直流蒸汽發生器啟動過程仿真

陳保同，劉翠英，劉現星

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

由于直流蒸汽發生器(Once-Through Steam Generator，OTSG)具有體積小、機動性能好、熱效率高等優點，在國外核動力裝置已得到廣泛研究和應用。直流蒸汽發生器是通過使給水一次強迫循環流過其換熱部分來產生蒸汽，因此啟動時不可避免地會經歷蒸發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個階段［1］，在啟動過程中，存在強烈的流動不穩定性和壁溫波動，并伴隨著干濕交替現象［2］。毫無疑問，開展直流蒸汽發生器啟動過程研究，對于提高核動力裝置設計和運行具有十分重要的實際意義。

本文針對直流蒸汽發生器啟動過程的特點，建立了包括直流蒸汽發生器在內的啟動系統的實時仿真模型。并在此基礎上開展了熱態啟動、冷態啟動2種啟動方式的仿真試驗研究。

1 啟動過程及工作原理

在啟動過程中，直流蒸汽發生器二次側出口熱水或濕蒸汽進入啟動汽水分離器進行分離，分離出的蒸汽供耗汽設備使用，冷凝器中的冷卻凝水抽出，經給水泵加壓后輸送到直流蒸汽發生器進行再循環。啟動系統示意圖見圖1。

OTSG有2種啟動方式，即熱態啟動和冷態啟動。

圖1 OTSG啟動系統流程示意圖Fig.1 Scheme flow paths of the start-up system

冷態啟動:OTSG一、二次側都為常溫常壓，在系統完成啟動前的所有準備工作后，啟動給水泵向OTSG提供相應于最低穩定運行功率的給水，通過壓力調節裝置維持蒸發器出口壓力，提升OTSG一次側溫度，直至直流蒸汽發生器出口蒸汽參數滿足用汽需求。

熱態啟動:OTSG充滿水，OTSG升溫升壓至一定溫度之后，再啟動給水泵向OTSG提供相應于最低穩定運行功率的二次側給水，通過壓力調節裝置維持OTSG出口壓力，繼續提升OTSG一次側溫度，直至OTSG出口蒸汽參數滿足用汽需求。

2 數學模型

2.1 基本守恒方程

依據結構和功能將蒸汽流道分割成若干計算控制體，分別建立不可凝氣體質量方程，汽、液質量方程，汽、液動量方程，汽、液能量方程共7組方程。在兩相流動特性計算中，為了簡化并保證計算過程的穩定性，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，這種假設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，則認為汽液兩相處于不平衡狀態，相間將發生熱交換。各相與兩相間界面的熱流密度用下面方程進行計算:

2.3 汽液兩相界面的傳熱

假設所有包含熱量的質量不在兩相交界面內，也就是兩相交界面內的工質對兩相的熱流密度沒有影響。

界面傳熱率:

2.4 兩相流傳熱模型

兩相傳熱系數的計算取決于流體的密度、流動速度、導熱率等物性參數，受計算控制體的物理狀態影響(壓力、焓)。考慮兩相傳熱的復雜性，在計算流體壁面傳熱系數時根據流體狀態將傳熱過程沿流道分區，分別對不同的傳熱區域進行計算。考慮運算精確度與實時性的要求，單相液體對流、單相汽體對流(強迫對流)傳熱系數的計算選用Dittus-Boelter公式，泡核沸騰傳熱系數的計算選用Chen公式，膜態沸騰傳熱系數的計算選用Bailey公式，汽態的冷凝效應采用 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力熱工計算上有著廣泛的應用，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、兩相流的壓降計算根據流型的狀態和特點，相應采用不同的計算公式。模型中物性參數包括固體物性參數和流體物性參數，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態分析程序，不能滿足仿真模型使用要求。另有一些為仿真建立的動態模型［3，7］，只是選定不同工況進行擾動，并不能完全模擬OTSG負荷從0～100% ～0這種全工況的連續變化過程。精確計算OTSG參數非常耗時，如果采用極其精細的模型，很難達到實時仿真的要求。本系統OTSG模型采用一些簡化處理，使之能滿足實時仿真的要求:不考慮管間脈動的影響;且對于汽液共存時，兩相總是處于飽和狀態;OTSG內各點工質相應參數相同，且同步變化，即按集總參數處理。

