蒸汽發(fā)生器汽水分離器改進(jìn)設(shè)計(jì)數(shù)值分析

吳楊　王海松　李冬慧

【摘 要】對(duì)核電蒸汽發(fā)生器的汽水分離器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，從汽水分離器的阻力和分離效率兩兩方面對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，縮比后的汽水分離器滿足蒸汽發(fā)生器的使用要求。本文的目的是通過(guò)數(shù)值分析獲得汽水分離器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)分離器性能的影響趨勢(shì)，為試驗(yàn)研究的模擬件設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】汽水分離器；分離效率；阻力

【Abstract】CFD analysis was made for improved steam separators of steam generator used in nuclear power plant.The calculation results are analyzed in two aspects，the resistance and separation efficiency.All the scale separators could meet the requirements of steam generator.The purpose of this article is to get the influence of the structure parameters on the separators.Which will be used to design the simulator used in the experimental study.

【Key words】Separators；Separation efficiency；Resistance

0 引言

汽水分離裝置是自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器中必不可少的部件。其工作性能直接影響蒸汽發(fā)生器的總體性能指標(biāo)：分離效率的高低影響出口蒸汽品質(zhì)，高度的大小影響設(shè)備的總體高度甚至影響裝置的自然循環(huán)能力，汽水分離裝置的阻力大小影響蒸汽發(fā)生器二次側(cè)循環(huán)倍率，因此汽水分離裝置是蒸汽發(fā)生器的中的關(guān)鍵部件。蒸汽發(fā)生器要求汽水分離器在大循環(huán)倍率下仍有較高的分離效率、較寬的許用負(fù)荷范圍和較低的阻力[1]。

目前立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的大都采用的是旋葉式汽水分離器。這種分離器性能的優(yōu)劣主要由其分離效率、分離器阻力特性、出口蒸汽濕度、上（下）攜帶及單位面積蒸汽負(fù)荷來(lái)評(píng)價(jià)[2]。由于旋葉式汽水分離器工作條件的參數(shù)高，直接通過(guò)原型試驗(yàn)分析影響分離器性能的因素及其規(guī)律，需要極高的代價(jià)；分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣液兩相流體經(jīng)過(guò)旋葉后表現(xiàn)為三維螺旋流動(dòng)，相對(duì)分布及其運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，目前尚不能用純理論公式來(lái)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。如何設(shè)計(jì)?；瘜?shí)驗(yàn)以降低對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的苛刻要求，如何評(píng)價(jià)?；瘜?shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性等命題，是工程設(shè)計(jì)之前必須解決的重要課題，也是對(duì)多相流熱物理學(xué)試驗(yàn)理論學(xué)科的一個(gè)挑戰(zhàn)。

分離器的入口是來(lái)自U型管束的汽液兩相流。流體以環(huán)狀或攪拌流為主要流型進(jìn)入分離器內(nèi)，經(jīng)過(guò)螺旋葉片后，由軸向流動(dòng)變?yōu)槁菪h(huán)狀流。在離心力作用下，液滴離心附著于分離筒內(nèi)壁形成液膜，液膜在氣流的作用下向上沿壁面呈螺旋流動(dòng)，液膜從疏水口流出，進(jìn)入分離筒與外套筒間的環(huán)形通道以下降液膜狀流動(dòng)形式從疏水阻擋環(huán)流出；分離筒軸心區(qū)水蒸汽夾帶少量水滴從出汽筒進(jìn)入干燥器。

分離筒內(nèi)蒸汽流中的液滴尺寸大小不一，滿足某規(guī)律分布（如正態(tài)分布，雙R分布），液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受不等數(shù)量級(jí)的多達(dá)八種以上力的作用，并經(jīng)歷液滴間的碰撞、液滴與液膜的碰撞等過(guò)程，這些碰撞會(huì)產(chǎn)生二次液滴、液滴聚并等現(xiàn)象，此外，液滴還受到氣相湍流擴(kuò)散的影響；分離筒內(nèi)壁形成的液膜，受到氣流的剪切應(yīng)力和界面波、液滴碰撞等作用，一定條件下，液膜被撕裂并再次形成二次液滴被氣流攜帶；液滴與有液膜覆蓋壁面的相互作用過(guò)程主要存在四種不同的液滴行為：粘附、反彈、擴(kuò)展和飛濺，其中，粘附和擴(kuò)展還會(huì)造成液滴沉積。

