[发明专利]蒸汽发生器二回路工质汽化起始高度估计方法及装置

权利要求书

1.一种蒸汽发生器二回路工质汽化起始高度的估计方法，将蒸汽发生器划分为热段、冷段和汽水分离器，其特征在于，包括：

S1,获取给定时刻下蒸汽发生器的实时运行数据；

S2,利用S1得到的所述实时运行数据分别建立热段、冷段的下降通道模型，通过所述下降通道模型得到当前时刻下降通道底部出口液相工质的温度、压力及质量流量；

S3,利用S1得到的所述实时运行数据计算一回路冷却剂与倒U型管金属壁之间传热系数以及倒U型管金属壁与二回路工质之间的传热系数；

S4,利用S1得到的所述实时运行数据以及S3得到的所述一回路冷却剂与倒U型管金属壁之间传热系数，分别建立热段、冷段的一回路冷却剂模型，计算得到倒U型管金属壁的温度分布；

S5,利用S1得到的所述实时运行数据、S3得到的所述倒U型管金属壁与二回路工质之间的传热系数、S4得到的所述倒U型管金属壁的温度分布以及S2得到的所述当前时刻下降通道底部出口液相工质的温度、压力及质量流量，分别建立热段、冷段的上升通道模型，通过所述上升通道模型计算得到当前时刻沿倒U型管高度的二回路工质的流速、温度、压力以及汽化起始高度；其中所述当前时刻沿倒U型管高度的二回路工质的流速、温度、压力包括当前时刻上升通道顶部出口气液混合物工质的流速、温度以及压力；

S6,利用S1得到的所述实时运行数据以及S5得到的所述上升通道顶部出口气液混合物工质的流速、温度以及压力，建立汽水分离器模型，通过所述汽水分离器模型计算得到汽水分离器出口液相工质的温度、压力和质量流量，所述汽水分离器出口液相工质是所述下降通道模型入口再循环水；

S7,利用S6得到的所述汽水分离器出口液相工质的温度、压力和质量流量，重新执行步骤S2～S6若干次，得到最终的汽化起始高度估计值；

所述下降通道入口液相工质中，占比的给水流入热段，占比的给水流入冷段，占比的再循环水流入热段，占比的再循环水流入冷段，根据动量、质量和能量守恒关系，建立热段下降通道模型为式(2)～(4)：

式中，M_HL,DC是热段下降通道液相工质质量；ρ_HL,DC是热段下降通道底部出口液相工质密度；A_HL,DC是热段下降通道的横截面积；H是下降通道的水位高度；G_fw是给水质量流量；G_rw是工质汽化起始高度；G_HL,DC,out是热段下降通道底部出口液相工质质量流量；C_P,HL,DC是热段下降通道液相工质的定压比热容；T_HL,DC是热段下降通道底部出口液相工质温度；h_HL,DC是热段下降通道液相工质比焓，根据热段下降通道液相工质温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；h_fw是给水比焓，根据给水温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；h_rw是再循环水比焓，根据再循环水温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；h_HL,DC,out是热段下降通道底部出口液相工质比焓，根据热段下降通道底部出口液相工质温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；P_HL,DC热段下降通道底部出口液相工质压力；G_HL,DC是热段下降通道液相工质质量流量；f_HL,DC是热段下降通道摩擦因子；D_e,HL,DC是热段下降通道当量直径；g是重力加速度；

通过对热段下降通道模型求解，得当前时刻热段下降通道底部出口液相工质的温度、压力以及质量流量；

建立冷段下降通道模型为式(5)～(7)：

式中，M_CL,DC是冷段下降通道液相工质质量；ρ_CL,DC是冷段下降通道液相工质密度；A_CL,DC是冷段下降通道的横截面积；G_CL,DC,out是冷段下降通道底部出口液相工质质量流量；C_P,CL,DC是冷段下降通道液相工质的定压比热容；T_CL,DC是冷段下降通道液相工质温度；h_CL,DC是冷段下降通道液相工质比焓，根据冷段下降通道液相工质温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；h_CL,DC,out是冷段下降通道底部出口液相工质比焓，根据冷段下降通道底部出口液相工质温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；P_CL,DC冷段下降通道液相工质压力；G_CL,DC是冷段下降通道液相工质质量流量；f_CL,DC是冷段下降通道摩擦因子；D_e,CL,DC是冷段下降通道当量直径；

