直流蒸汽发生器静态和动态特性分析

回路各段工质平均重度,
K pi 、K si : 各段载热剂、二回路工质平均传热
系数,
T pi 、T pi - 1、T pi+ 1: 一回路各段载热剂平均温
度、入口处温度、出口处温度,
T mi 、T m i- 1、T m i+ 1: 各段管壁平均温度、入口
处温度、出口处温度,
T si , T si - 1, T si + 1: 二回路各段工质平均温度、
1. 1 一回路的动态数学模型
cp i
p iFp
d
(
liT dt
p
i
)
=
cp i W p i - 1 T p i - 1- cp i W p i+ 1 T p i + 1- Q p i ,
p iFp
dli dt
=
Wp i- 1-
W pi + 1,
Qp i = n dp l iK p i ( T p i - T mi - T ei ) ,
图 1 直流蒸汽发生器示意图 Fig . 1 T he diag ram of once- throug h st eam generator
把每个段都看做一个热交换器, 并作为建立 模型的一个基本环节, 各个环节串联构成了整个 蒸发器. 为了获得工质的热力学特性, 对每个环节 建立其质量、能量平衡方程、状态方程及传热方 程, 以集中参数代替分布参数, 以每个环节出口参 数代表集中参数. 设沿着工质流动方向每个段的 出口为下一个段的入口.
d( Fs
s
d
2
t
l
2)
=
Ws1-
Ws3,
Fs
d(
is2 s2 l 2) dt
=
Ws1 is1-
W s3 i s3+
Qs2,
Qs2= n dsl 2 K s2( T m 2- T s2- T e2) ,
T s2=
1 2
(
T
s1+
T s3) ,
is2=
1 2
(
is1+
is3) .
1. 3. 2 多相区数学模型
在直流蒸发器中, 二回路的流动是依靠给水泵 的压头来实现的, 外力强迫二回路工质一次流过传 热管, 随着工质沿传热管流动, 它被一回路载热剂 加热, 经过预热、蒸发、加热而达到所需的温度, 产 生过热蒸汽. 因此, 直流蒸发器的特点是: ( 1) 强迫 流动; ( 2) 没有内部水循环, 给水一次流过加热面转 变为蒸汽. 直流蒸汽发生器具有不需要装设汽水分 离器, 结构简单, 体积小, 静态特性好, 机动性能好 及由于产生过热蒸汽, 可不装去湿装置, 简化了系 统, 并可提高装置的热效率等优点. 因此, 直流蒸汽 发生器在国外已得到广泛的研究和应用. 在国内, 新型核动力装置拟采用直流蒸汽发生器, 因此对直 流蒸汽发生器的研究也在逐渐展开. 直流蒸汽发生
Abstract: T he thermodynamics and hydrodynamics of once - through st eam generator ( SG) are analysis, and a simulat ion syst em is built in this paper. T he simulation syst em can describe t he paramet ers change in every sect ion of once_t hrough SG accurately, and can embody dynamics charact eristics f rom different as pect s. St at ic and dynamics researches have done in the simulat ion syst em. Some pressure and temperature change law s of once_throug h SG have got after it dist urbed by some variables. T he laws are very important for t he st ructure desig n of once_t hrough st eam generator, control system desig n and operation, fault analy sis and deal w ith, operat ion rules work out . Key words: once_through steam generator; simulation system; st at ic charact eristic; dynam ic characterist ic
6
+
Tm l6
Fs
dli dt
=
d(
Gf si !f dt
si
)
+
d(
Ggsi !gsi dt
)
,
Gf si = A i Ggsi ,
Qsi = n dsliK si ( T mi - T si - T ei ) ,
T si - 1= T si = T si + 1.
1. 4 直流蒸汽发生器动态数学模型
由 1. 1, 1. 2, 1. 3 节中的方程可得出直流蒸汽 发生器非线性动态数学模型如下:
T pi=
1 2
(
T
pi-
1+
Tpi+ 1) .
1. 2 传热管的动态数学模型
cmi
m
iF
mi
d(
l iT dt
mi
)
=
Qpi-
Qsi -
Q mi
! 30 !
哈尔滨工程大学学报
第 23 卷
Q mi = in ( dp + ds) l i ( T mi - 1- T mi + 1) ,
T mi - 1= T m i + T ei ,
T mi + 1= T m i - T ei . 1. 3 二回路的动态数学模型
二回路工质在蒸发器中发生了相变, 由入口 的过冷水吸收了热量, 逐渐蒸发, 过热, 以过热蒸 汽的形式流出. 对其分单相区和蒸发区分别建立
数学模型. 1. 3. 1 单相区数学模型
工质单相区是指在其段内只有一种形式的介
质, 即水或蒸汽. 直流蒸发器的单相区包括: 预热 段和过热段.
