核動力裝置系統(tǒng)性能特性分析研究

楊 博

(中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川 成都 610041)

核動力裝置二回路屬于典型的強耦合性多回路多變量熱動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數以千計的各種設備有機組合在一起，這些設備間緊密耦合，任意一個設備、一個過程參數的變化都會帶來多方面的影響。由此可知，要提高系統(tǒng)效率就必須通過實驗或者仿真的方法研究影響系統(tǒng)效率的關鍵因素以及這些因素的敏感性。其中仿真技術就是對熱力系統(tǒng)進行動態(tài)性能分析的一種安全、簡單且有效的研究方法。尤其對于核動力系統(tǒng)，由于現場試驗投入大、風險高，就很適合通過計算機仿真研究其系統(tǒng)性能的變化規(guī)律，從而優(yōu)化和提高系統(tǒng)效率。

1 系統(tǒng)建模

二回路系統(tǒng)主體部分由汽輪機、冷凝器、凝結水泵、汽動給水泵及閥門等組成。蒸汽發(fā)生器產生的蒸汽通過隔離閥后，大部分進入汽輪機，推動螺旋槳旋轉,剩余部分進入汽輪發(fā)電機發(fā)電，向船舶供電[1-2]。

二回路參數優(yōu)化以朗肯循環(huán)效率為主要優(yōu)化目標，優(yōu)化結果可以為提高核動力系統(tǒng)的總體熱效率奠定基礎。圖1中的曲線表示朗肯循環(huán)，其熱效率ηt的表達式為：

(1)

式中：h1,h2,h3和h4為朗肯循環(huán)各工況點的焓。

由圖可以看出，影響二回路系統(tǒng)熱效率的關鍵運行參數為蒸汽發(fā)生器與冷凝器的壓差(3點過熱度與1點過冷度可設為定值，不做優(yōu)化考慮)，而二回路的運行工況(溫度、壓力等參數)有可能會因為蒸汽發(fā)生器的換熱效率過低而間接受到一回路運行參數的限制,此外還需考慮海水泵的功耗等對總效率的影響[3]。

圖1 朗肯循環(huán)中溫度與熵關系圖

1.1 簡單朗肯循環(huán)系統(tǒng)

首先不考慮系統(tǒng)的空間限制及設備對高溫高壓的承受能力，將二回路流量歸一化后，研究簡單朗肯循環(huán)模型中性能參數對熱效率的影響。建模的關鍵運行參數和設備效率見表1。

表1 簡單朗肯循環(huán)的關鍵運行參數及設備效率

1.2 朗肯循環(huán)預熱系統(tǒng)

根據核動力熱力系統(tǒng)基本理論可知，通常二回路的循環(huán)效率對整體熱效率的影響很大。工程運行經驗表明，采用汽水分離再熱器、回熱加熱器、再生式熱交換器，提高凝汽器性能等方法均可以有效提高核電機組熱效率。按照某船用核動力系統(tǒng)二回路的設計(圖2[4])，在原有簡單朗肯循環(huán)的系統(tǒng)中增加了預熱器、減溫減壓裝置、貯水箱、水泵等設備，使得發(fā)電汽輪機出口和螺旋槳汽輪機出口的工質與部分抽氣混合，在預熱器中提前加熱[5]。利用MATLAB進行該二回路預熱系統(tǒng)建模，做如下假設，結果見表2。

1—蒸汽入口；2，3—汽輪發(fā)電機；4—減溫減壓裝置；5—主汽輪 機；6—螺旋槳；7—貯水箱；8—冷凝器；9—熱阱；10—凝結水泵；11—補水閥；12—過剩水排放閥；13，14，15—給水泵；16—廢汽 管；17—預熱器；18—給水出口圖2 二回路預熱系統(tǒng)示意圖

表2 二回路預熱系統(tǒng)建模參數計算結果

1)汽輪機和冷凝器流量差為抽氣量，約占總蒸汽量的11.6%，工質參數的抽取點為蒸汽發(fā)生器出口；

2)冷凝器中壓力恒定，出口為飽和水；

3)換熱器效率為100%，給水泵做功忽略不計。

1.3 二回路設備選型

在對二回路進行優(yōu)化計算時，除了考慮循環(huán)效率，還應兼顧設備及系統(tǒng)的體積。因此，在確定運行工況的前提下，可根據設備功率及流量、揚程等參數對泵和冷凝器等設備依照常用民用設備的參數進行選型[6]。確定設備型號后，可根據系統(tǒng)結構和不同設備的尺寸調整管道等部件結構參數，從而得到二回路系統(tǒng)模型。

2 運行參數性能特性分析

對于一般的壓水堆核電系統(tǒng)來說，總效率可近似地表示為：

ηp1=ηbηpηtηoiηmηg

(2)

式中：ηp1為發(fā)電廠總效率；ηb為設備熱效率，壓水堆核電廠一般為0.98～0.99；ηp為管道熱效率，一般為0.98～0.99；ηt為理論熱力循環(huán)效率，一般為0.40～0.45；ηoi為汽輪機相對內效率，一般為0.85～0.87；ηm為汽輪機組機械效率，一般為0.95～0.99；ηg為發(fā)電機效率，一般為0.98～0.99。

可見提高壓水堆核電熱效率的方法主要是從上述幾個方面著手。根據不同效率值可以發(fā)現，提高二回路的循環(huán)效率具有提升整體熱效率的最大潛能。在大型壓水堆核電廠中，因沒有較多的空間和質量限制，往往采用增加汽水分離再熱器、回熱加熱器、再生式熱交換器，提高凝汽器性能等方法提高核電機組熱效率，此類方法在緊湊型核動力系統(tǒng)的優(yōu)化中可以部分借鑒和使用。同時，還需兼顧設備和系統(tǒng)的緊湊性和安全性。

2.1 簡單朗肯循環(huán)運行特性

利用二回路系統(tǒng)參數設計值進行MATLAB建模時，該朗肯循環(huán)的效率為26.14%。現將任一參數在一定范圍內改變，其他參數保持設計值進行仿真計算，結果如圖4所示，可得到如下規(guī)律：

1)取設計值的系統(tǒng)循環(huán)效率為26.14%，性能探討過程中循環(huán)效率波動范圍為21%～31%，考慮到設備承受能力，簡單循環(huán)效率提升的空間不大；

2)冷凝器壓力越小，朗肯循環(huán)效率越高(如圖3(a)所示)；

3)蒸汽發(fā)生器壓力越大，朗肯循環(huán)效率越高(如圖3(b) 所示)；

4)泵和汽輪機的設備效率越高，朗肯循環(huán)效率越高(如圖3(c)、(d)所示)；

5)蒸汽發(fā)生器出口過熱，可提高朗肯循環(huán)效率(如圖3(e) 所示)。

圖3 二回路系統(tǒng)中單一運行參數對循環(huán)效率的影響

本文嘗試同時改變相同性質的系統(tǒng)參數，研究不同參數組合對朗肯循環(huán)效率的影響。如圖4(a)所示，較高的蒸汽發(fā)生器壓力與較低的冷凝器壓力組合，可獲得較高的循環(huán)效率。如圖4(b)所示，較高的泵和汽輪機的設備效率組合，可獲得較高的朗肯循環(huán)效率；然而泵的設備效率對系統(tǒng)效率的影響相對較小，且現有設備的運行效率接近于1，對其進行優(yōu)化的工程意義不大。

圖4 二回路系統(tǒng)中運行參數組合對循環(huán)效率的影響

2.2 帶抽氣預熱的朗肯循環(huán)運行特性

利用帶抽氣預熱的二回路系統(tǒng)參數設計值進行MATLAB建模時，取抽氣率為11.4%，循環(huán)效率僅為24.20%。因系統(tǒng)的細節(jié)參數不完善導致的計算誤差較大，于是改變抽氣率，并分析系統(tǒng)循環(huán)效率低的原因：

1)汽輪給水泵做功被忽略，但經預熱后的高溫蒸汽沒有做功直接冷凝，弊端不僅在于能量浪費，還在于兩股工質因壓力不同而引起的設備復雜性增加；

2)換熱器冷端的溫升限制導致沒有充分利用抽氣的能量；

3)抽氣量越低，循環(huán)效率越高，且抽氣率低于5%時才有效率優(yōu)勢。

此外，改變預熱器的溫度對效率的影響如圖5所示。可以發(fā)現，換熱器冷端的溫升增加可有效提高帶抽氣的朗肯循環(huán)效率，且二者近乎線性相關。

由此可知，同時改變以上兩個參數，由圖6可以發(fā)現，提高預熱溫度并減小抽氣量，可有效提高循環(huán)效率。在不改變系統(tǒng)高低壓參數和設備效率的前提下，循環(huán)效率可有效提高至38%。

圖5 預熱器工質溫度對循環(huán)效率的影響

圖6 預熱器工質溫度和抽氣率對循環(huán)效率的影響

3 系統(tǒng)優(yōu)化建議方向

為了兼顧系統(tǒng)運行參數及設備空間和質量的限制，對二回路系統(tǒng)參數進行整體優(yōu)化時需要的多目標參量為二回路熱效率、海水泵功率、二回路體積。

由于系統(tǒng)安全裕度、一二回路換熱效率等條件的限制，二回路高壓段的工況會對一回路的運行參數造成較大影響，因此需要進一步研究堆芯運行的溫度壓力與循環(huán)效率間的關系。此外，如需進一步提高系統(tǒng)熱效率，還可以對汽輪機、換熱器等單個設備進行參數優(yōu)化，從而提高做功及換熱效率。

4 結論

1)本文通過計算機建模和仿真等手段，研究了影響核動力二回路系統(tǒng)整體效率的諸多因素，為提高系統(tǒng)效率提供了依據和建議。

2)通過在MATLAB程序中建立二回路主要設備的物理模型，證明適當簡化后的物理模型能夠較準確地模擬系統(tǒng)熱力循環(huán)的主要過程。

3)通過計算找出了設備壓力、溫度和抽氣率等因素對系統(tǒng)循環(huán)效率的影響規(guī)律。分析表明，抽氣量越小，循環(huán)效率越高，且抽氣率低于5%時才有效率優(yōu)勢。