CPR1000蒸汽發(fā)生器二次側三維穩(wěn)態(tài)熱工水力分析

莫少嘉，盛朝陽，任紅兵，秦加明，左超平

(1.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172；2.環(huán)境保護部 核與輻射安全中心，北京 100082)

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CPR1000蒸汽發(fā)生器二次側三維穩(wěn)態(tài)熱工水力分析

莫少嘉1，盛朝陽2,*，任紅兵1，秦加明1，左超平1

(1.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172；2.環(huán)境保護部 核與輻射安全中心，北京 100082)

采用三維穩(wěn)態(tài)分析軟件GENEPI，對CPR1000蒸汽發(fā)生器二次側管束區(qū)進行了熱工水力計算，利用多孔介質及局部阻力系數(shù)來表征傳熱管及各幾何部件的復雜結構和壓降影響，得到了二次側管束區(qū)流場、溫度場等的分布情況。計算結果表明：管束區(qū)最大干度為0.3；將典型傳熱管的動能數(shù)據(jù)提供給流致振動軟件進行計算分析，結果顯示在本工況下，傳熱管的流致振動在可接受范圍內(nèi)；對管板附近的流場及溫度場進行分析，預測了此模型及工況下的泥渣沉積區(qū)域，為排污管的設計提供了輸入數(shù)據(jù)。計算結果驗證了CPR1000蒸汽發(fā)生器二次側管束區(qū)設計的合理性。

蒸汽發(fā)生器；三維；熱工水力；GENEPI

蒸汽發(fā)生器的主要功能是作為熱交換設備將一回路冷卻劑中的熱量傳遞給二回路的水，產(chǎn)生飽和蒸汽供給二回路動力裝置[1]。

蒸汽發(fā)生器管束區(qū)包含傳熱管、流量分配板、管支撐板、防振條等結構部件，換熱狀態(tài)有一二次側耦合換熱、單相流體強迫對流換熱、兩相流沸騰換熱等，流動狀態(tài)十分復雜，其熱工水力參數(shù)，如密度、速度分布對傳熱管的流致振動有重要影響，因此，蒸汽發(fā)生器二次側熱工水力分析是蒸汽發(fā)生器設計的關鍵環(huán)節(jié)。受限于管束區(qū)結構的復雜性，一般商業(yè)CFD軟件模擬面臨模型建立困難、計算方法缺少實驗及工程數(shù)據(jù)支撐、計算準確性無法保證的難題。因此，需采用經(jīng)過試驗驗證、簡化方法合理、計算準確性高的專業(yè)軟件進行三維模擬。當前具備蒸汽發(fā)生器管束區(qū)三維穩(wěn)態(tài)計算能力的專用軟件主要有法國原子能委員會(CEA)和AREVA公司合作開發(fā)的GENEPI[2]及美國電力研究協(xié)會(EPRI)開發(fā)的ATHOS軟件[3]。

本文采用GENEPI軟件對CPR1000蒸汽發(fā)生器管束區(qū)進行三維穩(wěn)態(tài)熱工水力計算，旨為得到二次側管束區(qū)流場、溫度場等的分布情況，并通過提取沿典型傳熱管間隙的流體動能分布數(shù)據(jù)，為管束流致振動分析提供輸入。此外，通過對管板附近流場進行分析，預測管板二次側表面泥渣沉淀區(qū)域。

1 軟件介紹及計算區(qū)域

GENEPI軟件采用有限元方法，求解3個方向的質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，以及描述壓降和傳熱的方程等。

計算的區(qū)域為蒸汽發(fā)生器管束區(qū)，如圖1所示。為減少計算量，只對1/2管束區(qū)內(nèi)的結構部件進行建模。首先，采用前處理軟件以一維方式繪制出傳熱管，并繪制出計算區(qū)域其他幾何部件(流量分配板、管支撐板、防振條、管廊阻擋塊和排污管等)的二維網(wǎng)格(圖2)。然后，繪制出圖3所示六面體網(wǎng)格模型(網(wǎng)格數(shù)為102 340)進行計算。最后，將單元體積內(nèi)傳熱管占據(jù)流體域的信息以孔隙率方式表示，并將孔隙率信息賦予對應位置的體網(wǎng)格，在控制方程中加入孔隙率進行計算，將阻力元件的位置信息對應到相應的體網(wǎng)格中，并在計算中采用阻力系數(shù)公式或經(jīng)驗系數(shù)計算其局部阻力[4]。模型的計算邊界如下。

