蒸汽发生器排污管嘴压降研究及蒸汽发生器管板排污孔设置方式探讨

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摘要： 本文通过对蒸汽发生器管板排污流道（包括排污管嘴）进行有限元建模分析，利用STAR CCM+程序模拟蒸汽发生器管板中实际流动情况，得到管嘴出口处压力值，为计算蒸汽发生器排污管嘴阻力系数K值提供有力支持。

本文同时利用STAR CCM+对蒸汽发生器管板排污孔不同数量和不同位置分布的三种设置方式进行有限元模拟，探讨三种不同设置下近管板平面流场分布和排污能力差异。

本文最后对三种不同排污孔设置下排污管嘴K值进行比较分析，综合探讨考虑排污效果、避免闪蒸两类因素下，排污孔最优设置方案。

Abstract： In order to improve the methodology of AP1000 Steam Generator blowdown nozzle pressure drop calculation， the paper provides the finite element model， simulates the blowdown flow path and the actual system conditions with STAR CCM+ program. The paper provides the STAR CCM+ calculation result of blowdown nozzle drop （i.e. loss factor "K"）. The paper also provides the simulation comparison result among three different configurations of blowdown path inside Steam Generator tube sheet.

关键词： AP1000；Δ125型蒸汽发生器；排污接管设计；STAR CCM+；数值模拟

Key words： AP1000；Δ125 Steam Generator；blowdown nozzle design；STAR CCM+；numerical simulation

中图分类号：TE965 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）15-0093-04

0 引言

AP1000作为第三代非能动核电站，在全厂设计中不仅大幅度革新设计理念，将传统二代和二代加核电站中广泛采用的能动、冗余的系统提升为非能动、高效率的系统，同时糅合运用了大量成熟压水堆设计技术和运行经验。

在AP1000蒸汽发生器设备和AP1000蒸汽发生器排污系统（BDS）的设计中，西屋公司针对Δ125型蒸汽发生器设计采用换热管管板竖直开孔、集中引流的方式，为蒸汽发生器提供排污下泄通道，为蒸汽发生器排污系统发挥二回路水质调节作用和蒸汽发生器二次侧辅助降温功能提供循环路径。

压水堆蒸汽发生器排污结构的水力阻力系数K值对于蒸汽发生器排污系统的性能设计较为关键。

目前AP1000工程计算中采用保守分析方法，其分析结果表明蒸汽发生器排污口导出的排污介质具有较高饱和度，对系统布置设计提出了较高要求：如果设计不够严谨将可能产生压降速度快于温降并导致介质出现破坏性闪蒸后果。

因此，获得相对精确地阻力系数K值将对系统设计十分有利。

在AP1000蒸汽发生器排污结构设计中，排污孔的开孔和排列具有偏心集中、单侧开孔汇集引流的特点。该排污结构按照设计要求满足蒸汽发生器排污的功能所需，但也有从排污容量和蒸汽发生器排污效果进一步探讨和优化的空间。

1 AP1000蒸汽发生器排污结构

AP1000 Δ125型蒸汽发生器管板排污孔设计具体型式为，管板0°侧传热管界面中央设11个Φ16 mm竖直孔，孔深218 mm；管板疏水槽设Φ16.1 mm竖直孔，孔深58.6 mm；中央11孔与疏水槽竖直孔汇集至排污总管，Φ58.7 mm，长1969.5 mm；排污总管由Φ58.7 mm × Φ102.3 mm的扩径管与蒸汽发生器设计范围外排污管道相接。实际结构如图1、图2所示。

2 有限元仿真

2.1 建立几何模型

根据前言中介绍的AP1000 Δ125型蒸汽发生器排污设计结构，对排污孔、排污总管、蒸汽发生器排污管嘴结构进行三维建模。

首先利用AutoCAD全尺寸同比例绘制预建模结构，并利用AutoCAD结构在后续面结构创建过程中提供精确的相对点数据。AutoCAD预建模结构见图3。

面结构型式由Gambit程序搭建，主要采用从点到面再成体的流程。

在形成面结构的基础后，主要利用STAR CCM+程序进行网格结构和有限元分析。

2.2 STAR CCM+物理模型设置

以双核模式运行STAR CCM+，以“面网格”型式加载由Gambit程序搭建的面结构。

将网格基本尺寸和最小尺寸分别设置为50 mm和4 mm。

在STAR CCM+设置中选定3-D模拟分析，鉴于STAR CCM+有限元分析程序的优势，采用多边形为网格基本形态。

根据初步计算，模型中重点关注的排污管嘴和管板排污孔中Re值均远大于4000，采用Realizable k-e湍流粘性模型。

在具体分析中假定流场为稳态流场，介质不可压缩，密度恒定。

2.3 边界条件设置

电站运行工况选定为满功率运行，通过蒸汽发生器系统的排污工况取管板冲洗工况，该工况下蒸汽发生器排污量最大。

在STAR CCM+程序中，将管板上部模型顶面设定为入口边界，压力入口，压力值根据满功率蒸汽发生器二次侧背压及满功率运行下蒸汽发生器二次侧水位标高产生的压头作用在模型顶面的合力，5.86MPa（a）。

