蒸汽發生器汽水分離器改進設計數值分析

吳楊　王海松　李冬慧

【摘 要】對核電蒸汽發生器的汽水分離器進行改進設計后進行數值分析計算，從汽水分離器的阻力和分離效率兩兩方面對計算結果進行分析。結果表明，縮比后的汽水分離器滿足蒸汽發生器的使用要求。本文的目的是通過數值分析獲得汽水分離器主要結構參數的變化對分離器性能的影響趨勢，為試驗研究的模擬件設計提供依據。

【關鍵詞】汽水分離器；分離效率；阻力

【Abstract】CFD analysis was made for improved steam separators of steam generator used in nuclear power plant.The calculation results are analyzed in two aspects，the resistance and separation efficiency.All the scale separators could meet the requirements of steam generator.The purpose of this article is to get the influence of the structure parameters on the separators.Which will be used to design the simulator used in the experimental study.

【Key words】Separators；Separation efficiency；Resistance

0 引言

汽水分離裝置是自然循環蒸汽發生器中必不可少的部件。其工作性能直接影響蒸汽發生器的總體性能指標：分離效率的高低影響出口蒸汽品質，高度的大小影響設備的總體高度甚至影響裝置的自然循環能力，汽水分離裝置的阻力大小影響蒸汽發生器二次側循環倍率，因此汽水分離裝置是蒸汽發生器的中的關鍵部件。蒸汽發生器要求汽水分離器在大循環倍率下仍有較高的分離效率、較寬的許用負荷范圍和較低的阻力[1]。

目前立式自然循環蒸汽發生器的大都采用的是旋葉式汽水分離器。這種分離器性能的優劣主要由其分離效率、分離器阻力特性、出口蒸汽濕度、上（下）攜帶及單位面積蒸汽負荷來評價[2]。由于旋葉式汽水分離器工作條件的參數高，直接通過原型試驗分析影響分離器性能的因素及其規律，需要極高的代價；分離器內部結構復雜，氣液兩相流體經過旋葉后表現為三維螺旋流動，相對分布及其運動過程復雜，目前尚不能用純理論公式來進行相關計算。如何設計模化實驗以降低對試驗參數的苛刻要求，如何評價模化實驗結果的有效性等命題，是工程設計之前必須解決的重要課題，也是對多相流熱物理學試驗理論學科的一個挑戰。

分離器的入口是來自U型管束的汽液兩相流。流體以環狀或攪拌流為主要流型進入分離器內，經過螺旋葉片后，由軸向流動變為螺旋環狀流。在離心力作用下，液滴離心附著于分離筒內壁形成液膜，液膜在氣流的作用下向上沿壁面呈螺旋流動，液膜從疏水口流出，進入分離筒與外套筒間的環形通道以下降液膜狀流動形式從疏水阻擋環流出；分離筒軸心區水蒸汽夾帶少量水滴從出汽筒進入干燥器。

分離筒內蒸汽流中的液滴尺寸大小不一，滿足某規律分布（如正態分布，雙R分布），液滴在運動過程中受不等數量級的多達八種以上力的作用，并經歷液滴間的碰撞、液滴與液膜的碰撞等過程，這些碰撞會產生二次液滴、液滴聚并等現象，此外，液滴還受到氣相湍流擴散的影響；分離筒內壁形成的液膜，受到氣流的剪切應力和界面波、液滴碰撞等作用，一定條件下，液膜被撕裂并再次形成二次液滴被氣流攜帶；液滴與有液膜覆蓋壁面的相互作用過程主要存在四種不同的液滴行為：粘附、反彈、擴展和飛濺，其中，粘附和擴展還會造成液滴沉積。

正是因為液滴在汽相流中的復雜行為，目前并沒有一種精確的模型來描述這一行為。所以工程應用的汽水分離器都是通過模擬體設計、冷態試驗選型、熱態考核驗證的方式進行開發[3-5]。CFD計算的結果雖然不能直接用于工程設計，但是在模擬體設計的最初方案確定階段，掌握汽水分離器中某一結構變化對汽水分離器性能的變化趨勢，對汽水分離器的設計至關重要。計算流體力學CFD作為近代流體力學、數值數學和計算機科學相結合的產物，突破了求解非線形偏微分方程組的困難，使得計算流體力學的知識在兩相流領域中得到廣泛的應用，是目前掌握這種趨勢的唯一現實可行的方法。在冷態試驗之前，通過CFD計算對模擬件進行篩選，可以節約大量的試驗，并且提高試驗質量和效率。

本文通過對改進型汽水分離器進行數值分析，在保證分離效果的同時減小汽水分離器的尺寸，并降低汽水分離器的阻力，從而提高蒸汽發生器的緊湊型，并加強二次側的水循環。同時通過在相同的工況、邊界條件、計算假設下，對改進設計的汽水分離器分別進行數值計算，通過對計算結果的對比分析，把握不同形式的汽水分離器中的關鍵結構參數對汽水分離器性能的影響趨勢，為試驗模擬體的選擇提供一定的參考和依據。

1 計算模型

1.1 幾何模型

本文中汽水分離器的原型為核電廠工程使用的蒸汽發生器的汽水分離器，該汽水分離器具有成熟的工程使用經驗，見圖1。根據上升筒內徑變化，采用線性比例縮放的方法得到其他尺寸的值，縮比后的結構的尺寸見表1。

