船舶核動(dòng)力裝置蒸汽旁排工況的動(dòng)態(tài)特性及影響因素分析

張磊，陳國(guó)兵，劉繼東，涂舸

1 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033

2 中國(guó)人民解放軍 91998部隊(duì)，遼寧 大連 116041

0 引 言

核動(dòng)力裝置因其續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、功率高、不依賴空氣等優(yōu)點(diǎn)，在核動(dòng)力破冰船、核動(dòng)力艦艇等海洋平臺(tái)中發(fā)揮著重要的作用[1]。當(dāng)核動(dòng)力裝置正常運(yùn)行時(shí)，一回路輸出的功率和二回路推動(dòng)船舶航行的功率需要匹配運(yùn)行。鑒于船舶的機(jī)動(dòng)性及極端工況需求，若二回路功率出現(xiàn)大幅突降，而一回路功率的下降速度滯后于二回路，則將導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器、蒸汽系統(tǒng)的壓力迅速升高乃至超壓，進(jìn)而危及核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行。因此，核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)了蒸汽旁路系統(tǒng)，以提供一個(gè)人為設(shè)置的負(fù)荷，從而保證一回路、二回路的功率匹配，且作為安全保護(hù)系統(tǒng)，其直接決定了核動(dòng)力裝置的安全性、機(jī)動(dòng)性和隱蔽性等特性。

蒸汽旁路系統(tǒng)即核動(dòng)力裝置蒸汽主管道的一個(gè)旁路，當(dāng)其投入運(yùn)行時(shí)，蒸汽旁路系統(tǒng)將與汽輪機(jī)并聯(lián)，從而使蒸汽經(jīng)過(guò)減溫/減壓之后進(jìn)入冷凝器。在汽輪機(jī)主汽閥故障速關(guān)、二回路突然甩負(fù)荷所導(dǎo)致的一、二回路功率失配、蒸汽發(fā)生器超壓等危險(xiǎn)工況下，通過(guò)及時(shí)投運(yùn)蒸汽旁路系統(tǒng)，即可確保系統(tǒng)不超壓，進(jìn)而保證核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行。

鑒于蒸汽旁路系統(tǒng)的重要性，國(guó)內(nèi)外開展了廣泛的研究工作。Tsai等[2]建立了旁路系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)其減溫/減壓模塊開展了動(dòng)態(tài)仿真分析?？紫拿鞯萚3]基于船用蒸汽旁路系統(tǒng)，仿真分析了旁路工況下冷凝器的動(dòng)態(tài)特性。謝東[4]、馬中杰[5]分析了旁路排放系統(tǒng)（旁排系統(tǒng)）在汽輪機(jī)100%甩負(fù)荷工況下一回路參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性，并提出了控制策略，但其研究成果僅限于定性分析。Zhou等[6]研究了核電站旁排系統(tǒng)的壓力控制方法，分析了參考?jí)毫ψ兓瘜?duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。宋凱[7]針對(duì)汽輪機(jī)旁排控制系統(tǒng)開展了定性仿真，分析了機(jī)組100%甩負(fù)荷瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。祁琳等[8]建立了快堆電廠旁路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，分析了汽輪機(jī)甩負(fù)荷工況下的冷凝器、循環(huán)水、除氧器等主要參數(shù)的變化規(guī)律，但未重點(diǎn)分析甩負(fù)荷可能導(dǎo)致的安全問(wèn)題。由此可見，目前的研究工作主要集中于核電站的旁路系統(tǒng)，但鮮有船用蒸汽旁路系統(tǒng)運(yùn)行特性方面的研究成果；同時(shí)，關(guān)于蒸汽旁排工況的潛在安全問(wèn)題，也亟待開展研究。

