一種給定總流量下堆芯壽期內最優流量分配方法
2024-04-12 20:49:05
1.本發明屬於反應堆熱工水力技術領域，具體涉及一種給定總流量下堆芯壽期內最優流量分配方法。
背景技術：
2.採用帶盒燃料組件的緊湊型壓水堆，壽期內堆芯三維功率分布形狀會發生較大變化，存在堆芯內流量分配與堆芯功率不匹配的問題。應用流量分區設計能夠顯著展平堆芯出口溫度分布，提高出口過冷度或降低冷卻劑流量，從而更加有效地利用冷卻劑，大幅提升堆芯設計性能。為了合理分配流量，達到組件出口冷卻劑溫度展平、過冷度提高，通過研究流量分區依據並設計考慮多種因素的優化方法，設計閉式通道堆芯流量分區及水密度反饋程序qsubth，並使程序能夠滿足以下計算功能：
3.快速計算閉式通道燃料組件軸向水密度分布、芯塊燃料溫度分布、包殼溫度分布、組件出口溫度及過冷度；
4.在給定堆芯總流量、三維粗網功率分布、入口溫度條件下，進行堆芯流量分配優化搜索，實現組件出口過冷度最大化、堆芯出口溫度分布平坦化；
5.在給定堆芯總流量、若干燃耗步三維粗網功率分布、入口溫度條件下，進行堆芯流量分配優化搜索，實現組件出口過冷度最大化、堆芯出口溫度分布平坦化。
技術實現要素：
6.為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種給定總流量下堆芯壽期內最優流量分配方法，在給定堆芯總流量、三維粗網功率分布、入口溫度條件下，進行堆芯流量分配優化搜索，實現組件出口過冷度最大化、堆芯出口溫度分布平坦化。
7.為了達到上述目的，本發明的採用如下技術方案：
8.一種給定總流量下堆芯壽期內最優流量分配方法，包括如下步驟：
9.步驟1：輸入參數：包括棒狀或板狀燃料元件堆芯參數、堆芯功率分布參數及組件不均勻係數、堆芯計算控制變量參數，其中堆芯功率分布參數及組件不均勻係數由堆芯物理計算後提供相應數據，包括組件所在堆芯位置、組件功率分布和組件不均勻係數；
10.步驟2：使用堆芯功率分布參數及組件不均勻係數，對堆芯內每個通道軸向功率求和，計算出通道總功率；
11.步驟3：初始流量分配計算：由用戶提供的堆芯總流量，堆芯入口溫度以及堆芯總功率，由能量守恆方程，確定堆芯出口溫度一致時的組件出口焓值，由各個通道的功率以及計算出的組件出口焓值確定通道最優流量；根據計算得到的每套相應燃耗點下最優流量分配方案，確定每個組件在整個壽期中所需的最大流量，以確定的各組件最大流量確定初始流量分配比例因子；
12.步驟4：流量分配微調：通過初始分配流量計算各個組件在各燃耗點下出口溫度值，搜索各組件的最大出口溫度並排序，將不同組件按溫度差異一一對應，將較小出口溫度
組件流量分配一部分給與之對應出口溫度較大的組件，形成一套新的流量分配方案；
13.步驟5：根據步驟4得到的新的流量分配方案進行堆芯組件出口溫度的計算，將計算出的堆芯組件出口溫度的時空最大值與上一步的計算值進行比較，若大於上一步的計算值則停止計算，進行下一個步驟計算；如若小於等於上一步的計算值，則設置流量調節比例係數，返回步驟4重新進行流量分配微調；
14.步驟6：設置組件流量分配為上一步長計算值；
15.步驟7：堆芯溫度分布計算：通過能量守恆方程確定各組件中冷卻劑溫度，再由換熱係數關係式以及材料的導熱係數，通過傅立葉定律，牛頓冷卻公式由外向內依次計算：包殼外層、包殼內層、燃料表面、燃料中心溫度的軸向分布情況；
16.步驟8：輸出最優流量分配方案和該方案下堆芯溫度分布。
17.本發明與現有技術相比，具有如下優點：
18.1、步驟1中輸入參數包括組件所在堆芯位置、組件功率分布和組件不均勻係數，將堆芯壽期內功率變化考慮入內；輸入參數中堆芯流量控制變量提高流量優化效率。
19.2、步驟3中初始流量分配計算，堆芯總流量由用戶提供，同時提供了流量分配自定義接口，方便用戶自由控制，用戶可以自定義初始流量分配、流量分配上限及下限，從而提高計算效率和計算得到的堆芯出口最小過冷度的整體水平。
20.3、步驟3中每套相應燃耗點下最優分配方案相對獨立，未將功率分布的時間效應考慮進去；以確定的各組件最大流量確定初始流量分配比例因子，再按比例因子分配各通道的初始流量，初步將功率分布的時間效應考慮在流量分配中。
