新型直流蒸发器的热工水力分析.pdf

新型直流蒸发器的热工水力分析 新型直流蒸发器的热工水力分析 樊普秋穗正苟军利贾斗南 西安交通大学核能科学与工程系 西安7 1 0 0 4 9 摘要 蒸汽发生器是连接一回路和二回路的关键设备 直流蒸发器由于产生过热蒸汽简化设备而在新 型核动力系统中得到应用 为研究直流蒸发器在稳态和瞬态过程中的热工水力特性 建立了描述直 流蒸发器物理现象的数学模型 应用本模型 研制了可以计算稳态和瞬态工况下 一回路和二回路 流体温度场 焓场的热工水力特性的程序 计算结果对直流蒸发器结构设计 安全运行具有指导意 义 关键字 直流蒸发器 热工水力 瞬态 两相流 1 前言 预计新型紧凑式压水堆在未来商用中具有很 大的潜力 它的典型特点在于将堆芯 主泵 管道 蒸汽发生器等一回路主要设备集中于压力容器内 I 2 与常规核动力装置相比 可以避免大破口事 故的发生 相应地 固有安全性得到提高 为了产生驱动汽轮机的蒸汽 在蒸汽发生器中 热量从 回路冷却剂传到二回路的给水 蒸汽发生 器有两种类型 U 型管蒸汽发生器和直流蒸发器 0 T S G U 型管蒸汽发生器具有较大的水装量但是 在它的出口产生的是饱和蒸汽 为此 必须安装汽 液分离器 所以从结构的观点来看 直流蒸发器可 以获得较小的尺寸 本文研究的直流蒸发器 o T S G 是逆向流动双 面加热的换热器 它竖直布置在反应堆压力容器中 如图1 所示 蒸汽发生器采用管套管式直流蒸发 器 一次侧冷却剂由上至下流过蒸汽发生器二次侧 环形通道的内 外侧 二次侧给水由下至上流过蒸 汽发生器接受来自其流道两侧冷却剂的加热 由过 冷水加热为过热蒸汽 经历了复杂的换热工况 包 括单相液体对流换热 核态沸腾换热 干涸后换热 以及单相蒸汽对流换热 图1核动力系统布置简图 核动力装置经常以不同的负荷运行 在变负 荷过程中经历复杂的热工水力特性 反应堆的安 全运行取决于直流蒸发器的换热能力 为了研究 直流蒸发器在各种稳态负荷以及变负荷瞬态工 况时的热工水力特性 建立了用于描述直流蒸发 器物理过程的数学模型 两相流的压降计算采用 一维均匀流模型 2 数学模型 图2 是直流蒸发器中一次侧流体和二次侧流 体流程图 一次侧流体在内管和壳侧自上而下流 体 二次侧流体在内管和外管组成的环形空间自下 而上流体 受到一次侧流体的双面加热 图3 是直 流蒸发器换热管束布置图 在进行稳态和瞬态数值 计算时 对图3 中的菱形子通道建立数学模型 包 括一次侧管内侧流体 一次侧管外侧流体 二次侧 流体模型 内管壁和外管壁数学模型 3 6 9 新型直流蒸发器的热工水力分析 图 2 套管式直流蒸发器流程图 动量守僵方程 詈 昙 等 一彳鲁一刚一 卅 3 百 云 i 一月瓦一俐一 刎一 其中 1j j r 讲 舄 内管的能量守恒方程为 r 一彳蠢c 丝磐嘲机 枷2 毗 I L 5 外管的能量守恒方程为 配 嵋旦笋出 以 圳如饥 t 哪 6 其中 成管子密度 C 管子比热 白 分 别为内管的内径和外径 白 r 舯分别为外管的 内径和外彳i f 乙 瓦 分别为内管和外管管壁 图 3 直流蒸发器中换热管布置图 平均温度 乙 乃 分别为内管中一次侧流体 2 1 基本热工水力方程 3 4 I 一次侧在管内是单相流体 二次侧流体经历从 单相液体到单相蒸汽的变化 为建立较为精确且合 理的蒸汽发生器数学模型 作了如下假设 1 假设蒸汽发生器内工质的流动是一维的 即工 质的热力学状态和水力学状态只沿轴向位置 变化 而在同一截面上 具有相同的状态参数 2 在蒸汽发生器一次侧或二次侧内 工质的压力 只随时间变化而不随空间变化 也就是说各点 的压力具有相同的时间特性 3 管壁很薄 假设直流蒸发器传热管壁温度沿径 向不变 4 忽略一 二回路工质的轴向导热 忽略蒸汽发 生器的对外散热 忽略传热管壁的轴向导热 忽略除传热管壁外的任何构件的热容量 基于以上假设 在直流蒸发器任一轴向位置Z 处 一次侧和二次侧流体简化的质量 能量和动量守恒 微分方程为 质量守恒方程 皇2 丝 o 1 8 t8 z 能量守恒方程 皇业 旦鲤 盟 至 2 3 7 0 和壳侧一次侧流体的温度 以 f 分别为一 次侧流体和内管壁与外管壁的换热系数 吃t 