基于此，通過(guò)深入分析船舶核動(dòng)力裝置蒸汽旁路系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，本文擬建立蒸汽旁排工況下反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、蒸汽系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)和主汽輪機(jī)匹配運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)特性仿真模型，進(jìn)而研究汽輪機(jī)主汽閥速關(guān)、汽輪機(jī)甩負(fù)荷等極端工況下的核動(dòng)力裝置安全運(yùn)行特性及其影響因素，用以為蒸汽旁排系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 核動(dòng)力裝置主要部件的數(shù)學(xué)模型

核動(dòng)力裝置由各種熱力設(shè)備以及子系統(tǒng)組成[9]，根據(jù)熱力設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換、傳遞和分配特性，本文將建立蒸汽旁排工況所涉及的反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、蒸汽系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)等數(shù)學(xué)模型。

1.1 蒸汽發(fā)生器的變工況集總參數(shù)建模

一回路從反應(yīng)堆吸收的熱量Qd為

式中：Gc為一回路冷卻劑的流量；cp為定壓比熱；tci，tco分別為流經(jīng)反應(yīng)堆冷卻劑的進(jìn)口溫度和出口溫度。

當(dāng)核動(dòng)力裝置運(yùn)行時(shí)，假設(shè)冷卻劑泵為定速運(yùn)行，即不同工況下的冷卻劑流量均相同。因此，基于額定工況下的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)獲取冷卻劑的流量，并結(jié)合不同工況下流經(jīng)反應(yīng)堆冷卻劑的平均溫度，即可得出蒸汽發(fā)生器在其他工況下的參數(shù)變化規(guī)律。

根據(jù)額定工況的設(shè)計(jì)參數(shù)，冷卻劑流量為

式中：Qd0為 額定工況下冷卻劑吸收的熱量；tci0，tco0分別為額定工況下流經(jīng)反應(yīng)堆冷卻劑的進(jìn)口溫度和出口溫度。

若已知某r工況下反應(yīng)堆的功率Qdr，即可求得流經(jīng)反應(yīng)堆冷卻劑的進(jìn)出口溫差：

蒸汽發(fā)生器二回路側(cè)的吸收熱量Qsg為

式中，ηsg為蒸發(fā)器的熱效率。

若已知蒸汽發(fā)生器的傳熱面積F、傳熱量以及傳熱系數(shù)ks，即可以計(jì)算一次側(cè)、二次側(cè)的對(duì)數(shù)平均溫差?tm，進(jìn)而求得蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的飽和溫度ts。

一次側(cè)至二次側(cè)的傳熱系數(shù)ks為

式中：α1，α2分別為蒸汽發(fā)生器一次側(cè)和二次側(cè)冷卻劑的對(duì)流換熱系數(shù)；Rw為傳熱管壁的熱阻；RF為外壁面污垢的熱阻。

在求得蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的飽和溫度ts之 后，即可根據(jù)水蒸汽性質(zhì)表來(lái)獲取二次側(cè)的蒸汽壓力計(jì)算值ps，即ps=f(ts)。假設(shè)蒸汽發(fā)生器的飽和蒸汽壓力為，若滿足，則蒸汽發(fā)生器的變工況計(jì)算過(guò)程結(jié)束；否則，需重新設(shè)定，重復(fù)以上計(jì)算過(guò)程，直至滿足要求為止。

蒸汽發(fā)生器的新蒸汽產(chǎn)量Gs為

式中：hs為蒸汽發(fā)生器的出口蒸汽焓，可由蒸汽發(fā)生器的出口飽和蒸汽壓力和出口干度求得；hsl為蒸汽發(fā)生器出口壓力下的飽和水焓；ξp為蒸汽發(fā)生器的排污率，通常取新蒸汽流量的1%；hfw為進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的給水焓，其值取決于給水的壓力和溫度。

