一種疏水孔板壓降特性試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

孟履巔,張志超,顏永豐,徐培星,倪 焱,呂 康,劉茂龍

1.上海核能裝備測(cè)試驗(yàn)證中心有限公司,上海 201412 2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院股份有限公司,上海 200233 3.江陰市節(jié)流裝置廠有限公司,江蘇 江陰 214405 4.上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240

0 引言

2006年我國(guó)引進(jìn)美國(guó)西屋公司開(kāi)發(fā)的AP1000第3代核電技術(shù),于2018年分別在三門(mén)和海陽(yáng)投入商業(yè)運(yùn)行。AP/CAP系列核電機(jī)組是在引進(jìn)消化吸收AP1000的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)自主化的第3代核電機(jī)組[1]。AP/CAP系列核電機(jī)組中有3種參數(shù)的特殊孔板:核級(jí)蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)主蒸汽管線疏水孔板、非核級(jí)先導(dǎo)式安全閥排放管線疏水孔板與非核級(jí)主蒸汽安全閥排放管線疏水孔板[2]。國(guó)內(nèi)核電機(jī)組使用的該類(lèi)型孔板全部依賴(lài)美國(guó)進(jìn)口。

本文研究的PY41型柱塞式孔板是依托國(guó)家核電重大專(zhuān)項(xiàng)課題“可用于CAP1400的柱塞式孔板研制”(2019ZX06002016)進(jìn)行自主研發(fā)并具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型孔板,主要功能是作為疏水通道排除大氣釋放閥排放管線中積累的凝結(jié)水,在大氣釋放閥排放期間降低蒸汽壓力和限制進(jìn)入疏水管線的蒸汽流量。進(jìn)出口壓降是表征孔板性能的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)限流孔板的壓降依據(jù)HG/T 20570.15—95《管路限流孔板的設(shè)置》[3]計(jì)算。國(guó)內(nèi)不同的核電廠采用不同的計(jì)算方法[4]。嶺澳一期采用ISO 5167-1—1991和Idel’cik公式計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。鑒于柱塞式孔板的結(jié)構(gòu)形式有別于傳統(tǒng)孔板,以上采用的計(jì)算公式不適用于柱塞式孔板,國(guó)內(nèi)外也無(wú)針對(duì)柱塞式孔板的經(jīng)驗(yàn)公式。目前,只能依靠模擬和試驗(yàn)研究的方式測(cè)量柱塞式孔板的真實(shí)壓降。本文對(duì)PY41型柱塞式孔板的水力性能開(kāi)展冷態(tài)工況和熱態(tài)工況的試驗(yàn)驗(yàn)證工作,并開(kāi)展冷態(tài)工況條件下的數(shù)值模擬。通過(guò)試驗(yàn)和模擬的方法驗(yàn)證了自主研發(fā)的新型柱塞式孔板的冷態(tài)和熱態(tài)壓降性能。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)回路

試驗(yàn)在上海核能裝備測(cè)試驗(yàn)證中心有限公司的高溫高壓試驗(yàn)回路上進(jìn)行。如圖1所示,去離子水通過(guò)2臺(tái)柱塞泵加壓后進(jìn)入試驗(yàn)段。試驗(yàn)系統(tǒng)最大壓力為30.0 MPa、最大流量為12 t/h、最高溫度550 ℃。主路經(jīng)過(guò)2個(gè)流量調(diào)節(jié)器、入口質(zhì)量流量計(jì)、回?zé)崞骷訜峒邦A(yù)熱器后進(jìn)入試驗(yàn)段。試驗(yàn)段出口與旁通匯同后返流至回?zé)崞?。試?yàn)中,系統(tǒng)壓力通過(guò)出口調(diào)壓閥調(diào)節(jié)控制。

圖1 試驗(yàn)回路

PY41型柱塞式孔板性能測(cè)試的測(cè)量方案包括:用2只文丘里流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量;孔板進(jìn)出口安裝N型熱電偶測(cè)量溫度;孔板進(jìn)出口安裝量程為0～10 MPa的壓力表測(cè)量壓力;采用2只不同量程的壓差表測(cè)量進(jìn)出口壓降。

1.2 柱塞式孔板結(jié)構(gòu)

