孔夏明，王 葦，孟海波，李 勇

( 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

核動(dòng)力商船為滿足在不同工況下的航行需要，負(fù)荷變化比較頻繁。對(duì)采用直流蒸汽發(fā)生器的核動(dòng)力商船而言，為保證快速大幅度負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的裝置運(yùn)行安全，采用了一、二回路功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究［1－4］。由于直流蒸汽發(fā)生器運(yùn)行的物理過程非常復(fù)雜，具有非線性、參數(shù)時(shí)變性和各種擾動(dòng)不確定性的特點(diǎn)，當(dāng)前設(shè)計(jì)的功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)還不夠完善，在一般負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，仍會(huì)導(dǎo)致主蒸汽系統(tǒng)壓力較大幅度的波動(dòng)，影響汽動(dòng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，也對(duì)蒸汽系統(tǒng)的設(shè)備和管路安全運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅。因此，運(yùn)行上仍需進(jìn)一步對(duì)主蒸汽系統(tǒng)的壓力波動(dòng)范圍進(jìn)行限制。本文以某型采用直流蒸汽發(fā)生器的核動(dòng)力商船動(dòng)力裝置為研究對(duì)象，研究利用裝置的啟停蒸汽冷卻器參與主蒸汽壓力運(yùn)行控制，并建立運(yùn)行仿真模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究。

1 啟停蒸汽冷卻器參與主蒸汽壓力調(diào)控的控制原理

1.1 船舶核動(dòng)力裝置工作簡(jiǎn)介

圖1 為采用直流蒸汽發(fā)生器的核動(dòng)力商船動(dòng)力裝置工作原理圖。反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量通過主冷卻劑循環(huán)帶出，在直流蒸汽發(fā)生器進(jìn)行熱量交換。直流蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)做功后乏汽排到冷凝器，冷凝后的疏水經(jīng)凝水泵、給水泵增壓后送回直流蒸汽發(fā)生器，完成二回路工質(zhì)的汽水循環(huán)。為滿足裝置啟停期間的汽水循環(huán)要求，裝置在二回路系統(tǒng)設(shè)置了專用的啟停蒸汽冷卻器。

在裝置的運(yùn)行過程中，要求主蒸汽壓力穩(wěn)定，壓力波動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)。導(dǎo)致直流蒸汽發(fā)生器出口壓力波動(dòng)的因素有很多，主要有:一回路冷卻劑出口溫度，二回路給水流量，二回路蒸汽耗量等(即二回路負(fù)荷)［5］。

圖1 船舶核動(dòng)力裝置工作原理Fig.1 The schematic of the system

啟停蒸汽冷卻器作為裝置啟停排放系統(tǒng)的重要設(shè)備，原設(shè)計(jì)在投入正常運(yùn)行時(shí)不參與工作。本文研究在直流蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用啟停蒸汽冷卻器參與對(duì)主蒸汽系統(tǒng)壓力控制。為控制啟停蒸汽冷卻器熱疲勞損傷，在裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，原則上啟停蒸汽冷卻器定量冷卻少量蒸汽。

1.2 啟停蒸汽冷卻器參與主蒸汽壓力調(diào)控的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)采用直流蒸汽發(fā)生器的船用核動(dòng)力裝置，為保證快速大幅度負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的裝置運(yùn)行安全，采用了一、二回路功率協(xié)調(diào)控制策略。在一般負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，一、二回路功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)，這就會(huì)出現(xiàn)主蒸汽系統(tǒng)壓力較大幅度的波動(dòng)，影響汽動(dòng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，運(yùn)行上仍需進(jìn)一步對(duì)一般負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)主蒸汽系統(tǒng)的壓力波動(dòng)范圍進(jìn)行限制。本文在直流蒸汽發(fā)生器主蒸汽壓力控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將啟停蒸汽冷卻器參與調(diào)控直流蒸汽發(fā)生器出口壓力。如圖2所示，利用PID 控制器與主蒸汽壓力控制系統(tǒng)聯(lián)合控制主蒸汽壓力。在整個(gè)壓力控制方案中，增加了控制器的數(shù)量，以及閥門等的調(diào)節(jié)數(shù)量，使系統(tǒng)的復(fù)雜程度有所增加。

圖2 啟停蒸汽冷卻器參與壓力控制系統(tǒng)的原理Fig.2 The schematic of the steam condenser pressure control system

2 仿真模型

2.1 主蒸汽壓力控制系統(tǒng)模型

根據(jù)圖1所示的核動(dòng)力裝置工作原理圖，搭建相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備的仿真模型，將相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備劃分為多個(gè)控制體。

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，且對(duì)于汽液共存時(shí)，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(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。通過相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)以及模塊劃分，建立直流蒸汽發(fā)生器模型，如圖3所示。

圖3 直流蒸汽發(fā)生器節(jié)點(diǎn)Fig.3 The node graph of the once through steam generator

