蒸汽發(fā)生器汽水分離器負(fù)荷不均勻性分析

莫少嘉，左超平，姜 峰

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172）

蒸汽發(fā)生器作為熱交換設(shè)備將一回路冷卻劑中的熱量傳遞給二回路水，產(chǎn)生飽和蒸汽供給二回路動(dòng)力裝置。管束區(qū)產(chǎn)生的汽水混合物離開倒U 形管束后，依次進(jìn)入旋葉式汽水分離器和干燥器，經(jīng)汽水分離后，蒸汽從蒸汽發(fā)生器出口流向主蒸汽系統(tǒng)，分離出來的水向下與給水混合進(jìn)行再循環(huán)［1］。

蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行時(shí)，出口處蒸汽濕度不超過0.25%［1］。因此，汽水分離器是蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其負(fù)荷的大小及分布與汽水分離的效果和最終出口蒸汽濕度十分相關(guān)。在蒸汽發(fā)生器管束區(qū)中，冷熱側(cè)溫度的差異導(dǎo)致二次側(cè)換熱的不平衡，將導(dǎo)致管束上方的各汽水分離器入口流量分布不均勻。以往由于計(jì)算能力的限制，濕度分析一般假設(shè)冷熱側(cè)的每個(gè)分離器流過同樣的蒸汽流量和水流量，以此來計(jì)算管束出口區(qū)域冷熱側(cè)汽水混合物的流量及分離器內(nèi)的流量分布。然而，根據(jù)實(shí)際情況，這樣的假設(shè)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，也存在不夠保守的可能性。西屋公司的ATHOS 軟件采用面積等效方式，在管束區(qū)建模時(shí)建立與汽水分離器筒體相同面積的矩形來進(jìn)行等效，開展不均勻性分析，但其建模區(qū)域仍局限在管束區(qū)，無法真實(shí)體現(xiàn)汽水分離器的流量分配情況［2-3］。

采用蒸汽發(fā)生器三維穩(wěn)態(tài)熱工水力軟件GENEPI，對CPR1000蒸汽發(fā)生器管束區(qū)及汽水分離器區(qū)域進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)熱工水力計(jì)算，旨在得到各汽水分離器的入口參數(shù)及分布，研究其負(fù)荷不均勻性，并分析汽水分離器阻力系數(shù)對其負(fù)荷不均勻性的影響。

1 計(jì)算方法

GENEPI軟件是法國AREVA 公司和法國原子能委員會(huì)（CEA）合作開發(fā)的專用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，用于蒸汽發(fā)生器管束區(qū)的三維穩(wěn)態(tài)熱工水力計(jì)算。軟件采用有限元方法，求解3個(gè)方向的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，以及描述壓降和傳熱的方程等。

圖1 計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.1 Calculation region

為得到汽水分離器的入口參數(shù)，計(jì)算區(qū)域定義為管板上表面到汽水分離器出口，如圖1所示。由于CPR1000蒸汽發(fā)生器的16個(gè)汽水分離器的布置不完全對稱，以中間軸線為界，分為左側(cè)和右側(cè)兩個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。右側(cè)模型對應(yīng)汽水分離器編號(hào)為1、2、3、10、11、12、13、16，左側(cè)模型對應(yīng)汽水分離器編號(hào)為4、5、6、7、8、9、14和15。經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，并綜合考慮計(jì)算精度及軟件計(jì)算網(wǎng)格的限制后，采用如圖3所示網(wǎng)格模型（網(wǎng)格數(shù)各約180 000個(gè)）進(jìn)行計(jì)算。

圖2 CPR1000蒸汽發(fā)生器的汽水分離器布置Fig.2 Layout of CPR1000primary separators

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model

計(jì)算區(qū)域內(nèi)的幾何部件包括管束、流量分配板、管支撐板、防振條、排污管和管廊阻力塊等。GENEPI采用多孔介質(zhì)模型，將單元體積內(nèi)傳熱管占據(jù)流體域的信息以孔隙率方式表示，并賦予對應(yīng)位置的體網(wǎng)格，在控制方程中加入孔隙率計(jì)算；將阻力元件（流量分配板、管支撐板、防振條等）的位置信息對應(yīng)到相應(yīng)體網(wǎng)格中，并在計(jì)算中采用阻力系數(shù)或經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算其局部阻力，以角度系數(shù)修正其方向［4-5］。對于汽水分離器的旋轉(zhuǎn)葉片，則折算成阻力系數(shù)K設(shè)置在對應(yīng)位置的網(wǎng)格中。

計(jì)算邊界為：1）管束底部的流體入口，位于套筒底部與管板上表面之間，假定為冷熱側(cè)入口流量一致，且軸向均勻進(jìn)入的質(zhì)量流量邊界條件；2）各分離器出口，為壓力出口邊界條件；3）管板二次側(cè)表面及管束套筒的內(nèi)壁面，為壁面邊界條件。

2 計(jì)算輸入?yún)?shù)

計(jì)算工況為某CPR1000核電站滿功率熱工流量條件下，壽期末工況。需要的熱工參數(shù)由一維穩(wěn)態(tài)熱工水力軟件［6］計(jì)算得到，主要包括一次側(cè)流體入口的質(zhì)量流量及溫度、二次側(cè)流體入口質(zhì)量流量及焓、各結(jié)構(gòu)部件的阻力系數(shù)等。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 負(fù)荷不均勻性分析

