套管式直流蒸汽发生器建模与仿真

套管式直流蒸汽发生器建模与仿真

0套管式直流蒸汽发生器蒸汽装置是压水炉的重要部件。目前，主要采用直接蒸汽装置。由于蒸汽生成的热量，因此不需要蒸汽装置。它具有静态和动态特性。为了满足反应堆的结构紧凑要求，增加蒸汽发生器的换热能力，套管式直流蒸汽发生器是一个很好的选择。它采用双面传热的套管式结构，一次侧流体在中心管和环形管外侧的通道流动，二次侧流体在环形通道中逆向流动(见图1)。相比单管式、套管式直流蒸汽发生器不仅增大了换热面积，而且应用了一种新兴的强化传热方法—狭缝传热技术,采用狭缝通道可以有效地削弱导热热阻，具有显著的强化传热效果。因此，其动态特性研究对于分析研究套管式直流蒸汽发生器的控制特性是十分重要的。1蒸汽装置的数学模型1.1蒸汽发生器的数学模型由于中心管和环形管外侧流体同时与环形通道中流体进行换热，因而中心管与环形通道中的换热效果也将影响环形管外侧流体与环形通道中的流体的换热，所以两者是相互关联的。因为对于两侧同时进行换热的流体，流体两侧的热流密度相等时，换热效果最好，因此，假设中心管、环形管外侧流体与环形通道流体间的热流密度相等，其可以通过调整中心管和环形管外侧流体的流量分配来实现，这将有效简化分析计算难度。根据二回路侧流体相变和传热特征的不同，本文将蒸汽发生器二回路中水分为过冷段、蒸发段以及过热段。其中采用的模型为非平衡态漂移模型。在文献中数学模型的基础上，结合文献，建立蒸汽发生器的数学模型，进行如下假设：(1）将蒸汽发生器的管束简化成一根单管，认为蒸汽发生器中每个单管的特性都相同，即用一根单管的特性来代替整个蒸汽发生器的性能；(2）忽略金属管以及一、二次侧流体的轴向传热；(3）管子截面的流体特性一致；(4）假设一次侧流体密度、流量不变，忽略一次侧的压降；(5)采用沿换热管流动方向的一维模型;(8）忽略过冷段、过热段的密度变化。1.2次侧能量、二次侧质量守恒方程3—数学模型(1）过冷段。二次侧质量守恒方程一次侧能量守恒方程二次侧能量守恒方程二次侧动量守恒方程金属热平衡方程：蒸发段、过热段的动量守恒方程，金属热平衡方程与此类似。(2）蒸发段。二次侧质量守恒方程一次侧能量守恒方程二次侧能量守恒方程(3）过热段。二次侧质量守恒方程一次侧能量守恒方程二次侧能量守恒方程其中：W为质量流量，kg/s;T为流体温度，K;l为长度，m;H为焓值，J/kg;Km为管壁导热系数，W/(m⋅K)；Cp为定压比热，J/(kg⋅K)；F为截面积，m2;Q为热流量，J/s;P为压力，Pa；ρ为密度，kg/m3;K为摩擦系数；α为空泡份额；下标1、3、5、7分别表示分界点的参数，2、4、6分别表示各段的集总参数，m表示管壁参数，p表示一次侧参数，s表示二次侧参数，sub表示过冷段参数，nub表示蒸发段参数，sup表示过热段参数。1.3．基于tate公式的热压优化方法，建立其在其菌间的相互作用将蒸汽发生器的换热部分划分成3段间的界面，由计算给定。沿轴向随液体不断汽化而相继出现的传热工况及计算模型是：单相液体对流换热区，采用Sieder-Tate公式；欠热泡核沸腾换热区，采用修正的Chen关系式；饱和泡核沸腾换热区，采用Chen关系式；两相强制对流蒸发换热区，采用Chen关系式；缺液换热区，采用Croneveld关系式；单相蒸汽对流换热区，采用Sieder-Tate关系式。它们之间的分界点分别是：始沸点、饱和水点、蒸干点、饱和蒸汽点。α的计算采用常用的Rouhani修正的Zuber-findlay模型。假设在一般情况下每段内流体物性参数和换热系数连续变化。2直流蒸汽发生器试验对于每一个划分段，在其内采用焓等分方法又划分为许多为控制体，每一个控制体，又作为一个换热器计算，对每个换热器采用上述的传热模型进行计算。稳态特性仿真分别在100%、60%、20%额定功率等工况下，通过能量平衡，计算出微元段的出口参数，从而可以得出每个微元段的长度。计算结果如图2所示，图中Tp为一次侧温度，Ts为二次侧温度，纵坐标是与二回路入口温度的差值。