21.4、步驟4中流量分配微調若使用恆定值不適用於每種情況，在迭代過程中，為了確保總流量的守恆，進行對位補償，每次的調節量為一定比例的原組件流量；調節比例設置了3個量級，以達到快速調節同時確保調節量的準確。
附圖說明
22.圖1是本發明方法的流程圖。
具體實施方式
23.下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
24.如圖1所示，本發明一種堆芯最小流量估算方法，包括如下步驟：
25.步驟1：輸入參數：包括棒狀或板狀燃料元件堆芯參數(包括堆芯旁流係數、包殼與燃料芯塊之間的間隙導熱係數、相鄰燃料棒中心距、堆芯活性區高度、堆芯最小流量估算流量迭代係數、組件中導向管數目、堆芯組件數目、軸向劃分控制體數目、計算區域中組件數目、劃分計算區域數目、組件中燃料棒數、燃耗點數、堆芯壓力、堆芯總功率、燃料棒包殼內半徑、燃料棒包殼內外徑、燃料芯塊半徑、導向管半徑、組件出口最小過冷度設計值、堆芯入口冷卻劑溫度、通道冷卻劑流量、方型組件寬度和堆芯冷卻劑淨流量，若為板狀燃料，還需要輸入板元件長度、燃料板數目、包殼厚度、板元件厚度和板元件寬度)、堆芯功率分布參數及組件不均勻係數(由堆芯物理計算後提供相應數據，包括組件所在堆芯位置、組件功率分布和組件不均勻係數)、堆芯計算控制變量參數(包括堆芯流量控制變量、組件功率分布、不同流量分配下堆芯出口溫度比較計算控制變量、燃料類型控制變量、計算類型控制變量和
參考流量輸入控制變量(用於不同流量比較計算))。
26.步驟2：使用堆芯功率分布參數及組件不均勻係數，對每個通道軸向功率求和，計算出通道總功率。
27.步驟3：初始流量分配計算：由用戶提供的堆芯總流量，堆芯入口溫度以及堆芯總功率，由能量守恆方程，確定堆芯出口溫度一致時的組件出口焓值，由各個通道的功率以及計算出的組件出口焓值確定通道最優流量；對計算得到的每套相應燃耗點下最優流量分配方案進行搜索，確定每個組件在整個壽期中所需的最大流量，為了保證堆芯總流量守恆，以確定的各組件最大流量確定初始流量分配比例因子。
28.對於單一功率分布形狀，當各個通道出口處的溫度相等時，可以得到組件最大出口過冷度。由已知的堆芯總流量，入口溫度以及堆芯總功率，由能量守恆方程，可以確定出口溫度一致時的組件出口焓值：
[0029][0030]
上式中：
[0031]hout
——流量分配最優時，組件出口焓值；
[0032]hin
——冷卻劑在入口處的焓值；
[0033]
p
tot
——堆芯總功率；
[0034]wtot
——堆芯總冷卻劑流量。
[0035]
則由各個通道的功率以及計算出的出口焓值確定通道最優分配流量：
[0036][0037]
上式中：
[0038]
w(i)——通道i的對應的最優分配流量；
[0039]
p(i)——通道i的對應的總功率。
[0040]
在整個壽期內，堆芯功率分布會隨著燃耗加深而有所改變，為了得到整個壽期內的最優流量分配，需要將功率分布的時間效應考慮進去。在程序中，以組件最大出口溫度作為衡量流量分配方案好壞的標準。
[0041]
對於每個燃耗點下，都有一套最優流量分配方案，每套分配方案相對獨立，沒有將功率分布的時間效應考慮進去，在確定初始分配方案時，首先對計算得到的每套相應燃耗點下最優分配方案進行搜索，確定每個組件在整個壽期中所需的最大流量，為了保證堆芯總流量守恆，以確定的各組件最大流量確定初始流量分配比例因子：
[0042][0043]
wk(i)，組件i在壽期內為確保最小出口溫度所需的最大流量
[0044]
再用總量按比例因子分配各通道的初始流量。這樣可以初步將功率分布的時間效應考慮在流量分配中。
[0045]
步驟4：流量分配微調，通過初始分配流量計算各個組件在各燃耗點下出口溫度值，搜索各組件的最大出口溫度並排序，將不同組件按溫度差異一一對應，如：出口溫度最
大的組件對應出口溫度最小的組件、出口溫度第二大的組件對應出口溫度第二小的組件，然後將較小出口溫度組件流量分配一部分給與之對應出口溫度較大的組件，形成一套新的流量分配方案，用於下一步堆芯組件出口溫度的計算，如此迭代計算，直到堆芯組件出口溫度的時空最大值比上一步的計算值大，停止計算，則上一步計算的流量分配為程序所確定的最優方案。在迭代過程中，為了確保總流量的守恆，對位補償，每次的調節量為一定比例的原組件流量。調節比例設置了3個量級，以達到快速調節同時確保調節量的準確。