1.2 蒸汽容器

對(duì)于二回路系統(tǒng)的蒸汽母管等存儲(chǔ)蒸汽的容積，本文將統(tǒng)一采用蒸汽容積數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，其中蒸汽容積的壓力和焓值將隨著運(yùn)行條件的改變而發(fā)生變化。從蒸汽發(fā)生器引出的飽和蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功（或通過(guò)旁排系統(tǒng)進(jìn)入冷凝器）之前，將經(jīng)過(guò)多個(gè)蒸汽容積，對(duì)于第i個(gè)蒸汽容積控制體，需滿足的質(zhì)量守恒方程為

式中：i=1, 2, ···，I，為蒸汽容積控制體的編號(hào)，其中I為容積控制體的最大數(shù)量；mi為第i個(gè)控制體內(nèi)的蒸汽質(zhì)量；t為時(shí)間；Vi為控制體的體積；ρi為蒸汽密度；Gin,j，Gout,k分別為從第j路進(jìn)口進(jìn)入第i個(gè)控制體、第i個(gè)控制體從第k路出口流出的蒸汽質(zhì)量流量，kg/s。

對(duì)于一個(gè)控制體，若忽略對(duì)外界的散熱和吸熱作用，其能量守恒方程為

式中：ui為 蒸汽容積的內(nèi)能，J/kg；Hin,j，Hout,k分別為分別為從第j路進(jìn)口進(jìn)入第i個(gè)控制體、第i個(gè)控制體從第k路出口流出蒸汽的焓值。

由于蒸汽容積內(nèi)的蒸汽密度ρi為壓力pi和焓值hi的函數(shù)，即 ρi=f(pi,hi)，則式（8）和式（9）可以分別整理為

式中，? ρi/?hi，? ρi/?pi分別為蒸汽密度對(duì)焓值和壓力的偏導(dǎo)數(shù)，其值由流體的物理性質(zhì)所決定。結(jié)合以上兩式，即可求出蒸汽容積內(nèi)壓力和焓值隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1.3 旁排系統(tǒng)建模

在蒸汽旁排工況下，旁排閥門開啟，蒸汽首先經(jīng)閥門第1次減壓，然后進(jìn)入減溫減壓裝置實(shí)現(xiàn)蒸汽的多級(jí)減壓和減溫，最后排入冷凝器。蒸汽流經(jīng)旁排閥是一個(gè)復(fù)雜的可壓縮流動(dòng)過(guò)程，其密度將隨時(shí)變化。本文將蒸汽流過(guò)旁排閥的過(guò)程簡(jiǎn)化為絕熱節(jié)流過(guò)程，且不考慮閥門的密封泄漏，則流經(jīng)旁排閥的流量Gg為

式中：Cmx為閥門修正系數(shù)，是閥門最大面積Amax的函數(shù)；Cv為 閥門特性，是閥桿相對(duì)行程S的函數(shù)；X=(pin?pout)/pin，為進(jìn)出口壓力的損失比，其中pin和pout分別為旁路進(jìn)口和出口的蒸汽壓力；Xcr為臨界壓力損失比，其值僅與蒸汽狀態(tài)有關(guān)；ρin為旁路進(jìn)口蒸汽的密度。

對(duì)于不同的旁排工況，核動(dòng)力裝置旁排閥門開啟的時(shí)機(jī)和開度也會(huì)隨之變化。例如：?jiǎn)?dòng)工況時(shí)，旁排閥調(diào)制開啟；滿足反應(yīng)堆最低穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，旁排閥調(diào)制開啟至某一較小的開度，并保持該開度不變；主機(jī)速關(guān)、蒸汽發(fā)生器超壓或主機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，旁排閥需快速開啟，以避免蒸汽系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器的超壓?jiǎn)栴}；一、二回路功率失配時(shí)，旁排閥將根據(jù)功率失配差值而調(diào)制或快速開啟，以維持功率平衡。同樣，當(dāng)旁路系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，旁排閥的關(guān)閉方式也分為調(diào)制關(guān)閉和快速關(guān)閉2種，不同的關(guān)閉方式將直接影響各蒸汽容積的壓力變化，進(jìn)而影響裝置的安全運(yùn)行。

