非對稱加熱條件下鍋爐反應器蒸汽生成過程參數影響研究

馬為峰, 路 駿, 萬榮華, 韓勇軍

非對稱加熱條件下鍋爐反應器蒸汽生成過程參數影響研究

馬為峰, 路 駿, 萬榮華, 韓勇軍

(中國船舶集團有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

針對魚雷Li/SF6閉式循環動力系統鍋爐反應器復雜物理化學過程中參數耦合、參數時變造成的系統穩定域度小等問題, 文中基于傳熱學理論, 采用分段式處理方法, 建立了鍋爐反應器螺旋換熱管流動換熱模型, 對傳熱過程進行了數值仿真, 探討了非對稱加熱條件下鍋爐反應器入口工質溫度、出口工質溫度、出口工質壓力、出口工質流量等參數的變化對蒸汽生成過程的影響規律。研究結果可為系統性能仿真和調節控制優化, 提升系統穩定域度提供支撐, 為鍋爐反應器的工程設計、優化和試驗驗證提供理論參考, 對同類裝置的研究和設計也具有一定的參考價值。

魚雷; 閉式循環動力系統; 非對稱加熱; 蒸汽生成; 鍋爐反應器

0 引言

基于Li/SF6燃料的魚雷閉式循環動力采用Li金屬燃料穩定燃燒與高效傳熱生成過熱蒸汽, 驅動渦輪機做功產生魚雷推力, 采用過熱蒸汽作為循環工質, 在實現大功率輸出的同時, 實現了高比能動力系統的閉式循環, 系統無工質排放, 性能不受航行深度影響[1]。美國率先研制成功此動力裝置, 并于20世紀90年代裝備于MK50魚雷。

鍋爐反應器是Li/SF6閉式循環動力系統的重要組成部分, 是Li和SF6發生反應的燃燒室, 也是蒸汽生成的熱交換器, 其材質、直徑和管長等對工質在管內的流動換熱性能影響較大[2]。鍋爐反應器的蒸汽生成涵蓋了水工質的預熱、沸騰、氣化和過熱等過程, 涉及熔池兩相流燃燒、螺旋管外流固傳熱以及螺旋管內流動換熱, 而螺旋管內流動換熱又涉及液態金屬同螺旋管管壁的換熱, 金屬管壁的導熱, 螺旋管管壁與單相水、單相蒸汽、氣液兩相流的換熱等, 而鍋爐反應器的螺旋非對稱加熱條件更加劇了這些復雜物理化學過程的參數耦合, 使得各參數隨時而變, 極大壓縮了系統的穩定域度, 增加了系統的調控難度。

鄭邯勇[3]對Li/SF6鍋爐反應器內流體的流動結構與溫度分布進行了研究, 提出了鍋爐反應器工作過程的階段劃分方法, 并指出了有利于鍋爐反應器穩定反應與傳熱的條件。王樹峰[4]基于系統效率的理論計算, 提出了鍋爐反應器的快速啟動溫度、輸出過熱蒸汽的溫度和壓力、入口水工質溫度參數值。白潔等[5]建立了水下航行器螺旋管蒸發器穩態一維分布參數模型, 獲得了工質沿流動方向的狀態參數。但在鍋爐反應器設計與試驗過程中, 僅通過負反饋控制方法簡單調節SF6流量實現系統調節控制, 缺乏蒸汽生成過程的參數變化規律支撐, 制約了鍋爐反應器的優化設計。

文中針對鍋爐反應器螺旋換熱管進行的流動換熱過程研究, 探索非對稱加熱條件下蒸汽生成過程的參數影響規律, 為鍋爐反應器的工程設計、優化和試驗驗證提供理論依據。

1 鍋爐反應器工作原理

鍋爐反應器采用雙圈螺旋管形式, 將2根不銹鋼鋼管并排纏繞成內外圈螺旋管, 將外緣與端蓋焊接在一起, 構成環形空間作為鍋爐反應器腔室, 內部裝載金屬Li和啟動劑。鍋爐反應器結構如圖1所示。

啟動時, 啟動劑燃燒產生熱量加熱熔融固態金屬Li, 產生的液態Li與噴入的SF6發生化學反應, 以釋放的反應熱加熱螺旋管內的工質水, 使工質預熱、汽化、過熱, 生成高溫高壓蒸汽, 進入渦輪機推動渦輪做功。

