核動(dòng)力二回路系統(tǒng)冷凝器啟動(dòng)過(guò)程特性仿真研究

鄒超，龔梅杰，陳云飛，張?jiān)玻Y翰林

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

冷凝器是核動(dòng)力二回路系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，相當(dāng)于二回路系統(tǒng)熱力循環(huán)的終點(diǎn)，處于熱力參數(shù)最低狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行起到十分關(guān)鍵的作用。正常工況下冷凝器接收來(lái)自汽輪機(jī)排放的具有一定濕度的蒸汽，采用循環(huán)冷卻水（一般為海水）將排汽熱量帶出至環(huán)境中，并將排汽完全冷卻為凝結(jié)水，隨后凝結(jié)水進(jìn)入給水加熱器中進(jìn)行多級(jí)回?zé)嵫h(huán)；異常工況下將接收直接流經(jīng)減溫減壓裝置的大量低參數(shù)蒸汽。冷凝器一般處于低壓真空條件下運(yùn)行，對(duì)核動(dòng)力系統(tǒng)蒸汽朗肯循環(huán)的運(yùn)行效率有較大影響，同時(shí)影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。核動(dòng)力二回路系統(tǒng)中常用的冷凝器是單流程管殼式換熱器，其中殼側(cè)為汽輪機(jī)排出的濕飽和蒸汽，傳熱管內(nèi)為常溫常壓水[1]。

目前，針對(duì)冷凝器的仿真計(jì)算一部分為基于CFD 方法的詳細(xì)數(shù)值傳熱-流體力學(xué)仿真，著重于局部詳細(xì)特性計(jì)算[2]；另一部分采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)建模方法，在穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行變功率計(jì)算[3-7]；此外還有基于熱力學(xué)原理的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算[8]；冷凝器傳統(tǒng)控制多采用液位 -凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)方式，更加關(guān)注液位的變動(dòng)，而缺乏對(duì)啟動(dòng)控制全過(guò)程的仿真。因此，本文針對(duì)冷凝器進(jìn)行建模，對(duì)啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行運(yùn)行仿真及特性分析，獲得啟動(dòng)過(guò)程中各個(gè)參數(shù)運(yùn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。研究結(jié)果可以為實(shí)際冷凝器啟動(dòng)過(guò)程提供參考。

1 冷凝器物理模型

冷凝器物理模型如圖1 所示，根據(jù)實(shí)際內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)可以劃分為三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都分別包含相應(yīng)物理過(guò)程，并以實(shí)際的物理邊界即傳熱管束作為劃分依據(jù)。冷凝器物理模型具體可劃分為蒸汽凝結(jié)區(qū)、循環(huán)冷卻水區(qū)和熱井區(qū)。

圖1 冷凝器物理模型Fig.1 The physical model of the condenser

這樣的劃分形式可以與實(shí)際冷凝器中所存在的區(qū)域直接對(duì)應(yīng)，每個(gè)區(qū)域都具有明確的物理意義。根據(jù)這三個(gè)區(qū)域分別建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，可以真實(shí)、準(zhǔn)確地反映出冷凝器在啟動(dòng)階段的運(yùn)行特性。在冷凝器啟動(dòng)過(guò)程中，凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥和循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥需要不斷動(dòng)作，從而將引起凝結(jié)水出口流量和循環(huán)冷卻水流量的不斷變化及冷凝器狀態(tài)的變化。

2 冷凝器仿真模型基本簡(jiǎn)化與假設(shè)

為了進(jìn)行冷凝器仿真模型的開(kāi)發(fā)及數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，根據(jù)以上冷凝器物理模型及內(nèi)部相應(yīng)物理過(guò)程，需要針對(duì)性的做出以下若干簡(jiǎn)化假設(shè)：

（1）針對(duì)冷凝器構(gòu)建如圖1 所示的物理模型，根據(jù)實(shí)際內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)及實(shí)際物理過(guò)程，將其劃分為三個(gè)部分：冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)、冷凝器循環(huán)冷卻水區(qū)和熱井區(qū)。

