直流蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)過程仿真

陳保同，劉翠英，劉現(xiàn)星

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

由于直流蒸汽發(fā)生器(Once-Through Steam Generator，OTSG)具有體積小、機(jī)動(dòng)性能好、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，在國外核動(dòng)力裝置已得到廣泛研究和應(yīng)用。直流蒸汽發(fā)生器是通過使給水一次強(qiáng)迫循環(huán)流過其換熱部分來產(chǎn)生蒸汽，因此啟動(dòng)時(shí)不可避免地會(huì)經(jīng)歷蒸發(fā)器加熱管束全為過冷段(出口為水)、加熱管束依次為過冷段和沸騰段(出口為汽水混合物)、加熱管束依次為過冷段、沸騰段和過熱段(出口為過熱蒸汽)等3個(gè)階段［1］，在啟動(dòng)過程中，存在強(qiáng)烈的流動(dòng)不穩(wěn)定性和壁溫波動(dòng)，并伴隨著干濕交替現(xiàn)象［2］。毫無疑問，開展直流蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)過程研究，對于提高核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有十分重要的實(shí)際意義。

本文針對直流蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)過程的特點(diǎn)，建立了包括直流蒸汽發(fā)生器在內(nèi)的啟動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真模型。并在此基礎(chǔ)上開展了熱態(tài)啟動(dòng)、冷態(tài)啟動(dòng)2種啟動(dòng)方式的仿真試驗(yàn)研究。

1 啟動(dòng)過程及工作原理

在啟動(dòng)過程中，直流蒸汽發(fā)生器二次側(cè)出口熱水或濕蒸汽進(jìn)入啟動(dòng)汽水分離器進(jìn)行分離，分離出的蒸汽供耗汽設(shè)備使用，冷凝器中的冷卻凝水抽出，經(jīng)給水泵加壓后輸送到直流蒸汽發(fā)生器進(jìn)行再循環(huán)。啟動(dòng)系統(tǒng)示意圖見圖1。

OTSG有2種啟動(dòng)方式，即熱態(tài)啟動(dòng)和冷態(tài)啟動(dòng)。

圖1 OTSG啟動(dòng)系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Scheme flow paths of the start-up system

冷態(tài)啟動(dòng):OTSG一、二次側(cè)都為常溫常壓，在系統(tǒng)完成啟動(dòng)前的所有準(zhǔn)備工作后，啟動(dòng)給水泵向OTSG提供相應(yīng)于最低穩(wěn)定運(yùn)行功率的給水，通過壓力調(diào)節(jié)裝置維持蒸發(fā)器出口壓力，提升OTSG一次側(cè)溫度，直至直流蒸汽發(fā)生器出口蒸汽參數(shù)滿足用汽需求。

熱態(tài)啟動(dòng):OTSG充滿水，OTSG升溫升壓至一定溫度之后，再啟動(dòng)給水泵向OTSG提供相應(yīng)于最低穩(wěn)定運(yùn)行功率的二次側(cè)給水，通過壓力調(diào)節(jié)裝置維持OTSG出口壓力，繼續(xù)提升OTSG一次側(cè)溫度，直至OTSG出口蒸汽參數(shù)滿足用汽需求。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 基本守恒方程

依據(jù)結(jié)構(gòu)和功能將蒸汽流道分割成若干計(jì)算控制體，分別建立不可凝氣體質(zhì)量方程，汽、液質(zhì)量方程，汽、液動(dòng)量方程，汽、液能量方程共7組方程。在兩相流動(dòng)特性計(jì)算中，為了簡化并保證計(jì)算過程的穩(wěn)定性，假定汽液兩相具有相同相速度而不考慮汽液兩相之間的滑移效應(yīng)，這種假設(shè)能滿足仿真分析模型的精度要求。

2.2 兩相不平衡模型

液相溫度如果不等于飽和溫度，則認(rèn)為汽液兩相處于不平衡狀態(tài)，相間將發(fā)生熱交換。各相與兩相間界面的熱流密度用下面方程進(jìn)行計(jì)算:

2.3 汽液兩相界面的傳熱

假設(shè)所有包含熱量的質(zhì)量不在兩相交界面內(nèi)，也就是兩相交界面內(nèi)的工質(zhì)對兩相的熱流密度沒有影響。

界面?zhèn)鳠崧?

