梅 勇 王 馳 宋印璽 應(yīng)秉斌 張波濤 龔圣捷 顧漢洋

1（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240）

2（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

CAP1400蒸汽發(fā)生器干燥器疏水槽實(shí)驗(yàn)研究

梅 勇1王 馳1宋印璽2應(yīng)秉斌2張波濤1龔圣捷1顧漢洋1

1（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240）

2（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

采用常溫常壓的空氣和水，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究了核電站CAP1400機(jī)組蒸汽發(fā)生器中疏水槽的疏水特性。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了不同傾角的疏水槽底板(3.5°-5°)，并設(shè)置了不同的疏水入水孔數(shù)(36-136個(gè))，通過(guò)控制進(jìn)入疏水槽的疏水流量(13.8-138.1 m3.h-1)，研究不同底板傾角以及不同疏水入水孔數(shù)對(duì)疏水槽的疏水能力的影響。采用攝像儀對(duì)不同工況下疏水槽的水位進(jìn)行記錄，通過(guò)MATLAB圖像處理的方法對(duì)疏水槽水位進(jìn)行識(shí)別，提取出水位高度數(shù)據(jù)用于實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，疏水槽中最大液位高度隨流量呈線性升高；疏水槽入水孔數(shù)量對(duì)于疏水槽內(nèi)最大液位高度的影響不明顯；疏水槽底面傾角對(duì)于疏水能力的影響較小。

蒸汽發(fā)生器，疏水槽，液位高度，MATLAB圖像處理

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠一回路和二回路熱量傳遞的樞紐，為在二回路側(cè)獲得濕度低于0.25%的出口飽和蒸汽，采用旋流葉片式分離器進(jìn)行第一級(jí)汽液分離，采用波形板干燥器進(jìn)行第二級(jí)汽液分離。經(jīng)波形板干燥器分離出的水被收集在疏水槽中，再通過(guò)疏水管回流，重新參與循環(huán)。疏水槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足：(1) 收集的水不能溢出疏水槽，以避免水滴的二次攜帶，使出口蒸汽的濕度低于0.25%；(2) 其尺寸應(yīng)該盡可能的緊湊，這直接關(guān)系到整個(gè)蒸汽發(fā)生器的安全性和經(jīng)濟(jì)性?？梢?jiàn)，疏水槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)于蒸汽發(fā)生器的性能具有重要的意義[1-3]。目前，針對(duì)汽水分離器性能和原理的研究很多，主要是以實(shí)驗(yàn)為主，通過(guò)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式的汽水分離器研究其分離效率，對(duì)汽水分離器進(jìn)行設(shè)計(jì)。丁慎訓(xùn)等[4]通過(guò)旋葉式汽水分離器的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)其疏水結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在疏水通道入水口處開(kāi)疏水孔，并合理設(shè)置孔數(shù)量有利于汽水分離，同時(shí)疏水槽水位不應(yīng)高于汽水分離器出口水位。沈長(zhǎng)發(fā)等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)秦山核電廠蒸汽發(fā)生器汽水分離裝置進(jìn)行研制，設(shè)計(jì)出具有較高的除濕能力雙層布置帶鉤波形板干燥器具。國(guó)外對(duì)汽水分離器的研究也很多，大多數(shù)都是針對(duì)波形板汽水分離機(jī)理和過(guò)程的研究，如Azzopardi等[6]研究了在氣流水平進(jìn)入分離器波形通道的情況下液滴發(fā)生再夾帶的機(jī)制，Verlaan[7]研究了液滴顆粒直徑在 20-90 μm內(nèi)的分離效率。但是，目前對(duì)于蒸汽發(fā)生器疏水槽的研究還相當(dāng)有限，特別是對(duì)于疏水槽內(nèi)水位高度的分析計(jì)算研究還不充分。

為保證我國(guó)自主研發(fā)的大型核電機(jī)組CAP1400的蒸汽發(fā)生器研發(fā)的順利進(jìn)行，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，研究了該型號(hào)反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器疏水槽在各種不同條件下，疏水槽內(nèi)水位高度的變化情況，從而檢驗(yàn)疏水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，并為建立合理的計(jì)算模型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1實(shí)驗(yàn)回路