（2）在冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)，將汽輪機(jī)排汽視為兩相均相流動(dòng)，不考慮汽液兩相之間復(fù)雜的相互作用，這一區(qū)域的流動(dòng)換熱為蒸汽在圓管外凝結(jié)換熱過(guò)程；在冷凝器循環(huán)冷卻水區(qū)，將循環(huán)冷卻水的流動(dòng)視為單相水在水平直管內(nèi)流動(dòng)，為單相對(duì)流換熱過(guò)程。

（3）冷凝器熱井區(qū)不發(fā)生換熱，只存在由于流量變化引起的液位變化及體積變化過(guò)程。

（4）在蒸汽凝結(jié)區(qū)和循環(huán)冷卻水區(qū)，兩區(qū)內(nèi)的流動(dòng)換熱過(guò)程均視為集總參數(shù)情況，不再進(jìn)行更多節(jié)點(diǎn)劃分。

（5）冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)的進(jìn)口為汽輪機(jī)排汽，出口為冷凝器凝結(jié)水，通過(guò)凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)；冷凝器循環(huán)冷卻水區(qū)的進(jìn)出口均為循環(huán)冷卻水，進(jìn)口流量通過(guò)循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（6）針對(duì)冷凝器的凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥和冷凝器循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥，均采用PID 控制方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，并與理論設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比。

（7）所建立冷凝器模型中，凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥和循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥均為線性閥，即閥的開(kāi)度與流量為一一對(duì)應(yīng)的正相關(guān)線性關(guān)系，閥門(mén)開(kāi)度越大，通過(guò)流量越大。

基于以上簡(jiǎn)化與假設(shè)所建立的冷凝器仿真模型可以更好地符合實(shí)際冷凝器啟動(dòng)運(yùn)行物理過(guò)程，宏觀物理現(xiàn)象即冷凝器參數(shù)隨時(shí)間變化特性可以基于時(shí)間尺度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合控制模型實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凝器啟動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真。

3 冷凝器數(shù)學(xué)模型

針對(duì)冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)、循環(huán)冷卻水區(qū)和熱井區(qū)分別建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)圖1 中三區(qū)域劃分、上述物理模型及基本簡(jiǎn)化假設(shè)，獲得冷凝器主要參數(shù)隨時(shí)間變化的表達(dá)式：在蒸汽凝結(jié)區(qū)獲得冷凝器壓力Pc隨時(shí)間變化的表達(dá)式，在熱井區(qū)獲得液位Lv隨時(shí)間變化的表達(dá)式，在循環(huán)冷卻水區(qū)獲得循環(huán)冷卻水溫度Tr隨時(shí)間變化的表達(dá)式，通過(guò)PID 控制獲得閥位變化基本形式，結(jié)合流動(dòng)換熱關(guān)系共同構(gòu)成冷凝器數(shù)學(xué)模型。

3.1 冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)數(shù)學(xué)模型

冷凝器的蒸汽凝結(jié)區(qū)中為汽液兩相混合的汽輪機(jī)排汽，根據(jù)簡(jiǎn)化假設(shè)（1）和假設(shè)（2）視為均相流動(dòng)過(guò)程，基本質(zhì)量守恒方程[9]如下：

式中：ρc——進(jìn)口兩相排汽密度，kg/m3；

Ac——蒸汽流動(dòng)方向橫截面積，m2；

Gc——冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)流量，kg/s；

t——仿真模型計(jì)算時(shí)間，s。

根據(jù)簡(jiǎn)化假設(shè)（4），蒸汽凝結(jié)區(qū)內(nèi)部不再劃分更多節(jié)點(diǎn)，并對(duì)基本質(zhì)量守恒方程（1）進(jìn)行處理，消除與位置相關(guān)的因素，得到下式：

式中：Vc,w——蒸汽凝結(jié)區(qū)液相體積，m3；

Vc,s——蒸汽凝結(jié)區(qū)蒸汽相體積，m3；

ρc,w——蒸汽相密度，kg/m3；

ρc,s——液相密度，kg/m3。

由于冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)存在汽液兩相，根據(jù)基本假設(shè)（2）對(duì)兩相分別列出單獨(dú)的質(zhì)量守恒方程如下：