2.4 兩相流傳熱模型

兩相傳熱系數(shù)的計(jì)算取決于流體的密度、流動(dòng)速度、導(dǎo)熱率等物性參數(shù)，受計(jì)算控制體的物理狀態(tài)影響(壓力、焓)?？紤]兩相傳熱的復(fù)雜性，在計(jì)算流體壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時(shí)根據(jù)流體狀態(tài)將傳熱過程沿流道分區(qū)，分別對不同的傳熱區(qū)域進(jìn)行計(jì)算?？紤]運(yùn)算精確度與實(shí)時(shí)性的要求，單相液體對流、單相汽體對流(強(qiáng)迫對流)傳熱系數(shù)的計(jì)算選用Dittus-Boelter公式，泡核沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算選用Chen公式，膜態(tài)沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算選用Bailey公式，汽態(tài)的冷凝效應(yīng)采用 Boyko-Kruzhilin公式，并考慮了流體的自然對流換熱方式。上述這些傳熱模型在核動(dòng)力熱工計(jì)算上有著廣泛的應(yīng)用，并已被證明是滿足熱工分析精度要求的。

2.5 流體壓降和物性方程的計(jì)算

流體壓降主要包括摩擦壓降、提升壓降及局部阻力壓降。單相流、兩相流的壓降計(jì)算根據(jù)流型的狀態(tài)和特點(diǎn)，相應(yīng)采用不同的計(jì)算公式。模型中物性參數(shù)包括固體物性參數(shù)和流體物性參數(shù)，后者又分成水及水蒸氣與不可凝氣體兩類分別建模。

2.6 OTSG模型

目前已有較為精確的OTSG熱工水力分析模型［4－6］，不過這些模型皆為穩(wěn)態(tài)分析程序，不能滿足仿真模型使用要求。另有一些為仿真建立的動(dòng)態(tài)模型［3，7］，只是選定不同工況進(jìn)行擾動(dòng)，并不能完全模擬OTSG負(fù)荷從0～100% ～0這種全工況的連續(xù)變化過程。精確計(jì)算OTSG參數(shù)非常耗時(shí)，如果采用極其精細(xì)的模型，很難達(dá)到實(shí)時(shí)仿真的要求。本系統(tǒng)OTSG模型采用一些簡化處理，使之能滿足實(shí)時(shí)仿真的要求:不考慮管間脈動(dòng)的影響;且對于汽液共存時(shí)，兩相總是處于飽和狀態(tài);OTSG內(nèi)各點(diǎn)工質(zhì)相應(yīng)參數(shù)相同，且同步變化，即按集總參數(shù)處理。

本系統(tǒng)中，OTSG可以產(chǎn)生汽水混合物、過熱蒸汽，在低功率下(水蒸氣產(chǎn)生時(shí))，會(huì)產(chǎn)生壓力和流量震蕩，隨著功率的增加，震蕩消失，OTSG內(nèi)汽水轉(zhuǎn)換達(dá)到穩(wěn)態(tài)，出現(xiàn)下段過冷水，上半段為過熱蒸汽，中間段為汽水共存的飽和狀態(tài)。這種特性完全滿足本啟停系統(tǒng)對OTSG的仿真要求。

2.7 啟停分離器模型

模型假設(shè):

1)分離器內(nèi)各點(diǎn)工質(zhì)的相應(yīng)參數(shù)相同，且同步變化，即分離器內(nèi)工質(zhì)按集總參數(shù)處理。

2)分離器處于汽水兩相共存時(shí)，總處于飽和狀態(tài)。

連續(xù)方程:

能量方程:

壓力變動(dòng)方程:

輔助方程:

其中，Dq為分離器的產(chǎn)汽量，kg/s;x為進(jìn)入分離器的工質(zhì)干度，x=(h1－h(huán)s)/r;V=Vs+Vq為分離器的總?cè)莘e;D1為進(jìn)入分離器的工質(zhì)流量，kg/s;D2為分離器分離出的蒸汽量，kg/s;D3為啟動(dòng)分離器排水量，kg/s。

2.8 冷凝器模型

冷凝器用做汽機(jī)和其他輔機(jī)及蒸汽排汽裝置，它也接收來自給水加熱器疏水等各路疏水。本文只考慮啟動(dòng)分離器分離后排出的蒸汽和疏水。由于核動(dòng)力裝置在啟動(dòng)階段冷凝器不抽真空，故本文所涉及的模型只考慮熱交換。即疏水和排汽與循環(huán)冷卻水的熱交換。因此，可將冷凝器簡化為一換熱器模型處理。

