null船舶核动力装置
Marine Nuclear Power Plants船舶核动力装置
Marine Nuclear Power Plants核科学与技术学院
（V2009.05.04）MNPP-C07-L188 核动力装置动力力学 8 核动力装置动力力学 8.1 目的和
方法
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8.2 反应堆动力学
8.3 管道传输动力学
8.4 蒸汽发生器的动力学
8.5 稳压器动力学
8.6 压水堆核动力装置的动态特性8.1 目的和方法8.1 目的和方法8.1.1 研究对象
8.1.2 研究装置动力学的目的
8.1.3研究动力学的方法 8.1.1 研究对象8.1.1 研究对象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
数量参数和质量参数。
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。
稳态工况：装置参数不随时间变化的平衡状态称为装置的。
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。
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，也就是装置在过渡过程中系统和设备的动态特性。 8.1.2 研究装置动力学的目的8.1.2 研究装置动力学的目的为装置的
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
提供依据。
为装置的调节、控制提供依据。
对装置动力学的研究，有助于正确指导运行。8.1.3 研究装置动力学的方法8.1.3 研究装置动力学的方法实验测定
数学模拟实验测定实验测定实验测定是在实际装置上通过实验获得装置的动态特性。在核动力船舶的发展过程中，往往先建造陆上模式堆或核动力实验船，从这些装置中获得必要的实验数据。这种在实际装置上进行实验所获得的第一手资料，比较客观地反映了装置的动态特性，是研究装置动力学的重要原始资料。
在陆上模式堆或实验船上只能进行小扰动下的动态实验。对于一些重大事故或极端事故就无法模拟。在实际装置中很难排除各系统，设备之间的互相干扰和影响。也很难根据实验要求随时改变设备尺寸、结构和参数。
实验结果往往无法满足理论分析的需要。也难以排除一些随机因素的干扰。所有实验只能在装置建成后进行，不能及时为装置设计提供依据。
台架模拟，又称物理模拟，根据所要研究的课题，建成一比一或按相似理论缩小的实验台架。数值模拟数值模拟根据压水堆核动力装置的物理和热工过程的基本原理，建立一组描述装置动态特性的微分方程，这组方程称为装置的动力学模型。通过对装置动力学模型在给定的边界条件下求解，找出各参数随时间变化的规律，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。
分布参数：用偏微分方程来描述，微分方程组往往又是非线性的，给分析求解带来许多困难。
需要进行若干必要的简化和假设，忽略对动态过程影响不大的次要因素，抓住动态过程的主要矛盾。 数学模型的求解方法数学模型的求解方法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。常用的求解方法有三种，即解析法，数值解法和电模拟计算法。
解析法
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T之间的解析
表
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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。
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时间函数，则很难用解析法给出装置的动态特性。
null数值计算法
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t时刻的有关参数的值。
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。
数值计算一般要经过以下步骤：
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。
择适当的计算方法，确定解题步骤。
编制计算程序。
上机计算。
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。
null电模拟计算法
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。
用该方法解装置动力学问题，一般要经过以下几个步骤：
建立动力学模型，确定初始条件和边界条件。
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。
绘制排题图。
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。
对计算结果进行分析。
8.2反应堆动力学 8.2反应堆动力学 反应堆中子动力学方程
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。
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
8.2反应堆动力学 8.2反应堆动力学 堆内热力系统的微分方程
在建立反应堆集中参数热动力学方程时，作如下假定：
反应堆内的燃料温度一致，堆内的冷却剂温度也一致；
冷却剂的流量为常数；
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。
燃料元件的热平衡方程为
反应堆内冷却剂热平衡方程为8.3管道传输动力学 8.3管道传输动力学 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本相同。
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存在一定的滞后过程。
8.3管道传输动力学 8.3管道传输动力学 主冷却剂系统冷管段和热管段传输滞后方程
泰勒级数展开8.4蒸汽发生器的动力学 8.4蒸汽发生器的动力学 蒸汽发生器一回路侧动力学方程
采用集中参数法推导蒸汽发生器的动态方程。
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。
蒸汽发生器一回路侧主冷却剂的热平衡方程为：
8.4蒸汽发生器的动力学 8.4蒸汽发生器的动力学 蒸汽发生器二回路侧动力学方程
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：
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；
蒸汽发生器具有良好的热绝缘，忽略壳体对环境的散热。
8.4蒸汽发生器的动力学 8.4蒸汽发生器的动力学 质量守恒方程
8.4蒸汽发生器的动力学 8.4蒸汽发生器的动力学 能量守恒方程
考虑到
8.4蒸汽发生器的动力学 8.4蒸汽发生器的动力学 液面以下蒸汽容积与压力和蒸汽产量关系
8.4蒸汽发生器的动力学 8.4蒸汽发生器的动力学 新蒸汽节流阀开度与负荷的关系
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 8.5稳压器动力学8.5稳压器动力学基本假设和热力系统模型
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：
在t时刻进入稳压器的任何蒸汽都包括在汽相（G）内；在t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外，都包括在液相（L）内，液相（L）还包括波动管内某一数量的液体。
在动态过程中，汽相（G）和液相（L）中介质的质量随时间连续变化。虽然液相（L）不包括t时刻正在降落的喷淋液滴，但包括在t时刻之前进入水面的喷淋液滴。8.5稳压器动力学8.5稳压器动力学稳压器中的质量变化
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；
由喷淋管进入稳压器的喷淋水质量；
由卸压阀流出稳压器的蒸汽质量；
在喷淋的液滴上冷凝的蒸汽质量；
在蒸汽空间稳压器壁面冷凝的蒸汽质量；
在汽水分界面上蒸发的水质量；
在汽水分界面上冷凝的蒸汽质量；
由安全阀流出稳压器的蒸汽质量。8.5稳压器动力学8.5稳压器动力学稳压器内的传热过程
自蒸汽向喷淋液滴的传热
自蒸汽向壁面的传热
在汽水分界面上的传热
电加热器向液相水的传热8.5稳压器动力学8.5稳压器动力学简化和假设
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；
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，在液相中与壁面的热量交换忽略不计。
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；
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；
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，蒸汽空间保持足够的高度，这一假设符合实际过程。8.6 压水堆核动力装置的动态特性8.6 压水堆核动力装置的动态特性压水堆核动力装置的自稳自调特性
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，即具有良好的自稳自调特性。
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能。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 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
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系数绝对值越大，装置的自稳特性越好。
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。 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
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。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、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，那么反应堆功率与二回路负荷失去平衡
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，直到达到新的平衡为止。 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 负荷阶跃下降时的压力响应特性
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。
负荷阶跃上升时的压力响应特性
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，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。 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
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