直流蒸汽发生器启动系统动态特性仿真

孔夏明，王 苇，孟海波，李 勇，刘现星

(武汉第二船舶设计研究所蒸汽动力系统实验室，湖北 武汉 430064)

0 引言

直流蒸汽发生器运行时产生过热蒸汽，无需对蒸汽进行除湿，可减小蒸汽发生器体积尺寸，简化汽轮机组结构，提高核动力装置的热效率。因此，采用直流蒸汽发生器的核动力装置在国外船舶领域已得到较为广泛的研究和应用［1］。直流蒸汽发生器运行时，二次侧工质由给水泵驱动一次流过传热管，依次经过预热段、蒸发段和过热段后产生过热蒸汽，其二次侧的蓄热量和储水量都很小，运行参数响应快。特别是在启动过程中，直流蒸汽发生器存在强烈的流动不稳定性和壁温波动阶段，并伴随着壁面的干湿交替现象［2］，使直流蒸汽发生器的启动特性非常复杂，需要对此进行深入研究。当前，国内研究主要集中在直流蒸汽发生器分析模型的建立及其正常运行的特性上［3－5］，对直流蒸汽发生器启动系统的研究甚少。相关文献［6］研究的直流蒸汽发生器启动系统没有针对装置对象建模，系统特性不完整，不能正确反映直流蒸汽发生器启动时的装置运行特性。因此，开展直流蒸汽发生器启动系统动态特性仿真研究，分析不同启动方式对核动力装置运行特性的影响，对于整个核动力装置的设计及运行具有重要意义。

本文以核动力商船直流蒸汽发生器启动系统为原型，建立包含反应堆一回路系统在内的直流蒸汽发生器启动系统实时仿真模型。分别对直流蒸汽发生器湿式和干式2种启动系统的运行特性进行动态仿真，并对比分析2种启动方式对核动力装置启动运行特性的影响。

1 直流蒸汽发生器启动系统

1.1 启动系统工作原理

直流蒸汽发生器具有与自然循环蒸汽发生器不同的启动特性，其二次侧热容量较小，给水依次流过传热管的加热段、蒸发段和过热段。给水在流动过程中一次被加热、蒸发、过热，最后产生达到品质要求的过热蒸汽。启动时二次侧工质将产生复杂的汽液两相变化，并伴随有流动不稳定性的发生，导致直流蒸汽发生器的启动系统运行较为繁琐。

本文基于俄罗斯核动力商船启动系统结构及组成，建立包含反应堆一回路系统在内的直流蒸汽发生器启动系统 (见图1)。系统工作原理如下:直流蒸汽发生器启动时二次侧产生的水、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。凝水通过凝水泵、给水泵增压后输送回直流蒸汽发生器，从而完成直流蒸汽发生器启动过程的二回路汽水循环。在整个启动过程中，主蒸汽至汽轮机的阀门均处于关闭状态。

1.2 启动方式

直流蒸汽发生器广泛采用的启动方式有以下2种:

图1 启动系统工作原理图Fig.1 The schematic of the start-up system

1)湿式启动。直流蒸汽发生器启动前一、二次侧为常温常压。在核动力装置完成启动前所有准备工作后，开启给水泵向直流蒸汽发生器提供维持最低水力稳定运行所需的给水流量。之后，逐步提升反应堆运行功率，并通过压力调节装置调节直流蒸汽发生器出口压力或给水流量，使直流蒸汽发生器一次侧温度逐渐升高，从而加热二回路给水，直至直流蒸汽发生器二次侧产生符合品质要求的蒸汽。

2)干式启动。直流蒸汽发生器一次侧常温常压，二次侧为空气。在核动力装置完成启动前所有准备工作后，提升反应堆功率，使一回路系统按一定温度升温升压。当一回路升温升压到一定值时，启动给水泵向直流蒸汽发生器二次侧提供维持最低水力稳定运行所需的给水流量，直接产生汽水混合物或蒸汽。之后，继续升温升压，直至直流蒸汽发生器二次侧产生符合品质要求的蒸汽时，启动结束。

干式启动主要用于核动力装置热停堆启动，2种方式相比，干式启动二回路系统投入晚，可以减少电源消耗。

2 仿真模型与仿真实现

2.1 堆芯物理模型

采用REMARK程序建立直流蒸汽发生器启动过程堆芯物理模型。REMARK是用于核反应堆堆芯物理实时仿真的程序，该程序使用两群中子精确模拟反应堆在正常和异常工况下的快中子、热中子特性。为详细描述堆芯中子通量和功率的分布，REMARK程序将堆芯模化为一个三维栅元结构，用改进准静态解法求解堆芯中子通量分布。模型考虑了燃料温度、慢化剂/冷却剂温度、慢化剂/冷却剂密度、空泡份额引起的反应性反馈以及控制棒引起的反应性。

2.2 直流蒸汽发生器模型

直流蒸汽发生器采用套管式结构，一次侧冷却剂双面加热二次侧给水。假设汽液共存时，两相总是处于饱和状态;直流蒸汽发生器内各节点工质相应参数相同，且同步变化，即按集总参数处理。通过相应的节点以及模块划分，建立直流蒸汽发生器模型。