式中：Gcond——冷凝器凝結(jié)水流量，kg/s。

汽液兩相之間根據(jù)凝結(jié)水流量進(jìn)行區(qū)分，凝結(jié)水流量計(jì)算如下：

根據(jù)簡(jiǎn)化假設(shè)（1）將冷凝器凝結(jié)區(qū)兩相濕蒸汽視為均相流動(dòng)過(guò)程，基本的能量守恒方程[9]如下所示，其中包含了蒸汽凝結(jié)過(guò)程向循環(huán)冷卻水區(qū)釋放的熱量。

式中：hc——蒸汽凝結(jié)區(qū)兩相焓值，kJ/kg；

Tc——蒸汽凝結(jié)區(qū)溫度，℃；

Dc——蒸汽凝結(jié)區(qū)當(dāng)量直徑，m。

采用類(lèi)似方法，根據(jù)簡(jiǎn)化假設(shè)（4）針對(duì)基本能量守恒方程進(jìn)行處理，得到經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化之后的能量守恒方程如下：

由于蒸汽凝結(jié)區(qū)處于飽和狀態(tài)，壓力、溫度、焓值等熱力學(xué)參數(shù)之間互為單一對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得出冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)壓力隨時(shí)間變化表達(dá)式如下：

式中：xc,in——進(jìn)口排汽干度，×100%；

Gc,in——進(jìn)口排汽流量，kg/s；

Gc,out——凝結(jié)水出口流量，kg/s。

進(jìn)一步可得到冷凝器壓力Pc的表達(dá)式如下：

式中：Δt——冷凝器模型仿真時(shí)間步長(zhǎng)，s。

3.2 熱井區(qū)液位數(shù)學(xué)模型

根據(jù)基本簡(jiǎn)化假設(shè)（3），熱井區(qū)不存在換熱過(guò)程，只存在液位變動(dòng)過(guò)程。冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)和熱井區(qū)的總體積由汽相體積和液相體積兩部分組成，總體積為固定值，由此可以得到汽相體積和液相體積之間的關(guān)系如下：

兩相體積變動(dòng)關(guān)系及液位變動(dòng)關(guān)系如下：

結(jié)合冷凝器壓力變化量，可以進(jìn)一步推導(dǎo)得出冷凝器熱井液位Lv表達(dá)式如下：

3.3 循環(huán)冷卻水區(qū)數(shù)學(xué)模型

冷凝器循環(huán)冷卻水區(qū)基本質(zhì)量、能量方程[9]形式與蒸汽凝結(jié)區(qū)相同，區(qū)別在于循環(huán)冷卻水區(qū)流動(dòng)工質(zhì)為管內(nèi)單相過(guò)冷水。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)處理的循環(huán)冷卻水區(qū)質(zhì)量守恒方程如下：

式中：ρr——循環(huán)冷卻水密度，kg/m3；

Vr——傳熱管內(nèi)體積，m3；

Gr——循環(huán)冷卻水流量，kg/s。

經(jīng)推導(dǎo)處理的循環(huán)冷卻水區(qū)能量方程如下：

式中：cr——循環(huán)冷卻水比熱，kJ/(kg·K)；hr——循環(huán)冷卻水焓值，kJ/kg。

通過(guò)式（15）和式（16）可以推導(dǎo)得出循環(huán)冷卻水溫度隨時(shí)間的變化量如下：

從而可以得到冷凝器循環(huán)冷卻水區(qū)循環(huán)冷卻水溫度Tr的表達(dá)式：

3.4 換熱模型

冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)內(nèi)的換熱過(guò)程為蒸汽在圓管外凝結(jié)過(guò)程，因此選用了較為常用的Nusselt 圓管外蒸汽膜狀凝結(jié)換熱關(guān)系式[10]如下，用于計(jì)算換熱系數(shù)Kc：