n: 传热管数,
dp 、ds: 传热管一、二回路侧直径,
Fp 、F m、Fs: 一回路有效流通截面积, 管壁截
面积, 二回路有效流通截面积,
Qpi 、Q mi 、Qsi : 一回路各段载热剂放热量, 各
段管壁、二回路各段工质吸热量,
cpi 、cmi : 各段载热剂、各段管壁金属比热,
pi 、 mi , si : 各段载热剂、各段金属管壁、二
摘 要: 首先对直流蒸汽发生器进行热工 和水力分析, 建立 了直流蒸汽 发生器仿 真系统. 此仿 真系统 能准确 地 描述各段在动态过程中的相互变化及相应参数的变化, 能够全方位地体现直流蒸汽发生器的动态特 性. 在仿 真 系统上对直流蒸汽发生器进行了静态和动态特性研究, 得到了影 响直流蒸 汽发生器可 靠工作 的压力 与温度 参 数变化规律及在某些扰动下这些参数的变化规律. 这些规律对直流蒸汽发生器结构设计, 自动 调节系统设计 与 操作、异常工况和故障的分析与处理, 运行规程的编制等均能提供必要的依据. 关键词: 直流蒸汽发生器; 仿真; 静态特性; 动态特性 中图分类号: T K 172 文献标识码: A 文章编号: 1006- 7043( 2002) 03- 0028- 05
入口处温度、出口处温度,
Wpi , Wpi - 1, Wpi+ 1: 一回路各段载热剂平均
流量、进口处流量、出口处流量,
Gf si : 核沸腾段、膜沸腾段饱和水重量( i = 4,
6) ,
Ggsi : 核沸腾段、膜沸腾段饱和蒸汽重量,
uf s : 饱和水比容,
ugs: 饱和蒸汽比容,
A i : 核沸腾段、膜沸腾段汽水重度比.
工质多相区是指在其段内的介质是水和蒸汽
两相共存. 直流蒸发器的多相区分 为: 核态沸腾 段、膜态沸腾段.
d( Gf si + dt
Ggsi ) =
W si - 1-
Wsi+ 1,
d( Gf sii si + dt
Ggsii si ) =
W si - 1 isi - 1-
W si+ 1Βιβλιοθήκη Baidui si + 1,
( 1) 预热段
s8Fs
d(
is8 l dt
8
)
=
Ws7 is7-
W s9 i s9+
Qs8,
s8Fs
dl8 dt
=
W s7 -
Ws9,
Qs8= n dsl 8 K s( T m 8- T s8- T e8) ,
T s8=
1 2
(
T
s7+
T s9) ,
is8=
1 2
(
is7+
is9) .
( 2) 过热段
=
Ws9T s9- Ws7 Ts7+ cs8 Fs s8 l 8
Qs 8 ,
dl6 dt
=
W s7Fs
W s5 A uf s6+
s6
A+
ug 1
s
6
,
d
Tp dt
6+
Tlp66ddlt6=
cp 6( W p 5 T p 5- W p 7T p 7) cp 6Fp p 6 l 6
Qp 6,
d
T d
m
t
数学模型的基本假设: ( 1) 一回路载热剂的重度, 比热和传热系数在 各段为常数. ( 2) 金属的重度, 比热和导热系数在各段为常 数.
( 3) 二回路工质的热力参数呈线性变化.
在以上假设基础上, 建立数学模型如下. 数学
模型中变量说明如下:
l i : 各段的有效长度, i = 2, 4, 6, 8,
第 23 卷第 3 期 2002 年 6 月
哈尔滨工程大学学报
Jour nal of Har bin Engineer ing U niv ersity
V ol. 23, . 3 Jun. , 2002
直流蒸汽发生器静态和动态特性分析
付明玉, 夏国清, 常宗虎, 陈德娟
( 哈尔 滨工程大学 核力与核能工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)
Static and Dynamic Characteristics in a once Through Steam Generator
F U M ing_yu, XIA Guo_qing, CH ANG Zong_hu, CH EN De_juan
( Colleg e of pow er and nuclear energy , Har bin Engineer ing U niv ersity, Harbin 150001, China)
dl8 dt
=
W s9Fs
Ws7 ,
s8
d
Tp dt
8+
Tlp88ddlt8=
cp 8( W p 7 T p 7- W p 9T p 9) cp 8Fp p 8 l 8
Qp 8,
d
T d
m
t
8
+
Tm l8
8
dl 8 dt
=
Qp8cm 8
Qm8m8 Fm
Q l8
s
8
,
dT s8 dt
+
T l
s8 8
dl 8 dt
器的静态计算, 可确定直流蒸汽发生器的基本尺寸 及在静态工况下可靠运行的条件. 直流蒸汽发生器 的动态特性研究, 可得到影响蒸汽发生器安全可靠 工作的参数的极大极小点, 了解这些参数的变化规 律以及极值出现的条件. 通过动态特性的研究, 还 可以掌握蒸汽发生器的机动性, 这是舰船正常航行 时与执行任务的需要. 研究动态特性, 可以掌握设 备在各种可能的扰动下各参数的变化规律. 根据这 些规律, 可了解直流蒸汽发生器对各种扰动的反应 和确定在不同扰动下操作的极限允许值这些对直 流蒸汽发生器结构设计, 自动调节系统设计与操 作, 异常工况和故障的分析与处理, 运行规程的编 制等均能提供必要的依据.
( 1) 预热段: H Hf ( Hf 为饱和水比焓) . ( 2) 核沸腾段: H > Hf 及 x < xDNB . ( 3) 膜沸腾段: x DNB < x < 1. ( 4) 过热段: x = 1. 此处 xDNB 是偏离核态沸腾点的含汽量. 直流蒸汽发生器 3 个区 4 段的示意图见图 1 所示:
收稿日期: 2001- 06- 12; 修订日期: 2002- 04- 21. 作者简介: 付明玉( 1964- ) , 女, 副教授, 主要研究方向为核动力装置控制系统动态特性、控制策略研究.
第3期
付明玉, 等: 直流蒸汽发生器静态和动态特性分析
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1 动态数学模型
动态数学模型是用来描述对象各种参量随时 间变化的数学关系式. 进行直流蒸汽发生器动态 分析, 首先应对其建立动态数学模型. 根据直流蒸 发器的特点, 按照二回路工质的状态将其划分为 预热段、核态 沸腾段、膜态沸腾段和 过热段 4 个 段, 这些段的边界根据体积水/ 蒸汽比焓 H 和蒸 汽偏离核态沸腾点的含汽量定义如下: