孔夏明，王 葦，孟海波，李 勇，劉現(xiàn)星

(武漢第二船舶設(shè)計研究所蒸汽動力系統(tǒng)實驗室，湖北 武漢 430064)

0 引言

直流蒸汽發(fā)生器運行時產(chǎn)生過熱蒸汽，無需對蒸汽進行除濕，可減小蒸汽發(fā)生器體積尺寸，簡化汽輪機組結(jié)構(gòu)，提高核動力裝置的熱效率。因此，采用直流蒸汽發(fā)生器的核動力裝置在國外船舶領(lǐng)域已得到較為廣泛的研究和應(yīng)用［1］。直流蒸汽發(fā)生器運行時，二次側(cè)工質(zhì)由給水泵驅(qū)動一次流過傳熱管，依次經(jīng)過預熱段、蒸發(fā)段和過熱段后產(chǎn)生過熱蒸汽，其二次側(cè)的蓄熱量和儲水量都很小，運行參數(shù)響應(yīng)快。特別是在啟動過程中，直流蒸汽發(fā)生器存在強烈的流動不穩(wěn)定性和壁溫波動階段，并伴隨著壁面的干濕交替現(xiàn)象［2］，使直流蒸汽發(fā)生器的啟動特性非常復雜，需要對此進行深入研究。當前，國內(nèi)研究主要集中在直流蒸汽發(fā)生器分析模型的建立及其正常運行的特性上［3－5］，對直流蒸汽發(fā)生器啟動系統(tǒng)的研究甚少。相關(guān)文獻［6］研究的直流蒸汽發(fā)生器啟動系統(tǒng)沒有針對裝置對象建模，系統(tǒng)特性不完整，不能正確反映直流蒸汽發(fā)生器啟動時的裝置運行特性。因此，開展直流蒸汽發(fā)生器啟動系統(tǒng)動態(tài)特性仿真研究，分析不同啟動方式對核動力裝置運行特性的影響，對于整個核動力裝置的設(shè)計及運行具有重要意義。

本文以核動力商船直流蒸汽發(fā)生器啟動系統(tǒng)為原型，建立包含反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)在內(nèi)的直流蒸汽發(fā)生器啟動系統(tǒng)實時仿真模型。分別對直流蒸汽發(fā)生器濕式和干式2種啟動系統(tǒng)的運行特性進行動態(tài)仿真，并對比分析2種啟動方式對核動力裝置啟動運行特性的影響。

1 直流蒸汽發(fā)生器啟動系統(tǒng)

1.1 啟動系統(tǒng)工作原理

直流蒸汽發(fā)生器具有與自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器不同的啟動特性，其二次側(cè)熱容量較小，給水依次流過傳熱管的加熱段、蒸發(fā)段和過熱段。給水在流動過程中一次被加熱、蒸發(fā)、過熱，最后產(chǎn)生達到品質(zhì)要求的過熱蒸汽。啟動時二次側(cè)工質(zhì)將產(chǎn)生復雜的汽液兩相變化，并伴隨有流動不穩(wěn)定性的發(fā)生，導致直流蒸汽發(fā)生器的啟動系統(tǒng)運行較為繁瑣。

本文基于俄羅斯核動力商船啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成，建立包含反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)在內(nèi)的直流蒸汽發(fā)生器啟動系統(tǒng) (見圖1)。系統(tǒng)工作原理如下:直流蒸汽發(fā)生器啟動時二次側(cè)產(chǎn)生的水、汽水混合物以及蒸汽排至蒸汽冷凝器，蒸汽在其中冷凝后排至主冷凝器。凝水通過凝水泵、給水泵增壓后輸送回直流蒸汽發(fā)生器，從而完成直流蒸汽發(fā)生器啟動過程的二回路汽水循環(huán)。在整個啟動過程中，主蒸汽至汽輪機的閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.2 啟動方式

直流蒸汽發(fā)生器廣泛采用的啟動方式有以下2種:

圖1 啟動系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 The schematic of the start-up system

1)濕式啟動。直流蒸汽發(fā)生器啟動前一、二次側(cè)為常溫常壓。在核動力裝置完成啟動前所有準備工作后，開啟給水泵向直流蒸汽發(fā)生器提供維持最低水力穩(wěn)定運行所需的給水流量。之后，逐步提升反應(yīng)堆運行功率，并通過壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)直流蒸汽發(fā)生器出口壓力或給水流量，使直流蒸汽發(fā)生器一次側(cè)溫度逐漸升高，從而加熱二回路給水，直至直流蒸汽發(fā)生器二次側(cè)產(chǎn)生符合品質(zhì)要求的蒸汽。

