船用蒸汽发生器的建模与仿真研究

摘要

蒸汽发生器是核动力系统中的关键设备之一，是一、二回路的枢纽。其主要功能是把一回路载热剂从反应堆带走的热量经蒸汽发生器管壁传给二回路的循环工质，产生蒸汽带动汽轮机做功，将热能转化为电能或机械能。同时一回路水流经反应堆具有放射性，蒸汽发生器是防止二回路被污染的第二道物理屏障。它能否正常运行直接关系到整个核动力系统的安全经济运行，因此对蒸汽发生器的换热特性和动态过程进行仿真研究十分的必要。
　　本文采用全物理模型对自然循环蒸汽发生器进行了仿真研究。整个设备被划分为42个控制体，其中主要部分集中在U形管换热区。二次侧工质在换热过程中发生相变，由单相传热变成两相换热，换热过程变得更为复杂。文中将U形管束分成顺流换热侧和逆流换热侧，每侧划分为6段，其中过冷段2段，沸腾段4段，在此基础上建立了蒸汽发生器的一维漂移流数学模型，同时针对船用型蒸汽发生器的特殊工作环境做了一定的模型修正，并对其稳态工况进行了计算。分析了循环倍率与负荷、重力场、船体倾斜角的函数关系；并研究了蒸汽发生器稳态运行时主要参数以及换热区U形管内外管壁温度的变化规律。最后采用MATLAB/SIMULINK仿真工具搭建出蒸汽发生器数学模型的计算机仿真模型，并进行仿真实验。研究了主蒸汽流量、给水参数、重力场和船体倾斜等扰动条件下的蒸汽发生器瞬态特性。
　　试验结果表明，稳态工况各主要参数(包括一次侧冷却剂出口比焓、温度；二次侧工质出口质量含汽率、压力、温度等)和设计值基本一致，瞬态特性变化趋势合理。因此，本文所进行的蒸汽发生器热工水力稳态计算和动态瞬态特性分析是合理可行的，能够为压水堆核动力蒸汽发生器的设计、运行提供较为实用可靠的数据。同时对整个核动力装置的运行也具有一定的指导和参考价值。