孔夏明，王 葦，孟海波，李 勇，劉現(xiàn)星

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430064)

0 引言

直流蒸汽發(fā)生器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生過熱蒸汽，無需對(duì)蒸汽進(jìn)行除濕，可減小蒸汽發(fā)生器體積尺寸，簡(jiǎn)化汽輪機(jī)組結(jié)構(gòu)，提高核動(dòng)力裝置的熱效率。因此，采用直流蒸汽發(fā)生器的核動(dòng)力裝置在國(guó)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(yùn)行時(shí)，二次側(cè)工質(zhì)由給水泵驅(qū)動(dòng)一次流過傳熱管，依次經(jīng)過預(yù)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(chǔ)水量都很小，運(yùn)行參數(shù)響應(yīng)快。特別是在啟動(dòng)過程中，直流蒸汽發(fā)生器存在強(qiáng)烈的流動(dòng)不穩(wěn)定性和壁溫波動(dòng)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(dòng)特性非常復(fù)雜，需要對(duì)此進(jìn)行深入研究。當(dāng)前，國(guó)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(yùn)行的特性上［3－5］，對(duì)直流蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)系統(tǒng)的研究甚少。相關(guān)文獻(xiàn)［6］研究的直流蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)系統(tǒng)沒有針對(duì)裝置對(duì)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(dòng)時(shí)的裝置運(yùn)行特性。因此，開展直流蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真研究，分析不同啟動(dòng)方式對(duì)核動(dòng)力裝置運(yùn)行特性的影響，對(duì)于整個(gè)核動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)及運(yùn)行具有重要意義。

本文以核動(dòng)力商船直流蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真模型。分別對(duì)直流蒸汽發(fā)生器濕式和干式2種啟動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并對(duì)比分析2種啟動(dòng)方式對(duì)核動(dòng)力裝置啟動(dòng)運(yùn)行特性的影響。

1 直流蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)系統(tǒng)

1.1 啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)過程中一次被加熱、蒸發(fā)、過熱，最后產(chǎn)生達(dá)到品質(zhì)要求的過熱蒸汽。啟動(dòng)時(shí)二次側(cè)工質(zhì)將產(chǎn)生復(fù)雜的汽液兩相變化，并伴隨有流動(dòng)不穩(wěn)定性的發(fā)生，導(dǎo)致直流蒸汽發(fā)生器的啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行較為繁瑣。

本文基于俄羅斯核動(dòng)力商船啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)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(dòng)過程的二回路汽水循環(huán)。在整個(gè)啟動(dòng)過程中，主蒸汽至汽輪機(jī)的閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.2 啟動(dòng)方式

直流蒸汽發(fā)生器廣泛采用的啟動(dòng)方式有以下2種:

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

1)濕式啟動(dòng)。直流蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)前一、二次側(cè)為常溫常壓。在核動(dòng)力裝置完成啟動(dòng)前所有準(zhǔn)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(yùn)行所需的給水流量。之后，逐步提升反應(yīng)堆運(yùn)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(dòng)。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(dòng)力裝置完成啟動(dòng)前所有準(zhǔn)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(dāng)一回路升溫升壓到一定值時(shí)，啟動(dòng)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(yùn)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(shí)，啟動(dòng)結(jié)束。

干式啟動(dòng)主要用于核動(dòng)力裝置熱停堆啟動(dòng)，2種方式相比，干式啟動(dòng)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(shí)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(dòng)過程堆芯物理模型。REMARK是用于核反應(yīng)堆堆芯物理實(shí)時(shí)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(xì)描述堆芯中子通量和功率的分布，REMARK程序?qū)⒍研灸；癁橐粋€(gè)三維柵元結(jié)構(gòu)，用改進(jìn)準(zhǔn)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(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。

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(diǎn)，建立蒸汽冷凝器模型。

2.4 仿真實(shí)現(xiàn)