圖1 鍋爐反應器結構

2 計算方法和流程

作為鍋爐反應器設計的已知條件首要的是出口工質壓力、出口工質溫度和出口工質流量, 其次是入口工質溫度和入口工質壓力。因此, 計算以出口工質壓力、出口工質溫度、出口工質流量和入口工質溫度為已知條件, 反推鍋爐反應器結構參數和入口工質壓力。計算流程如圖2所示。

蒸汽生成過程分為過冷段、飽和段和過熱段三部分。過冷段入口為具有一定溫度的水, 出口是干度為0的飽和水; 飽和段入口是干度為0的飽和水, 出口是干度為1的飽和蒸汽; 過熱段入口是干度為1的飽和蒸汽, 出口為具有一定過熱度的蒸汽。根據鍋爐反應器出口工質壓力、出口工質溫度和出口工質流量, 假定過熱段壓降和過熱段管壁平均溫度, 計算過熱段平均溫度和平均壓力下的工質普朗特數、運動粘度、導熱系數和對數溫差等物性參數, 獲得壓力損失和管壁平均溫度計算值, 并與假設值比較, 如果誤差在允許范圍內, 計算過熱段管長、高度等結構參數。然后繼續進行飽和段和過冷段的計算, 否則, 選擇假設值重新計算, 飽和段和過冷段的計算與過熱段的計算類似。

3 計算模型

假設鍋爐反應器換熱管與Li熔池相鄰的一半用于換熱, 另一半不參與傳熱, 且Li熔池內溫度均勻一致, 到換熱管的換熱系數為常值, 建立如下計算模型。

1) 計算段加熱功率

2) 計算段單位流通面積的工質質量流量

3) 計算段加速壓力降

4) 計算段摩擦阻力壓力降[6-7]

5) 計算段換熱面積

6) 計算段平均干度

7) 計算段傳熱系數[8-11]

計算段換熱管到工質的換熱系數

計算段工質平均溫度下的雷諾數

計算段曲度

飽和段修正系數

8) 計算段管壁平均溫度校對值

9) 計算段高度

4 計算結果和參數影響規律

4.1 入口工質溫度影響分析

維持其他參數不變, 僅改變鍋爐反應器入口工質溫度, 過冷段參數變化曲線如圖3所示。

計算結果表明:

1) 鍋爐反應器入口工質溫度的增加相當于工質帶入了一部分熱量, 使得過冷段加熱功率減小, 換熱面積和長度減小, 由于過冷段長度變小, 過冷段工質壓降變小, 入口工質壓力降低;

圖3 過冷段參數隨入口工質溫度變化曲線

2) 在維持出口工質參數不變的情況下, 隨著鍋爐反應器入口工質溫度的增加, 過熱段和飽和段的換熱面積、長度和高度等參數和入口工質參數不變;

3) 過冷段加熱功率減小使得鍋爐反應器總加熱功率減小, 由過冷段組成的內圈高度減小。

因此在構建基于鍋爐反應器的閉式循環動力時, 提高鍋爐反應器入口工質溫度, 不僅有利于提高系統效率, 還可減少鍋爐反應器長度, 降低泵出口工質壓力要求。

4.2 出口工質溫度影響分析

維持鍋爐反應器其他參數不變, 在穩態值[–18%,18%]范圍內改變出口工質溫度, 計算結果如圖4～圖6所示。

計算結果表明, 隨著出口工質溫度增加:

1) 過熱段加熱功率、換熱面積、長度和工質壓降等參數大幅增加, 過熱段入口工質壓力增加,為保證入口的干飽和蒸汽狀態, 過熱段入口工質溫度小幅增加;

圖4 過熱段參數隨出口工質溫度變化曲線

圖5 飽和段參數隨出口工質溫度變化曲線

圖6 過冷段參數隨出口工質溫度變化曲線

2) 飽和段加熱功率、換熱面積、長度和工質壓降等參數小幅減少, 入口工質壓力增加, 為維持飽和段入口的飽和水狀態, 入口工質溫度小幅增加;

3) 過冷段加熱功率、換熱面積、長度和工質壓降等參數小幅增加, 過冷段入口工質壓力大幅增加。

綜合分析, 為滿足鍋爐反應器出口工質溫度的增加, 過熱段所需加熱功率大幅增加, 飽和段所需的加熱功率稍有降低, 過冷段所需加熱功率小幅增加, 飽和段降低的加熱功率幾乎與過冷段增加的加熱持平。由飽和段和過熱段組成的外圈高度大幅增加, 而由過冷段組成的內圈高度稍有增加, 因此需適當增加內圈高度, 匹配外圈高度。

