1、Vol. 27 No. 1Mar- 2007第27卷第1期核科學與工程2007 年 3 月Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering蒸汽發生器工作過程建模及仿真分析宋京凱，郭海紅，姚祺峰,姜任秋(哈爾濱I程人學黑龍江哈爾濱150001)摘耍：基丁分布參數熱工對彖的集總參數化動力學模型對門然循環蒸汽發生器進行了控制體劃分并建 立了數學模型并用MATLAB語言和SIMULINK仿真軟件對其進行了仿其文章采用了 Runge-Kutta (4,5)求解器得到不同功率裝宣運行時一次側二次側以及管束的溫度分布并得到一回路給水擾動 時傳熱鼠以及冷卻劑

2、出口焙的響應曲線。關鍵詞：蒸汽發生器；數學模型；仿翼中圖分類號:TL331文獻標識碼：A 文章編號：0258-0918(2007)01-0027-05The modeling and simulation analysison steam generator working processSONG Jing-kait GUO Hai-hong YAO Qi-feng JIAN(j Ren-qiu(Haerbin Engineering University. Harbin of Heilongjiang Prov. 150001. China)Abstract: Based on lumped

3、 paranierer dynamic model of distribution parameter thermal system, the paper established the control volumes and mathematical models to natural circulation type steam generator. The models were simulated with software MATLAB and SIMUINK. Adopting Runge-Kutta(4,5) scheme the paper educed primary sid

4、e secondary side and tubes temperature distribution at different power conditions also the response curve of heat transfer and coolant outlet enthalpy wliile primary side feedwater was disturbing.Key words：steam generator；mathematical model;simulation.27Vol. 27 No. 1Mar- 2007#Vol. 27 No. 1Mar- 2007收

5、稿日期:2006-06-041修冋日期:2006-08-30作者簡介：宋京凱( 1963)男.浙江上虞人博上研究生蒸汽發生器是連接一回路和二凹路的樞 紐，是核動力裝置的關鍵設備。研究蒸汽發生 器的動態特性，對于整個核動力設備的設讓和 安全分析十分巫要。目前世界上所有蒸汽發生 器約伺一半左右發生了傳熱管破損事故這使 得蒸汽發生器在核動力裝置事故中居重要地 位嚴重影響著核動力裝置運行的安全性和nJ' 靠性。在U型管自然循環蒸汽發生器中，-次側 流體通過熱段入口進入蒸汽發生器傳熱管束.#Vol. 27 No. 1Mar- 2007#(2)(3)將反應堆熱最傳遞給二次側流體后流出管束。 二次側

6、給水和再循環水混合后經過環形下降管 道進入過冷段橫向沖刷U型管束吸收次側 冷卻劑熱量在沸騰段飽和并沸騰產生的蒸氣 流經分離器十燥器后流出蒸汽腔室推動動力 裝置做功丄。1系統建模1.1模型結構將蒸汽發生器分為14個控制體，其中二次 側劃分為6個控制體：給水室、下降通道、過冷 段、沸騰段、上升段、蒸汽腔室；一次側控制體和 傳熱管在熱段和冷段分別對應二次側控制體齊 劃分為4個控制體2。U形管束用一根流動面 積和換熱面積等效的U形管表示。如圖1所示。蒸汽圖1 U形管蒸汽發生器區域化分圖Fig. 1 Volumes schematic diagram of LJ-lube steam generator

7、FW給水室；DC F降通道；SC二次側過冷區段;B二次側沸腌區段：R上升段控制體；SD汽水分離段蒸汽腔室；P次側；M管金屬控制體1.2數學模型迄今為止國外已發展了三維兩相流模型 的蒸汽發生器瞬態分析程序，然而這些模型仍 需輔Z以各種經驗關系式，影響了計算結果的 準確性。該三維蒸汽發生器嶙態分析模型仍限 于部件程序在安全分析采用的系統分析程序 中，通常采用維蒸汽發生器模型。建立數7模型前作出如下基本假設：1）蒸汽發生器內工質的流動是一維的即 工質的熱工水力學參數只沿軸向位置改變，在 28同一截面上，具有相同的狀態參最；2）在蒸汽發生器次側為卩相液體；3）蒸汽發生器二次側流體沸騰為飽和沸 騰，不考