2)干式啟動。直流蒸汽發(fā)生器一次側(cè)常溫常壓，二次側(cè)為空氣。在核動力裝置完成啟動前所有準備工作后，提升反應(yīng)堆功率，使一回路系統(tǒng)按一定溫度升溫升壓。當一回路升溫升壓到一定值時，啟動給水泵向直流蒸汽發(fā)生器二次側(cè)提供維持最低水力穩(wěn)定運行所需的給水流量，直接產(chǎn)生汽水混合物或蒸汽。之后，繼續(xù)升溫升壓，直至直流蒸汽發(fā)生器二次側(cè)產(chǎn)生符合品質(zhì)要求的蒸汽時，啟動結(jié)束。

干式啟動主要用于核動力裝置熱停堆啟動，2種方式相比，干式啟動二回路系統(tǒng)投入晚，可以減少電源消耗。

2 仿真模型與仿真實現(xiàn)

2.1 堆芯物理模型

采用REMARK程序建立直流蒸汽發(fā)生器啟動過程堆芯物理模型。REMARK是用于核反應(yīng)堆堆芯物理實時仿真的程序，該程序使用兩群中子精確模擬反應(yīng)堆在正常和異常工況下的快中子、熱中子特性。為詳細描述堆芯中子通量和功率的分布，REMARK程序?qū)⒍研灸；癁橐粋€三維柵元結(jié)構(gòu)，用改進準靜態(tài)解法求解堆芯中子通量分布。模型考慮了燃料溫度、慢化劑/冷卻劑溫度、慢化劑/冷卻劑密度、空泡份額引起的反應(yīng)性反饋以及控制棒引起的反應(yīng)性。

2.2 直流蒸汽發(fā)生器模型

直流蒸汽發(fā)生器采用套管式結(jié)構(gòu)，一次側(cè)冷卻劑雙面加熱二次側(cè)給水。假設(shè)汽液共存時，兩相總是處于飽和狀態(tài);直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)各節(jié)點工質(zhì)相應(yīng)參數(shù)相同，且同步變化，即按集總參數(shù)處理。通過相應(yīng)的節(jié)點以及模塊劃分，建立直流蒸汽發(fā)生器模型。

2.3 蒸汽冷凝器模型

蒸汽冷凝器采用立式結(jié)構(gòu)，冷凝由直流蒸汽發(fā)生器排入的水、汽水混合物或蒸汽。采用與直流蒸汽發(fā)生器類似的建模方法劃分節(jié)點，建立蒸汽冷凝器模型。

2.4 仿真實現(xiàn)

仿真建模時，首先在JTOPMERET程序中建立堆芯熱工水力節(jié)點模型，熱量傳遞部分用熱邊界給出，熱邊界將熱量通過熱板傳遞給堆芯節(jié)點。在REMARK程序中輸入相應(yīng)的堆芯結(jié)構(gòu)參數(shù)以及堆芯物理初始計算參數(shù)。通過接口程序建立起JTOPMERET堆芯節(jié)點的熱工水力參數(shù)與REMARK程序中相應(yīng)參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，之后，將REMARK程序中的點和模塊加載到SIMEEXC仿真平臺的數(shù)據(jù)庫文件中，與JTOPMERET程序一起在仿真平臺下調(diào)試 (見圖2)。仿真計算時，JTOPMERET程序計算所得熱工水力參數(shù)傳遞到REMARK程序中用于計算反應(yīng)堆輸出堆功率，通過接口程序?qū)⒍压β仕鶎?yīng)的熱量傳遞給JTOPMERET程序模型，從而實現(xiàn)堆芯物理與熱工水力計算的軟件接口模型。

圖2 仿真程序接口示意圖Fig.2 The sketch map interface of the simulation program

3 仿真試驗結(jié)果

3.1 啟動初始條件

直流蒸汽發(fā)生器啟動前一次側(cè)冷卻劑為常溫常壓，直流蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)管內(nèi)和外管外的冷卻劑流量按比例設(shè)為定值，控制棒各組處于初始位置。干式啟動時，直流蒸汽發(fā)生器二次側(cè)為空氣，蒸汽冷凝器超過半水位;濕式啟動時，直流蒸汽發(fā)生器二次側(cè)充滿常溫常壓的給水，蒸汽冷凝器的循環(huán)冷卻水流量設(shè)為定值，循環(huán)水為常溫。

3.2 仿真結(jié)果分析

圖3為2種啟動方式下直流蒸汽發(fā)生器出口壓力瞬態(tài)變化曲線。從圖中可以看出，2種啟動方式下，啟動過程的初始階段直流蒸汽發(fā)生器出口壓力一直維持初始壓力不變。當二次側(cè)給水在傳熱面上加熱開始產(chǎn)生蒸汽時，直流蒸汽發(fā)生器出口壓力出現(xiàn)大幅波動。之后壓力波動減小，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。這是因為給水在直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)流動過程中被逐漸加熱至沸騰形成汽液兩相流動。在低功率下，當系統(tǒng)出現(xiàn)一個微小擾動時，由于密度波不穩(wěn)定性，蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)的兩相流動將產(chǎn)生劇烈振蕩，造成系統(tǒng)溫度、壓力波動。

