蒸汽蓄熱器充汽過程建模仿真及優(yōu)化設(shè)計

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(1.國核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 100190；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

蒸汽蓄熱器充汽過程建模仿真及優(yōu)化設(shè)計

段巖峰1，蔡鼎2，江小松1，趙瑞昌1，田芳1，劉金福2

(1.國核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 100190；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了深入分析蒸汽蓄熱器充汽過程，提出利用建模仿真的方法對充汽過程進行分析，通過建立蒸汽蓄熱器充汽過程數(shù)學(xué)模型，搭建基于Simulink的仿真模型，仿真分析液側(cè)對流強度、汽液交界面換熱系數(shù)以及汽側(cè)對流強度對于充汽過程的影響。結(jié)果表明，液側(cè)對流越強，汽液交界面換熱系數(shù)越大，汽側(cè)對流越強，充汽過程達到飽和狀態(tài)越快。因此通過強化液側(cè)對流和汽側(cè)對流換熱能夠加快蒸汽蓄熱器充汽過程，對于蒸汽蓄熱器優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

蒸汽蓄熱器；充汽過程；建模仿真；優(yōu)化設(shè)計；對流強度；換熱系數(shù)

在CAP1400 PCS綜合性能試驗中，由于蒸汽源能力有限，無法提供試驗所需最大流量，因此在工藝回路中設(shè)置蒸汽蓄熱器，通過蒸汽源預(yù)先加熱蓄熱器中液體，積蓄高能汽液工質(zhì)，在試驗時與蒸汽源共同作用，滿足試驗的大流量需求。

蒸汽蓄熱器作為儲蓄交換能量、提高熱能密度的裝置，在工業(yè)及國防領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1-6]。在火力機組中，熱力除氧器要求快速達到飽和狀態(tài)，從而將溶于水中的氣體除去[7]；在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，蒸汽蓄熱器作為關(guān)鍵部件，其動靜態(tài)特性直接影響太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和安全性[8-9]；在國防領(lǐng)域，船用蒸汽蓄熱器作為艦船上彈射裝置的重要組成部分，具有充、放汽時間短，瞬時蒸汽產(chǎn)量大、充放汽間歇與連續(xù)并存的特點[10]。

蒸汽蓄熱器的充汽過程作為能量存儲，提高能量密度的關(guān)鍵過程。充汽過程所導(dǎo)致的能量吸收與存儲的效果直接影響蒸汽蓄熱器的性能。充汽過程要求充汽時間短、水溫分布均勻且飽和、壓力穩(wěn)定。因此研究蒸汽蓄熱器的充汽過程特性，分析影響充汽效果因素，改進蒸汽蓄熱器的設(shè)計具有重要意義。

國內(nèi)外對于蒸汽蓄熱器的研究比較早，主要集中于仿真模擬和實驗研究。文獻[11]對蒸汽蓄熱器的蓄熱能力搭建模型計算并進行分析，但是其沒考慮充汽的、動態(tài)過程。文獻[12]基于平衡熱力學(xué)理論給出了蒸汽蓄熱器快速充汽過程的數(shù)學(xué)模型，表明充水的初始參數(shù)對蒸汽的時間影響很大，而金屬質(zhì)量對充汽過程影響有限，但是其沒有考慮汽液換熱情況對充汽過程的影響。文獻[13]研究了充汽閥門不同控制策略對充汽時間和充汽蒸汽流量的影響。

1 蒸汽蓄熱器充汽過程

1.1 蒸汽蓄熱器的結(jié)構(gòu)

蒸汽蓄熱器是由蓄熱器本體、進水/疏水管路、蒸汽進汽管路、出汽管路及汽水分離裝置、測量系統(tǒng)及各管路上的閥門組成。蒸汽蓄熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 蒸汽蓄熱器充汽過程