由此可見，旁排閥門的特性將直接決定旁排的蒸汽量，進(jìn)而影響蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓力、水位等與安全運(yùn)行密切相關(guān)的重要參數(shù)。閥門的特性主要包括直線型、等百分比型、快開型以及拋物線型，其流量與閥門開度之間的關(guān)系式分別為

直線型：

等百分比型（慢開）：

快開型

以上式中：Gmax為流經(jīng)旁排閥的最大流量；θ為閥門的開度，隨著閥門開度的變化，流經(jīng)閥門的流量也隨之變化；Rθ為閥門可調(diào)比，即流經(jīng)閥門的最大流量與最小流量的比值。

對(duì)于蒸汽發(fā)生器引出的蒸汽，一路將流經(jīng)旁排閥進(jìn)入旁路系統(tǒng)，另一路則將經(jīng)過(guò)主汽閥和調(diào)節(jié)閥之后進(jìn)入汽輪機(jī)，該路的蒸汽流量同樣可采用式（12）予以求解。

2 核動(dòng)力裝置蒸汽旁排工況的特性分析

首先，分析核動(dòng)力裝置的旁排工況特性，包括主機(jī)速關(guān)旁排工況、汽輪機(jī)甩負(fù)荷旁排工況等，建立蒸汽發(fā)生器變工況的仿真模型，輸出蒸汽發(fā)生器的壓力、蒸汽流量；然后，依據(jù)旁排工況確定旁排閥門和主汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開啟方式，并計(jì)算流經(jīng)2個(gè)閥門的蒸汽流量；其次，建立蒸汽發(fā)生器至旁排閥和調(diào)節(jié)閥之間的蒸汽容積仿真模型，分析閥門開啟或關(guān)閉過(guò)程中，蒸汽容積內(nèi)的壓力和焓值變化；最后，根據(jù)核動(dòng)力裝置運(yùn)行參數(shù)的變化情況 ，分析主蒸汽壓力等影響裝置安全運(yùn)行的參數(shù)變化規(guī)律。

在額定工況下，蒸汽發(fā)生器出口的壓力、流量，以及旁排蒸汽流量的計(jì)算值和設(shè)計(jì)值對(duì)比結(jié)果如表1所示（本文的圖表數(shù)據(jù)均已作歸一化處理），可見兩者誤差保持在1%左右，這說(shuō)明本文所建立的動(dòng)態(tài)仿真模型具有較好的精度和通用性。

表1 計(jì)算值和設(shè)計(jì)值的對(duì)比結(jié)果Table1 Comparison of calculated and design values

2.1 汽輪機(jī)組速關(guān)旁排工況的特性分析

基于上文的動(dòng)態(tài)特性仿真模型，100%額定工況速關(guān)時(shí)的蒸汽壓力變化規(guī)律如圖1所示（圖中數(shù)據(jù)已進(jìn)行歸一化處理，以下圖同），其結(jié)果與實(shí)物裝置試驗(yàn)的運(yùn)行特性相吻合。首先，速關(guān)閥在時(shí)間點(diǎn)0.1 s處開始速關(guān)動(dòng)作，此時(shí)反應(yīng)堆開始降功率，而主蒸汽系統(tǒng)的壓力則不斷升高，直至升到最高點(diǎn)；然后，速關(guān)閥完全關(guān)閉（關(guān)閉時(shí)間分別為0.2，0.3，0.5 s），且旁路閥門同時(shí)開啟，旁排閥開至最大位置后將保持開度不變，將旁路蒸汽量排入冷凝器，而反應(yīng)堆則繼續(xù)降功率，此時(shí)蒸汽系統(tǒng)的壓力從最高點(diǎn)逐漸降低；最后，當(dāng)主蒸汽系統(tǒng)的壓力降至設(shè)定安全壓力值之后，旁排閥關(guān)閉，反應(yīng)堆功率降至某一穩(wěn)定負(fù)荷以滿足船上其他設(shè)備的用汽需求。