圖1 模型區(qū)域及結構部件Fig.1 Model region and structural assembly

圖2 計算區(qū)域內(nèi)的幾何部件Fig.2 Geometrical assembly in calculation region

1) 管束底部的流體入口，位于套筒底部與管板上表面之間，為質量流速邊界條件。根據(jù)運行經(jīng)驗，二次側給水經(jīng)套筒底部與管板上表面缺口折流進入管束區(qū)時，冷熱側的流量分配比約為1∶1，所以本計算中假定冷熱側入口流量一致。此外，根據(jù)AREVA的模擬實驗，管束入口(套筒底部)軸向方向截面質量流量分布為三角形(圖4)。

圖3 網(wǎng)格及邊界條件Fig.3 Mesh and boundary condition

圖4 管束區(qū)入口軸向流量分布Fig.4 Axial flowrate distribution of inlet

2) 管束套筒頂部，為壓力出口邊界條件。

3) 管板二次側表面及管束套筒的內(nèi)壁面，為壁面邊界條件。

計算完畢后，得到出口流量、干度、一次側出口溫度等數(shù)據(jù)，對輸出數(shù)據(jù)進行校驗，保證計算的循環(huán)倍率達到預期，以確保計算的準確性。

2 計算輸入?yún)?shù)

計算工況為某CPR1000電站滿功率熱工流量條件下壽期末工況。所需熱工參數(shù)由一維穩(wěn)態(tài)熱工水力軟件[5]計算得到，主要包括一次側流體進口質量流量及溫度、二次側流體進口質量流量及焓、各結構部件的阻力系數(shù)等。

3 計算結果及分析

3.1 管束區(qū)干度分析

干度是管束區(qū)熱工水力分析的重要參數(shù)之一，管束區(qū)干度過高容易引起局部蒸干，影響換熱效率及運行的安全性。圖5為距蒸汽發(fā)生器中心y=5 cm處豎直平面(xz面)的干度分布?？煽闯?，由于熱側的加熱功率較冷側高，所以熱側的干度升高得較快，冷側則升高得較慢。在熱側靠近出口防振條處的位置，干度最高，數(shù)值約為0.3。

圖5 縱截面干度分布Fig.5 Quality distribution at vertical section

3.2 流場速度分析

圖6為與管廊垂直的豎直平面上混合物的速度矢量分布。由圖6可明顯看出，由于進口方向為橫向以及流量分配板的存在，使流體流動方向主要為橫向流且速度較高，如圖7所示。而在彎管區(qū)，受V字形防振條組件以及U形彎管的影響，流動方向在此處也主要為橫向流，這兩處位置均為傳熱管流致振動分析中需重點關注的區(qū)域。

圖6 縱截面二次側速度矢量分布Fig.6 Velocity vector distribution at vertical section

3.3 用于振動分析的熱工水力數(shù)據(jù)

1) 振動分析傳熱管選擇

3.2節(jié)中提到，在防振條位置，由于流動方向的改變，容易使傳熱管發(fā)生流致振動。所以計算中對最可能出現(xiàn)不穩(wěn)定性的幾根傳熱管進行分析，包括最大彎曲半徑的傳熱管以及由3組防振條支撐的傳熱管中最大的幾根管，如圖8所示。首先，確定待分析傳熱管在管板的位置；然后，提取沿該傳熱管各節(jié)點的速度、密度等熱工水力參數(shù)。

圖7 流量分配板位置橫截面速度分布Fig.7 Velocity distribution at horizontal cross section of flowrate distribution plate

圖8 振動分析傳熱管位置示意圖Fig.8 Location schematic of tubes for analysis

本文分析提取了上述位置垂直于傳熱管的流速(橫向速度)和密度分布，計算得到了橫向動能數(shù)據(jù)，并將各動能數(shù)據(jù)與最大動能數(shù)值進行比值計算，得到了沿傳熱管彎管區(qū)歸一化動能的數(shù)據(jù)分布。

2) 振動分析的數(shù)據(jù)

圖9為C1、C10、C21和C53排內(nèi)外側傳熱管在彎管區(qū)的歸一化動能曲線，圖中曲線波谷的數(shù)目與該傳熱管和振條接觸點的數(shù)目相對應，角度與圖8相對應，冷熱側以90 ℃為界。

從圖9可看出，沿著傳熱管彎管段，橫向動能變化劇烈，可能導致傳熱管發(fā)生流彈失穩(wěn)，因此采用Connors模型[6]進行流彈不穩(wěn)定性分析，此模型中，建立在準靜態(tài)力基礎上的臨界速度Ucn和有效激勵速度Un表達式為：

(1)

(2)

式中：β為Connors系數(shù)；fn為頻率；D為管徑；ξn為阻尼比；φn為模態(tài)；m為質量；ρ為密度；v為二次側速度。

圖9 C1、C10、C21和C53排傳熱管彎管段歸一化動能曲線Fig.9 Unitary energy profile of tubes in U-bend region of row C1, C10, C21 and C53