汽水分離器位于蒸汽發(fā)生器的上部，由三個(gè)部分組成，即一級(jí)分離器（主要是旋葉式汽水分離器）、重力分離器（空間上位于一、二級(jí)分離器之間）和二級(jí)分離器（主要是波形板干燥器和疏水槽），波形板干燥器得到的液體收集在疏水槽中，通過(guò)下降管回流參與再循環(huán)。針對(duì)CAP1400蒸汽發(fā)生器干燥器疏水槽的實(shí)驗(yàn)研究所搭建的實(shí)驗(yàn)回路如圖1所示，由主回路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成。不銹鋼儲(chǔ)水水箱的水經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，由離心泵（最大流量為358 m3.h-1）疏運(yùn)循環(huán)，包括旁通支路（DN200的管線）和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)支路（DN200管線和DN50管線），通過(guò)各個(gè)支路的調(diào)節(jié)閥對(duì)實(shí)驗(yàn)支路水流量進(jìn)行精確調(diào)控。大小支路的水流量分別由兩臺(tái)電磁流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)支路的水進(jìn)入疏水槽后，由疏水槽下水管回流入儲(chǔ)水水箱。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic of test facility.

1.2實(shí)驗(yàn)本體

圖1中虛線標(biāo)出的部分為實(shí)驗(yàn)本體，包括疏水槽本體和下水管兩個(gè)部分。該實(shí)驗(yàn)本體采用單支下水管設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，疏水槽總長(zhǎng)度為2 770 mm、寬為236 mm、高500 mm。背面和底面采用5 mm厚的不銹鋼板焊接而成，前壁面與兩個(gè)鄰面采用透明有機(jī)玻璃板，以便于通過(guò)攝像機(jī)進(jìn)行液面高度的可視化測(cè)量。疏水槽中布置了一根T型熱電偶用于水溫測(cè)量，熱電偶的測(cè)溫誤差為±0.5 oC。圖2(a)和(b)分別給出了疏水槽的正視圖和俯視圖，其內(nèi)部離底面300 mm高處設(shè)置了疏水孔板，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2(c)。孔板上開(kāi)了兩排間距為30mm的疏水孔，靠近前壁面的疏水孔間距為30mm，后排疏水孔間距為60 mm?？椎闹睆綖?5mm，采用橡皮塞堵孔的方式，可以調(diào)整入水孔的數(shù)量，研究其對(duì)疏水槽水位的影響。同時(shí)，為研究水槽底面傾角對(duì)于疏水能力的影響，在疏水槽底面設(shè)計(jì)了4種不同角度的傾斜底板結(jié)構(gòu)(α=3.5°、4°、4.5°、5°)，見(jiàn)圖2(a)。底板傾角的改變可以通過(guò)保持圖2(a)中右端的臺(tái)階高度H=100 mm不變，而改變傾斜底板的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表1 電磁流量計(jì)參數(shù)Table1 Parameters of electromagnetic flowmeters.

圖2 實(shí)驗(yàn)本體圖 (a) 實(shí)驗(yàn)本體整體結(jié)構(gòu)尺寸圖，(b) 疏水槽底板結(jié)構(gòu)尺寸圖，(c) 疏水槽中疏水入水孔在孔板上的布置圖Fig.2 Schematic of test section. (a) Front view of the test section, (b) Top view of the test section, (c) Distribution of water entrance holes on a plate

1.3實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)的目的是研究CAP1400蒸汽發(fā)生器干燥器不同結(jié)構(gòu)的疏水槽的疏水能力(圖1)，通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)回路和旁通支路的調(diào)節(jié)閥，獲得實(shí)驗(yàn)工況所需的水流量，采用電磁流量計(jì)測(cè)量水流量并通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄流量數(shù)據(jù)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)工況穩(wěn)定后，用攝像機(jī)記錄疏水槽中流體流動(dòng)的錄像。

圖3給出了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)的布置示意圖。在采集疏水槽液位的錄像數(shù)據(jù)之前，首先要調(diào)節(jié)攝像機(jī)機(jī)身處于水平狀態(tài)，攝像機(jī)的拍攝面與正對(duì)的疏水槽的面互相平行，且位置正好在疏水槽整個(gè)寬度方向的中垂線上，這樣才能使整個(gè)疏水槽很好地落在記錄畫(huà)面上，同一水平位置和同一豎直位置在畫(huà)面中對(duì)應(yīng)的水平像素和豎直像素基本相同，以便于后期的數(shù)據(jù)處理。此外，還需要較好地對(duì)拍攝現(xiàn)場(chǎng)布置適合拍攝的光照強(qiáng)度，保證整個(gè)拍攝畫(huà)面的清晰度和適中的對(duì)比度。