通过对冷段下降通道模型求解，得到当前时刻冷段下降通道底部出口液相工质的温度、压力以及质量流量；

设热段一回路冷却剂与倒U型管金属壁之间传热系数为K_HL,PS，冷段一回路冷却剂与倒U型管金属壁之间传热系数为K_CL,PS，热段预热区倒U型管金属壁与二回路工质之间的传热系数为K_HL,RC,PR，冷段预热区倒U型管金属壁与二回路工质之间的传热系数为K_CL,RC,PR；

将这4个参数K_HL,PS、K_CL,PS、K_HL,RC,PR和K_CL,RC,PR简记为K，均分别采用迪图斯-贝尔特公式计算：

K＝0.023Re_w^0.8Pr_w^0.3λ_w/d_HL,MT (8)

式中，Re_w是对应的热段或冷段一回路或二回路工质雷诺数；Pr_w是对应的热段或冷段一回路或二回路工质普朗特数；λ_w是对应的热段或冷段一回路或二回路工质热导率；d_HL,MT是倒U型管内径；

设热段沸腾区倒U型管金属壁与二回路工质之间的传热系数为K_HL,RC,BR，冷段沸腾区倒U型管金属壁与二回路工质之间的传热系数为K_CL,RC,BR，将这两个参数K_HL,RC,BR、K_CL,RC,BR简记为K^*，两参数均分别采用式(9)～(14)计算：

K^*＝K_cht+K_bht (9)

式中，K_cht、K_bht分别是对流传热部分的传热系数和泡核沸腾传热部分的传热系数；C_P,w是一回路冷却剂定压比热容；h_fs是沸腾区液相工质汽化潜热；σ沸腾区液相工质表面张力系数；△T_MT是沸腾区倒U型管金属壁过热度；△P_MT是沸腾区饱和蒸汽压差；x是质量气含率；ρ_w是上升通道液相工质密度；ρ_s是上升通道饱和蒸汽密度；μ_w是上升通道液相工质粘性系数；μ_s是上升通道饱和蒸汽粘性系数；d_HL,MT是热段倒U型管内径；G是工质质量流量；X_tt和S是中间变量；

考虑热段一回路冷却剂重力压降，根据动量、质量和能量守恒关系，建立热段一回路冷却剂模型为式(15)～(18)：

式中，ρ_HL,PS是热段一回路冷却剂密度；W_HL,PS是热段一回路冷却剂的流速；C_P,HL,PS是热段一回路冷却剂定压比热容；T_HL,PS是热段一回路冷却剂温度；K_HL,PS是热段一回路冷却剂通过倒U型管金属壁向二回路工质传热的传热系数；n是倒U型管根数；d_HL,MT是热段倒U型管内径；P_HL,PS是热段一回路冷却剂压力；g是重力加速度；

通过对热段一回路冷却剂模型求解，得到热段倒U型管金属壁的温度分布；

建立冷段一回路冷却剂模型为式(19)～(22)：

式中，ρ_CL,PS是冷段一回路冷却剂密度；W_CL,PS是冷段一回路冷却剂的流速；C_P,CL,PS是冷段一回路冷却剂定压比热容；T_CL,PS是冷段一回路冷却剂温度；K_CL,PS是冷段一回路冷却剂通过倒U型管金属壁向二回路工质传热的传热系数；d_CL,MT是冷段倒U型管内径；P_CL,PS是冷段一回路冷却剂压力；

