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螺旋管直流蒸汽發(fā)生器熱工水力穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)研究

閱讀:714        發(fā)布時(shí)間:2019-9-7

 

本研究以螺旋管直流蒸汽發(fā)生器(HOTSG)為研究對(duì)象,采用自編寫的HOTSG-W熱工水力分析程序,建立了兩流體六方程數(shù)學(xué)模型作為兩相流的計(jì)算模型。將二次側(cè)傳熱區(qū)域劃分為六個(gè)區(qū)段,選取了適用于螺旋管的傳熱和壓降關(guān)系式,開展了螺旋管直流蒸汽發(fā)生器穩(wěn)態(tài)計(jì)算與瞬態(tài)研究。通過對(duì)控制方程的離散求解,獲得了蒸汽發(fā)生器一二次側(cè)熱工水力的各項(xiàng)參數(shù),由于傳熱管曲率產(chǎn)生的二次流,會(huì)不斷沖刷邊界層使其傳熱和摩擦系數(shù)比直管更大。穩(wěn)態(tài)結(jié)果與韓國ONCESG程序和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比吻合較好,驗(yàn)證了HOTSG-W程序的準(zhǔn)確性。本研究還對(duì)螺旋管瞬態(tài)工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算與評(píng)估,為HOTSG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安全分析提供了依據(jù)。

 

【模型建立】

一般情況下,一次側(cè)在傳熱管外自上而下流動(dòng),二次側(cè)冷卻劑在管內(nèi)自下而上流動(dòng),出口為微過熱的蒸汽,可以顯著提高蒸汽品質(zhì)。

螺旋傳熱管內(nèi)汽-液兩相之間相對(duì)流動(dòng)速度較高,所以需要考慮兩相之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換。兩流體模型假定汽-液兩相間存在可移動(dòng)邊界,質(zhì)量、動(dòng)量、能量通過邊界進(jìn)行交換,通過建立并求解兩流體六方程,反映HOTSG的傳熱與流動(dòng)特性。如圖1所示,在CHF之前,此時(shí)液膜覆蓋在壁面,相壁傳熱主要由液相-壁面占據(jù),由一次側(cè)傳遞的熱量全部傳遞給液相;CHF之后,液膜與汽相在壁面上交替出現(xiàn),此時(shí)從壁面?zhèn)鬟f的熱量需要根據(jù)空泡份額對(duì)汽液相進(jìn)行分配。

 

圖1 管內(nèi)兩相相界面與壁面?zhèn)鳠彡P(guān)系

由于傳熱管較為特殊的物理結(jié)構(gòu),管內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象更為復(fù)雜。兩流體模型中計(jì)算摩擦壓降時(shí)采用Chexal-Harrison模型,將兩相混合物總體壓降分配給汽、液?jiǎn)为?dú)相;管外摩擦采用Yin關(guān)系式。

圖2 管內(nèi)流型變化與判別

傳熱管內(nèi)的二次側(cè)冷卻劑會(huì)經(jīng)歷相變過程,螺旋角較小,可以視為水平管流動(dòng),流型會(huì)經(jīng)歷泡狀流、層狀流、彈狀流、環(huán)狀流、彌散流與單相蒸汽。本研究沿流動(dòng)方向?qū)⒐軆?nèi)劃分為六個(gè)傳熱區(qū)域:?jiǎn)蜗嘁后w區(qū)、過冷沸騰區(qū)、飽和沸騰區(qū)、過渡沸騰區(qū)、膜態(tài)沸騰區(qū)和單相蒸汽區(qū),不同傳熱區(qū)采用不同的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。管外傳熱采用適配于螺旋管修正的Zukauskas關(guān)系式。

 

