核電汽輪機彎管式汽水分離器的改進結構及其除濕性能

程鵬，王新軍，張峰，蘇云龍，宋釗，謝金偉

（西安交通大學葉輪機械研究所，710049，西安）

核電汽輪機需在高壓缸出口布置汽水分離器，以去除高壓缸出口濕度約12%～14%蒸汽中的絕大部分水分。目前常用的是波形板汽水分離器，它的低速特性決定了其尺寸龐大、系統(tǒng)布置復雜、造價高以及系統(tǒng)可靠性低等［1］。ABB公司開發(fā)出安裝在高、中/低壓缸連通管內的高速汽水分離器——彎管式汽水分離器（SCRUPS），并取得了滿意的運行經(jīng)驗和效果［2－5］。這種彎管式汽水分離器的除濕效率并不比常規(guī)汽水分離器低，且尺寸小，簡化了系統(tǒng)布置，降低了造價，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖1是彎管式汽水分離器在汽輪機系統(tǒng)中的布置。預分離器（MOPS）先分離出沿高壓缸壁流下的水分，彎管式汽水分離器（SCRUPS）去除濕蒸汽中的水分，蒸汽經(jīng)再熱器（Reheater）加熱至一定過熱度后送往中/低壓缸繼續(xù)膨脹做功。圖2為彎管式分離器的簡化結構示意。分離器內裝有導流除濕葉柵，蒸汽在除濕葉柵內流動時流向發(fā)生偏轉，汽流攜帶的大部分水滴因慣性力作用發(fā)生碰撞并沉積在帶吸濕槽的除濕空心葉柵上，沉積的水分和少量蒸汽通過吸濕槽吸入葉柵內腔室并分別排出，從而達到除濕的目的。由于技術資料保密等原因，國內目前開發(fā)和應用這種分離器存在一定的難度。

圖1 彎管式汽水分離器在汽輪機系統(tǒng)中的布置

圖2 彎管式汽水分離器結構簡圖

本文應用計算流體動力學軟件ANSYS－CFX對彎管式汽水分離器和2種改進結構的除濕性能進行了數(shù)值計算與分析，揭示了“Z”字形彎管分離器具有最佳的除濕效率和最低的總壓損失。

1 彎管式和2種改進結構分離器的計算模型

1.1 彎管式分離器計算模型

水滴重力忽略不計［6］，模型沿葉高方向對稱，取沿葉高一半進行研究能降低網(wǎng)格總數(shù)量，提高計算效率。

彎管式汽水分離器內水滴沉積率主要取決于導流除濕葉柵的葉寬、節(jié)距、汽流攻角［7］，導流除濕葉柵的前期研究中得到了優(yōu)化葉型和葉柵參數(shù)，即：葉寬為350mm，節(jié)距為60mm，沖角為10°。圖3為彎管式汽水分離器結構示意。商業(yè)軟件ANSYS ICEM可對分離器各部分單獨進行結構化網(wǎng)格劃分后再組合計算，根據(jù)網(wǎng)格無關性驗證，計算時取總網(wǎng)格數(shù)約1 239萬。

圖3 彎管式汽水分離器結構

1.2 組合分離器計算模型

不同直徑水滴，其沉積機理有所不同［7］，大水滴沉積主要依靠慣性力，小水滴沉積受湍流效應影響很大。彎管式分離器內小水滴汽流跟隨性好，沉積量低，因此本文提出了彎管前加旋流裝置的組合結構（見圖4），來增加汽流湍流度，以提高小水滴沉積率，旋流葉柵結構尺寸參考文獻［8］。組合分離器中，旋流器為非結構化網(wǎng)格劃分，其余為結構化網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)約1 450萬。

圖4 組合分離器結構

1.3 “Z”字形彎管分離器計算模型

研究發(fā)現(xiàn)，各種直徑水滴的沉積量受汽流偏轉角影響很大，且隨偏轉角的增大而增大，為此本文提出了“Z”字形彎管分離器結構。圖5為“Z”字形彎管分離器在汽輪機系統(tǒng)中的布置。

圖5 “Z”字形彎管分離器在汽輪機系統(tǒng)中的布置

圖6為“Z”字形彎管分離器結構示意，其中導流葉柵偏轉角為120°，沖角為0°，由90°偏轉角葉型改型并用Numeca Desigh 3D葉型優(yōu)化而得，為結構化網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約1 698萬。

圖6 “Z”字形彎管分離器結構

2 數(shù)值計算方法與驗證

2.1 蒸汽流場求解

采用商業(yè)軟件CFX求解定常三維黏性雷諾平均N－S方程，湍流模型為壁面函數(shù)修正的標準k－ε模型。采用IAPWS－IF97標準給定蒸汽的熱物理參數(shù)。

