蒸汽發生器下降通道分隔板對流場的影響分析

余平 吳舸

（中國核動力研究設計院，四川 成都610213）

0 引言

國內目前在役核電廠大多數為M310改進型核電機組，采用了55/19B型蒸汽發生器。該蒸汽發生器給水通過給水接管進入給水環，再通過給水環上的J形管進入下筒體與管束套筒之間的環形下降通道。給水環上設置36只J形管，采用非對稱布置，這種設計使約3/4的給水進入熱側（冷卻劑入口側），1/4的給水進入冷側（冷卻劑出口側）。另外，在下降通道上設置縱向分隔板，將下降通道內冷、熱側給水分隔開。而秦山二期核電站使用的60F型蒸汽發生器以及三門核電站使用的△125型蒸汽發生器采用均勻給水方式（冷、熱側給水流量相同），且在下降通道上未設置縱向分隔板。此前，李向賓等[1]人分析了不同給水方式對二次側下降段流場特性的影響，其分析對象為AP1000及某300MW核電站蒸汽發生器，下降通道未設置分隔板。針對分隔板對下降通道流場特性的影響分析尚未見報道，因此，需要開展進一步的深入研究。另外，目前工程上進行蒸汽發生器二次側上升通道流場分析時通常忽略了下降通道的影響，認為下降通道出口條件與入口條件相同，該假設是否適合也需要進一步研究。

本文針對55/19B型蒸汽發生器二次側下降通道的流場特性進行了分析，同時研究了取消下降通道分隔板后對流體流動及傳熱過程的影響。

1 計算模型

采用商用CFD軟件CFX 15.0對55/19B型蒸汽發生器給水與再循環水在下降通道內的混合過程進行了仿真計算。計算區域的幾何模型如圖1所示，根據蒸汽發生器結構的近似對稱性，計算區域簡化為真實模型的1/2，其包括了從蒸汽發生器二次側水位線以下一水平平面開始一直延伸到下降通道出口位置的流體區域。計算區域的網格由3 420 765個四面體網格、824 400個六面體網格，1 049 995個楔形邊界層網格以及少量過渡區的金字塔網格構成。

圖1 計算區域幾何模型

根據蒸汽發生器上部流體區域的幾何結構和流動特點，整個計算區域中設置了4個流體入口，其中，溫度較低的給水從給水環J形管入口按冷熱側1:4的方式給入，20%的再循環水從干燥器疏水管給入，75%的再循環水從汽水分離器疏水管給入，剩下的5%再循環水從整個計算區域的頂面進入。進入計算區域后，溫度較低的給水和高溫的再循環水經過混合后流入下降通道。在下降通道內，由于縱向分隔板的存在，混合后的流體分別從兩個出口流出。不考慮計算區域流體與外界的換熱，所有壁面均按照絕熱邊界條件處理。湍流模型采用二方程的κ-ε模型（k是紊流脈動動能（J），ε是紊流脈動動能的耗散率(%））。計算區域的詳細邊界條件設計如表1所示。流體物性按照蒸汽發生器100%功率工況下的二次側流體參數（過冷的給水和飽和狀態下的再循環水）進行設置。

表1 邊界條件

2 計算結果及分析

2.1 下降通道溫度分布

圖2中給出了計算區域中對稱面上的溫度分布，可以看出，冷熱側下降通道內存在顯著的溫度差異，這是非均勻分配的冷熱側給水所致。

圖2 對稱面溫度分布

2.2 下降通道出口溫度分布

圖3為帶分隔板的下降通道出口截面溫度分布，圖4為不帶分隔板的下降通道出口截面溫度分布。

圖3 下降通道出口截面溫度分布（帶分隔板）

圖4 下降通道出口截面溫度分布（不帶分隔板）

通過對比可以看出，分隔板的存在對截面上的溫度分布影響非常小 （包括最大值、最小值和總體趨勢）。其中，在帶分隔板的下降通道中，該截面上最高溫度537 K，最低溫度為523.9 K。對于不帶分隔板的結構，下降通道出口截面最高溫度537.3 K，截面最低溫度524.1 K。由此說明，分隔板結構造成的差異幾乎可以忽略不計。另外，也可以看出，溫度最高的區域出現在熱側遠端，總的趨勢為向冷側逐漸降低。但是，最低溫區域并不是在冷側遠端，而是出現在冷側中部。產生這種現象的原因是，給水環上J形管的數量設置為熱側遠大于冷側，流入熱側下降通道的給水流量較大。

2.3 下降通道入口溫度分布

圖5為帶分隔板的下降通道入口截面溫度分布，圖6為不帶分隔板的下降通道入口截面溫度分布。

圖5 下降通道入口截面溫度分布（帶分隔板）

圖6 下降通道入口截面溫度分布（不帶分隔板）

可以看出，分布趨勢分別與圖3和圖4中的出口截面類似。這說明，給水和再循環水在蒸汽發生器上部空間中已經基本完成了冷熱流體混合。

圖7和圖8中給出了合成的橫向流速，在下降通道入口截面位置，流速最大約為0.7 m/s，流體到達中部截面附近時，最大橫向流速降低到約0.1 m/s，說明在下降通道內不存在強烈的橫向流動。

圖7 下降通道入口截面橫向流速分布（不帶分隔板）

圖8 下降通道中部截面橫向流速分布（不帶分隔板）

3 結論

采用二方程的κ-ε湍流模型，分析了55/19B型蒸汽發生器二次側下降通道內的流場特性，同時對比分析了取消下降通道分隔板對流場的影響，所得結論如下：

（1）給水和再循環水在蒸汽發生器上部空間中基本完成了冷熱流體混合。

（2）給水和再循環水在下降通道內不存在強烈的橫向流動。

（3）分隔板的設置對下降通道截面上的溫度分布影響非常小。

本研究的結論說明，目前工程上進行蒸汽發生器二次側上升通道流場分析時假設下降通道出口條件與入口條件相同是合理的。同時，分隔板對下降通道流場的影響分析，可以為蒸汽發生器的設計提供參考依據。