圖4為右側(cè)模型不同高度橫截面處蒸汽流量分布，圖中各橫截面分別對應(yīng)第1、4、6、8塊管支撐板（TSP）、彎管區(qū)頂部、套筒頂部以及分離器下游位置。從圖4可看出，在管束區(qū)底部蒸汽流量很小，隨高度的增加，冷熱側(cè)的蒸汽流量隨之增加，由于熱側(cè)的熱負(fù)荷較大，所以蒸汽流量較冷側(cè)高，體現(xiàn)出負(fù)荷的不均勻性。在套筒頂部位置，由于流通面積從整個(gè)半圓截面縮小為中間的小半圓及周圍6個(gè)分離器入口，蒸汽流量的分布也出現(xiàn)明顯的變化，中間及熱側(cè)分離器入口位置明顯增加；在分離器下游位置，中間位置的分離器蒸汽流量明顯較周圍高，充分體現(xiàn)了負(fù)荷的不均勻性。

圖4 右側(cè)模型不同高度橫截面處蒸汽流量分布Fig.4 Steam flowrate at horizontal region for different heights in right model

熱側(cè)位置汽水分離器負(fù)荷較高，主要是由于在管束區(qū)，熱側(cè)的溫度較冷側(cè)高，在熱側(cè)產(chǎn)生的蒸汽明顯多于冷側(cè)，導(dǎo)致熱側(cè)的汽水分離器將有更多蒸汽流入。中間位置負(fù)荷較高則主要是因?yàn)樵谥虚g區(qū)域汽水分離器較少（僅4個(gè)）且間距較大，導(dǎo)致套筒頂部中間區(qū)域的大量蒸汽集中流向中間的汽水分離器，使其負(fù)荷較周圍的汽水分離器高很多。過高的負(fù)荷可能影響汽水分離器的分離效果和使用壽命，因此建議在中間區(qū)域適當(dāng)增加汽水分離器的數(shù)量，以改善汽水分離器的負(fù)荷不均勻性。

3.2 汽水分離器入口參數(shù)計(jì)算

對各汽水分離器入口數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到各分離器入口蒸汽流量及總流量／蒸汽流量（CR）的數(shù)值，如圖5所示。從圖5可看出，各汽水分離器最大及最小蒸汽流量分別為57.40kg／s和16.59kg／s，比值達(dá)3.46；最大與最小的CR 值分別為7.27及2.38，比值達(dá)3.05。從計(jì)算結(jié)果可看出，分離器負(fù)荷不均勻性明顯，靠近中間的分離器（13、14、15、16 號(hào)）的出口流量最大。另外，熱側(cè)的分離器蒸汽流量較冷側(cè)的高，即中間及熱側(cè)的汽水分離器將承受較大的負(fù)荷。

圖5 各汽水分離器蒸汽流量及總流量／蒸汽流量示意圖Fig.5 Steam flowrate and total flowrate／steam flowrate of different primary separators

各汽水分離器入口的干度分布如圖6 所示，從圖中也可看出，由于位于中間的分離器蒸汽流量較大，所以其干度較邊緣分離器的高；由于熱側(cè)的總流量較冷側(cè)的低，所以熱側(cè)干度值較冷側(cè)的高。以上分析數(shù)據(jù)可作為汽水分離器及干燥器濕度分析的輸入數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖6 各汽水分離器入口干度示意圖Fig.6 Inlet quality of different primary separators

3.3 汽水分離器阻力系數(shù)影響分析

為驗(yàn)證汽水分離器阻力系數(shù)對負(fù)荷不均勻性的影響，選取原阻力系數(shù)K 的0.5倍及1.5倍值進(jìn)行計(jì)算，其他結(jié)構(gòu)及工況參數(shù)不變。圖7為不同阻力系數(shù)下各汽水分離器的負(fù)荷不均勻系數(shù)（各分離器蒸汽流量／平均蒸汽流量）?？煽闯?，K 值越大，曲線越趨于平緩，即各分離器負(fù)荷越趨于均勻，但對均勻性的改善并不明顯。由于增加阻力系數(shù)可能影響整個(gè)循環(huán)回路的阻力特性，降低蒸汽發(fā)生器的循環(huán)倍率，低循環(huán)倍率意味著汽水混合物中蒸汽占有較大比例，容易在傳熱管表面產(chǎn)生局部蒸干。因此，不建議采用提高阻力系數(shù)的方式來改善汽水分離器的不均勻性。

圖7 不同阻力系數(shù)下各汽水分離器的負(fù)荷不均勻系數(shù)Fig.7 Nonuniformity coefficient of different primary separators in different local pressure-drop coefficients

4 結(jié)論

1）采用GENEPI軟件，以多孔介質(zhì)及局部阻力系數(shù)表征計(jì)算區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和阻力部件的壓降影響，對蒸汽發(fā)生器管束區(qū)及汽水分離器區(qū)域進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)熱工水力計(jì)算。結(jié)果表明，隨高度的增加，冷熱側(cè)的流量趨向于不均勻，到汽水分離器區(qū)域，負(fù)荷不均勻性明顯。

2）對比各汽水分離器入口參數(shù)可知，靠近中間及熱側(cè)的汽水分離器的蒸汽流量和干度值較大，即中間及熱側(cè)的汽水分離器將承受較大的負(fù)荷。故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分關(guān)注這兩個(gè)區(qū)域汽水分離器的分離性能，并建議在中間區(qū)域適當(dāng)增加汽水分離器的數(shù)量，以改善汽水分離器的負(fù)荷不均勻性。

3）通過對比不同汽水分離器局部阻力系數(shù)下的計(jì)算結(jié)果可看出，K 值越大，曲線越趨于平緩，即各汽水分離器負(fù)荷越趨于均勻。但由于增大阻力系數(shù)對不均勻性的改善并不明顯，不建議采用提高阻力系數(shù)的方式來改善汽水分離器的不均勻性。

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