楊 博

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

核動(dòng)力裝置二回路屬于典型的強(qiáng)耦合性多回路多變量熱動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)以千計(jì)的各種設(shè)備有機(jī)組合在一起，這些設(shè)備間緊密耦合，任意一個(gè)設(shè)備、一個(gè)過(guò)程參數(shù)的變化都會(huì)帶來(lái)多方面的影響。由此可知，要提高系統(tǒng)效率就必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者仿真的方法研究影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素以及這些因素的敏感性。其中仿真技術(shù)就是對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析的一種安全、簡(jiǎn)單且有效的研究方法。尤其對(duì)于核動(dòng)力系統(tǒng)，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)投入大、風(fēng)險(xiǎn)高，就很適合通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真研究其系統(tǒng)性能的變化規(guī)律，從而優(yōu)化和提高系統(tǒng)效率。

1 系統(tǒng)建模

二回路系統(tǒng)主體部分由汽輪機(jī)、冷凝器、凝結(jié)水泵、汽動(dòng)給水泵及閥門等組成。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)隔離閥后，大部分進(jìn)入汽輪機(jī)，推動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn),剩余部分進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，向船舶供電[1-2]。

二回路參數(shù)優(yōu)化以朗肯循環(huán)效率為主要優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化結(jié)果可以為提高核動(dòng)力系統(tǒng)的總體熱效率奠定基礎(chǔ)。圖1中的曲線表示朗肯循環(huán)，其熱效率ηt的表達(dá)式為：

(1)

式中：h1,h2,h3和h4為朗肯循環(huán)各工況點(diǎn)的焓。

由圖可以看出，影響二回路系統(tǒng)熱效率的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)為蒸汽發(fā)生器與冷凝器的壓差(3點(diǎn)過(guò)熱度與1點(diǎn)過(guò)冷度可設(shè)為定值，不做優(yōu)化考慮)，而二回路的運(yùn)行工況(溫度、壓力等參數(shù))有可能會(huì)因?yàn)檎羝l(fā)生器的換熱效率過(guò)低而間接受到一回路運(yùn)行參數(shù)的限制,此外還需考慮海水泵的功耗等對(duì)總效率的影響[3]。

圖1 朗肯循環(huán)中溫度與熵關(guān)系圖

1.1 簡(jiǎn)單朗肯循環(huán)系統(tǒng)

首先不考慮系統(tǒng)的空間限制及設(shè)備對(duì)高溫高壓的承受能力，將二回路流量歸一化后，研究簡(jiǎn)單朗肯循環(huán)模型中性能參數(shù)對(duì)熱效率的影響。建模的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備效率見表1。

表1 簡(jiǎn)單朗肯循環(huán)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備效率

1.2 朗肯循環(huán)預(yù)熱系統(tǒng)

根據(jù)核動(dòng)力熱力系統(tǒng)基本理論可知，通常二回路的循環(huán)效率對(duì)整體熱效率的影響很大。工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，采用汽水分離再熱器、回?zé)峒訜崞?、再生式熱交換器，提高凝汽器性能等方法均可以有效提高核電機(jī)組熱效率。按照某船用核動(dòng)力系統(tǒng)二回路的設(shè)計(jì)(圖2[4])，在原有簡(jiǎn)單朗肯循環(huán)的系統(tǒng)中增加了預(yù)熱器、減溫減壓裝置、貯水箱、水泵等設(shè)備，使得發(fā)電汽輪機(jī)出口和螺旋槳汽輪機(jī)出口的工質(zhì)與部分抽氣混合，在預(yù)熱器中提前加熱[5]。利用MATLAB進(jìn)行該二回路預(yù)熱系統(tǒng)建模，做如下假設(shè)，結(jié)果見表2。