工程上將有效激勵速度與臨界流速的比值稱為流彈不穩(wěn)定率，當流彈不穩(wěn)定率小于1時認為管束是穩(wěn)定的，核工業(yè)為保守起見，一般把比值0.75作為判斷管束是否發(fā)生流彈失穩(wěn)的標準。

提取的數(shù)據(jù)經(jīng)流致振動軟件分析，流彈不穩(wěn)定率最大值均遠低于臨界值0.75。由此可知，本結構在此工況下，傳熱管的流彈不穩(wěn)定特性滿足安全要求，流致振動在可接受范圍內(nèi)。

3.4 管板上表面泥渣沉積區(qū)預測

在傳熱管制造及與管板焊接過程中，需通過拉拔、液壓漲管、焊接等工序，使得傳熱管端部具有一定的殘余應力。在管板區(qū)域，由于流速較低，加上二次側水不斷蒸發(fā)，水中的雜質會濃縮積聚在管板上，在傳熱管端部可能產(chǎn)生應力腐蝕[1]?？商崛」馨甯浇牧黧w密度、黏度等數(shù)據(jù)，來計算流體橫向沉積速度Ulimit，即：

(3)

式中：ζ、a和b為經(jīng)驗系數(shù)；vt為軸向沉積速度，采用Stocks公式計算，vt=(ρp-ρf)D2g/18Wf，Wf為流體黏度，D為顆粒直徑，ρp為顆粒密度，ρf為流體密度；ReNL為以軸向沉積速度和顆粒直徑計算的雷諾數(shù)；F為摩擦因子。

以管板附近飽和流體橫向沉積速度較小的區(qū)域判定為泥渣沉積區(qū)，通過分析判定，靠近管板熱側中心位置易出現(xiàn)泥渣沉積現(xiàn)象。在此模型及工況下，泥渣沉區(qū)域對應的傳熱管數(shù)目為27根，位置如圖10所示。

圖10 泥渣沉積區(qū)示意圖Fig.10 Schematic of fouling deposit resign

上述計算及分析，為排污管的位置及管孔大小、數(shù)量的設計提供了設計依據(jù)。

4 結論

采用GENEPI軟件，實現(xiàn)了對蒸汽發(fā)生器二次側三維流場和溫度場的模擬，達到對蒸汽發(fā)生器管束區(qū)進行詳細換熱分析的目的。

通過計算分析，管束區(qū)最大干度為0.3；流場分析顯示，在進口處及彎管區(qū)，流動方向主要為橫向流，為傳熱管流致振動分析中需重點關注的區(qū)域；計算結果經(jīng)流致振動軟件分析，結果顯示在本工況下，傳熱管的流彈不穩(wěn)定特性滿足安全要求，流致振動在可接受范圍內(nèi)；對管板附近的流場及溫度場進行分析，預測在此模型及工況下，泥渣沉積區(qū)域對應的管數(shù)目為位于熱側中心位置的27根，為排污管的設計提供了設計依據(jù)。計算結果驗證了CPR1000蒸汽發(fā)生器二次側管束區(qū)設計的合理性。

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Three-dimensional Steady State Thermal-hydraulic Analysis of Secondary Side for CPR1000 Steam Generator

MO Shao-jia1, SHENG Zhao-yang2,*, REN Hong-bing1, QIN Jia-ming1, ZUO Chao-ping1

(1.ChinaNuclearPowerDesignCo.,Ltd.(Shenzhen),Shenzhen518172,China;2.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100082,China)

A three-dimensional steady state analysis software GENEPI was used to do the thermal-hydraulic analysis of tube bundle region for secondary side of CPR1000 steam generator. The porous medium model and local pressure-drop model were used in GENEPI to represent the tubes and pressure-drop of the complex geometry. The flow and temperature fields of the tube bundle in secondary side were analyzed and the highest steam quality in the tube bundle is 0.3. The kinetic energy of typical tubes was acquired by a computer code as the input for the flow-induced vibration analysis. The result shows that the flow-induced vibration in heat transfer tubes is acceptable. At the same time, the flow and temperature fields near the tube sheet were analyzed and the fouling deposit region was predicted based on such a model and working condition. The result can be used as the input for the design of draining pipe. The calculation results verify the rationality for the design of the CPR1000 steam generator secondary side tube bundle region.

steam generator; three-dimension; thermal-hydraulics; GENEPI

2014-03-25;

2014-05-12

莫少嘉(1985—)，女，廣東汕頭人，工程師，碩士，動力工程及工程熱物理專業(yè)

*通信作者：盛朝陽，E-mail: shzhy1001@sina.com

TL33

A

1000-6931(2015)07-1227-05

10.7538/yzk.2015.49.07.1227