快堆鈉-水蒸汽發(fā)生器熱工水力穩(wěn)態(tài)綜合性能研究

肖常志,楊紅義,張大林,沈格宇,秋穗正,路 遠(yuǎn),張 魁,黃源彬

(1.中國原子能科學(xué)研究院 核工程設(shè)計(jì)研究所,北京 102413;2.西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710049)

蒸汽發(fā)生器是分隔鈉冷快堆二回路和三回路的重要邊界,一旦傳熱管破裂將會(huì)引起嚴(yán)重的鈉水反應(yīng),嚴(yán)重影響核電站運(yùn)行的可用性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性。然而,蒸汽發(fā)生器又是核電站中最容易發(fā)生泄漏事故的部件[1]。一、二次側(cè)流體的溫差,溫度場的波動(dòng)均會(huì)引起傳熱管的熱應(yīng)力變化,導(dǎo)致疲勞破損。另外,由橫向流引起的流致振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)使得傳熱管表面與支撐板發(fā)生微振磨損,也可能導(dǎo)致傳熱管的損壞[2]。因此,鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器換熱管的完整性較輕水堆重要得多[3]。

國際上比較有名的快堆蒸汽發(fā)生器分析程序主要有印度英迪拉甘地原子研究中心開發(fā)設(shè)計(jì)的DESOPT程序[4]、韓國原子能研究中心開發(fā)設(shè)計(jì)的ONCESG程序[5]以及美國西屋公司針對(duì)其原型蒸汽發(fā)生器開發(fā)設(shè)計(jì)的PSM-W程序[6]。國際上已經(jīng)開發(fā)了成熟的蒸汽發(fā)生器熱工水力系統(tǒng)程序,滿足蒸汽發(fā)生器熱工水力設(shè)計(jì)的需要,然而,我國目前尚未開發(fā)出在國內(nèi)通用且受到國際認(rèn)可的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的蒸汽發(fā)生器熱工水力計(jì)算程序。

國內(nèi)外蒸汽發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置大部分均為以原型為基礎(chǔ)的縮比模化臺(tái)架或局部試驗(yàn)段,試驗(yàn)段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)與原型差別較大。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)大部分為氟利昂、氦氣-水或空氣-水,與蒸汽發(fā)生器內(nèi)真實(shí)的氣液兩相流的流動(dòng)換熱機(jī)理存在差異[7-9]。本文實(shí)驗(yàn)采用鈉-水實(shí)驗(yàn)工質(zhì),按照等高、等壓、等換熱管直徑設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)架,建成我國首個(gè)且唯一能夠從事鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器綜合性能驗(yàn)證的重大創(chuàng)新平臺(tái)——鈉-水蒸汽發(fā)生器綜合性能考核實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)PUSA。

目前,中國示范快堆(CFR600)直流蒸汽發(fā)生器正在緊張研發(fā),它是我國第1次研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造的示范快堆核心設(shè)備。在前期準(zhǔn)備工作中,西安交通大學(xué)在中國原子能科學(xué)研究院的帶領(lǐng)下,開發(fā)了快堆鈉-水蒸汽發(fā)生器兩相流熱工流體設(shè)計(jì)及校核分析程序DeCOSS[10]、兩相流熱工流體瞬態(tài)分析程序TCOSS[11]、流動(dòng)不穩(wěn)定性分析程序FICOSS[12]以及安全限值分析與評(píng)估程序SACOSS等4種熱工水力設(shè)計(jì)程序,并進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬計(jì)算[13],以驗(yàn)證蒸汽發(fā)生器熱工水力設(shè)計(jì)分析方法的合理性,為CFR600蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

基于西安交通大學(xué)開發(fā)的熱工水力設(shè)計(jì)程序,東方電氣完成了蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)的設(shè)計(jì),東方重機(jī)完成了原型樣機(jī)的制造工作。由中國原子能科學(xué)研究院牽頭,在西安交通大學(xué)中國西部科技創(chuàng)新港,目前已搭建了快堆鈉-水蒸汽發(fā)生器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)架,并開展了一系列穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)綜合性能實(shí)驗(yàn)。