丸 分别为二次侧流体与内管壁和外管壁 的换热系数 2 2 一次侧流量分配方程 采用套管式蒸汽发生器 则一次侧流量分配为 内管内和外管外两部分 在计算内管内侧和外管外侧的质最流量时 根据内管内侧和外管外侧的压降相等米迭代计算 各自的流量 第一步根据流道的流通面积不同而首次分配 流最 形 w 爿 爿 彳 6 呒 w 彳 4 彳 7 其中 矽为一回路总流量 堙 s 彬为一回路内管内侧流量 妇 睨为一回路外管外侧流量 堙 J 第二步由冷却剂能量方程求得流道内流体的 温度场及物性参数 由流道内物性参数根据动量守 新型直流蒸发器的热工水力分析 恒方程求出流道内的压降 从而根据内管内侧和外 管外侧的压降是否相等来判断 如果不相等 将压 降大的通道流量减小 压降小的通道流量加大 进 一步迭代 直到达到相等 在规定误差范围内 为 止 2 3 结构方程 为求解直流蒸发器的热工水力特性 首先应 该给出在能量和动量守恒方程中所用到的结构方 程 即 换热经验关联式和摩擦系数经验关联式 2 3 I 换热系数经验关联式 一次侧流体和管壁之间的对流换热属于单相对 流换热 然而 二次侧流体和管壁之间的对流换热 经历了单相液体对流换热 两相对流沸腾换热和单 相蒸汽对流换热 因此把二次侧流体分为四个换热 区域 即 单相液体对流换热 饱和沸腾换热 干 涸后或者缺液区换热和单相蒸汽对流换热 所用到 的所有换热关联式在下面给出 1 单相对流换热区域 过冷水和单相蒸气 5 l D i t t u sa n dB o e n e r 19 3 0 虬 O 0 2 3 R c P r n 8 2 饱和沸腾换热区域嘲 c h e n 1 9 6 6 脚脚 降产r 降r 陆 L以JL 露J L 伪 L 7 o o 毗s 隰卜呐 其中 F j 2 3 5 丘 0 2 1 3 r E o 1 0 1 0 I l o巧 so 1 0 匝 o 1 2 R P 九 R e 穿 c 3 2 5 一 1 1 s 5 o 4 2 R P r 3 2 5 s R 哳 7 0 o l o 1 R 坼 7 0 o 脚 艺严 刈矿 3 缺液区换热1 3 1 G r o e n e v e l d 匕 s 2 x 一 R e 考 一善 D P y 卅膳 y 一 老一 n 4 c t x 户 L 以J 2 3 2 摩擦系数关联式 心州簧 1 5 竺 R e 1 0 0 0 0 4 1 1 0 0 0 舢 V 吖 2 对于两相摩擦压降 一匿F 一淫 卜 1 7 其中 哦是基于均匀流模型的全液相压降倍增因 子 采用 咖卜删卜 降矿 1 8 4 结果和讨论 为了求解建立的一维数学模型 首先要将微分 方程形式的数学模型离散为差分方程 为此 将 O T S G 沿轴向位置分为N 个控制体 如图4 所示 杉 夕 S多 么 乡 弋 夕么 杉 囫 i 硼e r 仙b e w 鲥l 图 O I I t 贯似b e 删I 图4O T S G 轴向节点划分图 根据已建模型 开发了用于预测新型核动力系 统中真流蒸发器的热工水力特性的程序 m O 下S G 在稳态热工水力特性计算中 采用 迭代方法进行数值求解 在瞬态热工水力特性中 由于求解问题为具有初值问题的刚性常微分方程 组 是病态方程组 为此 选用G e a r 算法求解 4 I 稳态计算结果 4 1 1 计算初始条件 在l o o 额定负荷下 新型核动力系统稳态运 行参数如下 热功率2 0 0M W 一回路压力 1 5 7M p a 堆芯入口温度 5 3 4 1 5K 堆芯出口温度 5 7 4 1 5K 3 7 l 笱 D 0 0 0 新型宜流蒸发器的热工水力分析 一回路质量流量 9 9 0 堙 s 二回路质量流量 7 5 堙 J O T S G 给水温度 3 3 8 1 5K O T S G 出口蒸汽温度 5 4 3 1 5K 二回路压力 3 2M p a 新型核动力系统的稳态运行控制原理采用堆 芯平均温度不变的方式 如图5 所示 3 L 己 拿 0 6 l 图5 堆芯稳态运行原理图 4 1 2 计算结果分析 T H A O T S G 程序可以计算不同稳态运行负荷 下O T S G 的热工水力特性 本文给出在1 0 0 额定 和8 0 