式中：g——重力加速度，m/s2；

λr,w——液相導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

μr,w——液相粘度，Pa·s；

dout——傳熱管外徑，m。

循環(huán)冷卻水區(qū)的換熱過(guò)程為單相過(guò)冷水在水平直管內(nèi)被加熱的對(duì)流換熱過(guò)程，選用了D-B（Dittus-Boelter）公式[10]計(jì)算換熱系數(shù)Kr：

式中：Nur——循環(huán)冷卻水努賽爾數(shù)；

Rer——循環(huán)冷卻水雷諾數(shù)；

Prr——循環(huán)冷卻水普朗特?cái)?shù)；

din——傳熱管內(nèi)徑，m。

在換熱過(guò)程中考慮了金屬傳熱管壁的導(dǎo)熱熱阻，為環(huán)形管壁導(dǎo)熱過(guò)程。綜合以上三部分換熱過(guò)程，可以得到冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)向循環(huán)冷卻水區(qū)的總換熱系數(shù)為Kall：

式中：λmetal——傳熱管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。針對(duì)冷凝器內(nèi)部物理過(guò)程，涉及汽液兩相物性參數(shù)的計(jì)算采用IAPWS-IF97 標(biāo)準(zhǔn)[11]。

3.5 冷凝器閥門(mén)PID 控制

PID 控制是一種廣泛使用的控制方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性好的特點(diǎn)。使用時(shí)根據(jù)輸入的偏差值，按照比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果用以控制輸出[12]。

根據(jù)簡(jiǎn)化假設(shè)（5）（6），在冷凝器啟動(dòng)過(guò)程中，循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥和凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥均采用PID 控制方式，兩個(gè)閥的控制與調(diào)節(jié)同步進(jìn)行，基本形式如下：

由于式（22）為連續(xù)形式，為了在程序中實(shí)現(xiàn)PID 控制，需要進(jìn)行離散化處理，從而得到PID 控制增量式，形式如下：

4 冷凝器仿真模型計(jì)算流程

所構(gòu)建的冷凝器仿真模型和控制邏輯采用了C++語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)和程序編寫(xiě)，計(jì)算和仿真流程如圖2 中所示。

圖2 冷凝器模型仿真計(jì)算流程Fig.2 The calculation diagram of the condenser simulation model

在冷凝器啟動(dòng)仿真過(guò)程中，①階段只存在液位變化，不存換熱計(jì)算，②、③階段都是由于進(jìn)口排汽流量變化而引起的冷凝器內(nèi)部參數(shù)變化。根據(jù)簡(jiǎn)化假設(shè)（7），在循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥和凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥動(dòng)作之后，相應(yīng)的循環(huán)冷卻水進(jìn)口流量和凝結(jié)水出口流量都會(huì)隨閥位變化，兩個(gè)閥的調(diào)節(jié)同步進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)冷凝器啟動(dòng)控制仿真，獲得各個(gè)參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。

5 冷凝器啟動(dòng)過(guò)程運(yùn)行仿真計(jì)算

5.1 冷凝器仿真建模對(duì)象

以秦山二期核電站二回路冷凝器[13]為仿真對(duì)象，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 中所示，對(duì)所建立的冷凝器仿真模型進(jìn)行啟動(dòng)過(guò)程仿真計(jì)算與分析。當(dāng)液位逐漸上升直到預(yù)定值之后停止充水。

表1 秦山2 期核電站二回路系統(tǒng)冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The condenser parameters of the secondary loop system of Qinshan II nuclear power plant

在第②、③階段啟動(dòng)過(guò)程中，冷凝器進(jìn)口蒸汽流量不斷增加時(shí)，冷凝器的壓力隨著進(jìn)入蒸汽流量的增加而不斷上升，如圖3 所示。隨著排汽流量的增加，更多的蒸汽進(jìn)入冷凝器內(nèi)，所攜帶的熱量隨之增加，導(dǎo)致蒸汽凝結(jié)區(qū)壓力的上升。