本文基于鈉-水蒸汽發(fā)生器熱工水力穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn),通過將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)及校核分析程序DeCOSS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)的合理性和設(shè)計(jì)分析程序穩(wěn)態(tài)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 蒸汽發(fā)生器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)架

鈉-水蒸汽發(fā)生器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)包括鈉充排系統(tǒng)、冷阱系統(tǒng)、鈉-水換熱、事故排放系統(tǒng)、液鈉電加熱系統(tǒng)、蒸汽冷凝及高壓給水系統(tǒng)、脫鹽水系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī),其中,蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)包括蒸發(fā)器和過熱器。本文主要介紹鈉回路系統(tǒng)和水回路系統(tǒng)以及蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)。

1.1 鈉回路系統(tǒng)

鈉-水蒸汽發(fā)生器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)架鈉回路主系統(tǒng)主要由鈉緩沖槽(V0 102)、機(jī)械鈉泵(P0 101)、電加熱器(E0 105、E0 106)、蒸發(fā)器(E0 101)、過熱器(E0 102)、電磁流量計(jì)(FI0 101至FI0 104)及相應(yīng)的管道、閥門、儀表控制附件等構(gòu)成,系統(tǒng)示意圖如圖1所示,其中,電磁流量計(jì)(FI0 101至FI0 104)的儀表精度信息列于表1。

表1 試驗(yàn)臺(tái)架傳感器精度

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架鈉回路系統(tǒng)

鈉緩沖槽具有整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中鈉溫度變化引起體積變化的補(bǔ)償能力,還能減緩鈉水反應(yīng)產(chǎn)生的壓力波沖擊,其主要作用是給系統(tǒng)增加液態(tài)金屬鈉的存儲(chǔ)量,補(bǔ)償鈉的熱膨脹,起到流量調(diào)節(jié)的作用。此外,還可在鈉緩沖槽監(jiān)測氫氣以判斷蒸汽發(fā)生器的泄漏情況。機(jī)械鈉泵為具有自由液面的單級(jí)、單吸、立式離心泵,給金屬鈉提供動(dòng)力克服鈉在整個(gè)系統(tǒng)中的流動(dòng)阻力。鈉電加熱系統(tǒng)采用浸沒式直接加熱方式,為液態(tài)鈉提供熱源,使液態(tài)鈉升溫達(dá)到蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)的進(jìn)口溫度。電磁流量計(jì)則監(jiān)測鈉回路系統(tǒng)的流量。

正常運(yùn)行工況下,金屬鈉由機(jī)械鈉泵的底部側(cè)面出口排出,加壓后的金屬鈉經(jīng)電磁流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入電加熱器,經(jīng)過電加熱器加熱到設(shè)定溫度后,由過熱器的下端進(jìn)入殼程,自下向上流動(dòng),通過過熱器管程中的過熱蒸汽進(jìn)行對(duì)流換熱,金屬鈉降溫并進(jìn)入蒸發(fā)器頂部,在蒸發(fā)器殼程內(nèi)自上向下流動(dòng)與高壓水進(jìn)行換熱,溫度降至設(shè)定溫度后進(jìn)入鈉緩沖槽,最后進(jìn)入機(jī)械鈉泵循環(huán)流動(dòng),完成鈉主回路系統(tǒng)的循環(huán)。

1.2 水回路系統(tǒng)

水回路系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器(E0 101)、過熱器(E0 102)、高壓給水泵(P0 103)、熱水緩沖罐(V0 106)、高壓水電加熱器(E0 107)、減溫減壓裝置(M0 103)、蒸汽冷凝器(E0 104)、矩形流量計(jì)(FI0 105)、壓力傳感器(PI0 101、PI0 102)、鎧裝熱電偶(TI0 101至TI0 103)安全閥以及相應(yīng)的管道、閥門、儀表控制附件等管道和閥門、管道儀表等組成,系統(tǒng)示意圖如圖2所示,其中,矩形流量計(jì)(FI0 105)、壓力傳感器(PI0 101、PI0 102)、鎧裝熱電偶(TI0 101至TI0 103)的儀表精度信息列于表1。該系統(tǒng)的主要功能是向蒸汽發(fā)生器供應(yīng)主給水,從而產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。給水在蒸汽發(fā)生器管側(cè)與殼側(cè)鈉進(jìn)行熱交換,將熱量帶出。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架水回路系統(tǒng)