啟停蒸汽冷卻器采用立式結(jié)構(gòu)，由于其工作過程相當(dāng)于直流蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽的逆過程，因此采用與直流蒸汽發(fā)生器類似的建模方法劃分節(jié)點(diǎn)，建立啟停蒸汽冷卻器模型。

建立不可凝氣體質(zhì)量方程，汽、液質(zhì)量方程，混合相動(dòng)量方程，漂移流方程，汽、液能量方程共7 組方程。根據(jù)所搭建的直流蒸汽發(fā)生器、啟停蒸汽冷卻器等設(shè)備模型，構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型。將1.2節(jié)中的壓力控制模塊載入主程序模塊，構(gòu)建主蒸汽壓力控制系統(tǒng)仿真模型。

2.2 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(duì)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(duì)流、單相汽體對(duì)流 (強(qiáng)迫對(duì)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［6］，模態(tài)沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算選用Bromley 公式。汽態(tài)的冷凝效應(yīng)采用Boyko-Kruzhilin公式［7］，并考慮了流體的自然對(duì)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，并已被證明是滿足計(jì)算精度要求的。

3 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

在蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)10%時(shí)，分別對(duì)3 種不同的控制條件下直流蒸汽發(fā)生器出口壓力、啟停蒸汽冷卻器進(jìn)汽流量以及直流蒸汽發(fā)生器給水流量進(jìn)行對(duì)比分析。這3 種控制條件分別是:啟停蒸汽冷卻器進(jìn)汽流量保持不變，啟停蒸汽冷卻器蒸汽調(diào)節(jié)閥開度保持不變，給水與啟停蒸汽冷卻器聯(lián)合控制直流蒸汽發(fā)生器出口壓力不變。

3.1 蒸汽負(fù)荷降低10%

圖4 ～圖6 分別為蒸汽負(fù)荷降低10%時(shí)，直流蒸汽發(fā)生器出口壓力、啟停蒸汽冷卻器進(jìn)口蒸汽流量和直流蒸汽發(fā)生器給水流量的變化關(guān)系。從這3個(gè)圖可以看出，由于二回路系統(tǒng)設(shè)備用汽量減少導(dǎo)致直流蒸汽發(fā)生器負(fù)荷降低，直流蒸汽發(fā)生器出口壓力升高，給水流量減少，啟停蒸汽冷卻器進(jìn)汽量增大。直流蒸汽發(fā)生器出口壓力升高時(shí)，由于啟停蒸汽冷卻器與主蒸汽管道相連，使啟停蒸汽冷卻器入口壓力增大，進(jìn)入啟停蒸汽冷卻器的蒸汽量增大，之后通過壓力調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定;主蒸汽壓力升高，由于壓力控制系統(tǒng)作用，進(jìn)入直流蒸汽發(fā)生器給水流量相應(yīng)減少，之后趨于穩(wěn)定。從圖4 可看出，對(duì)采用啟停蒸汽冷卻器與給水聯(lián)合控制直流蒸汽發(fā)生器出口壓力的調(diào)控方式，壓力波動(dòng)的幅度最小，能顯著削低壓力波動(dòng)峰值。從圖5 與圖6 可以看出，聯(lián)合控制方式增大了啟停蒸汽冷卻器的流量變化范圍，但減小了給水流量的變化范圍。

3.2 蒸汽負(fù)荷升高10%

圖7 ～圖9 分別為蒸汽負(fù)荷升高10%時(shí)，直流蒸汽發(fā)生器出口壓力、啟停蒸汽冷卻器進(jìn)口蒸汽流量和直流蒸汽發(fā)生器給水流量的變化關(guān)系。從中可以看出，由于二回路系統(tǒng)設(shè)備用汽量增加導(dǎo)致直流蒸汽發(fā)生器負(fù)荷升高，直流蒸汽發(fā)生器出口壓力降低，給水流量增加，啟停蒸汽冷卻器進(jìn)汽流量減小。與負(fù)荷降低一樣，對(duì)采用啟停蒸汽冷卻器與給水聯(lián)合控制直流蒸汽發(fā)生器出口壓力的調(diào)控方式，壓力波動(dòng)的幅度最小，同樣也能顯著削低壓力波動(dòng)峰值，減小給水流量變化范圍，但增大了啟停蒸汽冷卻器的蒸汽流量變化范圍。

4 結(jié) 語

采用直流蒸汽發(fā)生器的船舶核動(dòng)力裝置運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷的頻繁變化對(duì)主蒸汽壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提出了更高的要求。本文以船舶核動(dòng)力裝置主蒸汽壓力為控制目標(biāo)，研究采用啟停蒸汽冷卻器參與主蒸汽壓力調(diào)控的運(yùn)行方案，在裝置負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，能有效降低主蒸汽壓力波動(dòng)幅度，削低壓力峰值，對(duì)核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行有顯著的作用。本文的仿真結(jié)果對(duì)裝置協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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