CEFR直流蒸發(fā)器水汽轉(zhuǎn)換工況下給水調(diào)節(jié)過程研究

張駿 葉丁丁

中國原子能科學(xué)研究院 北京 102413

1 水汽轉(zhuǎn)換是單相液態(tài)

水在蒸汽發(fā)生器內(nèi)不斷被加熱沸騰，產(chǎn)生蒸汽，直至過熱的一個過程。CEFR蒸發(fā)器中鈉和水為逆向流動，熱量由鈉側(cè)傳向水側(cè)，水在由下向上流動過程中逐漸被加熱，鈉在由上向下流動過程中被冷卻，其傳熱及工質(zhì)流動過程示意圖如圖1所示。

圖1 蒸發(fā)器鈉-水側(cè)傳熱及工質(zhì)流動過程示意圖

2 數(shù)值模擬過程介紹

蒸發(fā)器的鈉-水兩側(cè)傳熱的非穩(wěn)態(tài)過程，使用VB語言編輯熱工模擬計算程序進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型仿真[1]。程序計算時，將蒸發(fā)器整個換熱段(11750mm)按照進(jìn)水方向劃分為50等份，分別對每個單元進(jìn)行熱力平衡計算，如圖2所示。

圖2 換熱單元劃分

給定初始熱工條件為：蒸發(fā)器鈉側(cè)進(jìn)口流量、進(jìn)口鈉溫，蒸發(fā)器水側(cè)進(jìn)口給水比焓、給水流量、出口壓力。其中，鈉側(cè)為單相對流換熱，計算公式采用Meresca-Dwyer經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。根據(jù)壓力和含氣率變化分為四個換熱區(qū)：過冷區(qū)、泡核沸騰強(qiáng)制對流區(qū)、蒸干區(qū)、過熱區(qū)。換熱公式依次分別為Dittus-Boelter公式、Chen關(guān)系式、Groeneveld經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式、米海耶夫關(guān)系式[2]。

3 計算結(jié)果分析

對蒸發(fā)器水汽轉(zhuǎn)換工況下給水調(diào)節(jié)過程進(jìn)行模擬計算，本節(jié)將對計算結(jié)果中水汽側(cè)壓力、流量、含氣率、溫度、密度、比焓，鈉溫、傳熱管壁溫等參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析研究。

將給水流量關(guān)于水（汽）側(cè)壓力作圖，如圖3所示，擬合符合程度較高的二次函數(shù)，公式為G=-0.19122P2+4.28949P-19.18038，其中方程的確定系數(shù)R-square為0.98944，可以為操縱員調(diào)節(jié)過程提供參考參數(shù)。

圖3 給水流量隨水（汽）側(cè)壓力調(diào)節(jié)變化

隨時間變化，不同傳熱管位置處含氣率變化如圖4所示。越靠近傳熱管末端、加熱時間越長，相應(yīng)傳熱段的含氣率越高，汽化過程逐漸增強(qiáng)。在約傳熱管位置高于6462.5mm，時間大于95s時，約從含氣率為0.1開始有較明顯上升趨勢。

單元傳熱量間接反映了傳熱管熱流密度的大小，處于蒸干點(diǎn)時換熱量急劇減小，沒有明顯的階躍升高，傳熱管不會出現(xiàn)沸騰傳熱的“燒毀”現(xiàn)象。從而證明降低給水流量同時降壓氣化的水氣轉(zhuǎn)換方式的正確性，在9.45%Pn反應(yīng)堆功率水平下給定的壓力調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行水汽轉(zhuǎn)換對蒸發(fā)器傳熱管本身不會出現(xiàn)熱應(yīng)力方面的損傷。

圖4 含氣率隨傳熱管位置和時間變化

圖5 傳熱管壁面單元傳熱量隨傳熱管位置和時間變化

4 結(jié)語

本文通過對CEFR蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行模擬仿真，總結(jié)了給水調(diào)節(jié)過程中的壓力與流量對應(yīng)關(guān)系式，方便調(diào)節(jié)過程進(jìn)行。

隨后對相關(guān)熱工參數(shù)進(jìn)行研究，從而得到如下結(jié)論：

隨時間推移，沿管段長度方向增加，含氣率增加，水汽側(cè)工質(zhì)密度隨之減??；工質(zhì)比焓增加，由于氣相比焓較大，所以在含氣率較大時，比焓增長較快；

鈉側(cè)進(jìn)出口溫度基本不變，但內(nèi)部分布規(guī)律會發(fā)生變化。入口初始鈉溫變化平緩段長度減小，有溫度變化的區(qū)段逐漸變長，整體上溫度變化逐漸平緩；

熱流密度隨含氣率變化，整體變化趨勢先減小后增大。到最后完全變?yōu)楦烧羝麜r，瞬間減小到接近于0。整個過程未出現(xiàn)熱流密度明顯升高的點(diǎn)，表明水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)選擇范圍合理，壓力控制范圍選擇7～10MPa不會對傳熱管造成“燒毀”。

本文研究結(jié)果已經(jīng)證明給水調(diào)節(jié)過程選擇參數(shù)的正確性及對設(shè)備本身的安全性，為保證整個系統(tǒng)的安全特性，仍需盡可能縮短調(diào)節(jié)操作時間，減少管路振蕩。