張駿 葉丁丁

中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413

1 水汽轉(zhuǎn)換是單相液態(tài)

水在蒸汽發(fā)生器內(nèi)不斷被加熱沸騰，產(chǎn)生蒸汽，直至過熱的一個(gè)過程。CEFR蒸發(fā)器中鈉和水為逆向流動(dòng)，熱量由鈉側(cè)傳向水側(cè)，水在由下向上流動(dòng)過程中逐漸被加熱，鈉在由上向下流動(dòng)過程中被冷卻，其傳熱及工質(zhì)流動(dòng)過程示意圖如圖1所示。

圖1 蒸發(fā)器鈉-水側(cè)傳熱及工質(zhì)流動(dòng)過程示意圖

2 數(shù)值模擬過程介紹

蒸發(fā)器的鈉-水兩側(cè)傳熱的非穩(wěn)態(tài)過程，使用VB語(yǔ)言編輯熱工模擬計(jì)算程序進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型仿真[1]。程序計(jì)算時(shí)，將蒸發(fā)器整個(gè)換熱段(11750mm)按照進(jìn)水方向劃分為50等份，分別對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行熱力平衡計(jì)算，如圖2所示。

圖2 換熱單元?jiǎng)澐?/p>

給定初始熱工條件為：蒸發(fā)器鈉側(cè)進(jìn)口流量、進(jìn)口鈉溫，蒸發(fā)器水側(cè)進(jìn)口給水比焓、給水流量、出口壓力。其中，鈉側(cè)為單相對(duì)流換熱，計(jì)算公式采用Meresca-Dwyer經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。根據(jù)壓力和含氣率變化分為四個(gè)換熱區(qū)：過冷區(qū)、泡核沸騰強(qiáng)制對(duì)流區(qū)、蒸干區(qū)、過熱區(qū)。換熱公式依次分別為Dittus-Boelter公式、Chen關(guān)系式、Groeneveld經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式、米海耶夫關(guān)系式[2]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)蒸發(fā)器水汽轉(zhuǎn)換工況下給水調(diào)節(jié)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，本節(jié)將對(duì)計(jì)算結(jié)果中水汽側(cè)壓力、流量、含氣率、溫度、密度、比焓，鈉溫、傳熱管壁溫等參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析研究。

將給水流量關(guān)于水（汽）側(cè)壓力作圖，如圖3所示，擬合符合程度較高的二次函數(shù)，公式為G=-0.19122P2+4.28949P-19.18038，其中方程的確定系數(shù)R-square為0.98944，可以為操縱員調(diào)節(jié)過程提供參考參數(shù)。

圖3 給水流量隨水（汽）側(cè)壓力調(diào)節(jié)變化

隨時(shí)間變化，不同傳熱管位置處含氣率變化如圖4所示。越靠近傳熱管末端、加熱時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)傳熱段的含氣率越高，汽化過程逐漸增強(qiáng)。在約傳熱管位置高于6462.5mm，時(shí)間大于95s時(shí)，約從含氣率為0.1開始有較明顯上升趨勢(shì)。

單元傳熱量間接反映了傳熱管熱流密度的大小，處于蒸干點(diǎn)時(shí)換熱量急劇減小，沒有明顯的階躍升高，傳熱管不會(huì)出現(xiàn)沸騰傳熱的“燒毀”現(xiàn)象。從而證明降低給水流量同時(shí)降壓氣化的水氣轉(zhuǎn)換方式的正確性，在9.45%Pn反應(yīng)堆功率水平下給定的壓力調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行水汽轉(zhuǎn)換對(duì)蒸發(fā)器傳熱管本身不會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力方面的損傷。

圖4 含氣率隨傳熱管位置和時(shí)間變化

圖5 傳熱管壁面單元傳熱量隨傳熱管位置和時(shí)間變化

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)CEFR蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行模擬仿真，總結(jié)了給水調(diào)節(jié)過程中的壓力與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系式，方便調(diào)節(jié)過程進(jìn)行。

隨后對(duì)相關(guān)熱工參數(shù)進(jìn)行研究，從而得到如下結(jié)論：

隨時(shí)間推移，沿管段長(zhǎng)度方向增加，含氣率增加，水汽側(cè)工質(zhì)密度隨之減??；工質(zhì)比焓增加，由于氣相比焓較大，所以在含氣率較大時(shí)，比焓增長(zhǎng)較快；

鈉側(cè)進(jìn)出口溫度基本不變，但內(nèi)部分布規(guī)律會(huì)發(fā)生變化。入口初始鈉溫變化平緩段長(zhǎng)度減小，有溫度變化的區(qū)段逐漸變長(zhǎng)，整體上溫度變化逐漸平緩；

熱流密度隨含氣率變化，整體變化趨勢(shì)先減小后增大。到最后完全變?yōu)楦烧羝麜r(shí)，瞬間減小到接近于0。整個(gè)過程未出現(xiàn)熱流密度明顯升高的點(diǎn)，表明水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)選擇范圍合理，壓力控制范圍選擇7～10MPa不會(huì)對(duì)傳熱管造成“燒毀”。

本文研究結(jié)果已經(jīng)證明給水調(diào)節(jié)過程選擇參數(shù)的正確性及對(duì)設(shè)備本身的安全性，為保證整個(gè)系統(tǒng)的安全特性，仍需盡可能縮短調(diào)節(jié)操作時(shí)間，減少管路振蕩。