負荷擾動下直流蒸汽發生器蒸汽壓力控制仿真

孔夏明，王 葦，孟海波，李 勇

( 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

核動力商船為滿足在不同工況下的航行需要，負荷變化比較頻繁。對采用直流蒸汽發生器的核動力商船而言，為保證快速大幅度負荷變動時的裝置運行安全，采用了一、二回路功率協調控制系統。對此，國內外進行了大量的研究［1－4］。由于直流蒸汽發生器運行的物理過程非常復雜，具有非線性、參數時變性和各種擾動不確定性的特點，當前設計的功率協調控制系統還不夠完善，在一般負荷擾動時，仍會導致主蒸汽系統壓力較大幅度的波動，影響汽動設備的穩定運行，也對蒸汽系統的設備和管路安全運行構成潛在威脅。因此，運行上仍需進一步對主蒸汽系統的壓力波動范圍進行限制。本文以某型采用直流蒸汽發生器的核動力商船動力裝置為研究對象，研究利用裝置的啟停蒸汽冷卻器參與主蒸汽壓力運行控制，并建立運行仿真模型進行仿真試驗研究。

1 啟停蒸汽冷卻器參與主蒸汽壓力調控的控制原理

1.1 船舶核動力裝置工作簡介

圖1 為采用直流蒸汽發生器的核動力商船動力裝置工作原理圖。反應堆產生的熱量通過主冷卻劑循環帶出，在直流蒸汽發生器進行熱量交換。直流蒸汽發生器產生的蒸汽經汽輪機做功后乏汽排到冷凝器，冷凝后的疏水經凝水泵、給水泵增壓后送回直流蒸汽發生器，完成二回路工質的汽水循環。為滿足裝置啟停期間的汽水循環要求，裝置在二回路系統設置了專用的啟停蒸汽冷卻器。

在裝置的運行過程中，要求主蒸汽壓力穩定，壓力波動控制在一定范圍內。導致直流蒸汽發生器出口壓力波動的因素有很多，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(即二回路負荷)［5］。

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

啟停蒸汽冷卻器作為裝置啟停排放系統的重要設備，原設計在投入正常運行時不參與工作。本文研究在直流蒸汽發生器出口蒸汽壓力控制系統的基礎上，利用啟停蒸汽冷卻器參與對主蒸汽系統壓力控制。為控制啟停蒸汽冷卻器熱疲勞損傷，在裝置穩定運行時，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控的控制系統設計

對采用直流蒸汽發生器的船用核動力裝置，為保證快速大幅度負荷變動時的裝置運行安全，采用了一、二回路功率協調控制策略。在一般負荷擾動時，一、二回路功率協調控制系統不參與調節，這就會出現主蒸汽系統壓力較大幅度的波動，影響汽動設備的穩定運行。因此，運行上仍需進一步對一般負荷擾動時主蒸汽系統的壓力波動范圍進行限制。本文在直流蒸汽發生器主蒸汽壓力控制系統基礎上，將啟停蒸汽冷卻器參與調控直流蒸汽發生器出口壓力。如圖2所示，利用PID 控制器與主蒸汽壓力控制系統聯合控制主蒸汽壓力。在整個壓力控制方案中，增加了控制器的數量，以及閥門等的調節數量，使系統的復雜程度有所增加。

圖2 啟停蒸汽冷卻器參與壓力控制系統的原理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模型

根據圖1所示的核動力裝置工作原理圖，搭建相關系統及設備的仿真模型，將相關系統及設備劃分為多個控制體。

直流蒸汽發生器采用套管式結構，一次側冷卻劑雙面加熱二次側給水，且對于汽液共存時，兩相總是處于飽和狀態;直流蒸汽發生器內各節點工質相應參數相同，且同步變化，即按集總參數處理。通過相應的節點以及模塊劃分，建立直流蒸汽發生器模型，如圖3所示。

圖3 直流蒸汽發生器節點Fig.3 The node graph of the once through steam generator

啟停蒸汽冷卻器采用立式結構，由于其工作過程相當于直流蒸汽發生器產生蒸汽的逆過程，因此采用與直流蒸汽發生器類似的建模方法劃分節點，建立啟停蒸汽冷卻器模型。

建立不可凝氣體質量方程，汽、液質量方程，混合相動量方程，漂移流方程，汽、液能量方程共7 組方程。根據所搭建的直流蒸汽發生器、啟停蒸汽冷卻器等設備模型，構建系統仿真模型。將1.2節中的壓力控制模塊載入主程序模塊，構建主蒸汽壓力控制系統仿真模型。

2.2 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［6］，模態沸騰傳熱系數的計算選用Bromley 公式。汽態的冷凝效應采用Boyko-Kruzhilin公式［7］，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，并已被證明是滿足計算精度要求的。

3 仿真試驗及結果分析

在蒸汽負荷擾動10%時，分別對3 種不同的控制條件下直流蒸汽發生器出口壓力、啟停蒸汽冷卻器進汽流量以及直流蒸汽發生器給水流量進行對比分析。這3 種控制條件分別是:啟停蒸汽冷卻器進汽流量保持不變，啟停蒸汽冷卻器蒸汽調節閥開度保持不變，給水與啟停蒸汽冷卻器聯合控制直流蒸汽發生器出口壓力不變。

3.1 蒸汽負荷降低10%

圖4 ～圖6 分別為蒸汽負荷降低10%時，直流蒸汽發生器出口壓力、啟停蒸汽冷卻器進口蒸汽流量和直流蒸汽發生器給水流量的變化關系。從這3個圖可以看出，由于二回路系統設備用汽量減少導致直流蒸汽發生器負荷降低，直流蒸汽發生器出口壓力升高，給水流量減少，啟停蒸汽冷卻器進汽量增大。直流蒸汽發生器出口壓力升高時，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，進入啟停蒸汽冷卻器的蒸汽量增大，之后通過壓力調節趨于穩定;主蒸汽壓力升高，由于壓力控制系統作用，進入直流蒸汽發生器給水流量相應減少，之后趨于穩定。從圖4 可看出，對采用啟停蒸汽冷卻器與給水聯合控制直流蒸汽發生器出口壓力的調控方式，壓力波動的幅度最小，能顯著削低壓力波動峰值。從圖5 與圖6 可以看出，聯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 蒸汽負荷升高10%

圖7 ～圖9 分別為蒸汽負荷升高10%時，直流蒸汽發生器出口壓力、啟停蒸汽冷卻器進口蒸汽流量和直流蒸汽發生器給水流量的變化關系。從中可以看出，由于二回路系統設備用汽量增加導致直流蒸汽發生器負荷升高，直流蒸汽發生器出口壓力降低，給水流量增加，啟停蒸汽冷卻器進汽流量減小。與負荷降低一樣，對采用啟停蒸汽冷卻器與給水聯合控制直流蒸汽發生器出口壓力的調控方式，壓力波動的幅度最小，同樣也能顯著削低壓力波動峰值，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 語

采用直流蒸汽發生器的船舶核動力裝置運行時，負荷的頻繁變化對主蒸汽壓力控制系統的設計與運行提出了更高的要求。本文以船舶核動力裝置主蒸汽壓力為控制目標，研究采用啟停蒸汽冷卻器參與主蒸汽壓力調控的運行方案，在裝置負荷波動時，能有效降低主蒸汽壓力波動幅度，削低壓力峰值，對核動力裝置的安全運行有顯著的作用。本文的仿真結果對裝置協調控制系統的設計具有一定的指導意義。

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