通过对冷段一回路冷却剂模型求解，得到冷段倒U型管金属壁的温度分布；

考虑热段上升通道工质重力压降、摩擦压降和加速压降，根据动量、质量和能量守恒关系，建立热段上升通道模型为式(23)～(30)：

式中，ρ_HL,RC是热段上升通道工质密度；W_HL,RC是热段上升通道工质的流速；ρ_HL,MT是热段倒U型管金属壁密度；C_P,HL,MT是热段倒U型管金属壁的定压比热容；T_HL,MT是热段倒U型管金属壁温度；n是倒U型管根数；K_HL,RC,PR是热段上升通道预热区二回路工质与倒U型管金属壁间传热系数；d_HL,MT是热段倒U型管内径；T_HL,RC,PR是热段上升通道预热区液相工质温度；ρ_HL,RC,PR是热段上升通道预热区液相工质密度；C_P,HL,RC,PR是热段上升通道预热区液相工质定压比热容；W_HL,RC，PR是热段上升通道预热区液相工质的流速；K_HL,RC,BR是热段上升通道沸腾区二回路工质与倒U型管金属壁间传热系数；T_HL,RC,BR是热段上升通道沸腾区气液混合相工质温度；ρ_HL,RC,BR是热段上升通道沸腾区气液混合相工质密度；C_P,HL,RC,BR是热段上升通道沸腾区气液混合相工质定压比热容；W_HL,RC,BR是热段上升通道沸腾区气液混合相工质的流速；P_HL,RC,PR是热段上升通道预热区液相工质压力a；G_HL,RC,PR是热段上升通道预热区液相工质质量流量；f_HL,RC,PR是热段上升通道预热区摩擦因子；D_e,HL,RC,PR是热段上升通道预热区当量直径；ξ_HL,RC,PR是热段上升通道预热区局部阻力系数；P_HL,RC,BR是热段上升通道沸腾区气液混合相工质压力；G_HL,RC,BR是热段上升通道沸腾区气液混合相工质质量流量；f_HL,RC,BR是热段上升通道沸腾区摩擦因子；D_e,HL,RC,BR是热段上升通道沸腾区当量直径；φ是两相倍乘因子；ξ_HL,RC,BR是热段上升通道沸腾区局部阻力系数；x是质量气含率；ρ_w是上升通道液相工质密度；ρ_s是上升通道饱和蒸汽密度；μ_w是上升通道液相工质粘性系数；μ_s是上升通道饱和蒸汽粘性系数；

通过对热段上升通道模型求解，得到热段当前时刻沿倒U型管高度的二回路工质的流速、温度、压力以及汽化起始高度；

建立冷段上升通道模型为式(31)～(37)：

式中，ρ_CL,RC是冷段上升通道工质密度；W_CL,RC是冷段上升通道工质的流速；ρ_CL,MT是冷段倒U型管金属壁密度；C_P,CL,MT是冷段倒U型管金属壁的定压比热容；T_CL,MT是冷段倒U型管金属壁温度；K_CL,RC,PR是冷段上升通道预热区二回路工质与倒U型管金属壁间传热系数；d_CL,MT是冷段倒U型管内径；T_CL,RC,PR是冷段上升通道预热区液相工质温度；ρ_CL,RC,PR是冷段上升通道预热区液相工质密度；C_P,CL,RC,PR是冷段上升通道预热区液相工质定压比热容；W_CL,RC,PR是冷段上升通道预热区液相工质的流速；K_CL,RC,BR是冷段上升通道沸腾区二回路工质与倒U型管金属壁间传热系数；T_CL,RC,BR是冷段上升通道沸腾区气液混合相工质温度；ρ_CL,RC,BR是冷段上升通道沸腾区气液混合相工质密度；C_P,CL,RC,BR是冷段上升通道沸腾区气液混合相工质定压比热容；W_CL,RC,BR是冷段上升通道沸腾区气液混合相工质的流速；P_CL,RC,PR是冷段上升通道预热区液相工质压力；G_CL,RC,PR是冷段上升通道预热区液相工质质量流量；f_CL,RC,PR是冷段上升通道预热区摩擦因子；D_e,CL,RC,PR是冷段上升通道预热区当量直径；ξ_CL,RC,PR是冷段上升通道预热区局部阻力系数；P_CL,RC,BR是冷段上升通道沸腾区气液混合相工质压力；G_CL,RC,BR是冷段上升通道沸腾区气液混合相工质质量流量；f_CL,RC,BR是冷段上升通道沸腾区摩擦因子；D_e,CL,RC,BR是冷段上升通道沸腾区当量直径；ξ_CL,RC,BR是冷段上升通道沸腾区局部阻力系数；

