Control oriented finite volumes and Moving Boundaries modeling of Once-through Steam Generators

Thanks to its compact size, high thermal efficiency and fast response to loads, the Once-through Steam Generator (OTSG) usage is rising in the nuclear industry. An accurate and simple dynamic model of such a complex thermohydraulic system is therefore necessary to design the control system of the OTSG. The present work developed a distributed Finite-Volumes (FV) model in the Modelica language. The OpenModelica model uses two pipes with one metal wall component as a steam generator prototype and adopts counter flow design. The model is compared with a lumped Moving Boundaries (MB) model developed and solved with MATLAB. The two are verified with the design specifications of the Three-mile Island OTSG unit made by Babcock & Wilcox. After steady state verification, transient analysis and different heat load conditions are simulated to investigate the effects of different control strategies for the OTSG. A rather simple and easy to solve MB model is shown to accurately predict global outlet conditions and the magnitude of the main heat transfer regions (subcooled, evaporator, superheating). On the other hand, the FV model results to be superior in giving a deeper insight of the behavior of local thermohydraulic properties as well as the two-phase phenomena inside the evaporator thanks to its denser discretization grid. Based upon the analysis of the simulation results, it is concluded that the models developed in this study are in good agreement with the available technical data. They result to be complementary in providing reliable predictions of steam generator behavior during both steady state and transient conditions.

Grazie alle sue dimensioni compatte, all'elevata efficienza termica e alla rapida risposta alle variazioni di potenza, il Once-through Steam Generator (OTSG) viene utilizzato sempre di più nell'industria nucleare. Un accurato e semplice modello dinamico di un sistema termoidraulico così complesso è quindi necessario ai fini di una progettazione volta al controllo del sistema. Il presente lavoro ha sviluppato un modello distribuito a Volumi Finiti (FV) nel linguaggio Modelica. Il modello OpenModelica utilizza come prototipo di generatore di vapore uno scambiatore di calore a tubi concentrici separati da una parete metallica e operando in una configurazione controcorrente. Il modello viene poi confrontato con un modello a parametri concentrati Moving Boundaries (MB) sviluppato e risolto con MATLAB. I due sono verificati in seguito con le specifiche tecniche dell'unità OTSG di Three-mile Island realizzata da Babcock & Wilcox. Dopo la verifica, svariati transitori e condizioni di carico termico vengono simulate per studiare gli effetti di diverse strategie di controllo per l'OTSG. Il modello MB, piuttosto semplice e di facile risoluzione, ha dimostrato di prevedere accuratamente le condizioni globali all’ uscita dell’OTSG e le relative lunghezze delle regioni sottoraffreddata, bifase e vapore. Il modello FV risulta invece superiore nel fornire un’analisi più approfondita e dettagliata sul comportamento locale delle grandezze termodinamiche e della fenomenologia bifase interna all'evaporatore. Sulla base di un confronto dei risultati ottenuti con i dati tecnici disponibili, si conclude che i modelli sviluppati in questo studio risultano essere complementari nel fornire previsioni affidabili del comportamento del generatore di vapore sia in condizioni stazionarie che transitorie.