2.2 水滴輸運模型

假定水滴碰撞到葉柵表面時未發(fā)生反彈，且被直接捕獲，所以采用Lagrangian方法追蹤水滴的運動軌跡，采用隨機軌道模型修正Lagrangian方法在描述水滴運動上的誤差，在運動方程的速度項中通過添加隨機速度分量來考慮湍流的影響。

2.3 計算方法驗證

根據(jù)Parker等人在平面葉柵上進行的小微粒沉積實驗數(shù)據(jù)［9］，來驗證本文計算方法的適用性。采用25萬、50萬、100萬、150萬4種網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關性驗證，計算邊界條件按照實驗條件給定。

總壓損失系數(shù)定義為

式中：P＊0為進口總壓；P＊2為當?shù)乜倝骸Ｓ捎谖墨I［9］中未給出總壓損失系數(shù)，所以引入外推法［10］來獲得CP的精確解，即

式中：f1、f2為2種網(wǎng)格密度時獲得的總壓損失系數(shù)的計算結果；p為方程截差階數(shù)；r為網(wǎng)格細化比。

沉積率為撞在實驗葉柵上的粒子質量與加入的粒子總質量之比。表1為平均總壓損失系數(shù)和沉積率。由表1可以看出，網(wǎng)格數(shù)為100萬時，平均總壓損失系數(shù)ˉCf的相對偏差ΔˉCf和沉積率η的相對偏差Δη明顯減小，網(wǎng)格數(shù)增加到150萬時，平均總壓損失系數(shù)的相對偏差僅減小了0.5%，沉積率的相對偏差僅減小了0.4%。因此，采用100萬～150萬網(wǎng)格比較合理，既可保證計算的準確性，也能適當減少計算量。

表1 平均總壓損失系數(shù)和沉積率

3 水滴尺寸與分布估算

核電汽輪機高壓缸出口蒸汽所含水分中二次水滴不足5%［11］，根據(jù)臨界韋伯數(shù)計算，高壓缸二次水滴的尺寸與一次水滴相差不大。為簡化計算，本文將少部分的二次水滴并入一次水滴。根據(jù)文獻［12］的試驗資料，汽輪機一次水滴群中直徑為di的水滴群質量mi與直徑等于平均直徑dm的水滴群質量mm之比近似服從正態(tài)分布，即

計算出水滴平均直徑后，可求出各種直徑水滴的質量及相應的水滴數(shù)。

根據(jù)1 750MW核電汽輪機的相關參數(shù)，按文獻［11］的方法確定水滴的平均直徑為10μm。本文將水滴分為5種直徑范圍來考核水滴的運動沉積特性，每種范圍取其平均值進行計算。水滴的質量流量為37 731.1g/s，每秒有1.657 42×1015個水滴進入計算區(qū)域，該數(shù)目過于龐大，按1∶1010比例縮小水滴數(shù)目，即取165 742個水滴進行計算。表2為水滴平均直徑為10μm時不同水滴直徑范圍內的水滴數(shù)目。

表2 水滴平均直徑為10μm時不同水滴直徑范圍的水滴數(shù)目

4 計算結果與分析

汽相進口給定總壓1 234.5kPa、總溫463.3K、汽流方向、湍流強度及長度；出口給定質量流量424.29kg/s；葉高方向上端面為對稱面，其余為壁面；水滴從進口均勻加入，速度為汽相進口速度的80%［7］。

4.1 彎管式汽水分離器的計算結果

圖7為彎管式汽水分離器（簡稱彎管式分離器）內汽相流線分布。由圖7可見，分離器內流速分布較為均勻且在50m/s左右，流線分布良好，汽流沿著圓管軸向流動。

圖7 彎管式分離器內汽相流線分布

圖8為彎管式分離器葉柵中間截面的總壓損失系數(shù)分布。由圖8可見，汽流總壓損失主要發(fā)生在兩組導流除濕葉柵中，對應總壓損失系數(shù)增大，在圓管和過渡段中汽流總壓損失系數(shù)基本不變。

圖8 彎管式分離器葉柵中間截面總壓損失系數(shù)分布

圖9為3種直徑水滴在彎管式分離器內的運動軌跡。由圖9可見，水滴在經(jīng)過兩組除濕葉柵時數(shù)量有所減少，水滴沉積量隨著水滴直徑的增大而增多。

圖9 3種直徑水滴在彎管式分離器內的運動軌跡

4.2 組合分離器的計算結果

圖10為組合分離器中汽相流線分布。由圖10可見：汽流經(jīng)過旋流葉柵后流線發(fā)生偏轉，對應的汽流湍流度增強，紊亂的流場持續(xù)到第一組除濕葉柵進口；經(jīng)過第一組除濕葉柵后，受葉柵整流的作用，流線基本均勻，經(jīng)過第二組葉柵后流線與圓管軸向幾乎一致。

