孔夏明，王 葦，孟海波，李 勇

( 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

核動力商船為滿足在不同工況下的航行需要，負荷變化比較頻繁。對采用直流蒸汽發(fā)生器的核動力商船而言，為保證快速大幅度負荷變動時的裝置運行安全，采用了一、二回路功率協(xié)調控制系統(tǒng)。對此，國內外進行了大量的研究［1－4］。由于直流蒸汽發(fā)生器運行的物理過程非常復雜，具有非線性、參數時變性和各種擾動不確定性的特點，當前設計的功率協(xié)調控制系統(tǒng)還不夠完善，在一般負荷擾動時，仍會導致主蒸汽系統(tǒng)壓力較大幅度的波動，影響汽動設備的穩(wěn)定運行，也對蒸汽系統(tǒng)的設備和管路安全運行構成潛在威脅。因此，運行上仍需進一步對主蒸汽系統(tǒng)的壓力波動范圍進行限制。本文以某型采用直流蒸汽發(fā)生器的核動力商船動力裝置為研究對象，研究利用裝置的啟停蒸汽冷卻器參與主蒸汽壓力運行控制，并建立運行仿真模型進行仿真試驗研究。

1 啟停蒸汽冷卻器參與主蒸汽壓力調控的控制原理

1.1 船舶核動力裝置工作簡介

圖1 為采用直流蒸汽發(fā)生器的核動力商船動力裝置工作原理圖。反應堆產生的熱量通過主冷卻劑循環(huán)帶出，在直流蒸汽發(fā)生器進行熱量交換。直流蒸汽發(fā)生器產生的蒸汽經汽輪機做功后乏汽排到冷凝器，冷凝后的疏水經凝水泵、給水泵增壓后送回直流蒸汽發(fā)生器，完成二回路工質的汽水循環(huán)。為滿足裝置啟停期間的汽水循環(huán)要求，裝置在二回路系統(tǒng)設置了專用的啟停蒸汽冷卻器。

在裝置的運行過程中，要求主蒸汽壓力穩(wěn)定，壓力波動控制在一定范圍內。導致直流蒸汽發(fā)生器出口壓力波動的因素有很多，主要有:一回路冷卻劑出口溫度，二回路給水流量，二回路蒸汽耗量等(即二回路負荷)［5］。

圖1 船舶核動力裝置工作原理Fig.1 The schematic of the system

啟停蒸汽冷卻器作為裝置啟停排放系統(tǒng)的重要設備，原設計在投入正常運行時不參與工作。本文研究在直流蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力控制系統(tǒng)的基礎上，利用啟停蒸汽冷卻器參與對主蒸汽系統(tǒng)壓力控制。為控制啟停蒸汽冷卻器熱疲勞損傷，在裝置穩(wěn)定運行時，原則上啟停蒸汽冷卻器定量冷卻少量蒸汽。

1.2 啟停蒸汽冷卻器參與主蒸汽壓力調控的控制系統(tǒng)設計

對采用直流蒸汽發(fā)生器的船用核動力裝置，為保證快速大幅度負荷變動時的裝置運行安全，采用了一、二回路功率協(xié)調控制策略。在一般負荷擾動時，一、二回路功率協(xié)調控制系統(tǒng)不參與調節(jié)，這就會出現主蒸汽系統(tǒng)壓力較大幅度的波動，影響汽動設備的穩(wěn)定運行。因此，運行上仍需進一步對一般負荷擾動時主蒸汽系統(tǒng)的壓力波動范圍進行限制。本文在直流蒸汽發(fā)生器主蒸汽壓力控制系統(tǒng)基礎上，將啟停蒸汽冷卻器參與調控直流蒸汽發(fā)生器出口壓力。如圖2所示，利用PID 控制器與主蒸汽壓力控制系統(tǒng)聯(lián)合控制主蒸汽壓力。在整個壓力控制方案中，增加了控制器的數量，以及閥門等的調節(jié)數量，使系統(tǒng)的復雜程度有所增加。

圖2 啟停蒸汽冷卻器參與壓力控制系統(tǒng)的原理Fig.2 The schematic of the steam condenser pressure control system

2 仿真模型

2.1 主蒸汽壓力控制系統(tǒng)模型

根據圖1所示的核動力裝置工作原理圖，搭建相關系統(tǒng)及設備的仿真模型，將相關系統(tǒng)及設備劃分為多個控制體。

直流蒸汽發(fā)生器采用套管式結構，一次側冷卻劑雙面加熱二次側給水，且對于汽液共存時，兩相總是處于飽和狀態(tài);直流蒸汽發(fā)生器內各節(jié)點工質相應參數相同，且同步變化，即按集總參數處理。通過相應的節(jié)點以及模塊劃分，建立直流蒸汽發(fā)生器模型，如圖3所示。

圖3 直流蒸汽發(fā)生器節(jié)點Fig.3 The node graph of the once through steam generator

啟停蒸汽冷卻器采用立式結構，由于其工作過程相當于直流蒸汽發(fā)生器產生蒸汽的逆過程，因此采用與直流蒸汽發(fā)生器類似的建模方法劃分節(jié)點，建立啟停蒸汽冷卻器模型。

