蒸汽發生器干燥器CFD模擬分析

莫少嘉，左超平，王丙鴻

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳518172)

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蒸汽發生器干燥器CFD模擬分析

莫少嘉，左超平，王丙鴻

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳518172)

為了研究蒸汽發生器干燥器的負荷分布特性，采用計算流體動力學(CFD)軟件ANSYS CFX 12.1，對CPR1000蒸汽發生器干燥器進行單相流場分析，得到其流場分布，對干燥器的負荷不均勻性及分離性能進行了評估分析。此外，通過與無均汽網模型的計算結果進行對比，分析均汽網對于干燥器負荷分布及分離性能的重要性，并提出了均汽網設計的改進方法。

蒸汽發生器；干燥器；CFD

蒸汽發生器的設計要求在正常運行時，蒸汽發生器出口處蒸汽濕度不超過0.25%，這是蒸汽發生器的關鍵性能指標[1]，因此，汽水分離裝置是蒸汽發生器設計的關鍵環節，其負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。CPR1000蒸汽發生器的汽水分離裝置分兩級，第一級由16個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。第二級為波紋板式干燥器，為細分離階段。干燥器是保證出口的蒸汽參數滿足要求的最后一道屏障，其流場特性、負荷分布(干燥器進口的蒸汽速度分布)對其分離性能有重要影響。

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

本文采用計算流體動力學軟件ANSYS CFX 12.1，對CPR1000蒸汽發生器波紋板干燥器的流場及負荷進行分析，得到其速度大小和分布，并分析其對干燥器的分離性能的影響。此外，對比有、無均汽網的計算結果，研究均汽網的作用，并提出均汽網改進方案。

1 模擬對象

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

CPR1000蒸汽發生器采用波紋板式干燥器，共有12個干燥器單元，每個干燥器單元垂直安裝在蒸汽汽鼓區域上部，呈星形布置，如圖1所示。周向有6個干燥器單元，另外6個干燥器單元繞蒸汽發生器軸線徑向均布。每個干燥器單元上均安裝了單鉤波紋板，如圖2所示。每個干燥器單元的進氣側均安裝有菱形網孔的金屬柵格作為均汽網(見圖3)，其目的是使蒸汽水平流入波紋板，同時也使得12個干燥器單元的負荷盡量均勻。攜帶小水滴的蒸汽進入波紋板干燥器，在波紋板中被迫通過曲折流程，蒸汽通過時很容易改變方向，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 干燥器均汽網示意圖Fig.3 Dryer inlet grids in steam generator

2 模型建立

為了對干燥器的流場進行準確模擬，本模型的計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構復雜，為減少計算量，在模擬過程中，對以下結構和部件進行了簡化處理。

(1) 由于汽水分離器和干燥器的疏水通道蒸汽流動影響很小，且截面積也較小，為簡化計算模型，在計算中不考慮疏水過程，所以不對疏水管結構進行模擬。

(2) 由于干燥器的均汽網和波紋板結構十分復雜(見圖2和圖3)，完全按照其結構進行數值模擬的話會使模型變得十分復雜，網格數龐大，以至超出現有計算機的計算能力。所以將采用多孔介質方式對這兩部分結構進行簡化[2，3]。

(3) 汽水分離器出口的濕度約10%，對應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行計算。

(4) 由于蒸汽出口限流器位于干燥器的下游，對干燥器進口的流場影響較小，為了簡化計算模型，未將文丘里管部分進行模擬[4]。

3 網格模型

經網格獨立性驗證，最終建立網格模型如圖4所示，總網格數為10 599 474個。

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

4 計算輸入

4.1 計算假設與工況條件

計算主要考慮三個假設條件：a. 假設流動為穩態；b. 假定流動為不可壓縮的湍流流動，湍流模型選用標準k-Epsilon模型；c. 假設汽水分離區域為蒸汽的單相流動。

計算采用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，循環倍率為3.49。

4.2 邊界條件

? 入口邊界條件：給定入口的質量流量，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生器專用三維穩態熱工水力軟件計算得到;

? 出口邊界條件：出口設定為壓力出口；

? 壁面邊界條件：光滑表面，無滑移；

? 干燥器均汽網及波紋板：均設置為各項異性多孔介質，根據干燥器波紋板局部流場分析的計算結果及試驗數據得到局部阻力系數，并換算成CFX多孔介質模型中的平方阻力系數。

