蒸汽蓄热器充汽过程建模仿真及优化设计

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(1.国核华清(北京)核电技术研发中心有限公司，北京 100190；2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001)

蒸汽蓄热器充汽过程建模仿真及优化设计

段岩峰1，蔡鼎2，江小松1，赵瑞昌1，田芳1，刘金福2

(1.国核华清(北京)核电技术研发中心有限公司，北京 100190；2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001)

为了深入分析蒸汽蓄热器充汽过程，提出利用建模仿真的方法对充汽过程进行分析，通过建立蒸汽蓄热器充汽过程数学模型，搭建基于Simulink的仿真模型，仿真分析液侧对流强度、汽液交界面换热系数以及汽侧对流强度对于充汽过程的影响。结果表明，液侧对流越强，汽液交界面换热系数越大，汽侧对流越强，充汽过程达到饱和状态越快。因此通过强化液侧对流和汽侧对流换热能够加快蒸汽蓄热器充汽过程，对于蒸汽蓄热器优化设计具有指导意义。

蒸汽蓄热器；充汽过程；建模仿真；优化设计；对流强度；换热系数

在CAP1400 PCS综合性能试验中，由于蒸汽源能力有限，无法提供试验所需最大流量，因此在工艺回路中设置蒸汽蓄热器，通过蒸汽源预先加热蓄热器中液体，积蓄高能汽液工质，在试验时与蒸汽源共同作用，满足试验的大流量需求。

蒸汽蓄热器作为储蓄交换能量、提高热能密度的装置，在工业及国防领域中应用广泛[1-6]。在火力机组中，热力除氧器要求快速达到饱和状态，从而将溶于水中的气体除去[7]；在太阳能热发电领域，蒸汽蓄热器作为关键部件，其动静态特性直接影响太阳能热发电系统运行的经济性和安全性[8-9]；在国防领域，船用蒸汽蓄热器作为舰船上弹射装置的重要组成部分，具有充、放汽时间短，瞬时蒸汽产量大、充放汽间歇与连续并存的特点[10]。

蒸汽蓄热器的充汽过程作为能量存储，提高能量密度的关键过程。充汽过程所导致的能量吸收与存储的效果直接影响蒸汽蓄热器的性能。充汽过程要求充汽时间短、水温分布均匀且饱和、压力稳定。因此研究蒸汽蓄热器的充汽过程特性，分析影响充汽效果因素，改进蒸汽蓄热器的设计具有重要意义。

国内外对于蒸汽蓄热器的研究比较早，主要集中于仿真模拟和实验研究。文献[11]对蒸汽蓄热器的蓄热能力搭建模型计算并进行分析，但是其没考虑充汽的、动态过程。文献[12]基于平衡热力学理论给出了蒸汽蓄热器快速充汽过程的数学模型，表明充水的初始参数对蒸汽的时间影响很大，而金属质量对充汽过程影响有限，但是其没有考虑汽液换热情况对充汽过程的影响。文献[13]研究了充汽阀门不同控制策略对充汽时间和充汽蒸汽流量的影响。

1 蒸汽蓄热器充汽过程

1.1 蒸汽蓄热器的结构

蒸汽蓄热器是由蓄热器本体、进水/疏水管路、蒸汽进汽管路、出汽管路及汽水分离装置、测量系统及各管路上的阀门组成。蒸汽蓄热器的结构如图1所示。

1.2 蒸汽蓄热器充汽过程

蓄热器的充汽过程指除盐水吸收过热蒸汽，温度不断升高，直至上升至饱和水温度的过程。过热蒸汽经过进汽阀进入蓄热器，蒸汽从蓄热器底部通入蓄热器中，蒸汽与水进行对流换热，一部分蒸汽冷凝成水，一部分蒸汽进入蓄能上侧汽空间。同时上侧过热蒸汽不断与下侧水进行换热，水的温度和焓值不断升高，上侧蒸汽冷凝成水，温度和压力下降，直到蓄热器内除盐水温度上升至饱和水的温度，此时蓄热器达到热平衡状态，这为蓄热器的闪蒸提供足够的能量储存。图2为蓄热器充汽过程示意图。

图1 蒸汽蓄热器示意图

图2 蒸汽蓄热器充汽过程示意图

2 充汽过程数学模型

根据蒸汽蓄热器的结构和充汽过程，以质量守恒和能量守恒定律为基础，采用集总参数方法，建立蒸汽蓄热器的全工况仿真模型。从上述对充汽过程的分析来看，蓄热器可分为汽侧空间和水空间，由于蒸汽在水空间和汽侧空间的物理过程不同，因此需对蓄热器汽侧空间和水空间分别进行建模。

