蒸汽發(fā)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(shè)計院，四川 成都610213）

0 引言

國內(nèi)目前在役核電廠大多數(shù)為M310改進型核電機組，采用了55/19B型蒸汽發(fā)生器。該蒸汽發(fā)生器給水通過給水接管進入給水環(huán)，再通過給水環(huán)上的J形管進入下筒體與管束套筒之間的環(huán)形下降通道。給水環(huán)上設(shè)置36只J形管，采用非對稱布置，這種設(shè)計使約3/4的給水進入熱側(cè)（冷卻劑入口側(cè)），1/4的給水進入冷側(cè)（冷卻劑出口側(cè)）。另外，在下降通道上設(shè)置縱向分隔板，將下降通道內(nèi)冷、熱側(cè)給水分隔開。而秦山二期核電站使用的60F型蒸汽發(fā)生器以及三門核電站使用的△125型蒸汽發(fā)生器采用均勻給水方式（冷、熱側(cè)給水流量相同），且在下降通道上未設(shè)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(cè)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(fā)生器，下降通道未設(shè)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(fā)生器二次側(cè)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(shè)是否適合也需要進一步研究。

本文針對55/19B型蒸汽發(fā)生器二次側(cè)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(fā)生器給水與再循環(huán)水在下降通道內(nèi)的混合過程進行了仿真計算。計算區(qū)域的幾何模型如圖1所示，根據(jù)蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)的近似對稱性，計算區(qū)域簡化為真實模型的1/2，其包括了從蒸汽發(fā)生器二次側(cè)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(qū)域。計算區(qū)域的網(wǎng)格由3 420 765個四面體網(wǎng)格、824 400個六面體網(wǎng)格，1 049 995個楔形邊界層網(wǎng)格以及少量過渡區(qū)的金字塔網(wǎng)格構(gòu)成。

圖1 計算區(qū)域幾何模型

根據(jù)蒸汽發(fā)生器上部流體區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)和流動特點，整個計算區(qū)域中設(shè)置了4個流體入口，其中，溫度較低的給水從給水環(huán)J形管入口按冷熱側(cè)1:4的方式給入，20%的再循環(huán)水從干燥器疏水管給入，75%的再循環(huán)水從汽水分離器疏水管給入，剩下的5%再循環(huán)水從整個計算區(qū)域的頂面進入。進入計算區(qū)域后，溫度較低的給水和高溫的再循環(huán)水經(jīng)過混合后流入下降通道。在下降通道內(nèi)，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(qū)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(qū)域的詳細邊界條件設(shè)計如表1所示。流體物性按照蒸汽發(fā)生器100%功率工況下的二次側(cè)流體參數(shù)（過冷的給水和飽和狀態(tài)下的再循環(huán)水）進行設(shè)置。

表1 邊界條件

2 計算結(jié)果及分析

2.1 下降通道溫度分布

圖2中給出了計算區(qū)域中對稱面上的溫度分布，可以看出，冷熱側(cè)下降通道內(nèi)存在顯著的溫度差異，這是非均勻分配的冷熱側(cè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(qū)域出現(xiàn)在熱側(cè)遠端，總的趨勢為向冷側(cè)逐漸降低。但是，最低溫區(qū)域并不是在冷側(cè)遠端，而是出現(xiàn)在冷側(cè)中部。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，給水環(huán)上J形管的數(shù)量設(shè)置為熱側(cè)遠大于冷側(cè)，流入熱側(cè)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(huán)水在蒸汽發(fā)生器上部空間中已經(jīng)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(nèi)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(jié)論

采用二方程的κ-ε湍流模型，分析了55/19B型蒸汽發(fā)生器二次側(cè)下降通道內(nèi)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(jié)論如下：

（1）給水和再循環(huán)水在蒸汽發(fā)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(huán)水在下降通道內(nèi)不存在強烈的橫向流動。

（3）分隔板的設(shè)置對下降通道截面上的溫度分布影響非常小。

本研究的結(jié)論說明，目前工程上進行蒸汽發(fā)生器二次側(cè)上升通道流場分析時假設(shè)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(fā)生器的設(shè)計提供參考依據(jù)。