熱水緩沖罐是水回路系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,在高壓給水泵出口引出一條支路流回?zé)崴彌_罐,起到平衡水回路系統(tǒng)壓力的目的,同時(shí)兼做實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)過程中的除氧裝置。高壓主給水泵的作用是提供蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)所需的壓力及給水流量,其安全運(yùn)行直接影響到蒸汽發(fā)生器的正常運(yùn)行。

試驗(yàn)臺(tái)架所用的減溫減壓方式是噴水減溫,這種方式常用于電廠和大型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其原理是通過噴淋系統(tǒng)向蒸汽直接噴入霧化水,使之蒸發(fā)為水蒸氣并與調(diào)溫水蒸氣良好混合以降低調(diào)溫水蒸氣溫度。霧化水則由高壓給水泵出口的未加熱冷水提供,水的噴射依靠給水泵和減溫器之間的壓差來實(shí)現(xiàn),不需要專門的減溫水泵。減溫減壓后的飽和蒸汽需要在蒸汽冷凝器中經(jīng)過循環(huán)水冷凝為對(duì)應(yīng)的蒸汽凝液。

水回路初次運(yùn)行時(shí),利用熱水緩沖罐內(nèi)置的電加熱將緩沖罐內(nèi)的除氧水加熱至設(shè)定溫度,經(jīng)高壓給水泵加壓將熱水壓入蒸發(fā)器,與殼側(cè)的高溫金屬鈉換熱,熱水經(jīng)加熱汽化并微過熱后,蒸汽進(jìn)入過熱器被高溫液體鈉加熱至設(shè)定溫度,過熱蒸汽經(jīng)過減溫減壓裝置,與高壓給水泵出口側(cè)的一股熱水混合,被減溫減壓至2.0 MPa的飽和蒸汽,進(jìn)入蒸汽冷凝器,冷凝后進(jìn)入熱水緩沖罐循環(huán)使用。此外,低功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)主給水未被加熱到過熱蒸汽,此時(shí)需要考慮水側(cè)過熱器投入與否,因此需要在蒸發(fā)器與過熱器到減溫減壓裝置之間增加閥門并分析其開閉狀態(tài)。

1.3 蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)

蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)基于CFR600蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì),其蒸汽發(fā)生器的熱功率為75 MW[14]。然而,在與CFR600蒸汽發(fā)生器相同的電功率條件下,很難制造出高可靠性的直流蒸汽發(fā)生器原型實(shí)驗(yàn)裝置,并且大功率的運(yùn)行環(huán)境會(huì)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架的安全運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。因此,綜合考慮實(shí)驗(yàn)成本與所需信息后,實(shí)驗(yàn)裝置的加熱功率降為20 MW。

此外,由于蒸汽發(fā)生器換熱管數(shù)量的龐大,會(huì)對(duì)原型樣機(jī)的建造帶來很大的難度,因此有必要簡化換熱管數(shù)量。采用功率體積法對(duì)原型樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行比例?；?模化后的蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)與CFR600蒸汽發(fā)生器參數(shù)對(duì)比列于表2[15]。

蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)是鈉回路與水回路的主要樞紐,由蒸發(fā)器模塊和過熱器模塊組成,蒸發(fā)器和過熱器采用鈉連接管連接。蒸發(fā)器為直管立式布置固定管板式換熱器,主要由以下結(jié)構(gòu)組成:鈉腔室、水-蒸氣腔室、殼體、管束,換熱管布置方式采用三角形排列布置。過熱器結(jié)構(gòu)與蒸發(fā)器相似,只是結(jié)構(gòu)尺寸有差別。原型樣機(jī)采用與CFR600蒸汽發(fā)生器相同直徑和壁厚的傳熱管,對(duì)傳熱管根數(shù)進(jìn)行數(shù)量縮比。圖3為CFR600蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