在模型的建立过程中，对模型作了如下假设：

(1)模型内部分为汽侧与水侧两个部分且各部分均分别采用集中参数法计算；

(2)汽侧蒸汽处于饱和状态且汽侧与水侧压力相等；

(3)忽略水的可压缩性并认为水的比热容不变；

(4)参与换热的蒸汽与喷淋水皆为充分换热，即充入蒸汽与汽侧蒸汽冷凝后皆处于饱和水状态，喷淋水加热后也处于饱和水状态；

(5)流体与环境间无能量交换。

①对水侧

质量守恒方程

能量守恒方程

式中 ρw——水侧除盐水密度/kg·m-3；

Vw——水侧除盐水体积/m3；

wsi——蓄能罐充汽口充入蒸汽流量/kg·s-1；

wsn1——汽水交界面上汽侧饱和蒸汽冷凝量/kg·s-1；

wsp——由于压力升高而引起的蒸汽凝结量/kg·s-1；

wso——新蒸汽未被水侧吸收而进入汽测空间蒸汽量/kg·s-1；

hs——汽侧焓值/J·kg-1；

hsi——新蒸汽焓值/J·kg-1；

hw——水侧焓值/J·kg-1；

hwb——汽侧压力下对应的饱和水焓值/J·kg-1；

Q——气液交界面换热量/J·s-1。

②对汽侧

质量守恒方程

能量守恒方程

式中 ρs——汽侧蒸汽密度/kg·m-3；

Vs——汽侧体积/m3。

③蒸汽入口流量

χ——相对流量系数。

④汽液交界面换热量Q

Q=KF(Ts-Tw)

式中K——传热系数/W·m-2·℃-1；

F——汽水交界面面积/m2；

Ts——汽侧温度/℃；

Tw——水侧温度/℃。

⑤交界面蒸汽冷凝量wsn1

⑥所充入蒸汽进入汽侧量wso

wso=c1wsi

其中，c1为进入汽侧蒸汽空间所占充入蒸汽量的比例，根据经验，进入汽侧蒸汽空间所占充入蒸汽量的比例满足如下关系：

当水温度小于当前压力下的饱和水温度时

式中tw——水侧温度/℃；

twb——当前压力对应下的饱和水温度/℃；

α——温度比系数，表征了不同对流强度。

当水温度达到饱和水温度后，水的温度将不再升高，一部分饱和水变成蒸汽随着充入蒸汽进入汽侧空间，在这种情况下

需要的水和水蒸气热力学参数根据国际水蒸气性质会议确认的工业用IFC公式计算得到。

3 充汽过程仿真分析

在蓄热器充汽过程数学模型基础上，建立基于Matlab/Simulink仿真模型。

3.1 液侧对流强度影响分析

蒸汽蓄热器循环筒的主要作用在于增加水侧的流动，从而增加对流换热强度。蒸汽进入水侧的换热方式主要为与水的对流换热，因此需要分析液侧对流换热强度对于充汽过程的影响。

水侧对流强度的强弱直接影响蒸汽在水侧的冷凝量。对流强度大，未被水吸收而进入汽侧空间量少；对流强度弱，则进入汽侧空间的蒸汽就多。仿真如图3所示三种不同对流强度。仿真结果如图4～5所示。

图3 三种不同对流强度示意图

图4 不同对流强度下压力变化趋势

图5 不同对流强度下水温变化趋势

可以看出，水侧对流强度大时，压力能够更快达到稳定压力，水温也更快达到饱和状态。在强对流情况下，水温达到饱和状态时约需4 500 s，即约1.25 h；在中等对流强度条件下，水温达到饱和状态所需时间约为6 400 s，即1.78 h；在较弱对流强度条件下水温达到饱和状态时所需时间约8 600 s，即约2.4 h。可见增强水侧对流强度可加快充汽过程达到饱和状态。

3.2 汽液交界面换热系数影响分析

在水蒸气与水的导热过程中，水和蒸汽的换热热阻起主要作用，因此考虑水与水蒸气的换热系数对充汽过程的影响。水的自然对流换热系数一般为200～1 000 W/(m2·℃)，水的强制对流换热系数一般为1 000～1 500 W/(m2·℃)。

仿真时取换热系数K=200、500、1 000、1 500 W/(m2·℃)进行比较。仿真结果如图6～图7所示。

图6 不同换热系数下压力变化趋势

图7 不同换热系数下水温变化趋势

可以看出，换热系数K=1 000 W/(m2·℃)，汽水达到饱和状态所需时间约为15 000 s，约为4.17 h；换热系数K=500 W/(m2·℃)，汽水达到饱和状态所需时间约为30 000 s，约为8.33 h。由换热系数对充汽过程的影响分析可知，换热系数越小，所需时间越长，换热系数减小为1/2，所需时间增加1倍。