1—蒸汽入口；2，3—汽輪發(fā)電機(jī)；4—減溫減壓裝置；5—主汽輪 機(jī)；6—螺旋槳；7—貯水箱；8—冷凝器；9—熱阱；10—凝結(jié)水泵；11—補(bǔ)水閥；12—過(guò)剩水排放閥；13，14，15—給水泵；16—廢汽 管；17—預(yù)熱器；18—給水出口圖2 二回路預(yù)熱系統(tǒng)示意圖

表2 二回路預(yù)熱系統(tǒng)建模參數(shù)計(jì)算結(jié)果

1)汽輪機(jī)和冷凝器流量差為抽氣量，約占總蒸汽量的11.6%，工質(zhì)參數(shù)的抽取點(diǎn)為蒸汽發(fā)生器出口；

2)冷凝器中壓力恒定，出口為飽和水；

3)換熱器效率為100%，給水泵做功忽略不計(jì)。

1.3 二回路設(shè)備選型

在對(duì)二回路進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)，除了考慮循環(huán)效率，還應(yīng)兼顧設(shè)備及系統(tǒng)的體積。因此，在確定運(yùn)行工況的前提下，可根據(jù)設(shè)備功率及流量、揚(yáng)程等參數(shù)對(duì)泵和冷凝器等設(shè)備依照常用民用設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行選型[6]。確定設(shè)備型號(hào)后，可根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和不同設(shè)備的尺寸調(diào)整管道等部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而得到二回路系統(tǒng)模型。

2 運(yùn)行參數(shù)性能特性分析

對(duì)于一般的壓水堆核電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，總效率可近似地表示為：

ηp1=ηbηpηtηoiηmηg

(2)

式中：ηp1為發(fā)電廠總效率；ηb為設(shè)備熱效率，壓水堆核電廠一般為0.98～0.99；ηp為管道熱效率，一般為0.98～0.99；ηt為理論熱力循環(huán)效率，一般為0.40～0.45；ηoi為汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率，一般為0.85～0.87；ηm為汽輪機(jī)組機(jī)械效率，一般為0.95～0.99；ηg為發(fā)電機(jī)效率，一般為0.98～0.99。

可見提高壓水堆核電熱效率的方法主要是從上述幾個(gè)方面著手。根據(jù)不同效率值可以發(fā)現(xiàn)，提高二回路的循環(huán)效率具有提升整體熱效率的最大潛能。在大型壓水堆核電廠中，因沒有較多的空間和質(zhì)量限制，往往采用增加汽水分離再熱器、回?zé)峒訜崞?、再生式熱交換器，提高凝汽器性能等方法提高核電機(jī)組熱效率，此類方法在緊湊型核動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化中可以部分借鑒和使用。同時(shí)，還需兼顧設(shè)備和系統(tǒng)的緊湊性和安全性。

2.1 簡(jiǎn)單朗肯循環(huán)運(yùn)行特性

利用二回路系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)值進(jìn)行MATLAB建模時(shí)，該朗肯循環(huán)的效率為26.14%?，F(xiàn)將任一參數(shù)在一定范圍內(nèi)改變，其他參數(shù)保持設(shè)計(jì)值進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖4所示，可得到如下規(guī)律：

1)取設(shè)計(jì)值的系統(tǒng)循環(huán)效率為26.14%，性能探討過(guò)程中循環(huán)效率波動(dòng)范圍為21%～31%，考慮到設(shè)備承受能力，簡(jiǎn)單循環(huán)效率提升的空間不大；

2)冷凝器壓力越小，朗肯循環(huán)效率越高(如圖3(a)所示)；

3)蒸汽發(fā)生器壓力越大，朗肯循環(huán)效率越高(如圖3(b) 所示)；

4)泵和汽輪機(jī)的設(shè)備效率越高，朗肯循環(huán)效率越高(如圖3(c)、(d)所示)；

5)蒸汽發(fā)生器出口過(guò)熱，可提高朗肯循環(huán)效率(如圖3(e) 所示)。

圖3 二回路系統(tǒng)中單一運(yùn)行參數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響

本文嘗試同時(shí)改變相同性質(zhì)的系統(tǒng)參數(shù)，研究不同參數(shù)組合對(duì)朗肯循環(huán)效率的影響。如圖4(a)所示，較高的蒸汽發(fā)生器壓力與較低的冷凝器壓力組合，可獲得較高的循環(huán)效率。如圖4(b)所示，較高的泵和汽輪機(jī)的設(shè)備效率組合，可獲得較高的朗肯循環(huán)效率；然而泵的設(shè)備效率對(duì)系統(tǒng)效率的影響相對(duì)較小，且現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行效率接近于1，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的工程意義不大。