二回路液態(tài)鈉從中間熱交換器流出,經(jīng)入口接管進(jìn)入過熱器下部,自下而上流過過熱器的殼側(cè),再經(jīng)排放管進(jìn)入蒸發(fā)器模塊,自上而下流過蒸發(fā)器的殼側(cè),最后經(jīng)下部接管進(jìn)入鈉緩沖罐后,由鈉泵送回中間熱交換器。三回路給水從蒸發(fā)器入口進(jìn)入蒸發(fā)器模塊的下部腔室,流經(jīng)節(jié)流孔板后在傳熱管內(nèi)空間自下而上流動(dòng),吸收鈉側(cè)的熱量,經(jīng)過預(yù)熱、加熱、蒸發(fā)后達(dá)到所需的溫度,產(chǎn)生具有一定過熱度的過熱蒸汽,從蒸發(fā)器上部腔室流出。鈉-水蒸汽發(fā)生器管內(nèi)從進(jìn)口過冷水到出口過熱蒸汽整個(gè)過程中包括單相液、過冷沸騰、核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰、過熱蒸汽區(qū)。

1.4 蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)測點(diǎn)布置

鈉-水蒸汽發(fā)生器試驗(yàn)臺(tái)架在進(jìn)行熱工水力穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí),通過測量不同位置處壁面溫度、流體溫度、壓力、壓降等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)的合理性和設(shè)計(jì)分析程序穩(wěn)態(tài)計(jì)算的準(zhǔn)確性。本節(jié)主要介紹蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)測點(diǎn)分布。

蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)需要測量的壓力參數(shù)有:過熱器鈉側(cè)進(jìn)口壓力、過熱器鈉側(cè)出口壓力(蒸發(fā)器鈉側(cè)入口壓力)、蒸發(fā)器鈉側(cè)出口壓力、蒸發(fā)器水側(cè)進(jìn)口壓力、蒸發(fā)器水/蒸汽側(cè)出口壓力(過熱器蒸汽側(cè)進(jìn)口壓力)、過熱器蒸汽側(cè)出口壓力。

蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)水溫測點(diǎn)布置共有10處:過熱器鈉側(cè)進(jìn)口溫度、過熱器鈉側(cè)出口溫度(蒸發(fā)器鈉側(cè)進(jìn)口溫度)、蒸發(fā)器鈉側(cè)出口溫度、蒸發(fā)器水側(cè)進(jìn)口溫度、蒸發(fā)器水/蒸汽側(cè)出口溫度、過熱器蒸汽側(cè)出口溫度、蒸發(fā)器傳熱管出口腔室溫度、過熱器傳熱管出口腔室溫度、蒸發(fā)器傳熱管壁面溫度、過熱器傳熱管壁面溫度。除蒸發(fā)器與過熱器傳熱管壁面溫度外,其余9處測點(diǎn)各布置兩根熱電偶,一備一用。

為了驗(yàn)證蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)程序的合理性,需要在蒸汽發(fā)生器殼側(cè)(鈉側(cè))不同高度位置沿軸向布置多根熱電偶,以獲取不同工況下殼側(cè)鈉流體溫度的變化規(guī)律,與蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)程序進(jìn)行對(duì)比分析,達(dá)到程序驗(yàn)證的目的。圖4為蒸汽發(fā)生器鈉側(cè)熱電偶布置示意圖,熱電偶采用徑向?qū)ΨQ布置,每個(gè)高度布置兩根,并避開耳式支撐位置,即蒸發(fā)器共布置26根,過熱器共布置12根。

圖4 蒸汽發(fā)生器鈉側(cè)熱電偶布置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

鈉-水蒸汽發(fā)生器試驗(yàn)臺(tái)架綜合性能實(shí)驗(yàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況達(dá)到熱工水力穩(wěn)態(tài)的標(biāo)準(zhǔn):15 min內(nèi),溫度波動(dòng)為±2 ℃,流量波動(dòng)為±2%,壓力波動(dòng)為±0.1 MPa。

