑屏蔽主泵動態(tài)建模及分析方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟s1：基于核電機組冷卻劑屏蔽主泵特性，建立冷卻劑主泵流量計算模型，包括轉(zhuǎn)矩平衡方程、質(zhì)量流量方程。

冷卻劑屏蔽主泵轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

在(1)式中，ip為冷卻劑主泵的轉(zhuǎn)動慣量，ωp為冷卻劑主泵轉(zhuǎn)子角速度，mpe為冷卻劑主泵電磁轉(zhuǎn)矩，mpm為冷卻劑主泵受到的總阻力矩，包含兩部分，一部分為冷卻劑流量產(chǎn)生的阻力矩mp1，另一部分為主泵電動機摩擦阻力矩mp2。

本實施例中，冷卻劑屏蔽主泵等效電路如圖2所示，主泵電磁轉(zhuǎn)矩mpe計算表達式為：

式中，p為主泵電動機磁極對數(shù)，r2為主泵電動機轉(zhuǎn)子每相繞組電阻，s為主泵電動機轉(zhuǎn)差率，m1為主泵電動機磁極對數(shù)，u1n為電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)基準電壓，f1n為電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)基準頻率，均為設計常數(shù)。xσ為主泵電動機轉(zhuǎn)子漏電抗，u1*、f1*分別為實際電網(wǎng)電壓標幺值和頻率標幺值。k1、k2為與冷卻劑主泵相關的常系數(shù)，在本發(fā)明中采用已有實驗數(shù)據(jù)進行辨識。

冷卻劑流量產(chǎn)生的阻力矩mp1表達式為：

式中d為冷卻劑質(zhì)量流量，ωp為冷卻劑主泵轉(zhuǎn)子角速度，η為主泵效率，h為主泵揚程。

主泵摩擦阻力矩mp2表達式為：

式中，k3為常數(shù)，由泵的實驗值確定；n為經(jīng)驗值，一般取1.7-2.4，由實驗值確定。

冷卻劑質(zhì)量流量正比于主泵轉(zhuǎn)子角速度，但由于系統(tǒng)慣性，冷卻劑流量變化滯后于轉(zhuǎn)子角速度變化，將冷卻劑質(zhì)量流量方程表示為

式中，為轉(zhuǎn)子角速度標幺值，d^*為主泵質(zhì)量流量標幺值，τ為常數(shù)，可取值0.2s。

因此冷卻劑主泵流量計算模型為：

步驟s2：基于冷卻劑主泵設計參數(shù)及測試數(shù)據(jù)，辨識得到主泵模型參數(shù)，并計算主泵電磁轉(zhuǎn)矩、水力轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩。

冷卻劑屏蔽主泵模型需辨識的參數(shù)為：主泵電磁轉(zhuǎn)矩相關參數(shù)k1，k2，主泵摩擦阻力矩相關參數(shù)k3、n；并由此獲得主泵電磁轉(zhuǎn)矩，主泵水力阻矩和主泵摩擦轉(zhuǎn)矩方程。本實施例中，對ap1000核電機組冷卻劑屏蔽主泵建立的動態(tài)模型進行參數(shù)識別，并運用辨識出的參數(shù)進行仿真分析運算。

s2.1基于冷卻劑屏蔽主泵惰轉(zhuǎn)工況，對(4)式進行參數(shù)識別。采用采用matlab優(yōu)化設計工具箱，進行參數(shù)辨識，辨識方程為：

式(7)中ip＝931kg·m²,ωp初始值為ωp0＝183.26rad/s，本實施例對摩擦阻力矩參數(shù)k3、n擬合結(jié)果如圖3、4所示，可以看出k3在第2次擬合即開始收斂，收斂值為0.0617，n在第12次擬合開始收斂，收斂值為1.86。

s2.2將步驟s2.1獲得的摩擦阻力矩參數(shù)k3、n代入公式(1)，得到

本實施例基于已有的冷卻劑屏蔽主泵測試數(shù)據(jù)進行參數(shù)辨識，辨識結(jié)果如圖5所示，在第30次擬合后，k1，k2即開始收斂，收斂值分別為k1＝3059.4，k2＝245.3。

步驟s3：模型仿真與校驗

本實施例基于所建立的數(shù)學模型，本實施例在simulink工具箱中搭建仿真模型，如圖6所示。通過不同工況下冷卻劑流量特性曲線分析驗證本模型的有效性和準確性。

s3.1惰轉(zhuǎn)曲線分析。本實施例給出了t＝10s時刻冷卻劑屏蔽主泵失去外電源后惰轉(zhuǎn)工況下本發(fā)明模型仿真曲線與主泵設計曲線的對比驗證，如圖7所示。對比驗證結(jié)果表明本發(fā)明提出的模型仿真得到的主泵惰轉(zhuǎn)曲線與設計惰轉(zhuǎn)曲線基本一致，驗證了本發(fā)明提出模型的有效性。

s3.2電網(wǎng)側(cè)極端事故下的仿真驗證。本實施例給出了冷卻劑屏蔽主泵供電頻率以4hz/s下降時，根據(jù)本發(fā)明提出模型仿真獲得的標幺化冷卻劑流量和主泵轉(zhuǎn)速變化曲線，如圖8所示，本實施例仿真結(jié)果表明，主泵轉(zhuǎn)速下降和環(huán)路流量下降是同步的，同時主泵下降轉(zhuǎn)速超前于冷卻劑流量下降，可以根據(jù)仿真結(jié)果制定主泵低轉(zhuǎn)速停堆整定值的動作優(yōu)先級高于冷卻劑低流量停堆整定。

s3.3頻率、電壓波動下的仿真驗證。本實施例給出了冷卻劑屏蔽主泵供電電壓階躍下降到0.95pu時冷卻劑流量變化，如圖9所示。其中圖9(a)為供電電壓階躍下降到0.95pu時冷卻劑流量變化曲線，圖9(b)為電網(wǎng)頻率階躍下降到0.95pu時冷卻劑流量變化曲線。由本實施例仿真結(jié)果可以看出頻率波動對冷卻劑流量影響更為明顯。

步驟s4：接入整體模型的仿真。

將搭建的模型接入已有的核電機組，并接入電力系統(tǒng)仿真軟件進行全時域仿真，可以實時得到在電網(wǎng)側(cè)故障時，核電側(cè)的冷卻劑流量，堆芯燃料溫度等輸出，進而根據(jù)結(jié)果作用于堆芯停堆等保護措施制定。

本實施例給出了在t＝2s時電網(wǎng)側(cè)頻率階躍下降到0.95pu后，核電機組相關參數(shù)變化曲線，如圖10所示。圖10(a)為冷卻劑流量變化，圖10(b)為中子通量變化，圖10(c)為蒸汽發(fā)生器蒸汽壓力變化，圖10(d)為冷卻劑堆芯燃料溫度變化。

從圖10中可以看出，當t＝2s時電網(wǎng)側(cè)頻率階躍下降到0.95pu時，冷卻劑流量迅速降低，使得冷卻劑帶著堆芯內(nèi)部溫度減小，堆芯燃料溫度上升，同時蒸汽壓力降低，反應堆功率增加，中子通量上升。

以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。