额定负荷下的计算结果 图6 为二次侧流体在1 0 0 和8 0 额定负荷下 直流蒸发器时焓沿轴向高度分布图 其中二次侧流 体入口为过冷水 是单相换热 并且由于在O T S G 入口段 0 T S G 的换热管数目较少 换热面积较小 所以焓上升缓慢 随后 二次侧流体进入O T S G 套 管段 换热管数目骤增 换热面积增大 并且受到 来自套管段内管和套管外管外侧一次侧流体的双 面加热 二次侧流体由过冷水的单相换热逐渐过渡 为两相的沸腾换热 干涸后换热 最后发生单相蒸 汽换热等不同传热工况 所以流体换热量随着换热 工况的不同而不同 焓上升趋势也有明显的区别 在两相沸腾传热区 焓上升趋势明显 在干涸后传 热和过热蒸汽区 换热量减小 焓上升趋势缓慢 图7 为一次侧流体在l O O 和8 0 额定负荷下 沿O T S G 轴向高度自下而上的焓分布图 一次侧 流体在套管段入口分为两股流体 套管内管内侧流 体和套管外管外侧流体 一次侧流体在套管段出口 又汇合为一股流体 所以按照O T S G 的结构 把 一次侧两股流体的焓分别计算 一次侧流体自上而 下穿过直流蒸发器时 和二次侧流体的换热量数值 与二次侧流体所处的传热工况有关 所以一次侧流 体焓自上而下下降的趋势与二次侧流体自上而下 3 7 2 上升的趋势类似 就不再赘述 图6 二次侧流体焓沿O T S G 轴向高度分布 O 5 O 52 02 5 0 T s 6 轴向高度 M 图7 一次侧流体焓沿O T S G 轴向高度分布 图8 为O T S G 内二次侧流体温度自下而上沿 O T S G 轴向高度分布 二次侧流体的传热工况从单 相传热变到过热蒸汽传热 温度逐渐升高 在两相 区 保持为一常值 然后温度又逐渐增加 图8 二次侧流体温度沿O T S G 轴向高度分布 对照图6 和8 中1 0 0 和8 0 额定负荷各热工 水力参数 可以发现在1 0 0 额定负荷二次侧流体 的过冷段和沸腾段长度大于在8 0 额定负荷下的 过冷段和沸腾段长度 这主要是由于反应堆采用堆 芯平均温度不变的运行方案所致 在较低运行功率 下 堆芯进口温度较高 即在真流蒸发器二次侧流 卜r卜rrLrklh 卜rrrr rk 卜 E恤慧 篡 怒嚣蒜伽 新型直流蒸发器的热工水力分析 体进口段 二次侧流体和一次侧流体温差较大 换 热强烈 换热量大于在1 0 0 额定负荷下的换热量 所以二次侧流体过冷段和沸腾段变短 4 2 瞬态计算结果 直流蒸发器的瞬态热工水力特性包括诸如负 荷跟踪 失水事故等瞬态工况 本文给出2 个计算 堆芯负荷跟踪过程中直流蒸发器的瞬态热工水力 特性计算结果示例 计算工况l 初始边界条件 堆芯功率在2 0 0 s 从l o o 满负荷变化到9 5 随后保持不变 如图 9 所示 计算工况2 初始边界条件 堆芯功率在2 0 0 s 从8 0 满负荷变化到7 6 随后保持不变 图 9 堆芯功率变化曲线 图1 0 是直流蒸发器中一次侧流体进口和出口焓 随时问变化曲线 都随着堆芯功率下降而下降 图 l I 是二次侧流体压力随时问变化曲线 图1 2 是 二次侧流体出口焓随时间变化曲线 图1 0 一次侧流体进口和出口焓 随时间变化曲线 图1 1 二次侧流体压力随时间变化曲线 量薹 二 导 羹 爨 I l 图1 2 二次侧流体在O T S G 中出口焓 对照图1 0 l l 1 2 可以发现 在计算工况I 卞 的热工水力参数在5 0 0 s 可以达到稳定 而计算工 况2 需要花更长的时间达到稳定 Il o o s 左右 并 且计算工况l 的热工水力参数变化范围较工况2 变化参数范围2 5 结论 本文建立了模拟热工水力特性的O T S G 一维 均匀流模型 开发了T H A O T S G 程序 它可以预 测0 T S G 各种负荷下的稳态热工水力特性 也可 以预测负荷跟踪过程中O T s G 的瞬态热工水力特 性 通过不同负荷下的稳态热工水力特性计算 可 以发现在较高的运行堆芯功率下 O T S G 过冷段和 沸腾段长度较长 这与实际的O T S G 运行规则一 致 而对O T S G 负荷跟踪中瞬态热工水力特性进 行计算 发现在较低堆芯功率下 系统将花更长时 间达到稳定 