正是因?yàn)橐旱卧谄嗔髦械膹?fù)雜行為，目前并沒(méi)有一種精確的模型來(lái)描述這一行為。所以工程應(yīng)用的汽水分離器都是通過(guò)模擬體設(shè)計(jì)、冷態(tài)試驗(yàn)選型、熱態(tài)考核驗(yàn)證的方式進(jìn)行開發(fā)[3-5]。CFD計(jì)算的結(jié)果雖然不能直接用于工程設(shè)計(jì)，但是在模擬體設(shè)計(jì)的最初方案確定階段，掌握汽水分離器中某一結(jié)構(gòu)變化對(duì)汽水分離器性能的變化趨勢(shì)，對(duì)汽水分離器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。計(jì)算流體力學(xué)CFD作為近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，突破了求解非線形偏微分方程組的困難，使得計(jì)算流體力學(xué)的知識(shí)在兩相流領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，是目前掌握這種趨勢(shì)的唯一現(xiàn)實(shí)可行的方法。在冷態(tài)試驗(yàn)之前，通過(guò)CFD計(jì)算對(duì)模擬件進(jìn)行篩選，可以節(jié)約大量的試驗(yàn)，并且提高試驗(yàn)質(zhì)量和效率。

本文通過(guò)對(duì)改進(jìn)型汽水分離器進(jìn)行數(shù)值分析，在保證分離效果的同時(shí)減小汽水分離器的尺寸，并降低汽水分離器的阻力，從而提高蒸汽發(fā)生器的緊湊型，并加強(qiáng)二次側(cè)的水循環(huán)。同時(shí)通過(guò)在相同的工況、邊界條件、計(jì)算假設(shè)下，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)的汽水分離器分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，把握不同形式的汽水分離器中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽水分離器性能的影響趨勢(shì)，為試驗(yàn)?zāi)M體的選擇提供一定的參考和依據(jù)。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

本文中汽水分離器的原型為核電廠工程使用的蒸汽發(fā)生器的汽水分離器，該汽水分離器具有成熟的工程使用經(jīng)驗(yàn)，見圖1。根據(jù)上升筒內(nèi)徑變化，采用線性比例縮放的方法得到其他尺寸的值，縮比后的結(jié)構(gòu)的尺寸見表1。

1.2 物理模型

在兩相流計(jì)算中，主要有歐拉法和拉格朗日法。歐拉模型是將混合物中的每一個(gè)相都看成是連續(xù)相，而且所有相占有同一空間，在控制體內(nèi)假設(shè)每一相占有的體積大小用體積分?jǐn)?shù)來(lái)表示每一相都各自的質(zhì)量、動(dòng)量、能量、標(biāo)量傳輸方程，各相間通過(guò)相同的能量傳輸、動(dòng)量傳輸、質(zhì)量傳輸模型耦合，適用于各相都可以當(dāng)做連續(xù)相的介質(zhì)。拉格朗日法也被稱作粒子追蹤模型，認(rèn)為在一個(gè)連續(xù)相中分散著若干不連續(xù)的顆粒，且顆粒不占連續(xù)相的體積，通過(guò)對(duì)每個(gè)顆粒積分其常微分方程求得顆粒的位置和速度，并且忽略顆粒周圍流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，但是其不可能追蹤所有的粒子，因此比較適合顆粒比較少的情況。在汽水分離器中，由于液滴直徑不同，在流動(dòng)過(guò)程中對(duì)液滴和蒸汽之間存在相互作用，而且液滴占據(jù)著相當(dāng)一部分的空間和數(shù)量，因此歐拉兩相流模型更適合于模擬汽水分離器中的真實(shí)情況。

求解器采用CFX，入口設(shè)定為速度入口，給定空泡份額，出口采用壓力出口。汽水分離器入口條件見表2。

在計(jì)算設(shè)置中，液滴直徑的設(shè)定與計(jì)算結(jié)果有關(guān)。由于在汽水分離器真實(shí)環(huán)境下，液滴直徑也不是個(gè)固定值，是呈某種規(guī)律的分布。由于本文的目的在于比較幾種類型汽水分離器的性能，并不是計(jì)算汽水分離器的絕對(duì)性能。因此假設(shè)一個(gè)液滴直徑，幾種類型汽水分離器都在一種工況下計(jì)算，得出的數(shù)據(jù)就有可比性。本次計(jì)算設(shè)定液滴直徑為0.2mm。

