莫少嘉，左超平，王丙鴻

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳518172)

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蒸汽發(fā)生器干燥器CFD模擬分析

莫少嘉，左超平，王丙鴻

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳518172)

為了研究蒸汽發(fā)生器干燥器的負(fù)荷分布特性，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件ANSYS CFX 12.1，對(duì)CPR1000蒸汽發(fā)生器干燥器進(jìn)行單相流場(chǎng)分析，得到其流場(chǎng)分布，對(duì)干燥器的負(fù)荷不均勻性及分離性能進(jìn)行了評(píng)估分析。此外，通過(guò)與無(wú)均汽網(wǎng)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析均汽網(wǎng)對(duì)于干燥器負(fù)荷分布及分離性能的重要性，并提出了均汽網(wǎng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法。

蒸汽發(fā)生器；干燥器；CFD

蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求在正常運(yùn)行時(shí)，蒸汽發(fā)生器出口處蒸汽濕度不超過(guò)0.25%，這是蒸汽發(fā)生器的關(guān)鍵性能指標(biāo)[1]，因此，汽水分離裝置是蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其負(fù)荷的大小及分布與汽水分離的效果和最終出口蒸汽濕度密切相關(guān)。CPR1000蒸汽發(fā)生器的汽水分離裝置分兩級(jí)，第一級(jí)由16個(gè)旋葉式汽水分離器組成，是粗分離階段，可以分離掉蒸汽中大部分的水。第二級(jí)為波紋板式干燥器，為細(xì)分離階段。干燥器是保證出口的蒸汽參數(shù)滿足要求的最后一道屏障，其流場(chǎng)特性、負(fù)荷分布(干燥器進(jìn)口的蒸汽速度分布)對(duì)其分離性能有重要影響。

干燥器波紋板進(jìn)口處的蒸汽速度大小和分布是影響干燥器分離性能的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)AREVA公司提供的單鉤型波紋板干燥器效率曲線，干燥器進(jìn)口最大允許的蒸汽速度為1.365m/s(蒸汽飽和壓力為67.16Bar時(shí))。干燥器進(jìn)口某個(gè)局部的速度如果超過(guò)這個(gè)限值的話，干燥器將不能保證出口濕度小于0.25%，即達(dá)不到分離的性能要求。由于干燥器一半布置在熱側(cè)，一半布置在冷側(cè)，而冷熱側(cè)蒸汽流量差別較大，且16個(gè)汽水分離器在空間上的分布也不均勻，都會(huì)對(duì)干燥器進(jìn)口速度分布的均勻性造成不利影響。

本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS CFX 12.1，對(duì)CPR1000蒸汽發(fā)生器波紋板干燥器的流場(chǎng)及負(fù)荷進(jìn)行分析，得到其速度大小和分布，并分析其對(duì)干燥器的分離性能的影響。此外，對(duì)比有、無(wú)均汽網(wǎng)的計(jì)算結(jié)果，研究均汽網(wǎng)的作用，并提出均汽網(wǎng)改進(jìn)方案。

1 模擬對(duì)象

圖1 蒸汽發(fā)生器干燥器示意圖Fig.1 Structure of dryers in steam generator

CPR1000蒸汽發(fā)生器采用波紋板式干燥器，共有12個(gè)干燥器單元，每個(gè)干燥器單元垂直安裝在蒸汽汽鼓區(qū)域上部，呈星形布置，如圖1所示。周向有6個(gè)干燥器單元，另外6個(gè)干燥器單元繞蒸汽發(fā)生器軸線徑向均布。每個(gè)干燥器單元上均安裝了單鉤波紋板，如圖2所示。每個(gè)干燥器單元的進(jìn)氣側(cè)均安裝有菱形網(wǎng)孔的金屬柵格作為均汽網(wǎng)(見(jiàn)圖3)，其目的是使蒸汽水平流入波紋板，同時(shí)也使得12個(gè)干燥器單元的負(fù)荷盡量均勻。攜帶小水滴的蒸汽進(jìn)入波紋板干燥器，在波紋板中被迫通過(guò)曲折流程，蒸汽通過(guò)時(shí)很容易改變方向，而密度較大的水則不能，水不斷附著在波紋板上，波紋板上的多道擋水鉤收集板面水膜并捕集蒸汽流中的水滴，分離出的水匯集后沿凹槽流入疏水裝置。如圖1所示。