圖3 冷凝器壓力響應(yīng)Fig.3 The pressure response of the condenser

圖4 為冷凝器循環(huán)冷卻水溫度隨時(shí)間變化情況。隨著汽輪機(jī)排汽流量的增加，冷凝器內(nèi)蒸汽凝結(jié)區(qū)蒸汽將更多的熱量釋放給循環(huán)冷卻水，導(dǎo)致循環(huán)冷卻水溫度將有所升高。

圖4 冷凝器循環(huán)冷卻水溫度響應(yīng)Fig.4 The circulating cooling water temperature response of the condenser

5.2 冷凝器啟動(dòng)階段流程劃分

冷凝器啟動(dòng)過(guò)程可分為三個(gè)階段：

①冷凝器熱井定溫定壓充水

在這一過(guò)程中，根據(jù)簡(jiǎn)化假設(shè)（3），冷凝器在進(jìn)行定溫定壓充水時(shí)，不存在換熱過(guò)程，只存在液位的不斷上升，直到上升到預(yù)定值；

② 冷凝器低功率運(yùn)行

300 s 開(kāi)始，蒸汽流量以每秒增加0.5 kg/s 的變化速率，從額定流量的0%線性增加到40%；

③汽輪機(jī)正常排汽

600 s 開(kāi)始，汽輪機(jī)排汽流量以每秒增加0.5 kg/s 的變化速率，從額定流量的40%線性增加到100%。

②、③階段的過(guò)程類(lèi)似，都是蒸汽或汽輪機(jī)排汽流量由小到大逐漸變化的過(guò)程。

5.3 冷凝器啟動(dòng)過(guò)程仿真分析

根據(jù)以上三階段進(jìn)行冷凝器啟動(dòng)過(guò)程仿真。

在冷凝器①階段啟動(dòng)過(guò)程中，不發(fā)生換熱，冷凝器內(nèi)維持定溫定壓狀態(tài)，熱力參數(shù)不發(fā)生改變，

圖5 為冷凝器熱井區(qū)液位變動(dòng)情況，包括了0～300 s 的①階段液位變動(dòng)情況。隨著汽輪機(jī)排汽流量的增加，冷凝器中將存在更多的濕蒸汽和冷凝水。從宏觀角度進(jìn)行分析，更多的蒸汽將在冷凝器中凝結(jié)為水，因此將導(dǎo)致冷凝器液位隨著排汽流量的增加而上升，最終達(dá)到穩(wěn)定液位。

圖5 冷凝器熱井液位響應(yīng)Fig.5 The hot well level response of the condenser

在冷凝器啟動(dòng)過(guò)程中，凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥的整體變動(dòng)情況如圖6（a）所示。在②階段冷凝器剛啟動(dòng)時(shí)，如圖6（b）所示，冷凝器凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥設(shè)定值隨著排汽流量的增加而不斷增加，而冷凝器凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥實(shí)際值將不斷震蕩上升；而在③階段啟動(dòng)過(guò)程中，如圖6（c）所示，凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥震蕩較小。在結(jié)束階段，如圖6（d）所示，凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥實(shí)際值逐漸向設(shè)定值靠近。

圖6 冷凝器凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥變動(dòng)Fig.6 The position variation of the condensing water outlet regulating value of the condenser

圖6 冷凝器凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥變動(dòng)（續(xù)）Fig.6 The position variation of the condensing water outlet regulating value of the condenser

冷凝器凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差如圖7 所示。可以看出，在②、③階段的初始一段時(shí)間內(nèi)，冷凝器凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥的震蕩幅度較大，在一段時(shí)間后震蕩幅度減小，最終逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 冷凝器凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥偏差隨時(shí)間變化Fig.7 The deviation of condenser outlet regulating value of the condenser vs time