表2給出了實(shí)驗(yàn)的所有工況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先設(shè)置好疏水槽底板的傾角（依次為α=3.5°、4°、4.5°、5°），然后在每個(gè)傾角下，改變的疏水板入水孔數(shù)量（依次為136、119、108、100、90、73、66、59、36個(gè)），再在不同的疏水入水孔數(shù)量下，調(diào)節(jié)疏水流量，每調(diào)節(jié)一次，需要等流動(dòng)穩(wěn)定后通過(guò)錄像機(jī)記錄。

圖3 拍攝現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖Fig.3 Diagram of the video camera arrangement on testing site.

表2 實(shí)驗(yàn)工況Table2 Experimental conditions.

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理方法

疏水槽中流動(dòng)狀況和液面的動(dòng)態(tài)特性采用攝像儀進(jìn)行觀測(cè)記錄，每一個(gè)工況記錄10 s，然后等間隔選取20幅圖像，采用MATLAB圖像處理的方法，從圖像中獲得疏水槽中液位的高度，并比較選出具有最大液位高度的圖像進(jìn)行進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析。

MATLAB提供了眾多的圖像處理函數(shù)，具有很強(qiáng)的圖像處理和分析功能[8]。本文基于MATLAB數(shù)字圖像處理平臺(tái)，對(duì)采集的疏水槽液面進(jìn)行識(shí)別并計(jì)算出相應(yīng)的液位高度值。MATLAB中圖像處理程序框圖如圖4所示。

圖5(a)為疏水槽實(shí)驗(yàn)工況攝像機(jī)記錄的一幀圖像，底板傾角為5°，疏水入水孔數(shù)量為108，疏水流量為110.5 m3.h-1。為高效和準(zhǔn)確地進(jìn)行圖像分析，首先從圖片中截取疏水槽底部到疏水孔板之間有效的流場(chǎng)區(qū)域作為圖像分析的對(duì)象。然后采用中值濾波函數(shù)“medfilt2”對(duì)截取圖像進(jìn)行濾波，減小干擾信息。接著，對(duì)濾波后的圖像采用函數(shù)“im2bw”進(jìn)行二值化處理，二值化閾值由函數(shù)“graythresh”獲得[9]，從而得到如圖5(b)所示的二進(jìn)制黑白圖像。由于疏水槽入水孔中向下流的水柱與液面連成一體，因此圖像中難于識(shí)別該處的液位高度。為解決這一問(wèn)題，采用線性化處理的方法，即對(duì)二值化處理后的部分圖像進(jìn)行進(jìn)一步識(shí)別，通過(guò)查找每個(gè)水柱的左右兩個(gè)邊緣和兩個(gè)邊緣緊鄰的液面高度，然后用此液面高度作為水柱兩個(gè)邊緣的液面高度，通過(guò)線性插值的方法近似給出水柱區(qū)域的液位高度。最后獲得如圖5(c)所示的結(jié)果，圖5(c)中間位置深色曲線即為液面位置信息。圖5(a)中白色條紋是毫米刻度標(biāo)尺，水平的白色標(biāo)尺上沿為疏水槽底面的位置。通過(guò)圖像處理的方法獲取疏水槽中液面的位置和疏水槽底面的位置，便可得到疏水槽中液位高度所對(duì)應(yīng)的像素值（這樣也可消除因?yàn)閿z像機(jī)不水平而引起的測(cè)量誤差），再通過(guò)像素與標(biāo)尺高度的換算就能得到液位高度數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖像的分析可得，單個(gè)像素的尺寸在1.5-1.6 mm，取兩個(gè)像素為最大誤差值，則由于圖像識(shí)別而產(chǎn)生的誤差為1.1%；圖像邊緣變形帶來(lái)的測(cè)量誤差可由圖5中8條豎直標(biāo)尺的誤差分析得到，最大誤差值在2%以內(nèi)。電磁流量計(jì)測(cè)量精度為1%。因此綜上可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的誤差在3%以內(nèi)。

圖4 MATLAB圖像處理程序框圖Fig.4 Flow chart of digital image process by MATLAB.