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 計算結果分析

5.1 流場分析

圖6為整個計算區域的流線示意圖。從圖中可以看出，進入汽水分離器后，由于葉片導致的離心力作用，使蒸汽在分離器中旋轉流動且速度較高。之后進入干燥器區域，依次穿過干燥器的均汽網和波紋板，最終從蒸汽發生器出口流出。計算區域內的整體流場比較復雜，且由于各分離器入口的負荷不均勻，以及汽水分離器及干燥器的布置位置并不一一對應，導致計算區域內表現出不均勻的流場特性。

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

5.2 干燥器負荷不均勻性分析

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

圖7 各干燥器單元負荷不均勻系數對應圖Fig.7 Flow mal-distribution coefficient of dryers

5.3 干燥器單元進口速度分布

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 干燥器性能評估分析

根據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)。干燥器進口某個局部的速度如果超過這個限值的話，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，即在設計限值(1.365)之內。表明CPR1000蒸汽發生器干燥器單元雖存在一定負荷不均勻性，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荷。

5.5 干燥器均汽網性能分析

為研究干燥器均汽網的作用，將原有模型中均汽網多孔介質部分的孔隙率設置為1，阻力系數設為0，即忽略均汽網的作用。將結果與前述有均汽網的計算結果進行對比。

5.5.1 波紋板整體負荷不均勻性對比

圖10為沒有均汽網時，各干燥器單元對應的負荷不均勻系數。從圖中可以看出，沒有均汽網時，干燥器內的負荷不均勻性更為明顯，周圍的干燥器單元的負荷不均勻系數都在1.46以上，而中間的干燥器的負荷不均勻系數則都在0.6以下。最大最小流量的比值達到4.45。

圖10 無均汽網時各干燥器單元負荷不均勻系數對應圖Fig.10 Flow mal-distribution coefficient of dryers without dryer door

圖11為無均汽網時的流線圖，對比圖6可以看出，無均汽網時，從分離器出來的流體由于慣性，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的旋轉運動，多數流線在離開汽水分離器出口后需運動半周以上才進入干燥器波紋板，使得周圍的干燥器負荷明顯比中間的高。當設置均汽網后，均汽網較大的阻力將使蒸汽的速度在進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慣性，使蒸汽能較快地進入干燥器中進行汽水分離。

圖11 無均汽網流線示意圖Fig.11 Streamlines of dryers without dryer door

5.5.2 波紋板局部負荷不均勻性對比

圖12為無均汽網時各干燥器波紋板入口處的速度分布圖。對比圖8可以看出，沒有均汽網時，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出較明顯的左側小右側大的特點，這是由于汽水分離器葉片為右旋布置，且無均汽網的均化作用所致。此外，沒有均汽網時，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時的約3倍，這將嚴重影響干燥器的分離性能，中間的均汽網速度則較小。

圖12 無均汽網時入口速度對比圖Fig.12 Velocity of dryer inlet without dryer door

5.5.3 無均汽網時干燥器性能評估

從圖12中可以看出，無均汽網時，最大速度達到3.865m/s，已遠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，達不到分離的要求。

從以上分析可見，均汽網對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入干燥器波紋板，大大減少負荷的不均勻性，提高了干燥器的分離性能，最終使出口蒸汽達到運行要求。

5.6 干燥器均汽網改進建議

從以上分析可見，干燥器均汽網對于干燥器負荷分布和分離性能十分重要，是干燥器不可缺少的一部分。針對干燥器上方負荷普遍偏大的問題，在后續的設計中，建議采用均汽網非均勻開孔方式，從下到上逐步降低均汽網的開孔率。由于菱形均汽網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，引導蒸汽趨向均汽網下方流動，使干燥器的負荷更均勻，從而提高干燥器的分離性能。

6 結論

采用ANSYS CFX 12.1軟件，建立CPR1000干燥器整體模型進行單相不換熱模擬計算，分析其流場，主要結論是：

(1) 在干燥器中，周圍的干燥器單元承受的負荷比中間大，最大最小流量的比值為1.27，干燥器內的負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，小于設計限值(1.365)，計算驗證了干燥器分離性能的有效性。

(4) 對比了有、無均汽網兩種條件下的計算結果，當沒有均汽網時，負荷不均勻性大大增加，最大最小流量的比值達到4.209；干燥器波紋板入口速度大大增加，速度最大值已超過設計限值，可能使干燥器的分離性能達不到要求。計算驗證了均汽網設置的必要性。

(5) 在后續設計中，建議采用均汽網非均勻開孔方式，通過改變均汽網上下部的開孔率，使干燥器的負荷更均勻，從而提高干燥器分離性能。

[1] 廣東核電培訓中心. 900MW壓水堆核電站系統與設備 [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. 計算流體動力學分析. 北京：清華大學出版社，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，現主要從事的蒸汽發生器熱工水力分析工作

TL4

A

0258-0918(2017)02-0229-06