蓄熱器的充汽過程指除鹽水吸收過熱蒸汽，溫度不斷升高，直至上升至飽和水溫度的過程。過熱蒸汽經(jīng)過進汽閥進入蓄熱器，蒸汽從蓄熱器底部通入蓄熱器中，蒸汽與水進行對流換熱，一部分蒸汽冷凝成水，一部分蒸汽進入蓄能上側(cè)汽空間。同時上側(cè)過熱蒸汽不斷與下側(cè)水進行換熱，水的溫度和焓值不斷升高，上側(cè)蒸汽冷凝成水，溫度和壓力下降，直到蓄熱器內(nèi)除鹽水溫度上升至飽和水的溫度，此時蓄熱器達到熱平衡狀態(tài)，這為蓄熱器的閃蒸提供足夠的能量儲存。圖2為蓄熱器充汽過程示意圖。

圖1 蒸汽蓄熱器示意圖

圖2 蒸汽蓄熱器充汽過程示意圖

2 充汽過程數(shù)學(xué)模型

根據(jù)蒸汽蓄熱器的結(jié)構(gòu)和充汽過程，以質(zhì)量守恒和能量守恒定律為基礎(chǔ)，采用集總參數(shù)方法，建立蒸汽蓄熱器的全工況仿真模型。從上述對充汽過程的分析來看，蓄熱器可分為汽側(cè)空間和水空間，由于蒸汽在水空間和汽側(cè)空間的物理過程不同，因此需對蓄熱器汽側(cè)空間和水空間分別進行建模。

在模型的建立過程中，對模型作了如下假設(shè)：

(1)模型內(nèi)部分為汽側(cè)與水側(cè)兩個部分且各部分均分別采用集中參數(shù)法計算；

(2)汽側(cè)蒸汽處于飽和狀態(tài)且汽側(cè)與水側(cè)壓力相等；

(3)忽略水的可壓縮性并認為水的比熱容不變；

(4)參與換熱的蒸汽與噴淋水皆為充分換熱，即充入蒸汽與汽側(cè)蒸汽冷凝后皆處于飽和水狀態(tài)，噴淋水加熱后也處于飽和水狀態(tài)；

(5)流體與環(huán)境間無能量交換。

①對水側(cè)

質(zhì)量守恒方程

能量守恒方程

式中 ρw——水側(cè)除鹽水密度/kg·m-3；

Vw——水側(cè)除鹽水體積/m3；

wsi——蓄能罐充汽口充入蒸汽流量/kg·s-1；

wsn1——汽水交界面上汽側(cè)飽和蒸汽冷凝量/kg·s-1；

wsp——由于壓力升高而引起的蒸汽凝結(jié)量/kg·s-1；

wso——新蒸汽未被水側(cè)吸收而進入汽測空間蒸汽量/kg·s-1；

hs——汽側(cè)焓值/J·kg-1；

hsi——新蒸汽焓值/J·kg-1；

hw——水側(cè)焓值/J·kg-1；

hwb——汽側(cè)壓力下對應(yīng)的飽和水焓值/J·kg-1；

Q——氣液交界面換熱量/J·s-1。

②對汽側(cè)

質(zhì)量守恒方程

能量守恒方程

式中 ρs——汽側(cè)蒸汽密度/kg·m-3；

Vs——汽側(cè)體積/m3。

③蒸汽入口流量

χ——相對流量系數(shù)。

④汽液交界面換熱量Q

Q=KF(Ts-Tw)

式中K——傳熱系數(shù)/W·m-2·℃-1；

F——汽水交界面面積/m2；

Ts——汽側(cè)溫度/℃；

Tw——水側(cè)溫度/℃。

⑤交界面蒸汽冷凝量wsn1

⑥所充入蒸汽進入汽側(cè)量wso

wso=c1wsi

其中，c1為進入汽側(cè)蒸汽空間所占充入蒸汽量的比例，根據(jù)經(jīng)驗，進入汽側(cè)蒸汽空間所占充入蒸汽量的比例滿足如下關(guān)系：

當(dāng)水溫度小于當(dāng)前壓力下的飽和水溫度時

式中tw——水側(cè)溫度/℃；

twb——當(dāng)前壓力對應(yīng)下的飽和水溫度/℃；

α——溫度比系數(shù)，表征了不同對流強度。

當(dāng)水溫度達到飽和水溫度后，水的溫度將不再升高，一部分飽和水變成蒸汽隨著充入蒸汽進入汽側(cè)空間，在這種情況下

需要的水和水蒸氣熱力學(xué)參數(shù)根據(jù)國際水蒸氣性質(zhì)會議確認的工業(yè)用IFC公式計算得到。

3 充汽過程仿真分析

在蓄熱器充汽過程數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立基于Matlab/Simulink仿真模型。