[0046]
步驟5：根據步驟4得到的新的流量分配方案進行堆芯組件出口溫度的計算，判斷計算出的堆芯組件出口溫度的時空最大值與上一步的計算值進行比較，若大於上一步的計算值則停止計算，進行下一個步驟計算；若小於等於上一步的計算值，則設置流量調節比例係數，返回步驟4重新進行流量分配微調。
[0047]
步驟6：設置組件流量分配為上一步長計算值。
[0048]
步驟7：堆芯溫度分布計算，通過能量守恆方程確定各組件中冷卻劑溫度，再由換熱係數關係式以及材料的導熱係數，通過傅立葉定律，牛頓冷卻公式由外向內依次計算：包殼外層、包殼內層、燃料表面、燃料中心溫度的軸向分布情況。
[0049]
堆芯中涉及到的傳熱問題主要包括：燃料芯塊的導熱，燃料棒間隙的導熱，包殼導熱以及包殼外層與冷卻劑之間的換熱，由於堆芯內部相鄰部件的溫度差距不是很大，這裡忽略輻射換熱。
[0050]
將同一組件中的燃料棒均勻化處理，認為同一組件中的燃料棒溫度分布一致；通過能量守恆方程確定各組件中冷卻劑溫度，再由換熱係數關係式以及材料的導熱係數，通過傅立葉定律，牛頓冷卻公式由外向內依次計算：包殼外層、包殼內層、燃料表面、燃料中心溫度的軸向分布情況。
[0051]
冷卻劑換熱，通過採用合適的經驗關係式來進行計算。由於要求堆芯出口存在一定的過冷度，冷卻劑處於單相液態，其換熱模型採用單相液體換熱關係式，根據流量的不同分為高、中、低流量率部分：
[0052]
(1)高流量率(re＞2500)
[0053]
dittus-boelter關係式
[0054][0055]
sieder-tate關係式
[0056][0057]
mihaiyeph關係式
[0058][0059]
(2)低流量率(re＜1800)collier關係式
[0060]
[0061][0062]
以上關係式中：h——換熱係數，w/(m2·
k)；λc——導熱率，w/(m
·
k)；de——流道當量直徑，m；re——雷諾數；
[0063]
pr——普朗特數；
[0064]
pr
st-water
——飽和水普朗特數；gr——格拉曉夫數；
[0065]
g——重力加速度，m
·
s-2
；
[0066]
μ——動力黏性係數，n
·
s/m2；
[0067]
μf——流體動力黏性係數，n
·
s/m2；
[0068]
μ
wall
——壁面動力黏性係數，n
·
s/m2；
[0069]
ρ——密度，kg/m3；
[0070]
t
wall
——壁面溫度，k；
[0071]
tf——流體溫度，k；
[0072]
β——體積變化係數。
[0073]
(3)中流量率(1800≤re≤2500)
[0074]
在上述兩種情況的端點值下進行線性插值，得到對應雷諾數下的換熱係數。包殼導熱相關計算，根據燃料幾何特點，選用不同的穩態導熱計算模型：
[0075][0076][0077]
以上關係式中：
[0078]ql
——單位長度上熱流量；
[0079]
λ——材料導熱係數；
[0080]
t
1-t2——圓筒壁內外溫差；
[0081]
d2——圓筒外徑；
[0082]
d1——圓筒內徑；
[0083]
l
wi
——板寬度；
[0084]
l
th
——板厚度。
[0085]
燃料棒包殼導熱係數，根據zr-4合金物性關係式確定：
[0086][0087]
以上關係式中：
[0088]
λ
clad
——燃料棒包殼導熱係數，w/(m
·
k)；
[0089]
t——包殼溫度，℃。
[0090]
間隙導熱率由外部文件輸入經驗值，在根據柱坐標系下一維導熱公式計算間隙熱流密度；燃料中心溫度由積分導熱率進行計算
[0091][0092]
上式中：
[0093]
t
uo
——半徑為r
uo
處芯塊溫度，k；
[0094]
t
ui
——半徑為r
ui
處芯塊溫度，k；
[0095]ku
——燃料芯塊熱導率，w/(m
·
k)。
[0096]
步驟8：輸出最優流量分配方案和該方案下堆芯溫度分布。
[0097]
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，但不能認定本發明的具體實施方式僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定專利保護範圍。