【穩(wěn)態(tài)結(jié)果】

本團(tuán)隊(duì)首先計(jì)算了日本Marine Reactor X船用堆中的大盤管蒸汽發(fā)生器的穩(wěn)態(tài)工況,由圖3可以看出,一二次側(cè)溫度與ONCESG計(jì)算結(jié)果吻合較好,并與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。二次側(cè)的有效沸騰段很長(zhǎng),占據(jù)整根傳熱管長(zhǎng)度60%以上,MRX蒸汽發(fā)生器總傳熱系數(shù)達(dá)到了4287.87W/(m2?K),印證了螺旋式盤管具有更強(qiáng)的傳熱能力。二次側(cè)冷卻劑由切向力產(chǎn)生的沿程損失增加,另外還有漩渦和二次環(huán)流造成的流動(dòng)損失,使得螺旋管摩擦阻力高于直管。

 

圖3 (a)MRX蒸汽發(fā)生器一次側(cè)溫度與ONCESG計(jì)算結(jié)果對(duì)比 (b)MRX蒸汽發(fā)生器二次側(cè)溫度與ONCESG計(jì)算結(jié)果對(duì)比 (c)MRX蒸汽發(fā)生器一次側(cè)壓力和流速計(jì)算結(jié)果 (d)MRX蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力和流速計(jì)算結(jié)果

 

【瞬態(tài)結(jié)果】

安全性與可靠性是評(píng)價(jià)螺旋管直流蒸汽發(fā)生器綜合性能的重要方面,其中瞬態(tài)分析起著至關(guān)重要的作用。本研究基于韓國SMART反應(yīng)堆螺旋管直流蒸汽發(fā)生器開展了熱工水力的瞬態(tài)研究,表1為瞬態(tài)工況運(yùn)行參數(shù)變化。

表1 瞬態(tài)工況運(yùn)行參數(shù)變化

 

圖4 (a)工況1二次側(cè)壓力變化  (b)工況1二次側(cè)溫度變化

由于二次側(cè)流量階躍產(chǎn)生了給水流速的快速變化,但是瞬時(shí)給水壓力與給水密度基本不變,二次側(cè)壓降變化十分有限,僅為0.02MPa。流量減少使得蒸汽溫度快速升高,而恢復(fù)到正常工況時(shí),蒸汽溫度需要150s左右時(shí)間才能降到穩(wěn)定溫度。

圖5 (a)工況2一次側(cè)溫度變化  (b)工況2二次側(cè)溫度變化

由于二次側(cè)冷卻劑本身溫度升高,自身攜帶的焓值更多,從一次側(cè)冷卻劑傳遞給二次側(cè)冷卻劑的熱量減少,使得一次側(cè)溫度快速上升。但是即使給水溫度發(fā)生階躍變化,瞬時(shí)給水壓力基本不變,流量基本恒定,給水密度會(huì)突然降低,導(dǎo)致給水流速迅速增加,單相液段流動(dòng)阻力上升,所以一次側(cè)出口溫度上升段會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小低谷。

二次側(cè)出口溫度會(huì)出現(xiàn)類似的現(xiàn)象,當(dāng)瞬態(tài)工況發(fā)生后,蒸汽溫度先是有一個(gè)下降段,然后才開始不斷上升達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定溫度。198℃的“熱流”會(huì)推動(dòng)180℃的“冷流”向前流動(dòng),由于溫度的飛升導(dǎo)致給水流速迅速增加,使“冷流”受熱不充分,出口蒸汽溫度下降。這樣的低谷溫度不會(huì)大幅度破壞蒸汽品質(zhì),但是要保證系統(tǒng)溫度變化要在一定范圍。

【總結(jié)】

利用本團(tuán)隊(duì)HOTSG-W程序?qū)β菪苁街绷髡羝l(fā)生器進(jìn)行了建模與計(jì)算,穩(wěn)態(tài)結(jié)果與設(shè)計(jì)值吻合較好,表現(xiàn)出螺旋盤管相對(duì)直管更強(qiáng)的傳熱能力;瞬態(tài)分析驗(yàn)證HOTSG具有很好的動(dòng)態(tài)相應(yīng)特性,為日后的安全分析提供了依據(jù)。

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