8、慮過冷沸騰；4）假設分離器效率為100%,即蒸汽空間 內蒸汽為100%的干燥飽和蒸汽；5）忽略一回路、二回路工質的軸向導 熱忽略U形管華的軸向導熱忽略蒸汽發 生器的對外散熱，忽略除傳熱管外任何構件 的熱容；6）管束套筒是絕熱的即不考慮上升通道 流體與下降通道流體間的傳熱。1.2. 1 一回路側-回路側為不町壓縮流體假定流通截I ft I 枳為常數。能量守恒方程：垮+G” 令=_（1）反應堆冷卻劑在進、出口水室的散熱忽略 不計進、出口水室焰方程采用延遲模型方程 如下：dho _ h, htl _ pV=r =1.2.2傳熱竹壁傳熱管束等效為-根U形管忽略軸向導 熱對于控制體采用集中參數導熱模型。

9、1.2.3二回路側二回路側流體在六個控制體具有不同的流 動特性和傳熱特性所以具有不同的數學模型0 對每個控制體建立數學模型：1）過冷段假設過冷段流體不可壓縮流通截面為常 數各守恒方程為：能最守恒方程：(4)動暈守1U方程:g =亦| S G行 心 加 "丿 2p L)e自然循環蒸汽發生器內的流體般處于水 力光滑的紊流區様擦阻力系數/當4 000 =(6)(7)(8)(9)(11)Gfu .°h fu.,o<3 X IO4.按照布拉休斯方程計算f = 0.316 4皿-。25；當 3X10y&V106,按麥克亞 當斯公式計算/=0. 184 R嚴2。2) 沸騰段

10、在沸騰段，二次側流體為汽、液兩相混合 物，采用均相流模型其瑕大特點是形式簡 控制變量較少。簡化條件為：假定工質在任一 流通面上汽液兩相工質均勻混合無相対流 動；兩相之間處于熱力平衡狀態，混介物溫度等 于相應壓力下流體飽和溫度。基木守恒方程口J 由過冷段推導得出其中密度、焙、質最流速均 為兩相平均值。= 工 11_幺7 7h = jch A (/>) + (1 x)/(/>)3) 上升段上升段含汽量不變，基本力程與沸騰段不 同的是能量方程沒有了加熱項。不再具體 一 推導。4) 蒸汽空間假設蒸汽腔室的蒸汽在任意時刻均保持飽 和狀態.則該控制體質量守恒方程為：¥( Q Vm)=

11、 G飽和蒸汽密度和圧力的關系：蛍=型業dr dp At5) 給水室給水泵的給水與汽水分離器分離出的再循 壞水混合給水室控制體數學模型如下。質最守恒方程：¥ (阿 A 屜 L ) (1 xlt )Gb + 山 r(10)能暈守恒方程：A fwLfwh，”)=(1 x0 )Gihf + Gfwh Jw6) 下降通道區域假定下降通道流體與壁而無熱交換且流體 不可壓縮數7模型即為管內流動的基木守恒 方程，這里不在具體給出。対于次側和二次側過冷段可以看作"相 換熱管的一維動力學模型因此能最方程簡 化為：知僚黔)=9(12)2數學模型處理及簡化2.1數學模型的簡化由于偏微分方程組求解很

12、因難對建立的 數學模型進行線性化處理。對分布參數模型進 行了集總參數化處理即將實際的分布參數對 象近似的等效為若干個集總參數環節組成的串 聯系統這樣經過必要的數沖轉換偏微分方程 組變為一組常微分方程組，在假設前提下，與原 偏微分方程系統等效。仿真將得到工質流量輸入擾動作用下壞節 出U1工質焙以及環節放熱最的相應特性，因此 取壞節出口處工質狀態為集中參數。這樣，每 個軸向小控制體狀態參數便只與時間有關. 與空間變量無關。如方程(12)可化為：Ao 半=q G(ho hi)(13)2.2數學模型的求解經過整理簡化的SG數學方程為連續狀 態而且剛性很弱,MATLAB軟件帶有微分方 程求解器，選擇了

