套管式直流蒸汽發生器建模與仿真

摘 要:本文首先建立了套管式直流蒸汽發生器的數學動態仿真模型。然后在此基礎上，采用計算軟件MATLAB和C++的混合編程對直流蒸汽發生器在啟動過程中運行特性進行了仿真研究。仿真結果與套管式直流蒸汽發生器的實際運行特性能夠較好符合，從而驗證了本文的仿真方法是有效的。

關鍵詞:套管式直流蒸汽發生器動態建模啟動特性

中圖分類號:TL3文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0009-02

本文分析套管式直流蒸汽發生器的結構和工作原理，作適當的簡化假設，建立可以描述套管式直流蒸汽發生器動態特性的蒸汽發生器動態數學模型。

1數學模型

1.1 模型假設

一次側流體在中心管及環形流道外的通道由上向下流動，沒有相變過程;二次側流體在環形流道中逆向流動，從過冷水變成過熱蒸汽，經歷相變過程。

(1)一次側和預熱段水為不可壓流體;

(2)忽略管壁流體間軸向導熱、輻射換熱;

(3)每根管組件熱工水力學參數和過程都相同;

(4)彌散相處于飽和態。

1.2 分段

由于水在管內的狀態和熱工水力不同，將傳熱管分為4個區段，它們的邊界根據體積水、蒸汽比焓和蒸汽的干度定義如下:

(1)預熱段:(為飽和水焓);

(2)核沸騰段:及;

(3)膜沸騰段:;

(4)過熱段:

1.3 傳熱模型

(1)預熱段:單相液體對流換熱區—大流量采用Sieder-Tate公式，小流量則采用Collier公式;欠熱泡核沸騰換熱區—修正的Chen關系式;

(2)沸騰段:飽和泡核沸騰換熱區—Chen關系式;兩相強制對流蒸發換熱區—Chen關系式;缺液換熱區—大流量采用Croneveld關系式，小流量采用Bromley關系式;

(3)過熱段:單相蒸汽對流換熱區—Sieder-Tate關系式。

它們之間的分界點分別是:始沸點，飽和水點，蒸干點，飽和蒸汽點。

1.4 一次側基本方程組

質量連續性方程

(1)

式中:為一次水密度;為一次水流速。

動量方程

(2)

式中:;為一次水摩擦阻力壓降;為一次水的運動黏度。

能量方程

(3)

式中:一次水熱導率;一次水體積熱流量;

一次水平均溫度;一次水定壓比熱。

1.5 二次側基本方程組

混合物質量連續性方程:

式中:;

汽液混合相的密度;

為汽水混合物整體運動的質心速度。

汽相質量連續性方程:

(5)

式中:為汽相的密度;

為液相的密度;

為單位體積內的蒸汽產生率;

，

為汽液兩相間的相對流動速度;

為空泡份額，

混合物動量方程:

(6)

式中:;

為二次側壁面摩擦阻力引起的壓降梯度;

混合物總動量方程

(7)

式中:為汽相的質量能;

為液相的質量能;

為直流套管內徑;

為二次側單位長度的熱流量;

單相水方程組由式(4)，(6)，(7)中，，，，組合可得;單相汽的方程組由式(5)、(6)、(7)中，，;，組合可得。

2 啟動特性分析

啟動瞬態過程定義如下:初始階段0～20s，二回路側給水流量維持在20%滿功率流量，反應堆從熱態零功率以線性方式提升到20%滿功率;20～40s，反應堆功率和二回路側給水流量同步線性提升到100%的過程。啟動瞬態過程后，直流蒸汽發生器將進入額定工況運行。

計算結果如圖1，圖2，圖3，圖4和圖5所示。

仿真結果分析:

(1)直流蒸汽發生器啟動后，出口流體在極短的時間內(約2～3s)由初始的單相液態經汽液兩相轉變為過熱蒸汽，這個過程未計入流體流動慣性和熱構件升溫時間。此間溫度和流量的波動幅度相對較大，但仍處于安全限值內。

(2)在3～20s階段，反應堆功率和二回路側給水流量在20%功率水平下保持平衡，一、二回路側溫度和一回路側流量圍繞穩態值作小幅波動，由于低功率下傳熱管的過冷區和沸騰區的長度較短，導致在此部分溫度梯度較大，造成兩相流動不穩定性增強，從而使得二回路側流量波動較大。低功率下流量震蕩將帶來流動不穩定性問題，會引發傳熱管微振現象，因此OTSG應避免在較低的負荷下長期運行。

(3)在20～40s階段，反應堆功率和二回路側給水流量同步線性提升到100%。此間一、二回路側溫度和流量呈線性變化，幾乎沒有波動。

(4)40s以后，直流蒸汽發生器進入正常運行狀態，一、二回路側溫度和流量皆達到了設計值。可見直流蒸汽發生器的啟動過程是相當迅速的，體現了其熱容量小，機動性好的優勢。

(5)在整個啟動瞬態過程中，隨著反應堆功率的提升，一回路側冷卻劑進出口溫差增大，相應地二回路側給水流量增大，導致直流蒸汽發生器出口蒸汽溫度降低，此結論為啟動特性提供了驗證。

參考文獻

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