圖5 原始錄像畫(huà)面(a)、程序中二值化處理結(jié)果(b)和程序處理結(jié)果(c)Fig.5 Video image of the test (a), processed video image by binarization (b) and resulted video image with indicated water surface (c).

3 結(jié)果及分析

3.1疏水槽入水孔數(shù)對(duì)液位高度的影響

蒸汽發(fā)生器波形板干燥器的不同位置處排水溝槽下水量有很大的差異，因此本研究采用設(shè)置不同數(shù)量的入水孔來(lái)研究這一影響因素。圖6給出了底面傾角ɑ=3.5°、4°、4.5°、5°時(shí)，不同疏水槽入水孔數(shù)條件下，對(duì)應(yīng)的疏水流量與最大液位高度關(guān)系，為使圖片顯示清晰，將數(shù)據(jù)按疏水入水孔數(shù)的大小順序分兩組畫(huà)散點(diǎn)圖，兩圖中的虛線為不同疏水入水孔數(shù)下最大液位高度的平均值與疏水流量的線性擬合關(guān)系曲線。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，疏水槽中最大液位高度隨流量呈線性升高；不同角度下，在最小流量(13.8 m3.h-1)時(shí)，疏水槽中最大液位高度在120 mm左右；在滿負(fù)荷設(shè)計(jì)工況（流量為138.1 m3.h-1）下，疏水槽中最大液位高度在255 mm左右，小于疏水槽設(shè)計(jì)值300 mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值的線性擬合曲線，疏水槽中液位高度達(dá)到300 mm這一設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，最大流量可達(dá)到166 m3.h-1。

但是，當(dāng)疏水槽底面傾角一定時(shí)，同一流量下入水孔數(shù)量對(duì)疏水槽最高液位值沒(méi)有明顯影響，不同入水孔數(shù)工況對(duì)應(yīng)的最大液位高度在平均值上下小幅隨機(jī)波動(dòng)。疏水孔數(shù)量影響到下降液柱沖擊液面的速度和攜帶氣體的量。Evans[10]研究表明，當(dāng)液柱沖擊自由液面時(shí)，液面呈現(xiàn)凹型曲面，同時(shí)攜帶氣體進(jìn)入液相，所攜帶氣量可由式(1)計(jì)算得到：

式中，QE為單個(gè)液柱沖擊液面的攜氣量，m3.s-1；D*為液柱的攜氣影響范圍直徑，m；DJ為液柱沖擊液面前的有效直徑，m；D1為3倍噴嘴直徑處液柱的有效直徑，m；vF為液柱沖擊液面前水流速度，m.s-1。

有效直徑可通過(guò)式(2)計(jì)算：

式中，JLRe為水柱雷諾數(shù)，JLRe= ρvNLJ/μ；Oh為表征水柱穩(wěn)定性的無(wú)量綱數(shù)，其中，ρ為水的密度，kg.m-3；LJ為液柱高度，m；μ為水的動(dòng)力粘度，Pa.s；DN為入水孔的直徑，m；σ為水的表面張力，N.m-1。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，以流量138.1 m3.h-1的疏水流量工況為例，在計(jì)算單孔攜氣率時(shí)，考慮水柱與周?chē)諝獾南嗷プ饔?，其值?yīng)略大于入水口直徑，D*可取0.016 5 m，LJ根據(jù)實(shí)際記錄疏水槽液面水位取平均值0.461 m，D1可以通過(guò)式(2)計(jì)算（計(jì)算中取LJ=3DN）。表3給出了138.1 m3.h-1的疏水流量工況下不同入水孔數(shù)對(duì)應(yīng)的攜氣量，兩相流體總流量以及以36孔為基準(zhǔn)，不同入水孔數(shù)下總流量的差異百分比。根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，在138.1 m3.h-1的疏水流量工況，不同入水孔數(shù)下兩相總流量的差異很小，因此，因入水孔數(shù)量變化引起的攜氣量的差別可忽略不計(jì)，從而也解釋了實(shí)驗(yàn)中入水孔數(shù)量對(duì)疏水槽最高液位值沒(méi)有明顯影響的結(jié)果。

圖6 疏水槽中液位高度隨流量的變化關(guān)系 (a) α=3.5°，(b) α=4°，(c) α=4.5°，(d) α=5°Fig.6 The relationship between water depth and water flow rate under various water entrance holes. (a) α=3.5°, (b) α=4°, (c) α=4.5°, (d) α=5°

表3 液柱攜氣計(jì)算結(jié)果(138.1 m3.h-1疏水流量工況)Table3 Air entrainment calculation of plugging jet at flow rate of 138.1 m3.h-1.