在CFX中的湍動(dòng)模型中，由于k-？著模型是針對(duì)湍流發(fā)展很充分的湍流流動(dòng)建立的，它只適用于高Re數(shù)的湍流計(jì)算。在靠近壁面區(qū)，Re數(shù)較低，常采用壁面函數(shù)法，將壁面值同相鄰控制體積的節(jié)點(diǎn)變量值聯(lián)系起來(lái)。k-？著模型對(duì)來(lái)流參數(shù)敏感，但在壁面處穩(wěn)定性比較好。SST模型在近壁面采用k-？著模型，在主流區(qū)采用k-？著模型，結(jié)合了二者的優(yōu)勢(shì)，因此湍流選用SST模型。

由于原型汽水分離器具有成功的工程使用經(jīng)驗(yàn)，在同一種物理模型下，縮比后的模型計(jì)算結(jié)果與原型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，即可得出縮比后的汽水分離器與原型汽水分離器之間的差別。

2 計(jì)算結(jié)果分析

基于以上模型和假設(shè)，計(jì)算結(jié)果見圖2。

從分離效率上看，上升筒內(nèi)徑為360mm的汽水分離器分離效率最高。上升筒內(nèi)徑為310mm的汽水分離器其分離效率略低于內(nèi)徑為495mm汽水分離器。與內(nèi)徑為495mm汽水分離器相比，新設(shè)計(jì)的汽水分離器壓降減小，分離效率并沒(méi)有發(fā)生不可接受的變化。造成分離效率有些差異的原因可能是因?yàn)閮?nèi)徑為495mm汽水分離器進(jìn)行了優(yōu)化選型，而新設(shè)計(jì)的汽水分離器只是采用線性縮比，各結(jié)構(gòu)的參數(shù)的組合不是一個(gè)最優(yōu)方案。

從流動(dòng)阻力上看，隨著上升筒直徑增大，流動(dòng)阻力呈增大趨勢(shì)。阻力增大的原因可以解釋為隨著上升筒直徑的增大，汽水分離器的高度增加，蒸汽流動(dòng)路徑的變長(zhǎng)造成的。

從圖3、圖4、圖5中對(duì)比中可以看出，兩種新設(shè)計(jì)的汽水分離器與原型汽水分離器相比，分離器中的汽液分布并沒(méi)有明顯的差別，與蒸汽發(fā)生器中常規(guī)使用的汽水分離器比較，小筒徑的汽水分離器，其壓降變化值不超過(guò)原型的7.5%，蒸汽出口干度變化值不超過(guò)1%，這種差別對(duì)于數(shù)值計(jì)算來(lái)說(shuō)，并不能作為某種結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的判斷依據(jù)?？梢哉J(rèn)為，在同樣的蒸汽負(fù)荷下，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，小筒徑的汽水分離器同樣可以達(dá)到較高的分離效率和較小的阻力，可以滿足蒸汽發(fā)生器的使用要求。

3 結(jié)論

通過(guò)本文的計(jì)算可以看出，汽水分離器的分離效率和流動(dòng)阻力與上升筒內(nèi)徑、葉片升角、葉片高度以及汽液兩相的脫開高度有關(guān)，掌握這種聯(lián)系也是汽水分離器研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)。

小筒徑的汽水分離器同樣可以得到高的分離效率和小的壓降。從目前國(guó)外汽水分離器設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程來(lái)看，小型化、標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。利用小型化的汽水分離器可以在相同的截面內(nèi)增加蒸汽的流通面積，從而減小單個(gè)汽水分離器的負(fù)荷，進(jìn)而提高蒸汽發(fā)生器的總體性能。這一點(diǎn)在蒸汽發(fā)生器的負(fù)荷越來(lái)越大的情況下優(yōu)勢(shì)尤為明顯。由于汽液兩相運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，目前沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)物理模型能夠準(zhǔn)確的模擬汽水分離行為，因此，一種新型號(hào)的汽水分離器的性能需進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用小筒徑的汽水分離器的另一個(gè)好處是，因?yàn)閱蝹€(gè)汽水分離器負(fù)荷不大，可以做全尺寸的熱態(tài)試驗(yàn)，這樣就可以避免縮比試驗(yàn)件數(shù)據(jù)外推帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。本文的研究可以為試驗(yàn)研究的模擬件設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]