本系統中，OTSG可以產生汽水混合物、過熱蒸汽，在低功率下(水蒸氣產生時)，會產生壓力和流量震蕩，隨著功率的增加，震蕩消失，OTSG內汽水轉換達到穩態，出現下段過冷水，上半段為過熱蒸汽，中間段為汽水共存的飽和狀態。這種特性完全滿足本啟停系統對OTSG的仿真要求。

2.7 啟停分離器模型

模型假設:

1)分離器內各點工質的相應參數相同，且同步變化，即分離器內工質按集總參數處理。

2)分離器處于汽水兩相共存時，總處于飽和狀態。

連續方程:

能量方程:

壓力變動方程:

輔助方程:

其中，Dq為分離器的產汽量，kg/s;x為進入分離器的工質干度，x=(h1－hs)/r;V=Vs+Vq為分離器的總容積;D1為進入分離器的工質流量，kg/s;D2為分離器分離出的蒸汽量，kg/s;D3為啟動分離器排水量，kg/s。

2.8 冷凝器模型

冷凝器用做汽機和其他輔機及蒸汽排汽裝置，它也接收來自給水加熱器疏水等各路疏水。本文只考慮啟動分離器分離后排出的蒸汽和疏水。由于核動力裝置在啟動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 仿真實驗結果

3.1 仿真初始條件

OTSG一次側冷卻劑為常溫常壓，內、外管冷卻劑流量按比例設為定值;二回路系統滿水，常溫常壓。冷凝器的循環水流量設為定值，循環水為常溫。

3.2 啟動過程

冷態啟動:啟動凝水增壓泵、電動給水泵，調整給水閥開度，保持給水流量為系統設計的啟動流量。OTSG一次側以規定速度升溫升壓，控制啟動分離器出口閥門開度，維持OTSG出口壓力，直至啟動分離器出口蒸汽滿足要求。

熱態啟動:OTSG一次側以一定速度升溫升壓至規定值后，啟動凝水增壓泵、電動給水泵，調整給水閥開度，建立并保持給水流量為系統設計的啟動流量，控制啟動分離器出口閥門開度，維持OTSG出口壓力。OTSG一次側繼續以一定速度升溫升壓，直至啟動分離器出口蒸汽滿足要求。

啟動過程直流蒸汽發生器(OTSG)出口壓力變化見圖2，冷態啟動過程OTSG出口壓力基本上保持不變，只在OTSG出現兩相時有波動;熱態啟動OTSG出口壓力隨著一次側工質升溫逐漸升高，一次側工質升壓時OTSG出口壓力變化不大，OTSG出口壓力劇烈波動出現在開啟給水泵時候。

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

啟動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，熱態啟動在啟動過程首先出現兩相，在OTSG出口有蒸汽，而在給水出現后則變為單相水。隨著一次側工質繼續升溫，OTSG則再次出現兩相，OTSG出口有蒸汽，直至過熱，這在圖6熱態啟動過程OTSG沿高度上空泡份額變化表現的更加清楚。

圖3 啟動分離器水位Fig.3 Separator level

4 結語

本文通過對OTSG啟動系統建模，建立了OTSG啟動過程實時仿真系統，開展了OTSG冷態啟動和熱態啟動仿真試驗。實驗結果表明，2種啟動耗時相差無幾，但冷態啟動過程操作簡單，容易控制，只需通過啟停系統壓力調節裝置維持蒸發器出口壓力即可。

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

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

在啟動過程中，OTSG加熱段發生相變時，啟動系統壓力、溫度都會有很大波動，尤其是水相向汽相轉換過程中有“噴發”現象。在熱態啟動的第二階段，即啟動凝水增壓泵、電動給水泵，調整給水閥開度，建立啟動流量時，由于要將20～30℃冷水進入OTSG有較高溫度的汽水混合物或過熱蒸汽的加熱段，壓力、溫度波動會更劇烈。

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