蒸汽發(fā)生器蒸汽限流器設(shè)計(jì)改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證

孟 劍 徐金康 林紹萱 宋印璽

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電站的關(guān)鍵設(shè)備之一。蒸汽限流器是安裝在蒸汽發(fā)生器蒸汽出口管嘴中的一種裝置。它的作用是在發(fā)生蒸汽系統(tǒng)失壓事故時（如主蒸汽管道破裂或安全閥意外開啟），限制蒸汽發(fā)生器的蒸汽流量，以避免反應(yīng)堆大幅度超負(fù)荷，引起冷卻劑溫度降低，從而導(dǎo)致反應(yīng)性突然增加，并避免汽水混合物流速過高導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器內(nèi)件損壞和安全殼壓力快速上升。正常運(yùn)行時，由于蒸汽通過蒸汽限流器存在壓力損失，因此要求蒸汽限流器在正常運(yùn)行時壓力損失較小。蒸汽限流器一般由7個文丘里管組成[1?2]，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的蒸汽限流器結(jié)構(gòu)Fig.1 Traditional steam flow limiter.

1 設(shè)計(jì)改進(jìn)

蒸汽限流器的設(shè)計(jì)輸入為喉部總流通面積、蒸汽壓力和蒸汽流量。傳統(tǒng)7個文丘里管結(jié)構(gòu)的蒸汽限流器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是壓力損失較大。為了降低其壓力損失，根據(jù)蒸汽限流器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對傳統(tǒng)蒸汽限流器進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。改進(jìn)的目標(biāo)是降低蒸汽限流器的壓力損失。改進(jìn)后的蒸汽限流器由19個文丘里管組成，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 改進(jìn)后的蒸汽限流器Fig.2 Steam flow limiter after improvement.

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

蒸汽限流器的壓力損失可以通過測量蒸汽限流器前后的差壓來確定，見圖3。其中一個取壓口位于上游至少1D處，另一個在下游至少6D處（試驗(yàn)取10D）。試驗(yàn)時將試驗(yàn)介質(zhì)流過蒸汽限流器，通過改變試驗(yàn)介質(zhì)流量，測量不同流量下的差壓值。試驗(yàn)介質(zhì)應(yīng)盡量選擇與實(shí)際運(yùn)行情況相同的介質(zhì)。蒸汽限流器壓力損失試驗(yàn)選擇的試驗(yàn)介質(zhì)為飽和蒸汽（蒸汽濕度小于0.1%），蒸汽壓力為6.0 MPa(a)，蒸汽流量為 4?11.5 kg·s?1。

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的蒸汽限流器能夠降低壓力損失，設(shè)計(jì)了2個試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)件1由7個按比例縮小的文丘里管組成。試驗(yàn)件2由19個按比例縮小的文丘里管組成。試驗(yàn)件1的文丘里管的喉部總流通面積與試驗(yàn)件2相同。試驗(yàn)件的縮小比例按試驗(yàn)臺架管道內(nèi)徑與主蒸汽管道內(nèi)徑的比值確定。試驗(yàn)件1和試驗(yàn)件2的結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

試驗(yàn)測量的參數(shù)主要有蒸汽壓力、蒸汽溫度和試驗(yàn)件取壓口的差壓。蒸汽壓力測量管嘴、蒸汽溫度測量管嘴和上游差壓測量管嘴在試驗(yàn)件上，下游差壓測量管嘴在試驗(yàn)臺架管道上。

圖3 蒸汽限流器的壓力損失原理圖[1]Fig.3 Schematic drawing of steam flow limiter pressure loss.

圖4 試驗(yàn)件1(a)和2(b)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Diagram of test model 1 (a) and 2 (b).