3.2疏水槽底面傾角對(duì)液位高度的影響

疏水槽底面傾角的設(shè)計(jì)，有利于疏水槽下水管遠(yuǎn)端的液體輸送至下水管，然而如果傾角過(guò)大，會(huì)提升疏水槽下水管遠(yuǎn)端底面凸臺(tái)的高度，反而會(huì)增加最大液位高度，因此在一定流量條件下，底面傾角有一個(gè)最佳值保證疏水槽中的最大液位高度最小。本實(shí)驗(yàn)設(shè)定疏水槽下水管遠(yuǎn)端凸臺(tái)的高度為100 mm，設(shè)定不同的底面傾角，研究底面傾角對(duì)于疏水能力的影響。

由圖7可見(jiàn)，在不同傾角條件下，10個(gè)不同入水孔數(shù)工況的平均疏水槽最大液位高度隨水流量呈線性增加的關(guān)系，并且線性增長(zhǎng)的斜率有很好的一致性。當(dāng)?shù)酌鎯A角從3.5°增加到4°時(shí)，疏水槽中液位高度有5%的小幅降低，但繼續(xù)增加底面傾角至4.5°和5°時(shí)，疏水槽中液位高度將趨于恒定?？梢?jiàn)，當(dāng)保持側(cè)面遠(yuǎn)端的凸臺(tái)高度H=100 mm不變(圖2)，適當(dāng)增加疏水槽底面傾角有助于降低液面的高度，但隨著傾角的進(jìn)一步增加和斜坡長(zhǎng)度的不斷減小，疏水槽液位的高度將趨于恒定。

圖7 底面傾角下對(duì)液位高度的影響Fig.7 Slope angle of bottom surface effect on water depth level in the drain tank.

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了不同疏水槽結(jié)構(gòu)和疏水量對(duì)于疏水槽內(nèi)液位高度的影響關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平均疏水槽最大液位高度隨水流量呈線性增加的關(guān)系，并且線性增長(zhǎng)的斜率有很好的一致性；疏水孔板入水孔數(shù)量對(duì)于疏水槽內(nèi)液位最大高度的影響不明顯。當(dāng)?shù)酌鎯A角從3.5°增加到4°時(shí)，疏水槽中液位高度有5%的小幅降低，但繼續(xù)增加底面傾角至4.5°和5°時(shí)，疏水槽中液位高度將趨于恒定。模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為后續(xù)的數(shù)值模擬提供了可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為蒸汽發(fā)生器干燥器疏水槽的工程設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了依據(jù)。

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Experimental study on drainage performance of drain device in steam generator of CAP1400

MEI Yong1WANG Chi1SONG Yinxi2YING Bingbin2ZHANG Botao1GONG Shengjie1GU Hanyang1

1(School of Nuclear Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)
2(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute,Shanghai 200233,China)

Background：In engineering application of steam generator (SG) for nuclear power plant (NPP), two limitations are imposed on the design of water tanks. One is that the water collected in the water tank cannot spill over to avoid the entrainment of water from the water tank. The other is that the size of the devices used in the SG is limited by the safety consideration and costs.Purpose：This study aims at the drainage performance of drain device in steam generator of CAP1400 to provide reliable data for the design of a drain device.Methods：The drainage performance of drain device in steam generator of CAP1400 was simulated through an experimental method with water and air under ambient temperature and pressure. A video camera is used to record liquid level at certain water flow rates range of 13.8-138.1 m3.h-1, and the recorded video images are processed by MATLAB program.Results：The experimental results show that the maximum water depth level in drain tank linearly increases with the water flow rate while the number of water entrance holes has no obvious effect on the drainage performance of drain device and the value of bottom surface slope angle has a little influence on it.Conclusion：Using a slope bottom plate can help draining water to some extent and the number of orifices has little effect on the liquid level of drain water tank.

Steam generator, Drain tank, Liquid depth, MATLAB digital image processing

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090602

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.51306112)資助

梅勇，男，1989年出生，2013年于華北電力大學(xué)（北京）獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為博士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)楹穗姛峁に?/p>

龔圣捷，E-mail: gsj@sjtu.edu.cn

2015-05-14，

2015-06-15

CLCTL99