汽水分離器性能試驗研究

路銘超， 李亞洲， 熊珍琴

（1.上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233；2.上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

蒸汽發(fā)生器是核電廠的重要設(shè)備之一，其中的汽水分離裝置（包括汽水分離器和干燥器）是該設(shè)備的主要部件，其作用是保證由蒸汽發(fā)生器引出的飽和蒸汽的濕度低于0.25%的濕度指標(biāo)，確保核電廠安全、經(jīng)濟(jì)運行［1］.汽水分離器內(nèi)部的流體流動屬于兩相流動，分離過程復(fù)雜，尚不能用理論公式計算，必須進(jìn)行試驗.

過去國內(nèi)外對蒸汽發(fā)生器汽水分離器的試驗研究著重于幾何結(jié)構(gòu)的改進(jìn)［2］以及整個分離裝置的分離性能［3］，而對其內(nèi)部的兩相流流動和分離現(xiàn)象的研究不多，近幾十年很少有關(guān)于汽水分離器兩相旋轉(zhuǎn)流動的研究.筆者借鑒單相旋轉(zhuǎn)流試驗研究的經(jīng)驗［4］，在試驗中使用透明有機玻璃制成的汽水分離器試驗件，可清楚地觀察到試驗件內(nèi)汽水分離過程及分離的流場，并得到不同入口工況對汽水分離器分離效果的影響.試驗最主要的目的是為計算流體力學(xué)（CFD）模型的分析提供試驗依據(jù)，以驗證詳細(xì)三維CFD計算結(jié)果的可靠性.

汽水分離器模擬件的性能研究試驗包括改變汽水兩相混合物流速、液相體積分?jǐn)?shù)及液滴粒徑等參數(shù)下的汽水分離試驗，在試驗中對試驗件的分離水量以及壓降進(jìn)行測量，得到汽水分離器簡化試驗件的分離效率和壓力損失.

1 汽水分離器的簡化試驗件

筆者旨在研究汽水分離器內(nèi)部的流場及分離性能，重點是觀察流體通過旋葉片的離心作用、節(jié)流環(huán)和外筒的分離作用，因此對實際的汽水分離器進(jìn)行了簡化，只保留了內(nèi)筒、旋葉片、節(jié)流環(huán)及外筒等關(guān)鍵部件.由于試驗臺架容量的限制，在設(shè)計試驗件時，將原汽水分離器適當(dāng)縮小，針對2種汽水分離器設(shè)計了2個試驗件（試驗件1（圖1）和試驗件2（圖2））.2個試驗件的內(nèi)筒直徑相同，旋葉片升角分別為30°和18°.試驗件1只有1個下降通道的出水口.試驗件2除1個下降通道出水口外，在外筒上增加了2個切向出水口，同時為收集切向口的分離水，還在外筒外邊增加了輔助筒.

圖1 汽水分離器試驗件1Fig.1 The moisture separator 1tested

圖2 汽水分離器試驗件2Fig.2 The moisture separator 2tested

2 試驗系統(tǒng)及方法

2.1 試驗系統(tǒng)

圖3 汽水分離器模擬件冷態(tài)試驗系統(tǒng)圖Fig.3 Cold－state test system for moisture separation

圖3為汽水分離器模擬件冷態(tài)試驗系統(tǒng)圖.試驗系統(tǒng)由主回路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成.主回路系統(tǒng)采用開式回路形式，由汽水混合物支路、水支路和空氣支路組成.汽水混合物由霧化器產(chǎn)生，通過霧化器連接件和可拆卸段進(jìn)入試驗件旋葉分離器.其中，水支路提供形成汽水混合物的水，水在水箱內(nèi)壓力的作用下經(jīng)過濾器和調(diào)節(jié)閥進(jìn)入霧化器.壓縮空氣從儲氣罐出來，經(jīng)過濾器后分2個支路（霧化器支路和補充空氣支路）進(jìn)入試驗段.一部分壓縮空氣通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)入霧化器，將水霧化，形成汽水混合物，該支路為霧化器支路.在補充空氣支路中，空氣通過調(diào)節(jié)閥直接進(jìn)入汽水混合物通道，形成所需比例的空氣與水的混合物.汽水混合物經(jīng)過試驗件時，被分離出的水通過貫通水箱進(jìn)入集水箱.