2.9 給水泵模型

采用通用的離心泵模型。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 仿真初始條件

OTSG一次側(cè)冷卻劑為常溫常壓，內(nèi)、外管冷卻劑流量按比例設(shè)為定值;二回路系統(tǒng)滿水，常溫常壓。冷凝器的循環(huán)水流量設(shè)為定值，循環(huán)水為常溫。

3.2 啟動(dòng)過程

冷態(tài)啟動(dòng):啟動(dòng)凝水增壓泵、電動(dòng)給水泵，調(diào)整給水閥開度，保持給水流量為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的啟動(dòng)流量。OTSG一次側(cè)以規(guī)定速度升溫升壓，控制啟動(dòng)分離器出口閥門開度，維持OTSG出口壓力，直至啟動(dòng)分離器出口蒸汽滿足要求。

熱態(tài)啟動(dòng):OTSG一次側(cè)以一定速度升溫升壓至規(guī)定值后，啟動(dòng)凝水增壓泵、電動(dòng)給水泵，調(diào)整給水閥開度，建立并保持給水流量為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的啟動(dòng)流量，控制啟動(dòng)分離器出口閥門開度，維持OTSG出口壓力。OTSG一次側(cè)繼續(xù)以一定速度升溫升壓，直至啟動(dòng)分離器出口蒸汽滿足要求。

啟動(dòng)過程直流蒸汽發(fā)生器(OTSG)出口壓力變化見圖2，冷態(tài)啟動(dòng)過程OTSG出口壓力基本上保持不變，只在OTSG出現(xiàn)兩相時(shí)有波動(dòng);熱態(tài)啟動(dòng)OTSG出口壓力隨著一次側(cè)工質(zhì)升溫逐漸升高，一次側(cè)工質(zhì)升壓時(shí)OTSG出口壓力變化不大，OTSG出口壓力劇烈波動(dòng)出現(xiàn)在開啟給水泵時(shí)候。

圖2 OTSG出口壓力Fig.2 Steam pressure at OTSG outlet

啟動(dòng)過程分離器水位見圖3，給水流量和蒸汽流量變化見圖4和圖5，熱態(tài)啟動(dòng)在啟動(dòng)過程首先出現(xiàn)兩相，在OTSG出口有蒸汽，而在給水出現(xiàn)后則變?yōu)閱蜗嗨?。隨著一次側(cè)工質(zhì)繼續(xù)升溫，OTSG則再次出現(xiàn)兩相，OTSG出口有蒸汽，直至過熱，這在圖6熱態(tài)啟動(dòng)過程OTSG沿高度上空泡份額變化表現(xiàn)的更加清楚。

圖3 啟動(dòng)分離器水位Fig.3 Separator level

4 結(jié)語

本文通過對OTSG啟動(dòng)系統(tǒng)建模，建立了OTSG啟動(dòng)過程實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，開展了OTSG冷態(tài)啟動(dòng)和熱態(tài)啟動(dòng)仿真試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2種啟動(dòng)耗時(shí)相差無幾，但冷態(tài)啟動(dòng)過程操作簡單，容易控制，只需通過啟停系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)裝置維持蒸發(fā)器出口壓力即可。

圖7 冷態(tài)啟動(dòng)OTSG沿高度空泡份額Fig.7 Vapor along OTSG for cooled start-up

熱態(tài)啟動(dòng)思路是OTSG啟動(dòng)初期，啟動(dòng)分離器作為OTSG中水介質(zhì)的膨脹空間，因而啟動(dòng)分離器壓力和水位控制在啟動(dòng)初期中非常重要。本文熱態(tài)啟動(dòng)仿真試驗(yàn)都是通過在仿真開始時(shí)設(shè)置好分離器出口閥的開度來限制疏水和蒸汽流量。很明顯，啟動(dòng)分離器出口閥的開度設(shè)置和控制對熱態(tài)啟動(dòng)有非常大的影響。

在啟動(dòng)過程中，OTSG加熱段發(fā)生相變時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)壓力、溫度都會(huì)有很大波動(dòng)，尤其是水相向汽相轉(zhuǎn)換過程中有“噴發(fā)”現(xiàn)象。在熱態(tài)啟動(dòng)的第二階段，即啟動(dòng)凝水增壓泵、電動(dòng)給水泵，調(diào)整給水閥開度，建立啟動(dòng)流量時(shí)，由于要將20～30℃冷水進(jìn)入OTSG有較高溫度的汽水混合物或過熱蒸汽的加熱段，壓力、溫度波動(dòng)會(huì)更劇烈。

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