圖3 直流蒸汽發(fā)生器出口壓力Fig.3 The steam pressure of OTSG outlet

圖4 直流蒸汽發(fā)生器給水流量Fig.4 The feedwater flow of the OTSG

圖5 直流蒸汽發(fā)生器出口蒸汽溫度Fig.5 The steam temperature of OTSG outlet

干式啟動時，在t=18100 s時刻直流蒸汽發(fā)生器出口壓力突然升高，這是由于直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)開始產(chǎn)生蒸汽，當液相向汽相轉(zhuǎn)換時，將產(chǎn)生“噴發(fā)”現(xiàn)象，系統(tǒng)壓力和溫度均會出現(xiàn)較大波動。之后，由于空氣排放閥開啟，壓力回落。由于二回路系統(tǒng)啟動時初始壓力較小，直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)汽液兩相變化頻繁，致使直流蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力小范圍振蕩。當直流蒸汽發(fā)生器出口壓力通過控制系統(tǒng)作用達到設(shè)定值時，經(jīng)過一段時間的汽液兩相波動后，系統(tǒng)最終穩(wěn)定運行。在干式啟動的整個過程中，直流蒸汽發(fā)生器給水系統(tǒng)，蒸汽冷凝器壓力調(diào)節(jié)閥動作頻繁，致使控制系統(tǒng)的設(shè)計較為復雜。

圖4和圖5分別為啟動過程中直流蒸汽發(fā)生器給水流量和出口蒸汽溫度的變化曲線。從圖中可看出，2種啟動方式下，直流蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生符合品質(zhì)要求的蒸汽，給水流量經(jīng)過兩相階段的波動后達到穩(wěn)定狀態(tài)。相比于濕式啟動方式，干式啟動由于給水泵投入較晚，可節(jié)約大量電能，但由于在給水泵投入之前直流蒸汽發(fā)生器處于干燒狀態(tài)，導致給水投入時對傳熱管造成強烈的熱沖擊，對直流蒸汽發(fā)生器設(shè)計要求較高。

圖6 蒸汽冷凝器水位Fig.6 The water level of the steam condenser

圖7 蒸汽冷凝器疏水溫度Fig.7 The drain temperature of the steam condenser

圖6和圖7分別為直流蒸汽發(fā)生器啟動過程中蒸汽冷凝器水位和疏水溫度變化。從圖中可看出，直流蒸汽發(fā)生器啟動時，蒸汽冷凝器水位和疏水溫度在經(jīng)過波動后都達到穩(wěn)定狀態(tài)，且干式啟動比濕式啟動波動更大。這是因為在干式啟動的初始階段，直流蒸汽發(fā)生器二次側(cè)充滿空氣，只有當啟動過程一回路側(cè)的溫度上升至一定值時才打開給水調(diào)節(jié)閥并排放掉部分空氣，由此造成蒸汽冷凝器前的較大壓力變化，導致蒸汽冷凝器水位波動較大。此外，干式啟動時，直流蒸汽發(fā)生器在產(chǎn)生蒸汽時出現(xiàn)“噴發(fā)”現(xiàn)象，造成出口壓力突然升高，這會造成蒸汽冷凝器水位的突然下降，冷凝的疏水得不到足夠的冷卻，使疏水溫度升高。

4 結(jié)語

通過系統(tǒng)動態(tài)仿真試驗可以看出，REMARK程序和JTOPMERET程序聯(lián)合所建立的系統(tǒng)仿真模型能全面反映系統(tǒng)運行特性。啟動過程中，直流蒸汽發(fā)生器加熱段發(fā)生相變時，啟動系統(tǒng)壓力、溫度都會有很大波動，尤其是液相向汽相轉(zhuǎn)換過程中有“噴發(fā)”現(xiàn)象。2種啟動方式下，直流蒸汽發(fā)生器都能成功啟動;濕式啟動過程相對簡單，只需通過啟動系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)裝置維持直流蒸汽發(fā)生器出口壓力即可;干式啟動，由于給水投入較晚，二回路耗電量較小，當較低溫度的給水進入直流蒸汽發(fā)生器后有較高溫度的汽水混合物或過熱蒸汽的加熱段，壓力、溫度波動比較劇烈，對設(shè)備的熱沖擊較大，運行也較為復雜。

相比于濕式啟動，干式啟動時設(shè)備運行參數(shù)變化較大，由于空氣需要排放、汽液兩相頻繁波動等因素致使控制系統(tǒng)的設(shè)計更為復雜，對直流蒸汽發(fā)生器的設(shè)計要求也更高。

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