圖2 干燥器波紋板示意圖Fig.2 Dryer vanes in steam generator

圖3 干燥器均汽網(wǎng)示意圖Fig.3 Dryer inlet grids in steam generator

2 模型建立

為了對(duì)干燥器的流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，本模型的計(jì)算邊界為干燥器的上游(汽水分離器)到干燥器下游(出口限流器)。由于汽水分離器和干燥器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為減少計(jì)算量，在模擬過(guò)程中，對(duì)以下結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

(1) 由于汽水分離器和干燥器的疏水通道蒸汽流動(dòng)影響很小，且截面積也較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，在計(jì)算中不考慮疏水過(guò)程，所以不對(duì)疏水管結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

(2) 由于干燥器的均汽網(wǎng)和波紋板結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜(見(jiàn)圖2和圖3)，完全按照其結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬的話會(huì)使模型變得十分復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)龐大，以至超出現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。所以將采用多孔介質(zhì)方式對(duì)這兩部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化[2，3]。

(3) 汽水分離器出口的濕度約10%，對(duì)應(yīng)的汽水混合物中液相的體積含汽率僅約0.5%，因此模型整體采用蒸汽單相進(jìn)行計(jì)算。

(4) 由于蒸汽出口限流器位于干燥器的下游，對(duì)干燥器進(jìn)口的流場(chǎng)影響較小，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，未將文丘里管部分進(jìn)行模擬[4]。

3 網(wǎng)格模型

經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，最終建立網(wǎng)格模型如圖4所示，總網(wǎng)格數(shù)為10 599 474個(gè)。

圖4 網(wǎng)格模型示意圖Fig.4 Mesh model(a) 整體;(b) 局部

4 計(jì)算輸入

4.1 計(jì)算假設(shè)與工況條件

計(jì)算主要考慮三個(gè)假設(shè)條件：a. 假設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)；b. 假定流動(dòng)為不可壓縮的湍流流動(dòng)，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-Epsilon模型；c. 假設(shè)汽水分離區(qū)域?yàn)檎羝膯蜗嗔鲃?dòng)。

計(jì)算采用CPR1000熱工流量、壽期末工況。飽和壓力為67.16Bar，蒸汽流量為537.8kg/s，循環(huán)倍率為3.49。

4.2 邊界條件

? 入口邊界條件：給定入口的質(zhì)量流量，總蒸汽流量為537.8kg/s，各汽水分離器入口蒸汽流量由蒸汽發(fā)生器專用三維穩(wěn)態(tài)熱工水力軟件計(jì)算得到;

? 出口邊界條件：出口設(shè)定為壓力出口；

? 壁面邊界條件：光滑表面，無(wú)滑移；

? 干燥器均汽網(wǎng)及波紋板：均設(shè)置為各項(xiàng)異性多孔介質(zhì)，根據(jù)干燥器波紋板局部流場(chǎng)分析的計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到局部阻力系數(shù)，并換算成CFX多孔介質(zhì)模型中的平方阻力系數(shù)。

各邊界條件的位置如圖5所示。

圖5 邊界條件示意圖Fig.5 Boundary condition

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 流場(chǎng)分析

圖6為整個(gè)計(jì)算區(qū)域的流線示意圖。從圖中可以看出，進(jìn)入汽水分離器后，由于葉片導(dǎo)致的離心力作用，使蒸汽在分離器中旋轉(zhuǎn)流動(dòng)且速度較高。之后進(jìn)入干燥器區(qū)域，依次穿過(guò)干燥器的均汽網(wǎng)和波紋板，最終從蒸汽發(fā)生器出口流出。計(jì)算區(qū)域內(nèi)的整體流場(chǎng)比較復(fù)雜，且由于各分離器入口的負(fù)荷不均勻，以及汽水分離器及干燥器的布置位置并不一一對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致計(jì)算區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出不均勻的流場(chǎng)特性。

圖6 蒸汽流線示意圖Fig.6 Streamlines of the model

5.2 干燥器負(fù)荷不均勻性分析

為研究各干燥器單元的負(fù)荷分布情況，定義負(fù)荷不均勻系數(shù)=各干燥器單元通過(guò)的質(zhì)量流量/整體質(zhì)量流量平均值，其中整體質(zhì)量流量平均值=總蒸汽流量/干燥器個(gè)數(shù)。圖7為各干燥器單元對(duì)應(yīng)的負(fù)荷不均勻系數(shù)。從圖中可以看出，周圍的干燥器單元承受的負(fù)荷比較大，負(fù)荷不均勻系數(shù)均大于1，中間的干燥器單元承受的負(fù)荷較小，負(fù)荷不均勻系數(shù)大部分小于1，而最大最小流量的比值為1.20，各個(gè)干燥器單元存在一定的負(fù)荷不均勻性。