13、ode450 ode45基于顯示 Runge-Kutta (4,5)公式',Dormand-Prince 對具有中階精度町以滿足精度要求。此求解 器是單步求解2$ 僅利用前一步的計算結 來計算心),仿真時選取了求解器默 認的自動設定步長。3模型驗證運用上述模型對蒸汽發生器分別在15%、 30%、50%、75%、100%負荷運行時，一次側，二 次側以及傳熱管朿溫度進行了仿真計算，并得 到回路冷卻劑流暈階躍擾動時，冷卻劑出口 焙以及傳熱量響應曲線如圖2、圖3。邊界條件：模型仿真計算時需要知道一 次側流量，冷卻劑入口溫度，次側入口壓 力二次側給水流量二次側給水溫度蒸氣 腔壓力循環倍率蒸氣出口

14、干度再循壞水 干度。29oK)oK)oK)oo5050505044332211505050500099887733222222237-644笛長/m次側焙值分布曲線.6414.4412.23b）傳熱管壁溫分布曲線管長/mc）熱流密度分布曲線最減少30%15%負荷運行時對冷卻劑流最増 加30%進行了擾動得到次側的傳熱暈以及 冷卻劑出U焙響應曲線如下:7 5 %負荷時冷卻劑流最階躍減少響應 曲線：a）換熱后響應曲線b）冷卻劑出口焙響應曲線15%負荷時，冷卻劑流量階躍增加響應曲線:31#300 r二次側高度/mcl）二次側溫度分布P、別咚憂牴II22242628 30323436 3840仿真時間/

15、SC）換熱杲響應曲線圖2穩態工況仿真結果Fig. 2 Steady-state simulation result蒸汽發生器在75%負荷運行時冷卻劑流#圖3冷卻劑流昴擾動曲線Fig. 3 Coolant flow disturbing curve結果分析：1) 隨著裝置功率的提刃.-iHl路給水量增 加，入口焙值和出口焙值均增加，但是出口增加 的幅度更大，因此，裝置功率增人時，需要的蒸 汽產量也增大，即二回路得到的熱量增加，和熱 流密度變化曲線吻合。從熱流密度曲線變化趨 勢看出，在冷卻劑進口處換熱量茲大，沿著流向 成降低趨勢。由于二次側溫差逐漸減小因 此換熱量逐漸減小，仿真計算所得數據和實際

16、運行相符。山于數學模型在簡化時進行了集總 參數化，因此二回路溫度在過冷段呈線性增加 趨勢，達到飽和溫度后維持不變。如圖2所示。2) 一回路給水流最階躍減少時，Q = AzAT,対流換熱系數降低，管朿壁溫來不及降 低，換熱暈何個忽降，二次側沸騰強度隨看減 弱蒸汽產量也降低，二次側壓力和溫度也減 小，由于一二次側溫差增大，導致傳熱最又略有 增大，但總體上仍減小。山于冷卻劑進口溫度 維持不變，因此出口單位質量壻值增加。同理, 冷卻劑流量階躍增加，換熱暈先增加，后又有所 降低，到穩定,為了滿足增加的放熱量.出口焙 減小。如圖3所示。4結論仿真得到的變化趨勢和結果與實際運行參數 在將度允許范圍內很好的相

17、符。由仿真結果可以 看出建立的模型可以反映岀蒸汽發生器實際運 行時次側，二次側管束傳熱動態響應過程。木 文用SIMULINK建必的仿真模型對蒸汽發生器 設計以及裝置爭故分析有-定的參考價值。表1數學方程屮變鼠及F標符號的含義Tablet Meanings of mathematical models variableand suffix符號含義腳杯含義u熱周界/mP一次側G流體質fit流速/kg (m2 s)_1$二次側A面積/m?i進LI處軸向即離/mo出口處z干度sc過冷段p壓力/MPaFW給水室V體積/m?SD蒸汽腔室參考文獻:1 (蒸汽發生器編組.蒸汽發生器M.北京：原了能 出版社.1

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21、nical properties of martensitic chromium steels J. J Nucl Mater. . 2000. 283- 287：1196-12OO.#蒸汽發生器工作過程建模及仿真分析B文獻鍵按作者：宋京凱，郭海紅，姚祺峰，姜任秋，SONG Jing-kai, GUO Hai-hong, YAO Qi"fengt JIANG Ren*qiu作者單位: 刊名：哈爾濱匚程大沖,黑龍江，哈爾濱,150001核科學與T程1 ISTIC|PKU|英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次數：CHINESE JOURNAL OF NUCLEAR SCIENCE AND

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