圖10 組合分離器中汽相流線分布

為了定量說明汽流在兩組除濕葉柵前的攻角分布，應用CFX探針功能提取計算結果中的汽流角度，并計算出沿額線分布的汽流攻角大小。圖11為應用探針對兩組葉柵進行數(shù)據(jù)提取的位置，圖12為組合分離器中汽流攻角分布，其中橫坐標相對長度l定義為探針位置距葉柵前額線端部的距離與前額線總長之比。由圖11、12可以見，兩組葉柵進口汽流攻角不再是設計時的10°，第一組葉柵進口汽流攻角的變化范圍較大，為－4°～42°，第二組葉柵進口汽流攻角的變化范圍較小，為2°～22°。

圖13為組合分離器葉柵中間截面的總壓損失系數(shù)分布。由圖13可見，汽流在經(jīng)過旋流葉柵和兩組導流除濕葉柵時都會產生較大總壓損失，對應的總壓損失系數(shù)增大。

圖11 探針數(shù)據(jù)提取位置示意圖

圖12 組合分離器中葉柵進口汽流攻角分布

圖13 組合分離器葉柵中間截面總壓損失系數(shù)分布

圖14為3種直徑水滴在組合分離器中的運動軌跡。由圖14可見，與彎管式分離器相比，組合分離器中3種直徑水滴的沉積量均有所增多，尤其是直徑較小的水滴沉積量增加更明顯。

圖14 3種直徑水滴在組合分離器中的運動軌跡

4.3 “Z”字形彎管分離器的計算結果

圖15為“Z”字形彎管分離器中汽相流線分布。由圖15可見，總體上分離器中流速分布較為均勻，流線分布良好，汽流沿著圓管軸向流動。

圖16為“Z”字形彎管分離器葉柵中間截面總壓損失系數(shù)分布。由圖16可見，汽流在經(jīng)過導流除濕葉柵時總壓降低明顯，對應總壓損失系數(shù)增大，在圓管和過渡段中汽流總壓損失系數(shù)基本不變。

圖15 “Z”字形彎管分離器中汽相流線分布

圖16 “Z”字形彎管分離器葉柵中間截面總壓損失系數(shù)分布

圖17為3種直徑水滴在“Z”字形彎管分離器中的運動軌跡。由圖17可見，與彎管式分離器相比，“Z”字形彎管分離器中不同直徑水滴的沉積量均有所增多，尤其是直徑較大水滴沉積量增加更明顯。

圖17 3種直徑水滴在“Z”字形彎管分離器中的運動軌跡

5 3種結構分離器的比較

表3為3種分離器水滴沉積數(shù)量的統(tǒng)計結果。由表3可見：與彎管式分離器相比，2種改進結構中各種直徑水滴的沉積量均有所增多，組合分離器中直徑較小水滴的沉積量增加更明顯，“Z”字形彎管分離器中直徑較大水滴的沉積量增加明顯。根據(jù)每種直徑水滴沉積率及其對應沉積量占總水滴量的質量分數(shù)，經(jīng)加權求和可求得分離器的除濕效率。圖18為3種分離器除濕效率和平均總壓損失系數(shù)對比。由圖18可見：彎管式分離器除濕效率和平均總壓損失系數(shù)分別為79.9%和0.32%，組合分離器分別為85.8%和0.41%，顯然在提高除濕效率的同時也增加了總壓損失；“Z”字形彎管分離器除濕效率和平均總壓損失系數(shù)分別為88.9%和0.20%，該分離器在提高除濕效率的同時也大大減小了總壓損失。

表3 水滴沉積量統(tǒng)計

圖18 3種分離器除濕效率和平均總壓損失系數(shù)對比

6 結 論

（1）彎管式分離器和“Z”字形彎管分離器中汽相流速比較均勻，汽流基本沿著圓管軸向流動；汽流經(jīng)過組合分離器的旋流葉柵后流線發(fā)生偏轉，流場紊亂，流線經(jīng)過第二組導流除濕葉柵后與圓管軸向基本一致。

（2）與彎管式分離器相比，組合分離器中直徑較小水滴的沉積量增加明顯，但同時也增加了總壓損失；“Z”字形彎管分離器中直徑較大水滴的沉積量增加明顯，同時大大減小了總壓損失。

（3）在除濕效率和平均總壓損失系數(shù)方面，彎管式分離器分別為79.9%和0.32%，組合分離器分別為85.8%和0.41%，“Z”字形彎管分離器分別為88.9%和0.20%。顯然，本文提出的“Z”字形彎管分離器具有較高的除濕效率和較低的總壓損失系數(shù)，值得推薦。

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