直流蒸汽發生器啟動系統動態特性仿真

孔夏明，王 葦，孟海波，李 勇，劉現星

(武漢第二船舶設計研究所蒸汽動力系統實驗室，湖北 武漢 430064)

0 引言

直流蒸汽發生器運行時產生過熱蒸汽，無需對蒸汽進行除濕，可減小蒸汽發生器體積尺寸，簡化汽輪機組結構，提高核動力裝置的熱效率。因此，采用直流蒸汽發生器的核動力裝置在國外船舶領域已得到較為廣泛的研究和應用［1］。直流蒸汽發生器運行時，二次側工質由給水泵驅動一次流過傳熱管，依次經過預熱段、蒸發段和過熱段后產生過熱蒸汽，其二次側的蓄熱量和儲水量都很小，運行參數響應快。特別是在啟動過程中，直流蒸汽發生器存在強烈的流動不穩定性和壁溫波動階段，并伴隨著壁面的干濕交替現象［2］，使直流蒸汽發生器的啟動特性非常復雜，需要對此進行深入研究。當前，國內研究主要集中在直流蒸汽發生器分析模型的建立及其正常運行的特性上［3－5］，對直流蒸汽發生器啟動系統的研究甚少。相關文獻［6］研究的直流蒸汽發生器啟動系統沒有針對裝置對象建模，系統特性不完整，不能正確反映直流蒸汽發生器啟動時的裝置運行特性。因此，開展直流蒸汽發生器啟動系統動態特性仿真研究，分析不同啟動方式對核動力裝置運行特性的影響，對于整個核動力裝置的設計及運行具有重要意義。

本文以核動力商船直流蒸汽發生器啟動系統為原型，建立包含反應堆一回路系統在內的直流蒸汽發生器啟動系統實時仿真模型。分別對直流蒸汽發生器濕式和干式2種啟動系統的運行特性進行動態仿真，并對比分析2種啟動方式對核動力裝置啟動運行特性的影響。

1 直流蒸汽發生器啟動系統

1.1 啟動系統工作原理

直流蒸汽發生器具有與自然循環蒸汽發生器不同的啟動特性，其二次側熱容量較小，給水依次流過傳熱管的加熱段、蒸發段和過熱段。給水在流動過程中一次被加熱、蒸發、過熱，最后產生達到品質要求的過熱蒸汽。啟動時二次側工質將產生復雜的汽液兩相變化，并伴隨有流動不穩定性的發生，導致直流蒸汽發生器的啟動系統運行較為繁瑣。

本文基于俄羅斯核動力商船啟動系統結構及組成，建立包含反應堆一回路系統在內的直流蒸汽發生器啟動系統 (見圖1)。系統工作原理如下:直流蒸汽發生器啟動時二次側產生的水、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生器，從而完成直流蒸汽發生器啟動過程的二回路汽水循環。在整個啟動過程中，主蒸汽至汽輪機的閥門均處于關閉狀態。

1.2 啟動方式

直流蒸汽發生器廣泛采用的啟動方式有以下2種:

圖1 啟動系統工作原理圖Fig.1 The schematic of the start-up system

1)濕式啟動。直流蒸汽發生器啟動前一、二次側為常溫常壓。在核動力裝置完成啟動前所有準備工作后，開啟給水泵向直流蒸汽發生器提供維持最低水力穩定運行所需的給水流量。之后，逐步提升反應堆運行功率，并通過壓力調節裝置調節直流蒸汽發生器出口壓力或給水流量，使直流蒸汽發生器一次側溫度逐漸升高，從而加熱二回路給水，直至直流蒸汽發生器二次側產生符合品質要求的蒸汽。

2)干式啟動。直流蒸汽發生器一次側常溫常壓，二次側為空氣。在核動力裝置完成啟動前所有準備工作后，提升反應堆功率，使一回路系統按一定溫度升溫升壓。當一回路升溫升壓到一定值時，啟動給水泵向直流蒸汽發生器二次側提供維持最低水力穩定運行所需的給水流量，直接產生汽水混合物或蒸汽。之后，繼續升溫升壓，直至直流蒸汽發生器二次側產生符合品質要求的蒸汽時，啟動結束。

干式啟動主要用于核動力裝置熱停堆啟動，2種方式相比，干式啟動二回路系統投入晚，可以減少電源消耗。

2 仿真模型與仿真實現

2.1 堆芯物理模型

采用REMARK程序建立直流蒸汽發生器啟動過程堆芯物理模型。REMARK是用于核反應堆堆芯物理實時仿真的程序，該程序使用兩群中子精確模擬反應堆在正常和異常工況下的快中子、熱中子特性。為詳細描述堆芯中子通量和功率的分布，REMARK程序將堆芯模化為一個三維柵元結構，用改進準靜態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性反饋以及控制棒引起的反應性。

2.2 直流蒸汽發生器模型

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。假設汽液共存時，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。

