一種疏水孔板壓降特性試驗及數值模擬研究

孟履巔,張志超,顏永豐,徐培星,倪 焱,呂 康,劉茂龍

1.上海核能裝備測試驗證中心有限公司,上海 201412 2.上海核工程研究設計院股份有限公司,上海 200233 3.江陰市節流裝置廠有限公司,江蘇 江陰 214405 4.上海交通大學核科學與工程學院,上海 200240

0 引言

2006年我國引進美國西屋公司開發的AP1000第3代核電技術,于2018年分別在三門和海陽投入商業運行。AP/CAP系列核電機組是在引進消化吸收AP1000的基礎實現自主化的第3代核電機組[1]。AP/CAP系列核電機組中有3種參數的特殊孔板:核級蒸汽發生器系統主蒸汽管線疏水孔板、非核級先導式安全閥排放管線疏水孔板與非核級主蒸汽安全閥排放管線疏水孔板[2]。國內核電機組使用的該類型孔板全部依賴美國進口。

本文研究的PY41型柱塞式孔板是依托國家核電重大專項課題“可用于CAP1400的柱塞式孔板研制”(2019ZX06002016)進行自主研發并具有獨立知識產權的新型孔板,主要功能是作為疏水通道排除大氣釋放閥排放管線中積累的凝結水,在大氣釋放閥排放期間降低蒸汽壓力和限制進入疏水管線的蒸汽流量。進出口壓降是表征孔板性能的重要指標。傳統限流孔板的壓降依據HG/T 20570.15—95《管路限流孔板的設置》[3]計算。國內不同的核電廠采用不同的計算方法[4]。嶺澳一期采用ISO 5167-1—1991和Idel’cik公式計算和經驗公式計算。鑒于柱塞式孔板的結構形式有別于傳統孔板,以上采用的計算公式不適用于柱塞式孔板,國內外也無針對柱塞式孔板的經驗公式。目前,只能依靠模擬和試驗研究的方式測量柱塞式孔板的真實壓降。本文對PY41型柱塞式孔板的水力性能開展冷態工況和熱態工況的試驗驗證工作,并開展冷態工況條件下的數值模擬。通過試驗和模擬的方法驗證了自主研發的新型柱塞式孔板的冷態和熱態壓降性能。

1 試驗系統

1.1 試驗回路

試驗在上海核能裝備測試驗證中心有限公司的高溫高壓試驗回路上進行。如圖1所示,去離子水通過2臺柱塞泵加壓后進入試驗段。試驗系統最大壓力為30.0 MPa、最大流量為12 t/h、最高溫度550 ℃。主路經過2個流量調節器、入口質量流量計、回熱器加熱及預熱器后進入試驗段。試驗段出口與旁通匯同后返流至回熱器。試驗中,系統壓力通過出口調壓閥調節控制。

圖1 試驗回路

PY41型柱塞式孔板性能測試的測量方案包括:用2只文丘里流量計進行流量測量;孔板進出口安裝N型熱電偶測量溫度;孔板進出口安裝量程為0～10 MPa的壓力表測量壓力;采用2只不同量程的壓差表測量進出口壓降。

1.2 柱塞式孔板結構

PY41型柱塞式孔板的結構如圖2所示,其包含4個主要部件,分別為殼體、調節套、孔板和壓蓋。圖中還標示了該孔板的主要部件以及水、蒸汽在其內部的流動路徑。圓柱孔板周向分布了4個小孔,這些小孔通往圓柱孔板的中間盲孔。

圖2 PY41孔板結構

1.3 試驗工況

本文開展PY41型柱塞式孔板冷態和熱態工況的試驗,驗證其在冷態與熱態條件下的壓降性能,判斷是否滿足設計要求。表1列出了設計值,也是本試驗的工況。

表1 設計值(試驗工況)

1.4 試驗流程

試驗包括以下2個階段。

1)冷態試驗:將去離子水注入孔板,通過調節背壓閥以達到試驗工況所需流量,記錄下孔板進出口壓降。

2)熱態試驗:調節加熱器功率使去離子水升溫,并通過調節背壓閥達到試驗工況所需的流量和溫度,記錄下進出口壓降。

2 試驗結果

冷態和熱態工況下的設計值和試驗結果見表2。冷態工況和熱態工況下的試驗結果和設計要求對比分別見圖3和圖4。冷態與熱態試驗結果與設計要求偏差均小于1%,滿足設計要求。

圖3 冷態結果和設計要求

結果表明:冷態與熱態工況下的性能存在對應關系。冷態試驗達到設計要求時,熱態試驗數據也能滿足設計要求。

3 數值模擬

3.1 計算模型

使用軟件ANSYS Fluent 2021開展數值模擬計算?？装宓臄抵的M模型見圖5。本研究忽略孔板固體結構的散熱與應力變化,只建立流動通道模型。計算入口和出口之間壓降作為孔板總壓降。

圖5 數值計算模型

3.2 網格劃分

基于孔板的數值計算三維模型劃分網格,對重點區域進行網格加密,并對壁面采用邊界層加密,網格質量在0.25以上滿足計算要求。

3.3 網格無關性驗證

對孔板冷態工況開展網格敏感性分析計算。經過試算,網格數達799萬時壓降計算值已收斂,與試驗值偏差-2.94%,繼續增加網格數對結果不產生影響。

3.4 邊界條件及模型求解

計算模型的邊界條件包括入口流量、出口表壓和流體物性。表3列出了孔板計算邊界條件。

表3 邊界條件

分別使用5種不同湍流模型,結合Zwart-Gerber-Belamri空化模型開展分析計算。與試驗值對比表明k-ε RNG湍流模型計算壓降和試驗值的誤差為-2.94%。本研究在后續計算中使用k-ε RNG湍流模型。

3.5 數值模擬結果

在設計流量下孔板進出口壓降參數是表征性能的最重要指標。通過數值模擬在流量為0.026 m3/h條件下進出口壓降計算結果為15.52 kPa。

表4列出了冷態工況設計要求、模擬結果和試驗結果數據。結果表明,模擬計算與試驗結果偏差為3.1%。模擬計算可以準確預測冷態條件下PY41型柱塞式孔板的壓降性能。

表4 模擬及試驗結果

4 結論

本文開展了PY41型柱塞式孔板熱工水力性能試驗研究,主要結論如下。

1)冷態工況下,PY41柱塞式孔板的數值模擬計算數據與試驗數據吻合。結合使用k-ε RNG湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型可以準確預測柱塞式孔板的冷態性能。

2)PY41柱塞式孔板冷態工況下的性能參數與熱態工況下的性能參數存在對應關系。PY41柱塞式孔板只要達到冷態工況的設計要求,同時也會滿足熱態設計要求。