本實(shí)驗(yàn)電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)測得的均為液鈉體積流量Qs,液鈉質(zhì)量流量Ws計(jì)算式為:

Ws=Qsρs

(1)

式中,ρs為液鈉密度,kg/m3,由蒸發(fā)器出口溫度和出口壓力對(duì)應(yīng)查表而得。

定義水側(cè)運(yùn)行功率為Pw:

Pw=Ww(Hw,out-Hw,in)

(2)

式中:Ww為鈉水SG水側(cè)質(zhì)量流量,kg/s;Hw,in為蒸發(fā)器進(jìn)口水焓,kJ/kg;Hw,out為蒸發(fā)器出口水/蒸汽/蒸汽-水兩相焓,kJ/kg。

3 設(shè)計(jì)值穩(wěn)態(tài)驗(yàn)證

鈉-水蒸汽發(fā)生器熱工水力穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí),參照CFR600原型蒸汽發(fā)生器冷啟動(dòng)功率臺(tái)階設(shè)計(jì),結(jié)合?；治龇椒?得到蒸汽發(fā)生器原型樣機(jī)的冷啟動(dòng)功率臺(tái)階。實(shí)際運(yùn)行時(shí),通過改變鈉側(cè)流量、入口鈉溫、給水流量、給水溫度,記錄對(duì)應(yīng)各穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)時(shí)蒸汽發(fā)生器整體的熱工水力穩(wěn)態(tài)平均值。運(yùn)行功率則基于水側(cè)焓升計(jì)算而得。

實(shí)驗(yàn)過程中由于蒸發(fā)器與過熱器之間的接管沒有保溫,導(dǎo)致進(jìn)出口溫差較大,在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的溫差。因此在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí),將蒸發(fā)器與過熱器分開模擬計(jì)算。由于實(shí)驗(yàn)過程中蒸發(fā)器進(jìn)口鈉溫沒有測量,故以蒸發(fā)器最高位置處的熱電偶測點(diǎn)溫度作為進(jìn)口溫度,同時(shí)修正相應(yīng)的蒸發(fā)器長度。而過熱器水側(cè)入口沒有相應(yīng)的熱電偶測量溫度,無法展開計(jì)算,因此蒸汽發(fā)生器熱工水力分析程序穩(wěn)態(tài)計(jì)算只計(jì)算蒸發(fā)器模型。

在DeCOSS程序計(jì)算過程中,調(diào)節(jié)鈉側(cè)流量、水側(cè)流量、蒸發(fā)器進(jìn)口鈉溫、給水溫度、蒸發(fā)器鈉側(cè)出口壓力、蒸發(fā)器水側(cè)進(jìn)出口壓力保持與實(shí)驗(yàn)值一致,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行歸一化處理后,再進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。本文分別選取冷啟動(dòng)功率臺(tái)階中低功率、中等功率及滿功率穩(wěn)態(tài)共5種典型工況的鈉側(cè)軸向溫度分布與蒸發(fā)器出口鈉側(cè)、水側(cè)出口溫度進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 鈉側(cè)軸向溫度分布對(duì)比

將鈉側(cè)軸向溫度除以每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況的鈉側(cè)入口溫度進(jìn)行歸一化處理,軸向高度變化則除以蒸發(fā)器長度進(jìn)行歸一化處理。

1) 低功率穩(wěn)態(tài)

當(dāng)電加熱器加熱功率較低時(shí),蒸發(fā)器殼側(cè)的金屬鈉無法將管側(cè)的過冷水加熱到單相蒸汽狀態(tài),過熱器不投入使用,故閥門945開啟,閥門936/937關(guān)閉。選取電加熱器加熱功率為7.18%、12.41%額定功率的兩種穩(wěn)態(tài)工況,將DeCOSS程序計(jì)算所得的蒸發(fā)器鈉側(cè)沿軸向溫度變化與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖5所示。