2.2 試驗

試驗在常溫、常壓的冷態(tài)條件下進(jìn)行，分別對2個試驗件的可視化流場進(jìn)行拍攝，并對分離水量、壓降及入口液滴粒徑進(jìn)行測量.

（1）利用激光器調(diào)節(jié)得到豎直且位于試驗件軸向剖面的片光源，采用高速攝像儀對試驗件剖面上的兩相旋轉(zhuǎn)流場進(jìn)行拍攝［5］.

（2）汽水分離效率的測量是最重要的測試項目.通過測量進(jìn)口空氣和水的流量以及外筒收集到分離出的水量，獲得分離器的分離效率，其計算公式如下

式中：m1為外筒收集的水量；m2為輔助筒收集的水量，對于試驗件1而言，m2＝0；Qw為進(jìn)口水體積流量；ρw為進(jìn)口水密度；Δt為收集水的持續(xù)時間.

試驗開始之前貫通水箱內(nèi)有初始水位，試驗時分離水通過外筒從出水口流出，進(jìn)入貫通水箱.為保證下降通道的水封水位不變，需保證貫通水箱的水位穩(wěn)定，因此需要不斷排水，排出的水進(jìn)入集水箱即為分離水量.

（3）通過布置2組壓差傳感器，測量得到旋葉通道和汽水分離器的阻力壓降.2組壓差傳感器的高壓側(cè)均與可拆卸段上的取壓孔連接.低壓側(cè)分別連接布置于內(nèi)筒的取壓孔和布置于分離器出口的取壓孔，分別測得旋葉阻力和總阻力.取壓孔位置見圖1和圖2.

（4）在試驗件前設(shè)置可拆卸段，試驗穩(wěn)定后拆下該段，采用粒度分析儀測量液滴粒徑，獲得平均液滴粒徑.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 可視化流場

采用高速攝像儀對汽水分離器試驗件進(jìn)行可視化流場的拍攝，可視化流場如圖4所示.

圖4 汽水分離器試驗件的可視化流場Fig.4 Visualized flow field in simulated moisture separators

從試驗中發(fā)現(xiàn)，液滴均勻分布的汽水混合物以一定流速進(jìn)入試驗件后，在旋葉片處由于流道的改變，一部分液滴與旋葉片碰撞附著在其上形成水膜；液滴和液滴之間也會發(fā)生碰撞，凝結(jié)成大液滴，受旋葉片離心力作用在葉片出口處液滴被拋向內(nèi)筒內(nèi)壁面，附著于壁面的液滴聚集成水膜并沿著筒壁繼續(xù)旋轉(zhuǎn)向上；水膜隨著內(nèi)筒壁面上的旋轉(zhuǎn)流動互相攪渾，在周向形成一定厚度的均勻水膜，在到達(dá)內(nèi)筒頂部后，被分離的大部分水流入下降通道.而內(nèi)筒中心區(qū)域形成汽柱，夾帶著一小部分液粒從上出口流出.

對于試驗件2，由于在外筒上增加了2個切向出口，除了內(nèi)筒上部一部分水流入下降通道外，還有部分未被分離的液滴被氣體攜帶從切向口流出，液滴撞擊在輔助筒上，沿筒壁旋轉(zhuǎn)流下進(jìn)入輔助筒下部被收集.一部分液滴在空氣的夾帶作用下，仍會沿筒壁旋轉(zhuǎn)向上流動一段距離，并最終由于重力作用向下流動.

3.2 分離效率

在保持總氣量不變的情況下，改變試驗件入口處的水量進(jìn)行多次試驗，試驗件1的分離效率隨入口水體積分?jǐn)?shù)的變化見圖5.由圖5可看出：（1）在空氣流量一定時，試驗件1的分離效率隨著入口水體積分?jǐn)?shù)的增大呈升高趨勢.這是因為當(dāng)入口水量較小時，液滴碰撞變大的現(xiàn)象不明顯，而小液滴更容易隨著氣體從上出口帶出；隨著入口水量增大，液滴碰撞變大并受離心力作用在內(nèi)筒內(nèi)壁附著集結(jié)成穩(wěn)定的水膜，分離效率提高.（2）空氣流量對汽水的分離效率無顯著影響，但可以看出當(dāng)空氣流量為619 m3／h和689m3／h時，隨著水體積分?jǐn)?shù)的增大，分離效率呈下降的趨勢，這是由于內(nèi)筒內(nèi)壁水膜變厚，中心氣柱更容易將水膜邊緣的液體夾帶走而導(dǎo)致的.（3）分離效率隨入口水體積分?jǐn)?shù)的增大變化很小.隨著水量的增加，筒壁液膜增厚，且液膜均能夠被有效分離.