并且热工水力参数变化范围更大 但 是值得指出的是在瞬态计算中由于没有加入堆芯 3 7 3 拍 皇一 f幽肇舞蓝姑 新型直流蒸发器的热工水力分析 功率控制系统和给水流量调节系统 应该对程序改 以 M a n i n e l l i 参数 进 以便瞬态计算结果也可以应用到实际工程 下标 标号 p密度 姆 m 3 G 质量流速 七g 册z s 厅 比焓 材 幻 g 热流密度 七肜 1 2 加热周长 m p 压力 户口 缈 液体质量流量 姆 j 彳 平均管道的流通截面积 肌2 摩擦系数 皿 加热通道的当量直径 小 g 重力加速度 册 C p 定压比热材 培 七 工质量含汽量 虬 N u s s e I t 数 R e R e y n o l d s 数 P r P m n d t I 数 动力粘度 船 历 s y速度朋 s 尘F 摩擦压降 I 如 f 生小 全液相压降倍增因子 矿 出 o 3 7 4 w 壁面 g 汽相 j 饱和 参考文献 t p 液体 两相 l H i d e N A R J A I 19 8 2 F r i c t i o nP r e s s u r eD r o p a n dH e a t1 r a n s f e rC o e f f i c i e n t0 fT w 0 P h a s eF l o wi n H e l i c a l l y C o i l e dT b b e O n c e T h r o u g h S t e a m G e n e r a t o rf o rI n t e 伊a 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SO FN E W T Y P E O N C E T H R o U G HS T E A MG E N E R A T O R F a n P u Q i u S u i z h e n g G o u J u n I iJ i a D o u n a n D e p n r t m e n t 醇N l c l e 6 I rE n g i n e e r i n g X r a nJ i n o t o n gU n i v e r S i l y X i t n n S h n a 麟i P R C h i n Q A B S T R A C I S t e a mg e n e r a t o ri st h ek e yc o m p o n e n tt oc o n n e c tt h ep r i m a 叮I o o p 加ds e c o n d a 叮l o o p O n c e t h o u g h s t e a mg e n e r a t o r O T S G i sm a i n l yu s e df o fn e w t y p en u c l e 盯p o w e rs y s t e mb e c a u s es u p e r h e a t e ds t e a mi s p r o d u c e do V e rt h ep o w e r 啪g ea n dh e r e b ym o i S t u r es e p a r a t o r s 盯en o tn d e d T bi 1 1 V e s t i g a t et h et h e 肌a l h y d m u l i c sc h a m c t e r i S t i co ft h eO T S Gd u r i n gs t e a d y s t a t ea n d 仃a n s i e n tp r o c e s s am a t h e m a t i c a lm o d e lt o f 0 m u l a t et h ep h y s i c a Ip h e n o m e n ai nt h eO T S Gi sb u i l t I ti sao 眦 d i m e I l S i o n h o m 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