套管式直流蒸汽发生器与普通直流蒸汽发生器的最大不同之处在于套管式直流蒸汽发生器采用了双面的窄隙换热，这将有效增加换热能力，所以在很多方面两者还是有很多的相似之处的，例如稳态特性。因此，为了验证计算的有效性，图3给出了Babcock&Wilcox的19管直流蒸汽发生器的试验结果。其初始条件为一次侧入口温度331.70C，流量为11.77kg/s，压力为15.3MPa；二次侧给水温度为251.70C，压力为7.4MPa，流量为1.18kg/s。在Babcock&Wilcox的试验结果中，从距二回路入口端2m至10m间，二回路温度几乎保持不变，而一回路温度则下降得很多；在距入口端2m内，二回路温度变化的梯度较大；在距入口端10m至出口端，一回路温度变化相对较小，而二回路温度升高很多，这与本文的稳态仿真结果变化的趋势相似。比较图2(a)～(c)还可以发现，划分的3段(过冷段、蒸发段、过热段)长度发生了不同的变化，过冷段和蒸发段长度都减小了，而过热段的长度增加了。这是因为随着功率的降低，二回路流量减少，随之二回路所需热量减少，相对而言，二回路单位流体获得的热量增加了，因而，在保持进口流体状态不变的情况下，饱和水点前移，从而过冷段缩短；过冷段长度减小引起过冷段压降减小，蒸发段的压力增加，又由于压力增加，汽化潜热减小，所以蒸发段长度减小；相应地过热段长度增加了。3机会路出口温度稳定值在上述数学模型的基础上对套管式直流蒸汽发生器动态特性进行仿真研究，主要对几种扰动进行分析计算。在100%额定功率工况下，输入参数分别阶跃变化情况下主要系统输出的动态响应如图4所示。其中：二回路给水压力ps阶跃(-2%)；二回路给水流量阶跃Ws(-2%)；一回路入口温度阶跃Tp(-2%)；二回路给水温度阶跃Ts(-2%)。图中：ps表示给水压力阶跃变化时出口蒸汽流量的变化，Ws,Tp,Ts与ps的含义类似。(1）二回路入口水压力阶跃变化系统响应。二回路入口水压力的向下跃变导致蒸汽发生器内部质量容量减小，使得出口蒸汽的流量迅速增加，出口蒸汽温度，压力很快降低，而一回路出口温度也相应降低(变化较小)，随着蒸汽发生器内部容纳水量的积累增加，使得出口蒸汽流量恢复到初始值(图4(a)-ps)，出口蒸汽温度稳定在比初始值略高的稳定值(图4(b)-ps)，稳定的出口蒸汽压力值减小了(图4(c)-ps)，而最终一回路出口温度则略低于初始值(图4(d)-ps)。(2）二回路入口水流量阶跃变化系统响应。二回路入口水流量向下跃变，而入口水密度不变，使得入口水流速降低，进而使蒸汽发生器过冷段的流速降低，压降降低，导致了蒸汽发生器内系统压力增加，水和蒸汽的密度均增加，蒸汽发生器的质量容量增加，导致开始阶段出口蒸汽流量迅速减少，出口蒸汽温度较快增加，而一回路出口温度则升高。而后，由于过冷段的流速降低，过冷段的二回路水吸收更多的热量，过冷段长度减小，过热段长度增加，出口蒸汽吸收更多的热量，最终出口蒸汽温度增加。由于二回路入口流量的降低使得一回路出口温度的稳定值高于初始值。(3）一回路水入口温度阶跃变化系统响应。一回路水入口温度向下跃变，使得过热段换热量减少，从而出口蒸汽温度降低，过热段长度减小，过冷段长度增加，压降增大，导致压力下降，但由于一回路水入口温度跃变大于二回路水换热量减少的影响，因此一回路出口温度降低。而随着水和蒸汽在蒸汽发生器内的累积，出口蒸汽温度最终稳定值低于初始值；由于换热量减少，过热段和过冷段长度的重新分配，压降增大，从而出口蒸汽压力会比初始值减小。(4）二回路水入口温度阶跃变化系统响应。由于给水温度向下跃变，给水密度增加，而给水流量不变，使得给水流速降低，进而使蒸汽发生器单相水段的流速都降低，导致单相水段的流动阻力降低，流动压降减小，压力增加。出口蒸汽温度降低，而随着时间推移，出口蒸汽流量降低，从而使出口蒸汽温度升高，最终稳定值略低于初始值。由于给水温度的降低，过冷段长度增加，过冷段换热量增大，从而一回路出口温度降低。4蒸汽发生器仿真结果分析通过稳态仿真发现，随着功率的降低，过冷段、蒸发段、过热段长度会发生不同的变化，过