圖7 各干燥器單元負(fù)荷不均勻系數(shù)對(duì)應(yīng)圖Fig.7 Flow mal-distribution coefficient of dryers

5.3 干燥器單元進(jìn)口速度分布

各干燥器單元入口處的蒸汽流速分布的如圖8所示。蒸汽流速在入口局部存在不均勻性，上方速度偏高，下方速度低。沿某典型干燥器單元中心軸線(見(jiàn)圖8)高度方向的速度分布如圖9所示。從圖中可看出，沿著高度方向，干燥器單元入口處的蒸汽流速逐漸升高。

圖8 干燥器單元入口處的蒸汽流速分布圖Fig.8 Velocity distribution of dryer inlet

圖9 沿某干燥器單元中心軸線高度速度分布圖Fig.9 Velocity distribution along the central line of certain dryer inlet

5.4 干燥器性能評(píng)估分析

根據(jù)AREVA提供的單鉤型波紋板干燥器效率曲線，最大允許的蒸汽速度為1.365m/s(蒸汽飽和壓力為67.16Bar時(shí))。干燥器進(jìn)口某個(gè)局部的速度如果超過(guò)這個(gè)限值的話，干燥器將不能保證出口濕度小于0.25%。從圖8中可以看出，最大速度值為1.309，即在設(shè)計(jì)限值(1.365)之內(nèi)。表明CPR1000蒸汽發(fā)生器干燥器單元雖存在一定負(fù)荷不均勻性，但分離性能是滿足要求的，只是干燥器單元上方將承受較大的負(fù)荷。

5.5 干燥器均汽網(wǎng)性能分析

為研究干燥器均汽網(wǎng)的作用，將原有模型中均汽網(wǎng)多孔介質(zhì)部分的孔隙率設(shè)置為1，阻力系數(shù)設(shè)為0，即忽略均汽網(wǎng)的作用。將結(jié)果與前述有均汽網(wǎng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

5.5.1 波紋板整體負(fù)荷不均勻性對(duì)比

圖10為沒(méi)有均汽網(wǎng)時(shí)，各干燥器單元對(duì)應(yīng)的負(fù)荷不均勻系數(shù)。從圖中可以看出，沒(méi)有均汽網(wǎng)時(shí)，干燥器內(nèi)的負(fù)荷不均勻性更為明顯，周圍的干燥器單元的負(fù)荷不均勻系數(shù)都在1.46以上，而中間的干燥器的負(fù)荷不均勻系數(shù)則都在0.6以下。最大最小流量的比值達(dá)到4.45。

圖10 無(wú)均汽網(wǎng)時(shí)各干燥器單元負(fù)荷不均勻系數(shù)對(duì)應(yīng)圖Fig.10 Flow mal-distribution coefficient of dryers without dryer door

圖11為無(wú)均汽網(wǎng)時(shí)的流線圖，對(duì)比圖6可以看出，無(wú)均汽網(wǎng)時(shí)，從分離器出來(lái)的流體由于慣性，加上干燥器外圈空間阻力較小，所以蒸汽流速較高且保持較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，多數(shù)流線在離開汽水分離器出口后需運(yùn)動(dòng)半周以上才進(jìn)入干燥器波紋板，使得周圍的干燥器負(fù)荷明顯比中間的高。當(dāng)設(shè)置均汽網(wǎng)后，均汽網(wǎng)較大的阻力將使蒸汽的速度在進(jìn)入波紋板之前大大降低，且減少由于分離器葉片引起的旋轉(zhuǎn)慣性，使蒸汽能較快地進(jìn)入干燥器中進(jìn)行汽水分離。

圖11 無(wú)均汽網(wǎng)流線示意圖Fig.11 Streamlines of dryers without dryer door

5.5.2 波紋板局部負(fù)荷不均勻性對(duì)比

圖12為無(wú)均汽網(wǎng)時(shí)各干燥器波紋板入口處的速度分布圖。對(duì)比圖8可以看出，沒(méi)有均汽網(wǎng)時(shí)，波紋板入口處的速度分布極不均勻，且位于周圍的干燥器速度體現(xiàn)出較明顯的左側(cè)小右側(cè)大的特點(diǎn)，這是由于汽水分離器葉片為右旋布置，且無(wú)均汽網(wǎng)的均化作用所致。此外，沒(méi)有均汽網(wǎng)時(shí)，周圍干燥器單元的入口速度明顯增大，最大速度為有均汽網(wǎng)時(shí)的約3倍，這將嚴(yán)重影響干燥器的分離性能，中間的均汽網(wǎng)速度則較小。