圖1 100%額定工況下速關(guān)后蒸汽壓力變化Fig.1 Variation of steam pressure after action of quick shut-off valve under 100% rated condition

由圖1可知：100%額定工況下速關(guān)時(shí)，蒸汽母管中的壓力將急速升高，但低于其限定壓力值1，即蒸汽母管不存在超壓危險(xiǎn)，核動(dòng)力裝置處于安全運(yùn)行的范圍之內(nèi)；不同的閥門速關(guān)時(shí)間將影響蒸汽母管壓力的升高幅度，主汽閥的速關(guān)時(shí)間越短，蒸汽壓力升高的幅度越大，越容易導(dǎo)致蒸汽母管超壓。因此，為了確保機(jī)組速關(guān)之后核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行，主汽閥不但要實(shí)現(xiàn)可靠速關(guān)，還需注意速關(guān)時(shí)間不能導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器、蒸汽系統(tǒng)等超壓。

圖1中，當(dāng)旁排閥門關(guān)閉之后，反應(yīng)堆功率隨之降至某一穩(wěn)定負(fù)荷，而主蒸汽系統(tǒng)的壓力維持在0.8左右，其主要原因是：在船用核動(dòng)力裝置中，除了主汽輪機(jī)組之外，汽輪輔機(jī)和其他用汽設(shè)備也需要消耗蒸汽，需確保供給的蒸汽品質(zhì)（壓力和焓值等參數(shù)）滿足要求。主汽輪機(jī)組速關(guān)之后，可以通過(guò)旁路系統(tǒng)運(yùn)行和關(guān)閉的時(shí)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力控制。

圖2所示為80%，90%，100%額定負(fù)荷速關(guān)時(shí)的蒸汽壓力變化曲線，其中旁路系統(tǒng)閥門的開啟時(shí)機(jī)，與速關(guān)閥的關(guān)閉時(shí)機(jī)一致，即在速關(guān)閥速關(guān)時(shí)觸發(fā)旁排閥開啟。由圖2可知，3種速關(guān)工況下的蒸汽母管均未超壓，但蒸汽母管最終的維持壓力有所不同，偏離額定工況越多，則蒸汽母管的壓力越低，從而無(wú)法滿足其他用汽設(shè)備的要求。因此，對(duì)于不同的速關(guān)工況，需要設(shè)定不同的旁路系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)機(jī)，這對(duì)機(jī)組速關(guān)后的旁路系統(tǒng)控制提出了更高的要求：既要保證裝置的安全性，又要保證其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖2 不同速關(guān)工況下蒸汽壓力變化Fig.2 Variation of steam pressure with different quick shut-off conditions

2.2 汽輪機(jī)組速甩負(fù)荷工況的特性分析

核動(dòng)力裝置處于較高功率（一般大于50%）時(shí)，若二回路功率大幅降低（通常為汽輪機(jī)甩負(fù)荷），則一、二回路將功率失配，進(jìn)而導(dǎo)致蒸汽母管超壓，此時(shí)需開啟旁排系統(tǒng)。本節(jié)將主要分析汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行中，突然甩負(fù)荷至某一低速工況并維持運(yùn)行時(shí)，蒸汽母管壓力的變化特性，并重點(diǎn)研究不同旁排閥特性、不同汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥特性以及一回路運(yùn)行特性對(duì)汽輪機(jī)甩負(fù)荷工況后核動(dòng)力裝置安全性的影響規(guī)律。甩負(fù)荷工況的具體過(guò)程為：首先，接收到汽輪機(jī)甩負(fù)荷的信號(hào)之后，旁路排放閥快開、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開始關(guān)閉，且反應(yīng)堆開始降功率；然后，若一、二回路功率匹配，且蒸汽母管的蒸汽參數(shù)達(dá)到要求，則旁路排放閥門關(guān)閉，反應(yīng)堆功率調(diào)整至穩(wěn)定工況，同時(shí)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥維持在特定開度以保證持續(xù)功率輸出。