3.1 液側(cè)對流強度影響分析

蒸汽蓄熱器循環(huán)筒的主要作用在于增加水側(cè)的流動，從而增加對流換熱強度。蒸汽進入水側(cè)的換熱方式主要為與水的對流換熱，因此需要分析液側(cè)對流換熱強度對于充汽過程的影響。

水側(cè)對流強度的強弱直接影響蒸汽在水側(cè)的冷凝量。對流強度大，未被水吸收而進入汽側(cè)空間量少；對流強度弱，則進入汽側(cè)空間的蒸汽就多。仿真如圖3所示三種不同對流強度。仿真結(jié)果如圖4～5所示。

圖3 三種不同對流強度示意圖

圖4 不同對流強度下壓力變化趨勢

圖5 不同對流強度下水溫變化趨勢

可以看出，水側(cè)對流強度大時，壓力能夠更快達到穩(wěn)定壓力，水溫也更快達到飽和狀態(tài)。在強對流情況下，水溫達到飽和狀態(tài)時約需4 500 s，即約1.25 h；在中等對流強度條件下，水溫達到飽和狀態(tài)所需時間約為6 400 s，即1.78 h；在較弱對流強度條件下水溫達到飽和狀態(tài)時所需時間約8 600 s，即約2.4 h?？梢娫鰪娝畟?cè)對流強度可加快充汽過程達到飽和狀態(tài)。

3.2 汽液交界面換熱系數(shù)影響分析

在水蒸氣與水的導(dǎo)熱過程中，水和蒸汽的換熱熱阻起主要作用，因此考慮水與水蒸氣的換熱系數(shù)對充汽過程的影響。水的自然對流換熱系數(shù)一般為200～1 000 W/(m2·℃)，水的強制對流換熱系數(shù)一般為1 000～1 500 W/(m2·℃)。

仿真時取換熱系數(shù)K=200、500、1 000、1 500 W/(m2·℃)進行比較。仿真結(jié)果如圖6～圖7所示。

圖6 不同換熱系數(shù)下壓力變化趨勢

圖7 不同換熱系數(shù)下水溫變化趨勢

可以看出，換熱系數(shù)K=1 000 W/(m2·℃)，汽水達到飽和狀態(tài)所需時間約為15 000 s，約為4.17 h；換熱系數(shù)K=500 W/(m2·℃)，汽水達到飽和狀態(tài)所需時間約為30 000 s，約為8.33 h。由換熱系數(shù)對充汽過程的影響分析可知，換熱系數(shù)越小，所需時間越長，換熱系數(shù)減小為1/2，所需時間增加1倍。

由于充汽過程蒸汽通入循環(huán)筒形成的對流過程為自然對流，且考慮到此時的對流為局部自然對流，換熱系數(shù)較低，若取K=500 W/(m2·℃)，所需時間約為8 h；若取K=200 W/(m2·℃)，所需時間約為20 h。由此可見，充分換熱所需時間較長。

從工程角度來看，要增強水蒸氣與水之間的換熱效果，在充入蒸汽參數(shù)和過冷水初始參數(shù)一定的情況下，提高換熱系數(shù)是增強換熱的可行措施。

3.3 蒸汽蓄熱器優(yōu)化設(shè)計

從仿真分析可以看出，改善蒸汽蓄熱器充汽效果，一般可增強液側(cè)對流換熱強度，增加汽液交接面換熱系數(shù)。而汽液交界面換熱系數(shù)不能夠改變，可以增加汽液交界面積來增加換熱量，但是這受到蒸汽蓄熱器體積的限制。增強液側(cè)對流換熱強度可以在液側(cè)增設(shè)循環(huán)筒設(shè)備，增強蒸汽和水的對流，從而增強換熱。

