汽水分离再热器模型建模与仿真研究

汽水分离再热器模型建模与仿真研究

李 程1,2  张 弦1,2  董 竖 彪1,2

(1.   中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430223

(2.核动力运行研究所，湖北 武汉 430223)

摘要:汽水分离再热器作为核电站常规岛的重要设备之一，其布置在高压缸与低压缸之间，实现的主要功能是确保汽轮机机组的运行安全和提高汽轮机组的工作效率。本文基于质量守恒、能量守恒等原理，对核电机组中的汽水分离再热器进行建模仿真研究。在稳态测试和瞬态测试情况下，将稳态的结果与真实参数做对比，计算结果误差较小，在可以接受的工程允许范围之内，说明建立数学模型和编制仿真程序的合理性。在稳态的基础之上，通过对故障情况的设置，来测试汽水分离再热器模型的瞬态仿真性能。

关键词：汽水分离再热器；核电；仿真模型

a)引言

汽水分离再热器（Moisture Separator Reheater,简称MSR）主要功能是保证汽轮机机组运行安全和提高汽轮机热效率。如果MSR失效，那么高压缸排汽直接进入低压缸做功，将造成低压缸末级的排汽湿度达到左右，远远超过允许值，对汽轮机叶片产生严重的冲蚀，影响机组安全运行，同时由于失去了两级再热蒸汽的再热，降低了机组的经济性能，因此研究和分析MSR的动态特性，对于提高机组的安全性、经济性具有重要意义[1]。

随着计算机技术、建模方法、计算方法的迅猛发展和长期运行经验的积累，核动力装置仿真分析程序也不断的成熟与进步。针对MSR本研究课题将对其进行建模并完成模块化仿真，然后运用于针对MSR的的稳态和瞬态仿真研究。

b)汽水分离再热器的工作原理及特点

蒸汽在高压缸做功后，从下部进入的壳体内，然后向两侧进入带有孔槽的蒸汽分配管，经管上的孔槽向下，通过蒸汽分配网板后进入高效汽水分离波纹板组件，去除其中的水分。经干燥的蒸汽向上依次经过第一级和第二级再热器的壳侧，被加热器管侧的蒸汽进一步加热，降低蒸汽的湿度，最后从顶部的三条管线进入汽轮机的低压缸做功[2]。

在再热部分中，为了提高机组的经济性，这里再热循环不仅采用新蒸汽加热高压缸排汽，还利用汽轮机抽汽来加热，称为两级再热。其中，第一级再热器的加热蒸汽来自高压缸第一级后抽汽，第二级再热器的加热蒸汽来自新蒸汽抽汽。根据朗肯循环理论，用新蒸汽加热压力较低的排汽只会降低循环效率，但由于湿度降低，提高了汽轮机的相对内效率，最终还是能够改善机组的经济性。再热压力、再热器端差、MSR的压力损失等因素也对经济性的提高程度有一定的影响。

c)汽水分离再热器数学模型

为保证MSR高精度、实时仿真要求，MSR数学模型应包括气液分离及再热两个过程。根据气液两相流动理论建立分离器效率数学模型，将影响汽水分离的主要因素综合起来，通过合理化的假设，获得分离效率与主要因素的近似表达关系。MSR的仿真建模应遵循基本的质量守恒和能量守恒定律，在此基础上可适当简化及引入假设。

3.1模型假设

MSR模型数学模型基于假设如下：

(1)汽水分离器内的蒸汽和液体保持相平衡；

(2)管侧加热蒸汽和由此产生的冷凝液处于饱和状态；

(3)V形结构的汽水分离效率保持恒定；

(4)管侧传热对流换热形式进行且忽略压缩性；汽水分离区域没有热量交换。

MSR模型采用两节点模型，区域1包括预分离器和排水罐区域，区域2是分离器后区域。该模型适用于单级或两级组合式MSR。MSR模型两节点示意图如下1所示。

图3-1 两节点MSR模块结构示意图

3.2质量守恒

汽水分离再热器采用以下质量守恒关系式：

（1）

（2）

3.3能量守恒

对于区域1:

（3）

对于区域2:

（4）

对于再热器壳侧，能量守恒方程如下所示：

（5）

对于管侧换热：

（6）

对于除钢以外的材料，质量Mse1,2可视为钢的等效质量。也就是说，Mse1,2是钢管的质量，它将存储与实际材料管子的实际质量相同的能量。

在所有情况下，忽略由于运动、海拔和压缩性产生的影响。

3.4传热方程

各级再热器的换热率均采用采用对数平均温差公式进行计算。这个公式允许在任何一个方向和动态交叉传热。

在再热器热量交换采用公式：

（7）

对数平均温差：

（8）

式中，下标se1为一级再热器，se2为二级再热器，2为汽水分离器区域2。

总传热系数UA由两个热阻确定：Rt是指管外无污垢的总阻力，Rf是由于管壁污垢引起的阻力。

d)仿真对象

本文以某核电机组的MSR为仿真对象，蒸汽发生器产生的饱和蒸汽，经过主调阀进行节流调节后进入高压缸，高压缸设置若干抽气疏水接口，其余蒸汽膨胀做功，为了提升蒸汽品质，设置了高压缸抽气和新蒸汽抽气对高压缸出口蒸汽分别进行一次和二次再热，再热后的过热蒸汽进入中压缸和低压缸，并最终送往凝汽器。中低压缸同样设置若干抽气疏水口。

e)仿真分析与结果

5.1稳态仿真

利用本文所述模型针对机组100%工况、50%工况和30%工况进行仿真。三个工况分别根据设计数据给定边界，通过仿真参数与实际参数的对比说明MSR模型的仿真效果。下列表格中所有流量单位为kg/s，功率单位为MW,压力单位为MPa。

表5-1 100%工况稳态计算结果

表5-2 50%工况计算结果

表5-3 30%工况计算结果

据上表可算出，在100%功率和50%功率台阶，参数对比误差在0%-1%，在30%功率台阶，参数对比误差在0%-2%。

5.2瞬态测试

5.2.1一级管侧泄露

100%功率台阶，平稳运行约50s后，插入MSR一级管侧泄露故障。

  图5-1 MSR仿真曲线图

从图中可见，将一级再热蒸汽管侧设置特殊故障破口到壳侧，管侧泄露将使高压缸抽汽去往高压缸排汽，温度和压力更高的抽汽会混合排汽去往MSR第二级，导致去往低压缸的温度，压力以及流量变大。流量的增大可以通过一二级之间的温度和去往低压缸的蒸汽的压力和温度显示出来。

5.2.2二级管侧泄露

100%功率台阶，平稳运行约50s后，插入MSR二级管侧泄露故障。

图5-2MSR仿真曲线图

从图中可见，将二级再热蒸汽管侧设置特殊故障破口到壳侧，泄露将使去往二级MSR的主蒸汽流量增加，在MSR内部，泄露的蒸汽会混合高压缸的排汽，这些排汽在去往低压缸之前需要在MSR再热。再热蒸汽混合了泄露蒸汽，所以去往低压缸蒸汽额压力、温度和流量都会增加。

f)小结

本文对MSR进行数学建模与仿真研究，通过分析MSR的结构和运行流程，来建立数学模型。采用FORTRAN程序设计语言，对MSR进行仿真，并对MSR进行稳态仿真和瞬态仿真。

1)本文采用FORTRAN程序设计语言，对MSR进行程序仿真，并在Visual Fortran6.0编译环境下完成调试。利用程序对某核电机组进行稳态和瞬态仿真，稳态仿真主要参数结果与真实参数相比较，程序计算结果较符合，误差较小均在工程允许范围内，验证了程序的正确性和准确度。

2)在稳态仿真之后，进行瞬态仿真研究。在满功率运行工况下，通过加入故障扰动，对壳侧出口蒸汽参数进行分析。由瞬态仿真结果得到的趋势图表明MSR仿真模型瞬态仿真能满足工程需求，对后续应用到其他项目中起到了较好的借鉴和示范意义。

简介：作者姓名：李程 性别：女 出生年月：年月日 籍贯：湖南岳阳 单位名称：中核武汉核电运行技术股份有限公司 市邮编：430223学历：硕士 职称：工程师 研究方向：系统仿真

g)参考文献

[1]徐尧. 核电站汽水分离再热器建模与仿真研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2012.

[2]焦文健,姚玉南,卢嘉伟,等. 船舶核动力装置汽水分离再热器可靠性建模与预计研究 [J]. 中国修船, 2018, 31 (01): 20-23.

[3]郑滨，石俊英.机组从 100%满功率甩负荷到厂用电运行的核电站瞬态分析[J] .核动力工程，2001, 22(5),385～389.