Simulación de una turbina de vapor de una central nuclear con ATHLET

Abstract

La turbina de vapor es una parte muy importante del circuito secundario de una central nuclear. Debido a que desde el punto de vista del análisis de la seguridad de una central nuclear, la turbine de vapor tiene una menor prioridad que el circuito primario, normalmente se emplean modelos muy simples para representarla. Esto implica que su influencia en el circuito primario no puede considerarse. El código termo-hidráulico ATHLET (Analysis of Thermal-hydraulics of Leaks ant Transients) se emplea normalmente para analizar el circuito primario de centrales nucleares. Sin embargo, la simulación de la turbina de vapor, donde la energía térmica producida en el circuito primario se convierte en energía mecánica, y más tarde en electricidad en el generador, se ha considerado de interés, ya que una buena simulación del circuito secundario proporciona una visión más realista del comportamiento de la central nuclear a distintos estados de operación y durante transitorios. Por este motivo, ATHLET se ha empleado en este proyecto para simular la parte de la turbina de vapor de la central nuclear. El propósito de este proyecto es modelar la turbina de vapor y sus componentes adyacentes con la ayuda del código alemán ATHLET. La turbina considerada existe, y se utiliza en el circuito secundario de un reactor nuclear a presión alemán (PWR). El sistema modelado está formado por una turbina de alta presión, un separador de agua y vapor, un calentador, una turbina de baja presión y un condensador. Metodología El objetivo final de este proyecto era simular condiciones transitorias para este sistema de la turbina de vapor. Para poder simular transitorios, la simulación del sistema bajo condiciones normales de operación fue necesaria previamente. Por este motivo, el trabajo fue dividido en dos partes: 1. La simulación de la turbina de alta y de baja, y del sistema conectado bajo condiciones normales de operación. 2. La simulación de transitorios para el sistema completo Se han modelado dos turbinas distintas empleando los datos de diseño disponibles, porque la información referente a medidas reales durante transitorios no estaba disponible al comenzar el proyecto. Por este motivo, el modelo de una antigua turbina fue realizado primero. Finalmente, cuando se consiguieron las medidas reales de transitorios, el modelo fue adaptado a través de varias modificaciones a la nueva turbina. El sistema se ha modelado utilizando datos reales y nominales de un reactor nuclear a presión alemán del tipo Convoy. La información de la planta que ha sido empleada durante el proceso de modelado y simulación incluía potencia, entalpía, presión, temperatura y flujo másico a la entrada y salida de los componentes principales del sistema. Debido a la confidencialidad de los datos reales de la planta, todos los resultados incluidos en el proyecto están normalizados, tomando como referencia los valores a la entrada de la nueva turbina de alta presión. El sistema de la turbina de vapor está formado por dos partes principales: la turbina de alta presión y la de baja presión. Como el vapor procedente del circuito primario se encuentra a una elevada presión, se expande primero en la turbina de alta, y después en la de baja. Con el fin de aumentar la eficiencia de la turbina de baja, hay dos componentes entre ambas turbinas que también han sido modelados: un separador de vapor y agua y un calentador. Cuando el vapor sale de la turbina de baja se condensa en el condensador.

The steam turbine component is an important part of the secondary side of a nuclear power plant. Because it has a lower priority in the safety analysis of a plant, the turbine is usually only modeled as either a set of control signals in the system code ATHLET (Analysis of Thermal-hydraulics of Leaks ant Transients) or a turbine valve in TRACE. That means that the influence of the turbine system on the primary side cannot be taken into consideration. The thermal-hydraulic computer code ATHLET has been mainly applied for the analysis of the primary loop of a NPP. However, the simulation of the steam turbine, where the thermal energy produced by the primary loop is converted into mechanical energy and further in the generator into electricity, has been considered interesting, since a good simulation of the secondary loop provides a more realistic view of the behavior of a NPP at different operation states and during transients. For this reason, ATHLET has been used in this work to simulate the steam turbine part of the NPP. The purpose of this Master’s Thesis is to model a steam turbine and its adjacent components with the help of the German system code ATHLET, developed by GRS (Geschellschaft für Anlagen- und Nukleartechnik mbH). The considered turbine exists,and it is used in the secondary loop of a typical German Pressurized Water Reactor (PWR). The system modeled consists of a high-pressure turbine, a steam-water separator, an over-heater, a low-pressure turbine and a condenser. Methodology The final goal of this Master’s Thesis was to simulate transient conditions for this modeled steam turbine system. In order to simulate transients, the simulation of the system at nominal operational conditions was required first. Therefore, the work has been divided into two parts: 1. The steady state simulation of the HP and LP turbines and connected systems 2. The simulation of transients for the modeled system Two different turbines have been modeled using the available design data because the transient measurements data of the new turbine was not available at the beginning of work. For this reason the model of an older turbine was developed first. Finally, when the data for transient’s simulations was available, the model was adapted to the new turbine by inserting some modifications. The system has been modeled using design and measurement data from a typical German PWR of Convoy type. The plant data used during the modeling and simulation process included system power, enthalpies, pressures, temperatures and mass flows of the inlet and outlet of main components. Since the real data of the plant is confidential, all the values included here are normalized. The values that have been taken as the reference for the normalization are those at the inlet of the high-pressure new turbine under normal operation conditions. The steam turbine system consists of two main parts: the high-pressure turbine and the low-pressure turbine. Since the steam that comes from the steam generator is at high pressure, it is expanded first in the high-pressure turbine, and later in the low-pressure turbine. In order to raise the efficiency of the low- pressure turbine, there are two components in between the two turbines that have been modeled as well: the steamwater separator and the over-heater. The steam is expanded in the low-pressure turbine, and then it flows to the condenser, the last component of the modeled system, where it is condensed.