建立不可凝氣體質量方程，汽、液質量方程，混合相動量方程，漂移流方程，汽、液能量方程共7 組方程。根據所搭建的直流蒸汽發(fā)生器、啟停蒸汽冷卻器等設備模型，構建系統(tǒng)仿真模型。將1.2節(jié)中的壓力控制模塊載入主程序模塊，構建主蒸汽壓力控制系統(tǒng)仿真模型。

2.2 兩相流傳熱模型

兩相傳熱系數的計算取決于流體的密度、流動速度、導熱率等物性參數，受計算控制體的物理狀態(tài)影響(壓力、焓)。考慮兩相傳熱的復雜性，在計算流體壁面?zhèn)鳠嵯禂禃r根據流體狀態(tài)將傳熱過程沿流道分區(qū)，分別對不同的傳熱區(qū)域進行計算?？紤]運算精確度與實時性的要求，單相液體對流、單相汽體對流 (強迫對流)傳熱系數的計算選用Dittus-Boelter 公式，泡核沸騰傳熱系數的計算選用Chen 公式［6］，模態(tài)沸騰傳熱系數的計算選用Bromley 公式。汽態(tài)的冷凝效應采用Boyko-Kruzhilin公式［7］，并考慮了流體的自然對流換熱方式。上述這些傳熱模型在核動力熱工計算上有著廣泛的應用，并已被證明是滿足計算精度要求的。

3 仿真試驗及結果分析

在蒸汽負荷擾動10%時，分別對3 種不同的控制條件下直流蒸汽發(fā)生器出口壓力、啟停蒸汽冷卻器進汽流量以及直流蒸汽發(fā)生器給水流量進行對比分析。這3 種控制條件分別是:啟停蒸汽冷卻器進汽流量保持不變，啟停蒸汽冷卻器蒸汽調節(jié)閥開度保持不變，給水與啟停蒸汽冷卻器聯(lián)合控制直流蒸汽發(fā)生器出口壓力不變。

3.1 蒸汽負荷降低10%

圖4 ～圖6 分別為蒸汽負荷降低10%時，直流蒸汽發(fā)生器出口壓力、啟停蒸汽冷卻器進口蒸汽流量和直流蒸汽發(fā)生器給水流量的變化關系。從這3個圖可以看出，由于二回路系統(tǒng)設備用汽量減少導致直流蒸汽發(fā)生器負荷降低，直流蒸汽發(fā)生器出口壓力升高，給水流量減少，啟停蒸汽冷卻器進汽量增大。直流蒸汽發(fā)生器出口壓力升高時，由于啟停蒸汽冷卻器與主蒸汽管道相連，使啟停蒸汽冷卻器入口壓力增大，進入啟停蒸汽冷卻器的蒸汽量增大，之后通過壓力調節(jié)趨于穩(wěn)定;主蒸汽壓力升高，由于壓力控制系統(tǒng)作用，進入直流蒸汽發(fā)生器給水流量相應減少，之后趨于穩(wěn)定。從圖4 可看出，對采用啟停蒸汽冷卻器與給水聯(lián)合控制直流蒸汽發(fā)生器出口壓力的調控方式，壓力波動的幅度最小，能顯著削低壓力波動峰值。從圖5 與圖6 可以看出，聯(lián)合控制方式增大了啟停蒸汽冷卻器的流量變化范圍，但減小了給水流量的變化范圍。

3.2 蒸汽負荷升高10%

圖7 ～圖9 分別為蒸汽負荷升高10%時，直流蒸汽發(fā)生器出口壓力、啟停蒸汽冷卻器進口蒸汽流量和直流蒸汽發(fā)生器給水流量的變化關系。從中可以看出，由于二回路系統(tǒng)設備用汽量增加導致直流蒸汽發(fā)生器負荷升高，直流蒸汽發(fā)生器出口壓力降低，給水流量增加，啟停蒸汽冷卻器進汽流量減小。與負荷降低一樣，對采用啟停蒸汽冷卻器與給水聯(lián)合控制直流蒸汽發(fā)生器出口壓力的調控方式，壓力波動的幅度最小，同樣也能顯著削低壓力波動峰值，減小給水流量變化范圍，但增大了啟停蒸汽冷卻器的蒸汽流量變化范圍。

4 結 語

采用直流蒸汽發(fā)生器的船舶核動力裝置運行時，負荷的頻繁變化對主蒸汽壓力控制系統(tǒng)的設計與運行提出了更高的要求。本文以船舶核動力裝置主蒸汽壓力為控制目標，研究采用啟停蒸汽冷卻器參與主蒸汽壓力調控的運行方案，在裝置負荷波動時，能有效降低主蒸汽壓力波動幅度，削低壓力峰值，對核動力裝置的安全運行有顯著的作用。本文的仿真結果對裝置協(xié)調控制系統(tǒng)的設計具有一定的指導意義。

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