1.2 物理模型

在兩相流計算中，主要有歐拉法和拉格朗日法。歐拉模型是將混合物中的每一個相都看成是連續相，而且所有相占有同一空間，在控制體內假設每一相占有的體積大小用體積分數來表示每一相都各自的質量、動量、能量、標量傳輸方程，各相間通過相同的能量傳輸、動量傳輸、質量傳輸模型耦合，適用于各相都可以當做連續相的介質。拉格朗日法也被稱作粒子追蹤模型，認為在一個連續相中分散著若干不連續的顆粒，且顆粒不占連續相的體積，通過對每個顆粒積分其常微分方程求得顆粒的位置和速度，并且忽略顆粒周圍流場的細節，但是其不可能追蹤所有的粒子，因此比較適合顆粒比較少的情況。在汽水分離器中，由于液滴直徑不同，在流動過程中對液滴和蒸汽之間存在相互作用，而且液滴占據著相當一部分的空間和數量，因此歐拉兩相流模型更適合于模擬汽水分離器中的真實情況。

求解器采用CFX，入口設定為速度入口，給定空泡份額，出口采用壓力出口。汽水分離器入口條件見表2。

在計算設置中，液滴直徑的設定與計算結果有關。由于在汽水分離器真實環境下，液滴直徑也不是個固定值，是呈某種規律的分布。由于本文的目的在于比較幾種類型汽水分離器的性能，并不是計算汽水分離器的絕對性能。因此假設一個液滴直徑，幾種類型汽水分離器都在一種工況下計算，得出的數據就有可比性。本次計算設定液滴直徑為0.2mm。

在CFX中的湍動模型中，由于k-？著模型是針對湍流發展很充分的湍流流動建立的，它只適用于高Re數的湍流計算。在靠近壁面區，Re數較低，常采用壁面函數法，將壁面值同相鄰控制體積的節點變量值聯系起來。k-？著模型對來流參數敏感，但在壁面處穩定性比較好。SST模型在近壁面采用k-？著模型，在主流區采用k-？著模型，結合了二者的優勢，因此湍流選用SST模型。

由于原型汽水分離器具有成功的工程使用經驗，在同一種物理模型下，縮比后的模型計算結果與原型的計算結果進行了比較，即可得出縮比后的汽水分離器與原型汽水分離器之間的差別。

2 計算結果分析

基于以上模型和假設，計算結果見圖2。

從分離效率上看，上升筒內徑為360mm的汽水分離器分離效率最高。上升筒內徑為310mm的汽水分離器其分離效率略低于內徑為495mm汽水分離器。與內徑為495mm汽水分離器相比，新設計的汽水分離器壓降減小，分離效率并沒有發生不可接受的變化。造成分離效率有些差異的原因可能是因為內徑為495mm汽水分離器進行了優化選型，而新設計的汽水分離器只是采用線性縮比，各結構的參數的組合不是一個最優方案。

從流動阻力上看，隨著上升筒直徑增大，流動阻力呈增大趨勢。阻力增大的原因可以解釋為隨著上升筒直徑的增大，汽水分離器的高度增加，蒸汽流動路徑的變長造成的。

從圖3、圖4、圖5中對比中可以看出，兩種新設計的汽水分離器與原型汽水分離器相比，分離器中的汽液分布并沒有明顯的差別，與蒸汽發生器中常規使用的汽水分離器比較，小筒徑的汽水分離器，其壓降變化值不超過原型的7.5%，蒸汽出口干度變化值不超過1%，這種差別對于數值計算來說，并不能作為某種結構優劣的判斷依據。可以認為，在同樣的蒸汽負荷下，通過結構優化，小筒徑的汽水分離器同樣可以達到較高的分離效率和較小的阻力，可以滿足蒸汽發生器的使用要求。

3 結論

通過本文的計算可以看出，汽水分離器的分離效率和流動阻力與上升筒內徑、葉片升角、葉片高度以及汽液兩相的脫開高度有關，掌握這種聯系也是汽水分離器研發中的關鍵技術。

小筒徑的汽水分離器同樣可以得到高的分離效率和小的壓降。從目前國外汽水分離器設計的發展歷程來看，小型化、標準化已經成為一種趨勢。利用小型化的汽水分離器可以在相同的截面內增加蒸汽的流通面積，從而減小單個汽水分離器的負荷，進而提高蒸汽發生器的總體性能。這一點在蒸汽發生器的負荷越來越大的情況下優勢尤為明顯。由于汽液兩相運動的復雜性，目前沒有精確的數學物理模型能夠準確的模擬汽水分離行為，因此，一種新型號的汽水分離器的性能需進行熱態試驗驗證，采用小筒徑的汽水分離器的另一個好處是，因為單個汽水分離器負荷不大，可以做全尺寸的熱態試驗，這樣就可以避免縮比試驗件數據外推帶來的風險。本文的研究可以為試驗研究的模擬件設計提供依據。

【參考文獻】

[1]陳軍亮，程慧平，等.百萬千瓦級壓水堆核電廠蒸汽發生器干燥器冷態試驗研究[J].核動力工程，2006，27（2）：72-77.

[2]孫福泰，呂襄波，等.蒸汽發生器的旋葉分離器性能研究[J].核科學與工程，1995，15（3）：213-219.

[3]陳杏根，沈長發，等.秦山核電廠蒸汽發生器用一、二次分離器在空氣—水試驗臺上的選型試驗[J].核動力工程，1989，10（2）：6-12.

[4]丁訓慎，崔保元.立式蒸汽發生器汽水分離裝置的試驗研究[J].中國核科技報告，1989：1-11.

[5]陳軍亮，薛運奎，等.百萬千瓦級壓水堆核電廠蒸汽發生器汽水分離裝置熱態驗證試驗[J].核動力工程，2006，6（3）：61-66.

[責任編輯：田吉捷]