圖4 二回路系統(tǒng)中運(yùn)行參數(shù)組合對(duì)循環(huán)效率的影響

2.2 帶抽氣預(yù)熱的朗肯循環(huán)運(yùn)行特性

利用帶抽氣預(yù)熱的二回路系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)值進(jìn)行MATLAB建模時(shí)，取抽氣率為11.4%，循環(huán)效率僅為24.20%。因系統(tǒng)的細(xì)節(jié)參數(shù)不完善導(dǎo)致的計(jì)算誤差較大，于是改變抽氣率，并分析系統(tǒng)循環(huán)效率低的原因：

1)汽輪給水泵做功被忽略，但經(jīng)預(yù)熱后的高溫蒸汽沒有做功直接冷凝，弊端不僅在于能量浪費(fèi)，還在于兩股工質(zhì)因壓力不同而引起的設(shè)備復(fù)雜性增加；

2)換熱器冷端的溫升限制導(dǎo)致沒有充分利用抽氣的能量；

3)抽氣量越低，循環(huán)效率越高，且抽氣率低于5%時(shí)才有效率優(yōu)勢(shì)。

此外，改變預(yù)熱器的溫度對(duì)效率的影響如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，換熱器冷端的溫升增加可有效提高帶抽氣的朗肯循環(huán)效率，且二者近乎線性相關(guān)。

由此可知，同時(shí)改變以上兩個(gè)參數(shù)，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，提高預(yù)熱溫度并減小抽氣量，可有效提高循環(huán)效率。在不改變系統(tǒng)高低壓參數(shù)和設(shè)備效率的前提下，循環(huán)效率可有效提高至38%。

圖5 預(yù)熱器工質(zhì)溫度對(duì)循環(huán)效率的影響

圖6 預(yù)熱器工質(zhì)溫度和抽氣率對(duì)循環(huán)效率的影響

3 系統(tǒng)優(yōu)化建議方向

為了兼顧系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備空間和質(zhì)量的限制，對(duì)二回路系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整體優(yōu)化時(shí)需要的多目標(biāo)參量為二回路熱效率、海水泵功率、二回路體積。

由于系統(tǒng)安全裕度、一二回路換熱效率等條件的限制，二回路高壓段的工況會(huì)對(duì)一回路的運(yùn)行參數(shù)造成較大影響，因此需要進(jìn)一步研究堆芯運(yùn)行的溫度壓力與循環(huán)效率間的關(guān)系。此外，如需進(jìn)一步提高系統(tǒng)熱效率，還可以對(duì)汽輪機(jī)、換熱器等單個(gè)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，從而提高做功及換熱效率。

4 結(jié)論

1)本文通過(guò)計(jì)算機(jī)建模和仿真等手段，研究了影響核動(dòng)力二回路系統(tǒng)整體效率的諸多因素，為提高系統(tǒng)效率提供了依據(jù)和建議。

2)通過(guò)在MATLAB程序中建立二回路主要設(shè)備的物理模型，證明適當(dāng)簡(jiǎn)化后的物理模型能夠較準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)熱力循環(huán)的主要過(guò)程。

3)通過(guò)計(jì)算找出了設(shè)備壓力、溫度和抽氣率等因素對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響規(guī)律。分析表明，抽氣量越小，循環(huán)效率越高，且抽氣率低于5%時(shí)才有效率優(yōu)勢(shì)。