2.2.1 旁排閥特性的影響

圖3所示為汽輪機(jī)組甩負(fù)荷至某一低速工況時(shí)，3種不同旁排閥特性下的蒸汽母管壓力變化曲線。首先，旁排閥迅速開啟，蒸汽母管的壓力迅速增加；然后，旁排閥的開度繼續(xù)增加并維持全開之后，蒸汽母管的壓力從峰值減小至某一穩(wěn)定值。由快開型閥門對(duì)應(yīng)的變化曲線可知：即使閥門開度較小，其流量也較大，所以最初階段的蒸汽壓力略有下降；隨著開度增加，流量迅速達(dá)到峰值，多余的蒸汽及時(shí)通過(guò)旁路系統(tǒng)排至冷凝器，從而使蒸汽壓力整體偏低；在最后階段，隨著閥門開度的繼續(xù)增加，蒸汽流量的變化很小，其壓力下降趨勢(shì)較為平緩。

圖3 不同旁排閥特性下蒸汽壓力變化Fig.3 Variation of steam pressure with different steam dumb valve characteristics

由圖3可知：在甩負(fù)荷工況下，快開型和線型旁排閥均能保證蒸汽母管不超壓；然而，慢開型閥門初始開度對(duì)應(yīng)的流量較小，隨著閥門開度的增加，蒸汽流量也隨之增加，由于慢開型閥門無(wú)法及時(shí)排出一回路多余的蒸汽，故將導(dǎo)致蒸汽母管超壓，存在蒸汽管路爆裂的風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，旁路系統(tǒng)的旁排閥不宜采用慢開型閥門；雖然快開型閥門具有較高的安全裕度，但其蒸汽壓力波動(dòng)明顯大于線型閥門，故此處宜采用線型閥門。

2.2.2 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥特性的影響

圖4所示為汽輪機(jī)甩負(fù)荷至某一低速工況時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥不同的動(dòng)作時(shí)間對(duì)蒸汽壓力波動(dòng)的影響。由圖4可知，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉動(dòng)作的時(shí)間越短，流入汽輪機(jī)的蒸汽量越少，則蒸汽發(fā)生器、蒸汽母管等蒸汽容積所積累的蒸汽量越多，越容易導(dǎo)致母管壓力升高。若調(diào)節(jié)閥關(guān)閉動(dòng)作的時(shí)間為1 s，則蒸汽母管的壓力將超出安全限制值；若動(dòng)作時(shí)間為2，3 s，則蒸汽母管的壓力將低于安全限值，其中3 s動(dòng)作時(shí)間的安全裕度更高。

圖4 不同調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)間下的蒸汽壓力變化Fig.4 Variation of steam pressure with different shut-off times of regulating valve

然而，調(diào)節(jié)閥的3 s動(dòng)作時(shí)間并非是最佳選擇，主要原因?yàn)椋寒?dāng)汽輪機(jī)突然甩負(fù)荷之后，調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉，但汽輪機(jī)內(nèi)部蒸汽容積中的大量蒸汽將繼續(xù)推動(dòng)汽輪機(jī)做功，這將導(dǎo)致汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速升高；若調(diào)節(jié)閥關(guān)閉的時(shí)間越長(zhǎng)，則流入汽輪機(jī)的蒸汽量就越多，最終汽輪機(jī)越容易發(fā)生超速事故。此時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的超速特性取決于轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)（轉(zhuǎn)子飛升時(shí)間），即阻力矩為零時(shí)，轉(zhuǎn)子在額定蒸汽力矩作用下轉(zhuǎn)速由零增加至額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)越大，導(dǎo)致超速所需的時(shí)間越長(zhǎng)，故此時(shí)可以適當(dāng)延長(zhǎng)調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉時(shí)間，以緩解蒸汽母管的壓力升高問(wèn)題。因此，選取調(diào)節(jié)閥門的動(dòng)作時(shí)間時(shí)，應(yīng)綜合考慮蒸汽母管的壓力升高和汽輪機(jī)組的超速等安全問(wèn)題。