由于充汽过程蒸汽通入循环筒形成的对流过程为自然对流，且考虑到此时的对流为局部自然对流，换热系数较低，若取K=500 W/(m2·℃)，所需时间约为8 h；若取K=200 W/(m2·℃)，所需时间约为20 h。由此可见，充分换热所需时间较长。

从工程角度来看，要增强水蒸气与水之间的换热效果，在充入蒸汽参数和过冷水初始参数一定的情况下，提高换热系数是增强换热的可行措施。

3.3 蒸汽蓄热器优化设计

从仿真分析可以看出，改善蒸汽蓄热器充汽效果，一般可增强液侧对流换热强度，增加汽液交接面换热系数。而汽液交界面换热系数不能够改变，可以增加汽液交界面积来增加换热量，但是这受到蒸汽蓄热器体积的限制。增强液侧对流换热强度可以在液侧增设循环筒设备，增强蒸汽和水的对流，从而增强换热。

对于图1所示的蒸汽蓄热器，在汽侧增加喷淋装置，增强液侧的循环，强化汽侧对流强度，达到改善充汽过程的目的。优化后的结构示意图如图8所示。

图8 蒸汽蓄热器优化结构示意图

其中汽侧质量守恒方程为

能量守恒方程为

wsphwb-Q

式中 q1——循环水泵的流量/kg·s-1；

q2——喷淋过程中由汽侧进入水侧的饱和水流量/kg·s-1。

水侧质量守恒方程为

能量守恒方程为

Q-q1hw-wsohs

汽侧和水侧仿真时，设置汽液面换热系数K=1 000W/(m2·℃)，外循环水量为q1=0、5、10、15 kg/s。仿真结果如图9、图10所示。

图9 不同冷却量下压力变化趋势

图10 不同冷却量下水温变化趋势

通过图9、图10可以看出，换热系数K=1 000 W/(m2·℃)，冷却量为15 kg/s，汽水达到饱和状态所需时间约为2 000 s，约为0.56 h；而没有冷却量时，汽水达到饱和状态所需时间约为15 000 s，约为4.17 h。由换热系数对充汽过程的影响分析可知，若换热系数低于K=1 000 W/(m2·℃)，所需时间均将增长。

由此可见增加汽侧对流强度可以增强换热效果，使除盐水更快达到饱和状态。

4 结论

本文根据CAP1400 PCS综合性能试验台架蒸汽蓄热器的结构和充汽工作过程，建立了蒸汽蓄热器的动态仿真模型，基于Simulink平台模拟了充汽过程，分析了水侧对流强度，汽液面换热系数和汽侧对流强度对于充汽过程的影响。通过仿真实验可以看出，水侧对流强度大，汽液交界面换热系数大，汽液对流强可以加强换热效果，使得液侧更快达到饱和状态。对于试验中改善换热效果，加快充汽过程具有指导意义。

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ModelingandSimulationoftheChargingProcessofSteamAccumulatoranditsImprovedDesign

DUAN Yan-feng1, CAI Ding2, JIANG Xiao-song1, ZHAO Rui-chang1, TIAN Fang1, LIU Jin-fu2

(1.State Nuclear Hua Qing (Beijing) Nuclear Power Technology R&D Co., Ltd.,Beijing 100190,China;2.Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China)

In order to analyze the charging process of steam accumulator,a charging process analysis approach by modeling and simulation was proposed .A mathematic model of the process was built based on Simulink.The simulation analyzed the influence of convection strength of the liquid side, heat transfer coefficient of the vapor-liquid interface and convection strength of the steam side.The result of the simulation revealed that the stronger the convection strength of the liquid side is, the greater the heat transfer coefficient of the vapor-liquid interface and the stronger the convection strength of the steam side are.And the charging process would be saturated in a shorter time. All shows that enhancing the convection heat transfer of both liquid side and steam side can improve the charging process, thus guiding the improved design of steam accumulator.

steam accumulator;charging process;modeling and simulation;improved-design;convection strength;heat transfer coefficient

2014-06-03修订稿日期2014-06-29

大型先进压水堆核电站重大专项(2010ZX06002-005)。

段岩峰(1980-)，男，博士研究生，工程师，主要从事第三代压水堆核电机组性能试验研究。

TK223.3+5

A

1002-6339 (2014) 04-0318-06