2.3 蒸汽冷凝器模型

蒸汽冷凝器采用立式结构，冷凝由直流蒸汽发生器排入的水、汽水混合物或蒸汽。采用与直流蒸汽发生器类似的建模方法划分节点，建立蒸汽冷凝器模型。

2.4 仿真实现

仿真建模时，首先在JTOPMERET程序中建立堆芯热工水力节点模型，热量传递部分用热边界给出，热边界将热量通过热板传递给堆芯节点。在REMARK程序中输入相应的堆芯结构参数以及堆芯物理初始计算参数。通过接口程序建立起JTOPMERET堆芯节点的热工水力参数与REMARK程序中相应参数之间的对应关系，之后，将REMARK程序中的点和模块加载到SIMEEXC仿真平台的数据库文件中，与JTOPMERET程序一起在仿真平台下调试 (见图2)。仿真计算时，JTOPMERET程序计算所得热工水力参数传递到REMARK程序中用于计算反应堆输出堆功率，通过接口程序将堆功率所对应的热量传递给JTOPMERET程序模型，从而实现堆芯物理与热工水力计算的软件接口模型。

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

3 仿真试验结果

3.1 启动初始条件

直流蒸汽发生器启动前一次侧冷却剂为常温常压，直流蒸汽发生器传热管内管内和外管外的冷却剂流量按比例设为定值，控制棒各组处于初始位置。干式启动时，直流蒸汽发生器二次侧为空气，蒸汽冷凝器超过半水位;湿式启动时，直流蒸汽发生器二次侧充满常温常压的给水，蒸汽冷凝器的循环冷却水流量设为定值，循环水为常温。

3.2 仿真结果分析

图3为2种启动方式下直流蒸汽发生器出口压力瞬态变化曲线。从图中可以看出，2种启动方式下，启动过程的初始阶段直流蒸汽发生器出口压力一直维持初始压力不变。当二次侧给水在传热面上加热开始产生蒸汽时，直流蒸汽发生器出口压力出现大幅波动。之后压力波动减小，最终达到稳定状态。这是因为给水在直流蒸汽发生器内流动过程中被逐渐加热至沸腾形成汽液两相流动。在低功率下，当系统出现一个微小扰动时，由于密度波不稳定性，蒸汽发生器传热管内的两相流动将产生剧烈振荡，造成系统温度、压力波动。

图3 直流蒸汽发生器出口压力Fig.3 The steam pressure of OTSG outlet

图4 直流蒸汽发生器给水流量Fig.4 The feedwater flow of the OTSG

图5 直流蒸汽发生器出口蒸汽温度Fig.5 The steam temperature of OTSG outlet

干式启动时，在t=18100 s时刻直流蒸汽发生器出口压力突然升高，这是由于直流蒸汽发生器内开始产生蒸汽，当液相向汽相转换时，将产生“喷发”现象，系统压力和温度均会出现较大波动。之后，由于空气排放阀开启，压力回落。由于二回路系统启动时初始压力较小，直流蒸汽发生器内汽液两相变化频繁，致使直流蒸汽发生器出口蒸汽压力小范围振荡。当直流蒸汽发生器出口压力通过控制系统作用达到设定值时，经过一段时间的汽液两相波动后，系统最终稳定运行。在干式启动的整个过程中，直流蒸汽发生器给水系统，蒸汽冷凝器压力调节阀动作频繁，致使控制系统的设计较为复杂。

图4和图5分别为启动过程中直流蒸汽发生器给水流量和出口蒸汽温度的变化曲线。从图中可看出，2种启动方式下，直流蒸汽发生器产生符合品质要求的蒸汽，给水流量经过两相阶段的波动后达到稳定状态。相比于湿式启动方式，干式启动由于给水泵投入较晚，可节约大量电能，但由于在给水泵投入之前直流蒸汽发生器处于干烧状态，导致给水投入时对传热管造成强烈的热冲击，对直流蒸汽发生器设计要求较高。

图6 蒸汽冷凝器水位Fig.6 The water level of the steam condenser

图7 蒸汽冷凝器疏水温度Fig.7 The drain temperature of the steam condenser

图6和图7分别为直流蒸汽发生器启动过程中蒸汽冷凝器水位和疏水温度变化。从图中可看出，直流蒸汽发生器启动时，蒸汽冷凝器水位和疏水温度在经过波动后都达到稳定状态，且干式启动比湿式启动波动更大。这是因为在干式启动的初始阶段，直流蒸汽发生器二次侧充满空气，只有当启动过程一回路侧的温度上升至一定值时才打开给水调节阀并排放掉部分空气，由此造成蒸汽冷凝器前的较大压力变化，导致蒸汽冷凝器水位波动较大。此外，干式启动时，直流蒸汽发生器在产生蒸汽时出现“喷发”现象，造成出口压力突然升高，这会造成蒸汽冷凝器水位的突然下降，冷凝的疏水得不到足够的冷却，使疏水温度升高。

4 结语

通过系统动态仿真试验可以看出，REMARK程序和JTOPMERET程序联合所建立的系统仿真模型能全面反映系统运行特性。启动过程中，直流蒸汽发生器加热段发生相变时，启动系统压力、温度都会有很大波动，尤其是液相向汽相转换过程中有“喷发”现象。2种启动方式下，直流蒸汽发生器都能成功启动;湿式启动过程相对简单，只需通过启动系统压力调节装置维持直流蒸汽发生器出口压力即可;干式启动，由于给水投入较晚，二回路耗电量较小，当较低温度的给水进入直流蒸汽发生器后有较高温度的汽水混合物或过热蒸汽的加热段，压力、温度波动比较剧烈，对设备的热冲击较大，运行也较为复杂。

相比于湿式启动，干式启动时设备运行参数变化较大，由于空气需要排放、汽液两相频繁波动等因素致使控制系统的设计更为复杂，对直流蒸汽发生器的设计要求也更高。

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