仿真建模時(shí)，首先在JTOPMERET程序中建立堆芯熱工水力節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。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(jì)算參數(shù)。通過接口程序建立起JTOPMERET堆芯節(jié)點(diǎn)的熱工水力參數(shù)與REMARK程序中相應(yīng)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，之后，將REMARK程序中的點(diǎn)和模塊加載到SIMEEXC仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，與JTOPMERET程序一起在仿真平臺(tái)下調(diào)試 (見圖2)。仿真計(jì)算時(shí)，JTOPMERET程序計(jì)算所得熱工水力參數(shù)傳遞到REMARK程序中用于計(jì)算反應(yīng)堆輸出堆功率，通過接口程序?qū)⒍压β仕鶎?duì)應(yīng)的熱量傳遞給JTOPMERET程序模型，從而實(shí)現(xiàn)堆芯物理與熱工水力計(jì)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(yàn)結(jié)果

3.1 啟動(dòng)初始條件

直流蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)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(dòng)時(shí)，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(dòng)時(shí)，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(dòng)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(dòng)方式下，啟動(dòng)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?jí)毫Σ蛔?。?dāng)二次側(cè)給水在傳熱面上加熱開始產(chǎn)生蒸汽時(shí)，直流蒸汽發(fā)生器出口壓力出現(xiàn)大幅波動(dòng)。之后壓力波動(dòng)減小，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這是因?yàn)榻o水在直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)流動(dòng)過程中被逐漸加熱至沸騰形成汽液兩相流動(dòng)。在低功率下，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一個(gè)微小擾動(dòng)時(shí)，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(dòng)將產(chǎn)生劇烈振蕩，造成系統(tǒng)溫度、壓力波動(dòng)。

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(dòng)時(shí)，在t=18100 s時(shí)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(dāng)液相向汽相轉(zhuǎn)換時(shí)，將產(chǎn)生“噴發(fā)”現(xiàn)象，系統(tǒng)壓力和溫度均會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)。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(dòng)時(shí)初始?jí)毫^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(dāng)直流蒸汽發(fā)生器出口壓力通過控制系統(tǒng)作用達(dá)到設(shè)定值時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間的汽液兩相波動(dòng)后，系統(tǒng)最終穩(wěn)定運(yùn)行。在干式啟動(dòng)的整個(gè)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(dòng)作頻繁，致使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

圖4和圖5分別為啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。相比于濕式啟動(dòng)方式，干式啟動(dòng)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(dǎo)致給水投入時(shí)對(duì)傳熱管造成強(qiáng)烈的熱沖擊，對(duì)直流蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)時(shí)，蒸汽冷凝器水位和疏水溫度在經(jīng)過波動(dòng)后都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且干式啟動(dòng)比濕式啟動(dòng)波動(dòng)更大。這是因?yàn)樵诟墒絾?dòng)的初始階段，直流蒸汽發(fā)生器二次側(cè)充滿空氣，只有當(dāng)啟動(dòng)過程一回路側(cè)的溫度上升至一定值時(shí)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(dǎo)致蒸汽冷凝器水位波動(dòng)較大。此外，干式啟動(dòng)時(shí)，直流蒸汽發(fā)生器在產(chǎn)生蒸汽時(shí)出現(xiàn)“噴發(fā)”現(xiàn)象，造成出口壓力突然升高，這會(huì)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(yǔ)

通過系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)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(yùn)行特性。啟動(dòng)過程中，直流蒸汽發(fā)生器加熱段發(fā)生相變時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)壓力、溫度都會(huì)有很大波動(dòng)，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(dòng)方式下，直流蒸汽發(fā)生器都能成功啟動(dòng);濕式啟動(dòng)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，只需通過啟動(dòng)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(dòng)，由于給水投入較晚，二回路耗電量較小，當(dāng)較低溫度的給水進(jìn)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(dòng)比較劇烈，對(duì)設(shè)備的熱沖擊較大，運(yùn)行也較為復(fù)雜。

相比于濕式啟動(dòng)，干式啟動(dòng)時(shí)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)變化較大，由于空氣需要排放、汽液兩相頻繁波動(dòng)等因素致使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，對(duì)直流蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求也更高。

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