2.2 試驗(yàn)臺架

蒸汽發(fā)生器蒸汽限流器壓力損失試驗(yàn)在國內(nèi)某研究所的蒸汽發(fā)生器綜合試驗(yàn)臺架上進(jìn)行。該試驗(yàn)臺架由一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)和各種輔助系統(tǒng)組成。在一回路系統(tǒng)中，以燃油熱水鍋爐代替反應(yīng)堆，蒸汽發(fā)生器模擬體是連接一、二回路的樞紐。二回路系統(tǒng)是一個由減溫減壓裝置、冷凝器、給水泵等構(gòu)成的汽水循環(huán)回路。蒸汽發(fā)生器模擬體是提供飽和蒸汽的供汽換熱器，二回路連接一個汽水分離試驗(yàn)回路，蒸汽限流器試驗(yàn)件安裝在汽水分離試驗(yàn)本體出口管道上。蒸汽限流器壓力損失試驗(yàn)所需的蒸汽由蒸汽發(fā)生器模擬體產(chǎn)生，通過汽水分離試驗(yàn)本體后滿足濕度要求。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果為：不同試驗(yàn)介質(zhì)流量下，試驗(yàn)件 1的壓力損失為 3?24 kPa，試驗(yàn)件 2的壓力損失為5?42 kPa。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并按式(1)計(jì)算壓力損失系數(shù)[3]。計(jì)算后得到試驗(yàn)件1的壓力損失系數(shù)K1=6.9，試驗(yàn)件2的壓力損失系數(shù)K2=4.4。試驗(yàn)件2的壓力損失系數(shù)比試驗(yàn)件1小36%左右。

式中，K為壓力損失系數(shù)，無量綱；Ploss為試驗(yàn)件壓力損失，Pa；ρ為試驗(yàn)介質(zhì)密度，kg·m?3；u為試驗(yàn)介質(zhì)速度，m·s?1。

3 驗(yàn)證計(jì)算方法

蒸汽限流器進(jìn)口壓力損失和出口壓力損失的計(jì)算方法見式(2)[3]：

式中，Ploss為局部壓力損失，Pa；ζ為局部壓力損失系數(shù)，無量綱；ρ為流體密度，kg·m?3；u為流體速度，m·s?1。

文丘里管壓力損失計(jì)算較復(fù)雜，先根據(jù)式(3)計(jì)算?p，然后根據(jù)式(4)計(jì)算壓力損失[4?5]。

式中，qm為質(zhì)量流量，kg·s?1；C為流出系數(shù)，無量綱；β為文丘里管喉部直徑與入口直徑的比值，無量綱；ε為膨脹系數(shù)，無量綱；d為文丘里喉部直徑，m；?p為差壓，Pa；ρ1為蒸汽密度，kg·m?3。

式中，ξ為相對壓力損失（壓力損失與差壓之比）。

蒸汽限流器的總壓力損失為進(jìn)口壓力損失，文丘里管壓力損失和出口壓力損失之和。根據(jù)試驗(yàn)件1和試驗(yàn)件2的結(jié)構(gòu)尺寸和試驗(yàn)流量，由式(4)計(jì)算總壓力損失，并和試驗(yàn)值相比較，結(jié)果是計(jì)算值和試驗(yàn)值較吻合。試驗(yàn)件1的壓力損失的計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差為13%左右，試驗(yàn)件2壓力損失的計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差為8%左右。試驗(yàn)件1和試驗(yàn)件2壓力損失的計(jì)算值見表1。計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較見圖5。

表1 試驗(yàn)件1和2壓力損失計(jì)算值Table 1 Calculated values of pressure loss of test model 1 and 2.

圖5 試驗(yàn)件1(a)和2(b)壓力損失計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.5 Comparison of calculated values with testing values of test model 1 (a) and 2 (b) pressure loss.

4 結(jié)語

本文介紹了壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器蒸汽限流器的一種改進(jìn)設(shè)計(jì)。在保持相同喉部總流通面積的條件下，通過試驗(yàn)證明了以下結(jié)論：

(1) 相同介質(zhì)流量下，改進(jìn)后的19個文丘里管的蒸汽限流器結(jié)構(gòu)的壓力損失比傳統(tǒng)7個文丘里管的蒸汽限流器結(jié)構(gòu)小36%左右；

(2) 驗(yàn)證了蒸汽限流器的壓力損失計(jì)算方法。

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