對于圖1所示的蒸汽蓄熱器，在汽側(cè)增加噴淋裝置，增強液側(cè)的循環(huán)，強化汽側(cè)對流強度，達到改善充汽過程的目的。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 蒸汽蓄熱器優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

其中汽側(cè)質(zhì)量守恒方程為

能量守恒方程為

wsphwb-Q

式中 q1——循環(huán)水泵的流量/kg·s-1；

q2——噴淋過程中由汽側(cè)進入水側(cè)的飽和水流量/kg·s-1。

水側(cè)質(zhì)量守恒方程為

能量守恒方程為

Q-q1hw-wsohs

汽側(cè)和水側(cè)仿真時，設(shè)置汽液面換熱系數(shù)K=1 000W/(m2·℃)，外循環(huán)水量為q1=0、5、10、15 kg/s。仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 不同冷卻量下壓力變化趨勢

圖10 不同冷卻量下水溫變化趨勢

通過圖9、圖10可以看出，換熱系數(shù)K=1 000 W/(m2·℃)，冷卻量為15 kg/s，汽水達到飽和狀態(tài)所需時間約為2 000 s，約為0.56 h；而沒有冷卻量時，汽水達到飽和狀態(tài)所需時間約為15 000 s，約為4.17 h。由換熱系數(shù)對充汽過程的影響分析可知，若換熱系數(shù)低于K=1 000 W/(m2·℃)，所需時間均將增長。

由此可見增加汽側(cè)對流強度可以增強換熱效果，使除鹽水更快達到飽和狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)CAP1400 PCS綜合性能試驗臺架蒸汽蓄熱器的結(jié)構(gòu)和充汽工作過程，建立了蒸汽蓄熱器的動態(tài)仿真模型，基于Simulink平臺模擬了充汽過程，分析了水側(cè)對流強度，汽液面換熱系數(shù)和汽側(cè)對流強度對于充汽過程的影響。通過仿真實驗可以看出，水側(cè)對流強度大，汽液交界面換熱系數(shù)大，汽液對流強可以加強換熱效果，使得液側(cè)更快達到飽和狀態(tài)。對于試驗中改善換熱效果，加快充汽過程具有指導(dǎo)意義。

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ModelingandSimulationoftheChargingProcessofSteamAccumulatoranditsImprovedDesign

DUAN Yan-feng1, CAI Ding2, JIANG Xiao-song1, ZHAO Rui-chang1, TIAN Fang1, LIU Jin-fu2

(1.State Nuclear Hua Qing (Beijing) Nuclear Power Technology R&D Co., Ltd.,Beijing 100190,China;2.Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China)

In order to analyze the charging process of steam accumulator,a charging process analysis approach by modeling and simulation was proposed .A mathematic model of the process was built based on Simulink.The simulation analyzed the influence of convection strength of the liquid side, heat transfer coefficient of the vapor-liquid interface and convection strength of the steam side.The result of the simulation revealed that the stronger the convection strength of the liquid side is, the greater the heat transfer coefficient of the vapor-liquid interface and the stronger the convection strength of the steam side are.And the charging process would be saturated in a shorter time. All shows that enhancing the convection heat transfer of both liquid side and steam side can improve the charging process, thus guiding the improved design of steam accumulator.

steam accumulator;charging process;modeling and simulation;improved-design;convection strength;heat transfer coefficient

2014-06-03修訂稿日期2014-06-29

大型先進壓水堆核電站重大專項(2010ZX06002-005)。

段巖峰(1980-)，男，博士研究生，工程師，主要從事第三代壓水堆核電機組性能試驗研究。

TK223.3+5

A

1002-6339 (2014) 04-0318-06