圖5 試驗件1的分離效率隨入口水體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.5 Separation efficiency vs.volummetric fraction of inlet water（separator 1）

試驗件2是有切向出口的汽水分離器，切向出口分離出的水從輔助筒下出口進(jìn)入貫通水箱被收集，下降通道分離出的水從外筒下出口進(jìn)入貫通水箱被收集.分別對這2部分分離水量進(jìn)行測量，總分離水量是這2部分分離水量之和.試驗結(jié)果表明，試驗件2的分離效率與試驗件1的分離效率無顯著差別.圖6給出了試驗件2的外筒分離水比例隨入口水體積分?jǐn)?shù)的變化.由圖6可以看出：（1）外筒分離水比例隨著空氣流量的增大而下降.這是由于在相同入口水體積分?jǐn)?shù)下，入口氣體速度越大，傳遞給液體的動能就越多，意味著液滴和液膜在氣體作用下能達(dá)到更高的高度，因此液體就更容易被攜帶著從較高的切向口流出.（2）外筒分離水比例受空氣流量變化的影響顯著，在空氣流量為417m3／h時，下降通道分離水比例幾乎不受入口水體積分?jǐn)?shù)的影響，分離水所占比例在85%以上，此時外筒的分離效果最佳.（3）外筒分離水比例隨入口水體積分?jǐn)?shù)的增大先增大后減小.在入口水體積分?jǐn)?shù)較小的區(qū)域內(nèi)，由于沒有形成穩(wěn)定的水膜，液滴更容易被空氣夾帶從切向口帶出，因此隨著入口水體積分?jǐn)?shù)的增大，外筒分離水比例增大；在入口水體積分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)空氣流量較小時，入口水量對外筒分離效果影響不大，當(dāng)空氣流量較大時，隨著入口水量的增大，高速空氣將更多的水從切向出口帶出，導(dǎo)致外筒分離水比例顯著下降.

圖6 試驗件2的外筒分離水比例隨入口水體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.6 Separation ratio of outer tube vs.volummetric fraction of inlet water（separator 2）

3.3 阻力損失

用壓差變送器對試驗件的總阻力和旋葉阻力進(jìn)行了測量.總阻力包括旋葉片和上出口處因流通面積突縮導(dǎo)致的壓力損失、引壓孔間高度差導(dǎo)致的勢能損失和整個流場流動的能量損失.其中前兩部分為總阻力的非流場能量損失項.圖7為試驗件1和試驗件2的總阻力對比圖.由圖7可以看出，總阻力隨入口水流量的增加呈線性增大，與入口空氣流量呈正相關(guān)性；試驗件2由于采用了較小的旋葉角度和支撐管直徑，因此總阻力大于試驗件1的總阻力.

圖7 試驗件1和試驗件2的總阻力圖Fig.7 Total pressure drop of separators 1and 2

為表征汽水分離器試驗件流場的能量損失，對試驗件1的阻力系數(shù)進(jìn)行了計算，計算公式如下：

式中：pin、pout分別為入口、出口的壓力；ρmix，in、ρmix，out分別為入口、出口處的折算密度；Uin、Uout分別為入口、出口處的速度.

經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，試驗件1的阻力系數(shù)范圍為4～9，隨入口水體積分?jǐn)?shù)的增大而減小，且呈線性變化.隨著空氣流量的增大，試驗件1的阻力系數(shù)減小.

試驗件1和試驗件2旋葉片造成的阻力損失的測量結(jié)果見圖8.由圖8可見，由于試驗件2旋葉的升角小于試驗件1的，因此試驗件2的旋葉阻力明顯大于試驗件1的，且在不同空氣流量條件下旋葉阻力占總阻力的比例明顯高于試驗件1的.

