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螺旋管直流蒸汽發(fā)生器熱工水力穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)研究
本研究以螺旋管直流蒸汽發(fā)生器(HOTSG)為研究對象,，采用自編寫的HOTSG-W熱工水力分析程序，建立了兩流體六方程數(shù)學模型作為兩相流的計算模型,。將二次側傳熱區(qū)域劃分為六個區(qū)段,，選取了適用于螺旋管的傳熱和壓降關系式，開展了螺旋管直流蒸汽發(fā)生器穩(wěn)態(tài)計算與瞬態(tài)研究,。通過對控制方程的離散求解,，獲得了蒸汽發(fā)生器一二次側熱工水力的各項參數(shù)，由于傳熱管曲率產生的二次流,，會不斷沖刷邊界層使其傳熱和摩擦系數(shù)比直管更大,。穩(wěn)態(tài)結果與韓國ONCESG程序和設計參數(shù)對比吻合較好，驗證了HOTSG-W程序的準確性,。本研究還對螺旋管瞬態(tài)工況下的動態(tài)響應進行了計算與評估,，為HOTSG的結構設計與安全分析提供了依據(jù)。
【模型建立】
一般情況下,，一次側在傳熱管外自上而下流動,，二次側冷卻劑在管內自下而上流動，出口為微過熱的蒸汽,，可以顯著提高蒸汽品質,。
螺旋傳熱管內汽-液兩相之間相對流動速度較高，所以需要考慮兩相之間的質量,、動量和能量交換,。兩流體模型假定汽-液兩相間存在可移動邊界，質量,、動量,、能量通過邊界進行交換，通過建立并求解兩流體六方程,，反映HOTSG的傳熱與流動特性,。如圖1所示，在CHF之前,，此時液膜覆蓋在壁面,，相壁傳熱主要由液相-壁面占據(jù)，由一次側傳遞的熱量全部傳遞給液相,；CHF之后,，液膜與汽相在壁面上交替出現(xiàn),，此時從壁面?zhèn)鬟f的熱量需要根據(jù)空泡份額對汽液相進行分配。
圖1 管內兩相相界面與壁面?zhèn)鳠彡P系
由于傳熱管較為特殊的物理結構,，管內流動現(xiàn)象更為復雜。兩流體模型中計算摩擦壓降時采用Chexal-Harrison模型,，將兩相混合物總體壓降分配給汽,、液單獨相；管外摩擦采用Yin關系式,。
圖2 管內流型變化與判別
傳熱管內的二次側冷卻劑會經(jīng)歷相變過程,，螺旋角較小，可以視為水平管流動,，流型會經(jīng)歷泡狀流,、層狀流、彈狀流,、環(huán)狀流,、彌散流與單相蒸汽。本研究沿流動方向將管內劃分為六個傳熱區(qū)域：單相液體區(qū),、過冷沸騰區(qū),、飽和沸騰區(qū)、過渡沸騰區(qū),、膜態(tài)沸騰區(qū)和單相蒸汽區(qū),，不同傳熱區(qū)采用不同的經(jīng)驗關系式。管外傳熱采用適配于螺旋管修正的Zukauskas關系式,。
【穩(wěn)態(tài)結果】
本團隊首先計算了日本Marine Reactor X船用堆中的大盤管蒸汽發(fā)生器的穩(wěn)態(tài)工況,，由圖3可以看出，一二次側溫度與ONCESG計算結果吻合較好,，并與設計參數(shù)進行了對比,。二次側的有效沸騰段很長，占據(jù)整根傳熱管長度60%以上,，MRX蒸汽發(fā)生器總傳熱系數(shù)達到了4287.87W/(m2?K),，印證了螺旋式盤管具有更強的傳熱能力。二次側冷卻劑由切向力產生的沿程損失增加,，另外還有漩渦和二次環(huán)流造成的流動損失,，使得螺旋管摩擦阻力高于直管。
圖3 (a)MRX蒸汽發(fā)生器一次側溫度與ONCESG計算結果對比 (b)MRX蒸汽發(fā)生器二次側溫度與ONCESG計算結果對比 (c)MRX蒸汽發(fā)生器一次側壓力和流速計算結果 (d)MRX蒸汽發(fā)生器二次側壓力和流速計算結果
【瞬態(tài)結果】
安全性與可靠性是評價螺旋管直流蒸汽發(fā)生器綜合性能的重要方面,，其中瞬態(tài)分析起著至關重要的作用,。本研究基于韓國SMART反應堆螺旋管直流蒸汽發(fā)生器開展了熱工水力的瞬態(tài)研究，表1為瞬態(tài)工況運行參數(shù)變化,。
表1 瞬態(tài)工況運行參數(shù)變化
圖4 (a)工況1二次側壓力變化 (b)工況1二次側溫度變化
由于二次側流量階躍產生了給水流速的快速變化,，但是瞬時給水壓力與給水密度基本不變,，二次側壓降變化十分有限，僅為0.02MPa,。流量減少使得蒸汽溫度快速升高,，而恢復到正常工況時，蒸汽溫度需要150s左右時間才能降到穩(wěn)定溫度,。
圖5 (a)工況2一次側溫度變化 (b)工況2二次側溫度變化
由于二次側冷卻劑本身溫度升高,，自身攜帶的焓值更多，從一次側冷卻劑傳遞給二次側冷卻劑的熱量減少,，使得一次側溫度快速上升,。但是即使給水溫度發(fā)生階躍變化，瞬時給水壓力基本不變,，流量基本恒定,，給水密度會突然降低，導致給水流速迅速增加,，單相液段流動阻力上升,，所以一次側出口溫度上升段會出現(xiàn)一個小低谷。
二次側出口溫度會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象,，當瞬態(tài)工況發(fā)生后,，蒸汽溫度先是有一個下降段，然后才開始不斷上升達到一個新的穩(wěn)定溫度,。198℃的“熱流”會推動180℃的“冷流”向前流動,，由于溫度的飛升導致給水流速迅速增加，使“冷流”受熱不充分,，出口蒸汽溫度下降,。這樣的低谷溫度不會大幅度破壞蒸汽品質，但是要保證系統(tǒng)溫度變化要在一定范圍,。
【總結】
利用本團隊HOTSG-W程序對螺旋管式直流蒸汽發(fā)生器進行了建模與計算,，穩(wěn)態(tài)結果與設計值吻合較好，表現(xiàn)出螺旋盤管相對直管更強的傳熱能力,；瞬態(tài)分析驗證HOTSG具有很好的動態(tài)相應特性,，為日后的安全分析提供了依據(jù)。