圖5 低功率下鈉側(cè)溫度沿軸向變化對(duì)比

由于過熱器不投入使用,蒸發(fā)器水側(cè)經(jīng)歷過冷水及兩相區(qū)兩個(gè)階段。由于鈉側(cè)流體流動(dòng)方向與水側(cè)相反,因此鈉側(cè)溫度分布曲線應(yīng)從右往左分析。結(jié)合圖5分析,鈉進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí),對(duì)應(yīng)水側(cè)依次為膜態(tài)沸騰和核態(tài)沸騰,因此首先換熱能力惡化導(dǎo)致鈉側(cè)溫度基本不變,隨后水側(cè)進(jìn)入核態(tài)沸騰,鈉側(cè)溫度下降速率開始增大。當(dāng)進(jìn)入水側(cè)過冷水區(qū),換熱逐漸穩(wěn)定,鈉側(cè)溫度下降速率趨于平穩(wěn)。

可看出,程序的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值符合良好,在水側(cè)由過冷水階段過渡到兩相區(qū)的核態(tài)沸騰階段,即飽和沸騰起始點(diǎn),兩者略有差距,這是由于DeCOSS程序使用的核態(tài)沸騰換熱模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程有一定偏差,需要后面進(jìn)一步修正。

2) 中等功率穩(wěn)態(tài)

當(dāng)鈉回路以中等功率運(yùn)行時(shí),水側(cè)溫度被加熱到單相蒸汽狀態(tài),過熱器投入運(yùn)行,故閥門945關(guān)閉,閥門936/937開啟。選取加熱功率為27.87%、29.74%額定功率的兩種穩(wěn)態(tài)工況,將設(shè)計(jì)程序DeCOSS計(jì)算所得的蒸發(fā)器鈉側(cè)沿軸向溫度變化與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖6所示。

圖6 中等功率下鈉側(cè)溫度沿軸向變化對(duì)比

由于過熱器開始投入使用,蒸發(fā)器水側(cè)經(jīng)歷過冷水、兩相區(qū)及單相蒸汽3個(gè)階段。結(jié)合圖6分析,鈉側(cè)溫度曲線整體呈下降趨勢。鈉進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)的水側(cè)為單相蒸汽換熱,隨著溫差的增大,換熱逐漸增強(qiáng),溫度下降速率變大。當(dāng)開始進(jìn)入膜態(tài)沸騰和核態(tài)沸騰時(shí),鈉側(cè)溫度下降速率減小,進(jìn)入核態(tài)沸騰,鈉側(cè)溫度下降速率開始增大。在蒸發(fā)器入口區(qū)域,進(jìn)入水側(cè)過冷水區(qū),鈉側(cè)溫度下降速率趨于平穩(wěn)。

可看出,在過冷水與兩相區(qū),DeCOSS程序的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值符合良好,而在由兩相區(qū)過渡到單相蒸汽階段,即過熱蒸汽起始點(diǎn)處,兩者有明顯差距。這說明采用的單相蒸汽模型存在一定的偏差,無法模擬該階段溫差增加導(dǎo)致的鈉側(cè)溫度下降速度增大的現(xiàn)象,需要后續(xù)進(jìn)一步修正計(jì)算方法。

3) 滿功率穩(wěn)態(tài)

滿功率穩(wěn)態(tài)工況下,過熱器投入運(yùn)行,閥門945關(guān)閉,閥門936/937開啟。將設(shè)計(jì)程序DeCOSS計(jì)算所得的蒸發(fā)器鈉側(cè)沿軸向溫度變化與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖7所示。

圖7 滿功率下鈉側(cè)溫度沿軸向變化對(duì)比

滿功率穩(wěn)態(tài),鈉-水蒸汽發(fā)生器管內(nèi)從進(jìn)口過冷水到出口過熱蒸汽整個(gè)過程中包括單相液、過冷沸騰、核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰、過熱蒸汽區(qū)。對(duì)應(yīng)的鈉側(cè)溫度呈下降趨勢,在過冷水以及單相蒸汽階段,下降速度較大,兩相區(qū)換熱能力較差,下降速度較慢。