圖8 試驗件1與試驗件2旋葉阻力占總阻力比例的對比圖Fig.8 Comparation of ratio of vane pressure drop to total pressure drop between separator 1and separator 2

3.4 粒徑對分離效率的影響

試驗采用2種霧化器，經(jīng)粒度分析儀測量，在各試驗工況下霧化器1的粒徑在100～200μm變化，霧化器2的粒徑在40～50μm變化，在2種粒徑下試驗件1的分離效率隨入口水流量的變化如圖9所示.由圖9可以看出，入口處液滴粒徑大小對試驗件1的分離效率沒有顯著影響.原因是雖然進(jìn)口液滴粒徑大小不同，但當(dāng)汽水混合物經(jīng)過旋葉片時液滴會相互碰撞結(jié)成大液滴，隨后在離心力作用下被拋向內(nèi)筒壁面，形成水膜沿著內(nèi)筒壁旋轉(zhuǎn)向上完成離心分離，因此入口液滴大小對離心分離過程的影響不明顯.

圖9 不同液滴粒徑下試驗件1的分離效率隨入口水體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.9 Separation efficiency of separator 1vs.volummetric fraction of inlet water at different droplet sizes

4 結(jié) 論

（1）汽水混合物在經(jīng)過旋葉片的過程中以及經(jīng)過旋葉片之后會互相碰撞形成大液滴，并附著在內(nèi)筒壁面上形成液膜，沿壁面螺旋上升，因此在CFD模擬中必須考慮液滴碰撞對流場的影響.

（2）對于試驗件1，未被分離的液滴被空氣夾帶從上出口流出；對于試驗件2，除上出口外，還有一部分液滴隨空氣從切向口流出，且其中部分液滴仍會在空氣攜帶和重力雙重作用下旋轉(zhuǎn)向上流動一段距離才流入輔助筒下出口.

（3）在相同試驗工況下，試驗件1和試驗件2的分離效率基本相同，在不同水體積分?jǐn)?shù)下分離效率均高于90%，分離效果良好.

（4）試驗件2在下降通道和切向出口的水量分布對空氣流量和水量敏感，在空氣流量為417m3／h時對入口水量的適應(yīng)性良好，分離效果最佳.因此，在CFD模擬中要對不同入口流速和汽水比例下的切向出口水量進(jìn)行敏感分析.

（5）試驗件1和試驗件2的總阻力隨入口水流量的增加線性增大，并與入口空氣流量呈正相關(guān)總性；試驗件2的總阻力及旋葉阻力均明顯大于試驗件1的.

（6）入口液滴粒徑對分離效率無顯著影響.在CFD模擬中，與實際情況相比，入口液滴的設(shè)置是經(jīng)過假設(shè)和簡化的，因此在接下來的計算中要對入口液滴粒徑大小及分布進(jìn)行敏感性分析.

［1］GREEN S J，HETSRONI G.PWR steam generator［J］.Int J Multiphase Flow，1995，21（s1）：1－97.

［2］丁訓(xùn)慎，崔保元.立式蒸汽發(fā)生器汽水分離裝置的試驗研究［R］.北京：原子能出版社，1989.

［3］陳軍亮，薛運奎，王先元.百萬千瓦級壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器汽水分離裝置熱態(tài)驗證試驗［J］.核動力工程，2006，27（3）：63－68.CHEN Junliang，XUE Yunkui，WANG Xianyuan.Proof test in hot condition on steam separation device in steam generator for 1000MW PWR nuclear power plant［J］.Nuclear Power Engineering，2006，27（3）：63－68.

［4］KARUPPARAJ R T，GANESAN V.Study on the effect of various parameters on flow development behind vane swirlers［J］.International Journal of Thermal Sciences，2008，47（9）：1204－1225.

［5］洪文鵬，劉燕，周云龍.基于高速圖像采集的管束間氣液兩相繞流旋渦特性研究［J］.動力工程學(xué)報，2011，31（1）：48-52.HONG Wenpeng，LIU Yan，ZHOU Yunlong.Vortex characteristics of high speed image acquisition of gasliquid flow between tube bundles［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（1）：48-52.