2.2.3 一回路運(yùn)行特性的影響

在汽輪機(jī)甩負(fù)荷工況下，除了旁路系統(tǒng)需要快速動(dòng)作，反應(yīng)堆的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)也必須迅速動(dòng)作，以降低負(fù)荷。若沒(méi)有及時(shí)降低反應(yīng)堆及一回路的熱負(fù)荷，仍會(huì)導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器、蒸汽系統(tǒng)等超壓?jiǎn)栴}，進(jìn)而危及核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行。

圖5所示為甩負(fù)荷至某一低速工況時(shí)，不同的反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)方式對(duì)蒸汽母管壓力的影響。其中：線性調(diào)節(jié)，即每秒1.5%的額定功率；快速調(diào)節(jié)，即每秒3%的額定功率；慢速調(diào)節(jié)，即每秒0.3%的額定功率。當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，旁排系統(tǒng)快速線性開啟；當(dāng)反應(yīng)堆快速降功率或線性降功率時(shí)，蒸汽母管的壓力均處于安全線以下。其中，功率快速降低（每秒3%的額定功率）時(shí)的母管壓力降幅最大，故其安全裕度最高；然而，反應(yīng)堆快速降功率也對(duì)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)提出了更高的要求，由于一回路各參數(shù)的波動(dòng)幅度將更大，故此時(shí)需特別關(guān)注一回路的運(yùn)行穩(wěn)定性。若反應(yīng)堆采用慢速降功率（每秒0.3%的額定功率/s），因甩負(fù)荷后蒸汽發(fā)生器出口的大量蒸汽迅速聚集，而反應(yīng)堆負(fù)荷未及時(shí)降低，故將導(dǎo)致蒸汽母管超壓。因此，在汽輪機(jī)組甩負(fù)荷工況下，需綜合考慮反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性、一回路運(yùn)行的穩(wěn)定性以及一回路冷卻劑平均溫度的變化情況等諸多因素，應(yīng)確保一、二回路的蒸汽管路不超壓，進(jìn)而確保核動(dòng)力裝置在極端工況下的安全運(yùn)行。

圖5 不同反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)特性下蒸汽壓力變化Fig.5 Variation of steam pressure with different reactor power regulation characteristics

3 結(jié) 論

通過(guò)建立船用核動(dòng)力裝置蒸汽旁排工況的動(dòng)態(tài)仿真模型，考慮了汽輪機(jī)組甩負(fù)荷、速關(guān)、一/二回路功率失配等極端工況下反應(yīng)堆功率、冷卻劑平均溫度變化與二回路旁排系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、汽輪機(jī)組之間的耦合關(guān)系，分析了旁排工況的多參數(shù)擾動(dòng)特性和影響因素，得到如下結(jié)論：

1） 核動(dòng)力汽輪機(jī)組主汽閥的關(guān)閉時(shí)間越短，蒸汽母管壓力的升高速度越快。主汽閥和旁排閥的匹配動(dòng)作時(shí)間不僅需確保蒸汽管道不超壓和汽輪機(jī)組不超速，還需保證調(diào)整完畢后的蒸汽參數(shù)穩(wěn)定，以滿足船舶其他設(shè)備的用汽需求。

2） 旁路系統(tǒng)的旁排閥不宜采用慢開型閥門，而宜采用線型閥門。

3） 船用反應(yīng)堆的自調(diào)能力較強(qiáng)，可以視情降低旁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量，應(yīng)根據(jù)反應(yīng)堆的功率調(diào)節(jié)特性來(lái)選擇合適的旁排閥、主汽閥及其動(dòng)作時(shí)間。