通过对冷段上升通道模型求解，得到冷段当前时刻沿倒U型管高度的二回路工质的流速、温度、压力以及汽化起始高度；

为了汽水分离器模型，计算当前时刻沿倒U型管高度的二回路工质质量气含率分布，其中：

式中，x_BR是沸腾区工质质量气含率；h_BR是沸腾区气液混合相工质比焓；h_ss是沸腾区饱和蒸汽比焓；h_sw是沸腾区饱和水比焓；h_BR,h_ss和h_sw根据沸腾区气液混合相工质温度和压力通过工质物性参数数据库计算得到；

根据上述公式，对应采用热段、冷段的对应参数，计算得到热段上升通道沸腾区出口气液混合相工质质量气含率x_HL,RC,BR,out和冷段上升通道沸腾区出口气液混合相工质质量气含率x_CL,RC,BR,out；

所述汽水分离器模型为式(39)～(46)：

G_ss,SP,out＝(x_HL,RC,BR,outG_HL,RC,BR,out+x_CL,RC,BR,outG_CL,RC,BR,out)×η (39)

G_sw,SP,out＝(1-x_HL,RC,BR,out×η)G_HL,RC,BR,out+(1-x_CL,RC,BR,out×η)G_CL,RC,BR,out (40)

G_SP,in＝G_HL,RC,BR,out+G_CL,RC,BR,out (42)

P_SP,in＝P_HL,RC,BR,out＝P_CL,RC,BR,out (43)

T_SP,in＝T_HL,RC,BR,out＝T_CL,RC,BR,out (44)

P_SP,out＝P_ss,SP,out＝T_sw,SP,out (45)

T_SP,in＝T_ss,SP,out＝T_sw,SP,out (46)

式中，G_ss,SP,out是汽水分离器出口饱和蒸汽质量流量；G_HL,RC,BR,out是热段上升通道沸腾区出口气液混合相工质质量流量；G_CL,RC,BR,out是冷段上升通道沸腾区出口气液混合相工质质量流量；η是汽水分离器效率；G_sw,SP,out是汽水分离器出口饱和水质量流量；P_SP,out是汽水分离器出口工质压力；P_ss,SP,out是汽水分离器出口饱和蒸汽压力；P_sw,SP,out是汽水分离器出口饱和水压力；P_SP,in是汽水分离器入口气液混合相工质压力；T_SP,in是汽水分离器入口气液混合相工质温度；T_CL,RC,BR,out是冷段上升通道沸腾区出口气液混合相工质温度；T_HL,RC,BR,out是热段上升通道沸腾区出口气液混合相工质温度；ξ_SP是汽水分离器局部阻力系数；G_SP,in是汽水分离器入口气液混合相工质质量流量；ρ_SP,in是汽水分离器入口气液混合相工质密度；P_HL,RC,BR,out是热段上升通道沸腾区出口气液混合相工质压力；P_CL,RC,BR,out是冷段上升通道沸腾区出口气液混合相工质压力；T_ss,SP,out是汽水分离器出口饱和蒸汽温度；T_sw,SP,out是汽水分离器出口饱和水温度；ρ_HL,RC,BR,out是热段上升通道沸腾区出口气液混合相工质密度；ρ_CL,RC,BR,out是冷段上升通道沸腾区出口气液混合相工质密度；

通过对汽水分离器模型求解，得到汽水分离器出口饱和水以及饱和蒸汽的温度、压力、质量流量，此处汽水分离器出口饱和水即为再循环水，将饱和水参数代回S2，通过迭代若干次，得到蒸汽发生器二回路工质汽化起始高度。