PY41型柱塞式孔板的結(jié)構(gòu)如圖2所示,其包含4個(gè)主要部件,分別為殼體、調(diào)節(jié)套、孔板和壓蓋。圖中還標(biāo)示了該孔板的主要部件以及水、蒸汽在其內(nèi)部的流動(dòng)路徑。圓柱孔板周向分布了4個(gè)小孔,這些小孔通往圓柱孔板的中間盲孔。

圖2 PY41孔板結(jié)構(gòu)

1.3 試驗(yàn)工況

本文開(kāi)展PY41型柱塞式孔板冷態(tài)和熱態(tài)工況的試驗(yàn),驗(yàn)證其在冷態(tài)與熱態(tài)條件下的壓降性能,判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。表1列出了設(shè)計(jì)值,也是本試驗(yàn)的工況。

表1 設(shè)計(jì)值(試驗(yàn)工況)

1.4 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)包括以下2個(gè)階段。

1)冷態(tài)試驗(yàn):將去離子水注入孔板,通過(guò)調(diào)節(jié)背壓閥以達(dá)到試驗(yàn)工況所需流量,記錄下孔板進(jìn)出口壓降。

2)熱態(tài)試驗(yàn):調(diào)節(jié)加熱器功率使去離子水升溫,并通過(guò)調(diào)節(jié)背壓閥達(dá)到試驗(yàn)工況所需的流量和溫度,記錄下進(jìn)出口壓降。

2 試驗(yàn)結(jié)果

冷態(tài)和熱態(tài)工況下的設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。冷態(tài)工況和熱態(tài)工況下的試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)要求對(duì)比分別見(jiàn)圖3和圖4。冷態(tài)與熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求偏差均小于1%,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 冷態(tài)結(jié)果和設(shè)計(jì)要求

結(jié)果表明:冷態(tài)與熱態(tài)工況下的性能存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。冷態(tài)試驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí),熱態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

使用軟件ANSYS Fluent 2021開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)算?？装宓臄?shù)值模擬模型見(jiàn)圖5。本研究忽略孔板固體結(jié)構(gòu)的散熱與應(yīng)力變化,只建立流動(dòng)通道模型。計(jì)算入口和出口之間壓降作為孔板總壓降。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 網(wǎng)格劃分

基于孔板的數(shù)值計(jì)算三維模型劃分網(wǎng)格,對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,并對(duì)壁面采用邊界層加密,網(wǎng)格質(zhì)量在0.25以上滿足計(jì)算要求。

3.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)孔板冷態(tài)工況開(kāi)展網(wǎng)格敏感性分析計(jì)算。經(jīng)過(guò)試算,網(wǎng)格數(shù)達(dá)799萬(wàn)時(shí)壓降計(jì)算值已收斂,與試驗(yàn)值偏差-2.94%,繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)對(duì)結(jié)果不產(chǎn)生影響。

3.4 邊界條件及模型求解

計(jì)算模型的邊界條件包括入口流量、出口表壓和流體物性。表3列出了孔板計(jì)算邊界條件。

表3 邊界條件

分別使用5種不同湍流模型,結(jié)合Zwart-Gerber-Belamri空化模型開(kāi)展分析計(jì)算。與試驗(yàn)值對(duì)比表明k-ε RNG湍流模型計(jì)算壓降和試驗(yàn)值的誤差為-2.94%。本研究在后續(xù)計(jì)算中使用k-ε RNG湍流模型。

3.5 數(shù)值模擬結(jié)果

在設(shè)計(jì)流量下孔板進(jìn)出口壓降參數(shù)是表征性能的最重要指標(biāo)。通過(guò)數(shù)值模擬在流量為0.026 m3/h條件下進(jìn)出口壓降計(jì)算結(jié)果為15.52 kPa。

表4列出了冷態(tài)工況設(shè)計(jì)要求、模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果偏差為3.1%。模擬計(jì)算可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冷態(tài)條件下PY41型柱塞式孔板的壓降性能。

表4 模擬及試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文開(kāi)展了PY41型柱塞式孔板熱工水力性能試驗(yàn)研究,主要結(jié)論如下。

1)冷態(tài)工況下,PY41柱塞式孔板的數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。結(jié)合使用k-ε RNG湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)柱塞式孔板的冷態(tài)性能。

2)PY41柱塞式孔板冷態(tài)工況下的性能參數(shù)與熱態(tài)工況下的性能參數(shù)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。PY41柱塞式孔板只要達(dá)到冷態(tài)工況的設(shè)計(jì)要求,同時(shí)也會(huì)滿足熱態(tài)設(shè)計(jì)要求。