modeling of the steam system in a bwr - diva 478056/...modeling of the steam system in a bwr - a...

Download Modeling of the steam system in a BWR - DiVA 478056/...Modeling of the steam system in a BWR - A model…

Post on 15-Mar-2019

212 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

ES11023

Examensarbete 30 hpDecember 2011

Modeling of the steam system in a BWR A model of Ringhals 1

Thomas Norberg

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besksadress: ngstrmlaboratoriet Lgerhyddsvgen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 471 30 03 Telefax: 018 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Modeling of the steam system in a BWR - A model ofRinghals 1

Thomas Norberg

A nuclear power plant is a very complex dynamic system with a lot of built inregulators and security systems that make it almost impossible to know by reasoning,exactly how the system dynamics is going to react due to e.g. plant modifications,transients or operator behaviors. A common way to find out is to build a computermodel and simulate the system. This master thesis is about building a dynamic modelof the steam system in the boiling water reactor Ringhals 1. The model has beendeveloped in the modeling-/simulating software Dymola and the components arewritten in the programming language Modelica. The model contains the most criticalcomponents in the steam system from reactor tank to condenser and also the mostimportant parts of the control systems.

The final model has been compared to real power plant data from Ringhals 1 for fullpower operation, reduced power and a turbine trip. During steady state conditionsthe model has good compliance with the available data in most positions of the steamsystem. Due to absence of good data the results of the dynamic verification for thedrop of load and turbine trip is incomplete. Instead the plausibility of the systembehavior has been done. The results are good but the magnitudes of the transientsare impossible to evaluate.

Two major weaknesses have been found during the verification of the model. Theyare the turbine behavior during off-design load and various transients, and the controlof the flow through the tube side of the reheater. The lack of mass flow data is alsomaking it hard to fully trust the model.

The final conclusion is that the steam system model is not ready to take on realproblems, but it is a good basis for further development and utilization. The abovementioned problems have to be looked further into and depending on the intendedusage of the model; it may be necessary to modify it to more exactly describe certainparts of the steam system.

ISSN: 1650-8300, ES11023Examinator: Kjell Pernestlmnesgranskare: Michael sterlundHandledare: Michael Nordstrm

Sammanfattning Ett krnkraftverk r ett vldigt komplext dynamiskt system med mngder av regulatorer och

skerhetssystem som gr det vldigt svrt att frutsp exakt vad fljderna av en

anlggningsfrndring, en transient eller ett operatrsingripande kommer att bli i de olika delarna av

systemet. Fr att undvika hndelser som kan stra elproduktionen eller till och med tillflligt avbryta

den s r det drfr vldigt viktigt att man utreder detta innan man hamnar i en specifik situation. Ett

vanligt stt att gra kvalificerade gissningar fr olika hndelsefrlopp i ett avancerat system r

genom att modellera och simulera det. Drmed kan man redan i frvg utbilda operatrer fr olika

hndelsescenarion och innan en anlggningsndring utfrs r det mjligt att testa dem i modeller

och se hur de pverkar systemet i stort och ifall man dimensionerat komponenterna rtt.

Det hr examensarbetet gr ut p att bygga en dynamisk modell ver ngsystemet i

kokvattenreaktorn Ringhals 1. Mlet r att modellera krnkraftverket frn reaktortank till kondensor

och sedan verifiera modellen mot verklig data hmtad frn blockdatorn p Ringhals 1. Primrt ska

modellen verifieras mot ett fulldriftsfall men det ska ocks verifieras mot ngra av de vanligare

transienterna i ett ngsystem. Dessa r ett lastbortfall; d lasten p generatorn frn det yttre ntet

pltsligt sjunker, samt ett turbinsnabbstopp; d all generering av elektricitet stoppas.

Modellen r uppbyggd i Dymola som r bde ett textbaserat och grafisk modelleringsprogram.

Programmeringssprket som modellerna r uppbyggda i r Modelica. Komponenterna r uppbyggda

var fr sig och drefter sammankopplade till en strre ngsystemmodell. Komponenterna som

anvnds i ngsystemet r tagna ur Modelicas standardbibliotek och Solvinas egenutvecklade

SteamPower-bibliotek. Dessa modeller har sedan modifierats och vidareutvecklats fr att fungera i

ngsystemet.

Den frdiga modellen verifierades frst mot stabil fullfldesdrift och visade sig kunna beskriva det

verkliga systemet mycket vl. Fr tolv olika mtpunkter mellan reaktortank och kondensor s skiljer

sig trycket mellan simulering och mtning med maximalt ~1 %. Fr temperaturerna i systemet s r

motsvarande skillnad maximalt ~4 %, medan 11/12 mtpunkter skiljer sig mindre n 1 %. Fr fallet

med reducerad effekt r skillnaderna mellan modell och verklighet ngot strre.

Vad gller den dynamiska verifieringen s r resultaten ofullstndiga. Tillgnglig data frn Ringhals 1

r samplad med i bsta fall en minuts mellanrum och i mnga fall mer sllan. Frutom det s r

massfldena i de flesta delar av ngsystemet oknda d vi lmnar det designade fullfldesfallet.

Detta gr det omjligt att verifiera dynamiken i systemet. I stllet har en analys av rimligheten i

ngsystemets och reglersystemets beteende gjorts fr ett lastfrnslag och ett turbinsnabbstopp.

Resultatet av analysen r i huvudsak goda men det finns en del briser som mste tgrdas och

storleken p transienterna r omjliga att bedma med tanke p bristen p data.

Under verifieringen av modellen har tv strre brister i modellen framkommit. Den ena r turbinens

beteende d den krs utanfr dess nominella effekt samt dess beteende vid transienter, och det

andra r hur det varma fldet genom mellanverhettarna styrs vid varierande driftfall.

Slutsatsen r att ngsystemmodellen inte r fullt redo att anvndas i ett skarpt projekt, men att det

r en bra basmodell som gr att vidareutveckla efter behov. Det som behver tgrdas innan

anvndning r framfr allt de tv bristerna nmnda ovan samt att en kalibrering och verifiering av

modellens dynamik mste gras.

Table of Contests I. Nomenclature .................................................................................................................................. 1

II. List of figures ................................................................................................................................... 4

1 Introduction ..................................................................................................................................... 7

1.1 History of nuclear energy ........................................................................................................ 7

1.2 Background .............................................................................................................................. 7

1.3 Problem description ................................................................................................................ 8

1.4 Method .................................................................................................................................... 8

1.5 Delimitations ........................................................................................................................... 8

2 Power plant theory .......................................................................................................................... 9

2.1 Description of the steam system in Ringhals 1 ....................................................................... 9

2.1.1 Reaktor tank (system 211)............................................................................................. 10

2.1.2 Steam transporting system (system 411) ...................................................................... 11

2.1.3 Steam dump system (system 423) ................................................................................ 11

2.1.4 Main steam system (system 412) .................................................................................. 11

2.1.5 Condenser (system 413) ................................................................................................ 13

2.1.6 Control system in Ringhals 1 ......................................................................................... 13

3 Theory ............................................................................................................................................ 15

3.1 Fluid mechanics ..................................................................................................................... 15

3.2 Turbine theory ....................................................................................................................... 16

3.3 Control theory ....................................................................................................................... 18

3.4 Modeling and simulating with Modelica/Dymola ................................................................. 20

3.4.1 Modelica ........................................................................................................................ 20

3.4.2 Dymola ........................................................................................................................... 21

4 Modeling of the steam system ...................................................................................................... 23

4.1

Recommended

View more >