在啟動(dòng)過(guò)程中，冷凝器循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥的整體變動(dòng)變動(dòng)如圖8（a）所示。在②階段啟動(dòng)過(guò)程中，如圖8（b）所示，循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥在啟動(dòng)開(kāi)始階段變動(dòng)較為劇烈，一段時(shí)間（約啟動(dòng)40 s 后開(kāi)度逐漸穩(wěn)定增加；在③階段開(kāi)度穩(wěn)定增加，如圖8（c）所示；在啟動(dòng)結(jié)束階段，如圖8（d）所示，可以看到冷凝器循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥設(shè)定值達(dá)到極值之后逐漸下降到一個(gè)穩(wěn)定值，按照設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)則將產(chǎn)生一定的超調(diào)。而采用PID 控制方式的冷凝器循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥避免了這一波動(dòng)過(guò)程，且最終逐漸穩(wěn)定。

圖8 冷凝器循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥變動(dòng)Fig.8 The position variation of the circulating cooling water inlet regulating value of the condenser

圖8 冷凝器循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥變動(dòng)（續(xù)）Fig.8 The position variation of the circulating cooling water inlet regulating value of the condenser

冷凝器循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差如圖9 所示。可以看出，在②階段初始階段，偏差較大，且存在較大的震蕩，一段時(shí)間后震蕩逐漸減小；而在③階段中，偏差整體較小，實(shí)際值逐漸向設(shè)定值靠近，不存在閥位變動(dòng)的明顯震蕩。

圖9 冷凝器循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥偏差隨時(shí)間變化Fig.9 The deviation of the circulating cooling water inlet regulating value of the condenser vs time

根據(jù)以上針對(duì)冷凝器啟動(dòng)過(guò)程的仿真計(jì)算可以看出，采用PID 方式對(duì)凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥和循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，啟動(dòng)過(guò)程中冷凝器壓力和冷凝器液位變動(dòng)較為平穩(wěn)，不存在明顯的震蕩過(guò)程。

在啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行一段時(shí)間之后，冷凝器內(nèi)部重新達(dá)到平衡狀態(tài)，各個(gè)參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定且不再變動(dòng)。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后冷凝器參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比如表2 所示。

表2 啟動(dòng)結(jié)束后冷凝器參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of condenser calculation parameters with design data after startup progress

冷凝器的蒸汽凝結(jié)區(qū)壓力和凝結(jié)水焓值是反映冷凝器運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)。循環(huán)冷卻水的溫升和冷凝器對(duì)數(shù)平均溫度差可用于表示冷凝器蒸汽凝結(jié)區(qū)向循環(huán)冷卻水區(qū)的傳熱過(guò)程。冷凝器循環(huán)冷卻水出口溫度可用于表征冷凝器的冷卻能力。通過(guò)表2 可以看出，仿真模型計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值相比較為接近，各個(gè)主要參數(shù)的最大相對(duì)誤差均小于3%。啟動(dòng)穩(wěn)定后冷凝器穩(wěn)態(tài)參數(shù)仿真計(jì)算誤差較小，從而可以證明所建立的冷凝器仿真模型具有較高的精度。

6 結(jié)論

本文針對(duì)核動(dòng)力二回路系統(tǒng)冷凝器建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真模型，并對(duì)冷凝器啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，得到如下結(jié)論：

（1）分析了冷凝器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物理過(guò)程，采用了若干簡(jiǎn)化假設(shè)，構(gòu)建各區(qū)數(shù)學(xué)模型，針對(duì)凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥和循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而構(gòu)建了冷凝器仿真模型；

（2）所建立的冷凝器仿真模型可用于啟動(dòng)過(guò)程仿真，啟動(dòng)后達(dá)到的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比相對(duì)誤差較小，模型精確度較高；

（3）根據(jù)核動(dòng)力二回路系統(tǒng)冷凝器啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了運(yùn)行特性仿真計(jì)算，得到了啟動(dòng)過(guò)程中冷凝器各個(gè)主要參數(shù)（壓力、液位等）隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況并形成特性曲線；

（4）啟動(dòng)過(guò)程針對(duì)冷凝器凝結(jié)水出口調(diào)節(jié)閥和循環(huán)冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了PID 方式的控制，使得在啟動(dòng)過(guò)程中冷凝器壓力和液位的變化較為穩(wěn)定，所獲得的閥門(mén)變動(dòng)、參數(shù)變動(dòng)響應(yīng)可以為實(shí)際調(diào)試啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程提供參考。