2.3 蒸汽冷凝器模型

蒸汽冷凝器采用立式結構，冷凝由直流蒸汽發生器排入的水、汽水混合物或蒸汽。采用與直流蒸汽發生器類似的建模方法劃分節點，建立蒸汽冷凝器模型。

2.4 仿真實現

仿真建模時，首先在JTOPMERET程序中建立堆芯熱工水力節點模型，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點。在REMARK程序中輸入相應的堆芯結構參數以及堆芯物理初始計算參數。通過接口程序建立起JTOPMERET堆芯節點的熱工水力參數與REMARK程序中相應參數之間的對應關系，之后，將REMARK程序中的點和模塊加載到SIMEEXC仿真平臺的數據庫文件中，與JTOPMERET程序一起在仿真平臺下調試 (見圖2)。仿真計算時，JTOPMERET程序計算所得熱工水力參數傳遞到REMARK程序中用于計算反應堆輸出堆功率，通過接口程序將堆功率所對應的熱量傳遞給JTOPMERET程序模型，從而實現堆芯物理與熱工水力計算的軟件接口模型。

圖2 仿真程序接口示意圖Fig.2 The sketch map interface of the simulation program

3 仿真試驗結果

3.1 啟動初始條件

直流蒸汽發生器啟動前一次側冷卻劑為常溫常壓，直流蒸汽發生器傳熱管內管內和外管外的冷卻劑流量按比例設為定值，控制棒各組處于初始位置。干式啟動時，直流蒸汽發生器二次側為空氣，蒸汽冷凝器超過半水位;濕式啟動時，直流蒸汽發生器二次側充滿常溫常壓的給水，蒸汽冷凝器的循環冷卻水流量設為定值，循環水為常溫。

3.2 仿真結果分析

圖3為2種啟動方式下直流蒸汽發生器出口壓力瞬態變化曲線。從圖中可以看出，2種啟動方式下，啟動過程的初始階段直流蒸汽發生器出口壓力一直維持初始壓力不變。當二次側給水在傳熱面上加熱開始產生蒸汽時，直流蒸汽發生器出口壓力出現大幅波動。之后壓力波動減小，最終達到穩定狀態。這是因為給水在直流蒸汽發生器內流動過程中被逐漸加熱至沸騰形成汽液兩相流動。在低功率下，當系統出現一個微小擾動時，由于密度波不穩定性，蒸汽發生器傳熱管內的兩相流動將產生劇烈振蕩，造成系統溫度、壓力波動。

圖3 直流蒸汽發生器出口壓力Fig.3 The steam pressure of OTSG outlet

圖4 直流蒸汽發生器給水流量Fig.4 The feedwater flow of the OTSG

圖5 直流蒸汽發生器出口蒸汽溫度Fig.5 The steam temperature of OTSG outlet

干式啟動時，在t=18100 s時刻直流蒸汽發生器出口壓力突然升高，這是由于直流蒸汽發生器內開始產生蒸汽，當液相向汽相轉換時，將產生“噴發”現象，系統壓力和溫度均會出現較大波動。之后，由于空氣排放閥開啟，壓力回落。由于二回路系統啟動時初始壓力較小，直流蒸汽發生器內汽液兩相變化頻繁，致使直流蒸汽發生器出口蒸汽壓力小范圍振蕩。當直流蒸汽發生器出口壓力通過控制系統作用達到設定值時，經過一段時間的汽液兩相波動后，系統最終穩定運行。在干式啟動的整個過程中，直流蒸汽發生器給水系統，蒸汽冷凝器壓力調節閥動作頻繁，致使控制系統的設計較為復雜。

圖4和圖5分別為啟動過程中直流蒸汽發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種啟動方式下，直流蒸汽發生器產生符合品質要求的蒸汽，給水流量經過兩相階段的波動后達到穩定狀態。相比于濕式啟動方式，干式啟動由于給水泵投入較晚，可節約大量電能，但由于在給水泵投入之前直流蒸汽發生器處于干燒狀態，導致給水投入時對傳熱管造成強烈的熱沖擊，對直流蒸汽發生器設計要求較高。

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分別為直流蒸汽發生器啟動過程中蒸汽冷凝器水位和疏水溫度變化。從圖中可看出，直流蒸汽發生器啟動時，蒸汽冷凝器水位和疏水溫度在經過波動后都達到穩定狀態，且干式啟動比濕式啟動波動更大。這是因為在干式啟動的初始階段，直流蒸汽發生器二次側充滿空氣，只有當啟動過程一回路側的溫度上升至一定值時才打開給水調節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，導致蒸汽冷凝器水位波動較大。此外，干式啟動時，直流蒸汽發生器在產生蒸汽時出現“噴發”現象，造成出口壓力突然升高，這會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 結語

通過系統動態仿真試驗可以看出，REMARK程序和JTOPMERET程序聯合所建立的系統仿真模型能全面反映系統運行特性。啟動過程中，直流蒸汽發生器加熱段發生相變時，啟動系統壓力、溫度都會有很大波動，尤其是液相向汽相轉換過程中有“噴發”現象。2種啟動方式下，直流蒸汽發生器都能成功啟動;濕式啟動過程相對簡單，只需通過啟動系統壓力調節裝置維持直流蒸汽發生器出口壓力即可;干式啟動，由于給水投入較晚，二回路耗電量較小，當較低溫度的給水進入直流蒸汽發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、溫度波動比較劇烈，對設備的熱沖擊較大，運行也較為復雜。

相比于濕式啟動，干式啟動時設備運行參數變化較大，由于空氣需要排放、汽液兩相頻繁波動等因素致使控制系統的設計更為復雜，對直流蒸汽發生器的設計要求也更高。

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