4.3 出口工質壓力影響分析

維持鍋爐反應器的其他參數不變, 在穩態值[–15%, 15%]范圍內改變出口工質壓力, 計算結果如圖7～圖9所示。

圖7 過熱段參數隨出口工質壓力變化曲線

圖8 飽和段參數隨出口工質壓力變化曲線

圖9 過冷段參數隨出口工質壓力變化曲線

結果表明, 為滿足鍋爐反應器出口工質壓力的增加:

1) 過熱段、飽和段和過冷段的入口工質壓力相應增加, 但在溫度不變的情況下蒸汽焓值有所降低, 導致總的加熱功率有所降低;

2) 由于過熱段、飽和段和過冷段的入口工質壓力增加, 為達到相應壓力下的工質飽和, 工質飽和溫度相應增加, 因此鍋爐反應器過熱段入口工質溫度和飽和段入口工質溫度增加;

3) 飽和段的換熱面積和長度等參數減小, 但過熱段的換熱面積和長度等參數稍有增加, 過冷段的換熱面積和長度等參數增加, 由過冷段組成的內圈高度增加, 由飽和段和過熱段組成的外圈高度減小。

4.4 工質流量影響分析

維持鍋爐反應器其他參數不變, 在穩態值[–20%, 20%]范圍內改變鍋爐反應器出口工質流量, 計算結果如圖10～圖12所示。

圖10 過熱段參數隨出口工質流量變化曲線

圖11 飽和段參數隨出口工質流量變化曲線

圖12 過冷段參數隨出口工質流量變化曲線

結果表明, 隨著鍋爐反應器工質流量的增加:

1) 鍋爐反應器總的加熱功率增加, 由過冷段組成的內圈高度增加, 由飽和段和過熱段組成的外圈高度增加;

2) 過熱段、飽和段和過冷段的加熱功率增加, 引起過熱段、飽和段和過冷段的換熱面積、長度等參數增加。

5 結束語

文中針對鍋爐反應器螺旋換熱管進行的流動換熱過程研究, 探索了非對稱加熱條件下出入口參數變化對蒸汽生成過程的參數影響規律, 研究結果表明, 鍋爐反應器入口工質溫度的改變只影響過冷段參數, 出口工質溫度的改變對過熱段參數影響較大, 需要大幅改變過熱段加熱功率; 出口工質壓力的改變對過熱段、飽和段和過冷段的參數影響都較大, 工質流量的改變直接決定了加熱功率和加熱面積, 進而影響到壓力的變化。通過研究, 掌握了復雜物理化學過程中結構參數和輸入輸出參數之間的耦合關系, 可為鍋爐反應器的調節控制參數選取和穩定調節提供支撐, 為提升系統穩定域度提供參考。

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Study on Parameter Effect of the Boiler Reactor Steam Generation Process under Asymmetric Heating

MA Wei-feng, LU Jun, WAN Rong-hua, HAN Yong-jun

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

To solve the small stability domain problems caused by the coupling of parameters and the time-varying parameters in the complex physicochemical process of a boiler reactor used in a torpedo Li/SF6closed-cycle power system,based on heat transfer theory, the heat transfer model of a helical exchange tube in a boiler reactor was established using segment processing. A numerical simulation of the heat transfer was conducted, and the influence of inlet-working fluid temperature, outlet-working fluid temperature, outlet-working fluid pressure, and outlet-working fluid flow on the boiler reactor steam generation process under asymmetric heating conditions was explored. The results can provide support for the system performance simulation, control optimization, and stability domain improvement, and provide a theoretical reference for regulation control for the design, optimization, and experimental verification of boiler reactors, and have certain reference values for the research and design of similar devices.

torpedo; closed-cycle power system; asymmetric heating; steam generation; boiler reactor

TJ630.32

A

2096-3920(2021)03-0326-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.012

馬為峰, 路駿, 萬榮華, 等. 非對稱加熱條件下鍋爐反應器蒸汽生成過程參數影響研究[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(3): 326-332.

2020-02-02;

2020-02-28.

馬為峰(1977-), 男, 碩士, 高工, 主要研究方向為水下能源動力技術.

(責任編輯: 陳 曦)