可看出,DeCOSS程序的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值符合良好,這是由于設(shè)計(jì)程序開發(fā)時(shí),所調(diào)研進(jìn)行調(diào)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大多是滿功率運(yùn)行工況。與低功率及中等功率穩(wěn)態(tài)類似,程序在飽和沸騰起始點(diǎn)以及過熱蒸汽起始點(diǎn)附近,與實(shí)驗(yàn)值仍存在一定的偏差。

3.2 鈉側(cè)、水側(cè)出口溫度對(duì)比

對(duì)上述低功率、中等功率以及滿功率穩(wěn)態(tài)5個(gè)工況下所得的溫度、流量等熱工水力參數(shù)分別除以滿功率下的溫度、流量,進(jìn)行歸一化處理,對(duì)比DeCOSS程序與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的鈉側(cè)、水側(cè)出口溫度,如表3所列。表3中:序號(hào)1～2分別代表加熱功率為7.18%、12.41%額定功率的低功率穩(wěn)態(tài)工況;序號(hào)3～4分別代表加熱功率為27.87%、29.74%額定功率的中等功率穩(wěn)態(tài)工況;序號(hào)5代表滿功率穩(wěn)態(tài)工況。

表3 鈉側(cè)、水側(cè)出口溫度對(duì)比

對(duì)比上述計(jì)算結(jié)果可看出,相對(duì)水側(cè)出口溫度,鈉側(cè)出口溫度與實(shí)驗(yàn)值更吻合。這是由于鈉的沸點(diǎn)較高,故在整個(gè)穩(wěn)態(tài)過程中,鈉側(cè)均為單相液態(tài)鈉,因此設(shè)計(jì)程序添加的鈉物性以及換熱模型比較簡單。而水側(cè)經(jīng)歷了過冷水、兩相區(qū)及單相蒸汽3個(gè)階段,換熱模型較為復(fù)雜,與實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程存在一定差距。

此外,可看出DeCOSS程序計(jì)算所得的水側(cè)出口溫度明顯高于實(shí)驗(yàn)值,這是由于程序計(jì)算過程中忽略實(shí)驗(yàn)過程存在的熱耗散現(xiàn)象,導(dǎo)致數(shù)值模擬的換熱量大于實(shí)驗(yàn)值,出口鈉溫偏低。

總地來說,DeCOSS設(shè)計(jì)程序計(jì)算所得的鈉側(cè)、水側(cè)出口溫度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差在5%以內(nèi),均在合理范圍內(nèi),因此可驗(yàn)證蒸汽發(fā)生器自主化設(shè)計(jì)和分析程序DeCOSS的正確性。

4 結(jié)論

本文基于西安交通大學(xué)開展的CFR600鈉-水蒸汽發(fā)生器熱工水力穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn),分別記錄低功率、中等功率以及滿功率等5個(gè)典型穩(wěn)態(tài)工況的蒸汽發(fā)生器整體的熱工水力參數(shù),同時(shí)用自主開發(fā)的兩相流熱工流體設(shè)計(jì)及校核分析程序DeCOSS對(duì)上述5個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值模擬。將上述兩種結(jié)果進(jìn)行歸一化處理后,分別對(duì)鈉側(cè)軸向溫度分布與蒸發(fā)器出口鈉側(cè)、水側(cè)出口溫度進(jìn)行對(duì)比分析,得到如下結(jié)論:

1) 在不同功率工況下,DeCOSS程序計(jì)算所得的鈉側(cè)軸向溫度分布與蒸發(fā)器出口鈉側(cè)、水側(cè)出口溫度均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好,驗(yàn)證蒸汽發(fā)生器自主化設(shè)計(jì)和分析程序的正確性,可用于鈉-水蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)計(jì)算;

2) 飽和沸騰起始點(diǎn)與過熱蒸汽起始點(diǎn)附近區(qū)域存在一定偏差,需要在后續(xù)程序開發(fā)過程中修正相應(yīng)的換熱模型;

3) 由于DeCOSS程序忽略實(shí)驗(yàn)中存在的熱耗散,導(dǎo)致?lián)Q熱量大于實(shí)驗(yàn)值,因此計(jì)算所得的出口氣溫較實(shí)驗(yàn)值偏大,鈉側(cè)出口溫度偏低。