圖12 無(wú)均汽網(wǎng)時(shí)入口速度對(duì)比圖Fig.12 Velocity of dryer inlet without dryer door

5.5.3 無(wú)均汽網(wǎng)時(shí)干燥器性能評(píng)估

從圖12中可以看出，無(wú)均汽網(wǎng)時(shí)，最大速度達(dá)到3.865m/s，已遠(yuǎn)超最大允許的蒸汽速度(1.365m/s)。尤其是位于周圍的干燥器單元，這可能使干燥器的分離性能失效，達(dá)不到分離的要求。

從以上分析可見(jiàn)，均汽網(wǎng)對(duì)于干燥器的分離性能十分重要，其較大的阻力使得蒸汽在離開汽水分離器后能以比較均勻的方式進(jìn)入干燥器波紋板，大大減少負(fù)荷的不均勻性，提高了干燥器的分離性能，最終使出口蒸汽達(dá)到運(yùn)行要求。

5.6 干燥器均汽網(wǎng)改進(jìn)建議

從以上分析可見(jiàn)，干燥器均汽網(wǎng)對(duì)于干燥器負(fù)荷分布和分離性能十分重要，是干燥器不可缺少的一部分。針對(duì)干燥器上方負(fù)荷普遍偏大的問(wèn)題，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，建議采用均汽網(wǎng)非均勻開孔方式，從下到上逐步降低均汽網(wǎng)的開孔率。由于菱形均汽網(wǎng)難以做到不均勻開孔，建議采用圓形開孔方式，且上方孔較小，阻力較大；下方孔較大，阻力較小，引導(dǎo)蒸汽趨向均汽網(wǎng)下方流動(dòng)，使干燥器的負(fù)荷更均勻，從而提高干燥器的分離性能。

6 結(jié)論

采用ANSYS CFX 12.1軟件，建立CPR1000干燥器整體模型進(jìn)行單相不換熱模擬計(jì)算，分析其流場(chǎng)，主要結(jié)論是：

(1) 在干燥器中，周圍的干燥器單元承受的負(fù)荷比中間大，最大最小流量的比值為1.27，干燥器內(nèi)的負(fù)荷不均勻性十分明顯。

(2) 在干燥器單元中，蒸汽流速存在一定不均勻性，干燥器單元上方速度高，下方速度低。

(3) 從干燥器單元的速度分布圖可以看出，速度最大值為1.309，小于設(shè)計(jì)限值(1.365)，計(jì)算驗(yàn)證了干燥器分離性能的有效性。

(4) 對(duì)比了有、無(wú)均汽網(wǎng)兩種條件下的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)沒(méi)有均汽網(wǎng)時(shí)，負(fù)荷不均勻性大大增加，最大最小流量的比值達(dá)到4.209；干燥器波紋板入口速度大大增加，速度最大值已超過(guò)設(shè)計(jì)限值，可能使干燥器的分離性能達(dá)不到要求。計(jì)算驗(yàn)證了均汽網(wǎng)設(shè)置的必要性。

(5) 在后續(xù)設(shè)計(jì)中，建議采用均汽網(wǎng)非均勻開孔方式，通過(guò)改變均汽網(wǎng)上下部的開孔率，使干燥器的負(fù)荷更均勻，從而提高干燥器分離性能。

[1] 廣東核電培訓(xùn)中心. 900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備 [M]. 北京: 原子能出版社, 2005：87

[2] ANSYS CFX 12.1 software and user manuals, ANSYS, Inc.

[3] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析. 北京：清華大學(xué)出版社，2004

[4] Dani Fadda, David Taylor, Jason Burr et al. Modeling Steam dryers. Proceedings of the 3rd Joint US-European Fluids Engineering Summer Meeting FEDSM2010, August 1-5, 2010, Montreal, Canada

CFD Simulation Analysis of Dryers in Steam Generator

MO Shao-jia，ZUO Chao-ping，WANG Bing-hong

(China Nuclear Power Design co.,ltd. (ShenZhen), Shenzhen of Guangdong Prov. 518172, China)

In order to investigate the flow distribution of dryers, single-phase CFD analysis is carried out to evaluate the single-phase performance analysis of dryers in CPR1000 steam generator. The distribution of flow-field is achieved for the analysis of the flow mal-distribution and separation performance evaluation of dryers. At the same time, the results of the model without dryer inlet grids are compared and the importance is investigated. Finally, the suggestions for improving the performance of dryer inlet grids are brought forward.

Steam generator；dryer；CFD

2016-02-13

莫少嘉(1985—)，廣東汕頭人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事的蒸汽發(fā)生器熱工水力分析工作

TL4

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0258-0918(2017)02-0229-06