将模型出口位置定位于排污管嘴处，流速出口，根据最高管板冲洗工况流速设定流速为2.71m/s。

将除顶面、排污管嘴外模型的其它边界定义为绝热壁面。

3 有限元分析结果

图4至8分别为AP1000模型网格、中截面压力分布、中截面速度流线分布、近管板上平面速度流线分布、近管板疏水槽底部速度流线分布图。

利用STAR CCM+报告功能，得到排污孔和管嘴总压降：5.962-5.595=0.367MPa

根据Crane公式3-5，流动压降可以由下式计算：

？驻p=0.005K？籽v2

式中，

？驻p为流动压降，（bar）；

K为阻力系数，无量纲；

？籽为介质密度，（kg/m3）；

v为介质流速，（m/s）。

根据Crane公式，将压降3.67bar、密度781.7kg/m3、流速2.71m/s代入计算阻力系数：K=0.13。

4 三种不同设置排污结构有限元分析及平面流场分布、排污能力差异讨论

4.1 三种排污结构的提出

AP1000Δ125型蒸汽发生器排污接管设计中，排污孔偏向管板0°侧。

本文针对AP1000偏心排污设计结构，利用有限元分析手段，模拟分析管板上不同位置、不同数量排污孔的设置对近管板平面和管板疏水槽中介质流速的影响，尝试近定性的比较管板排污孔的设置方法。

三种排污结构之一：AP1000结构；见图4。

三种排污结构之二：在AP1000基础上，将11个排污孔居中布置，见图9。

三种排污结构之三：在AP1000基础上，在原11孔的对称位置增设11孔布置，见图10。

4.2 区别于AP1000的两种模型的有限元分析结果

利用STAR CCM+报告功能，得到排污孔和管嘴压降：

5.962-5.431=0.531 MPa（11孔居中方案）

5.962-5.633=0.329 MPa（22孔对称居中方案）

假定排污流量等边界条件与AP1000相同，根据Crane公式计算阻力系数：

K=0.18（11孔居中方案）

K=0.11（22孔对称居中方案）

4.3 三种结构有限元分析结果对比

4.3.1 近管板上平面和近管板疏水槽底部流场影响对比

通过对比图7和图13，三种方案中，近管板上平面位置平均流速分别接近：

2 m/s、3 m/s、5 m/s

通过对比图8和图14，三种方案中，近管板疏水槽底部平均流速分别接近：

2 m/s、4 m/s、10 m/s

排污能力取决于排污引流相对于蒸汽发生器管板的布置位置和排污引流在管板上表面引起的流速分布情况。在布置位置与AP1000相似的前提下（本文暂将AP1000和另两个相似方案结合分析），管板上表面，以及管板疏水槽中流速大小将决定排污能力的强弱。

根据近管板上平面和近管板疏水槽底部流场对比，可以相对明显地比较出三种排污结构的排污能力从强到弱排序为：第三方案（22孔对称居中）、第二方案（11孔居中）、第一方案（AP1000结构）。

4.3.2 排污管嘴阻力系数K值对比

从第4章和第5.2节结果得到三种方案排污管嘴阻力系数对比：0.13、0.18、0.11。

蒸汽发生器二次侧介质在电站功率运行期间处于次饱和、接近饱和的状态。

在蒸汽发生器排污管道的设计中，历来需要重点关注和预防的是可能发生的闪蒸情况。

排污管嘴阻力系数引入压降，有利于闪蒸发生，因此排污管嘴阻力系数也是不同排污结构对比的相对重要指标。

在本文三个不同排污结构中，从有利于避免闪蒸角度排序为：第三方案（22孔对称居中）、第一方案（AP1000结构）、第二方案（11孔居中）。

4.3.3 根据针对近管板上平面和近管板疏水槽底部流场影响排污能力的分析，以及针对排污管嘴阻力系数K值相对于避免闪蒸的作用分析，综合考虑排污效果和避免闪蒸两类因素下，第三方案（22孔对称居中）为最优方案。

5 结论

本文利用有限元分析方法，以CFD分析软件Star CCM+为研究手段，通过合理选定边界条件和模型，以模拟结果推算出AP1000蒸汽发生器排污结构的阻力系数K值，为精确计算排污结构压降和便于排污系统开展设计提供理论方法和分析工具支持。

同时，本文通过对包括AP1000结构在内的三种不同排污结构方案进行对比模拟分析，分别得到蒸汽发生器底部管板区域流场分布和流速强度。

通过综合评价排污能力和流动阻力，给出理论最优方案，为进一步优化工程设计提供依据。

参考文献：

[1]景思睿，张铭远编著.流体力学[M].西安交通大学出版社，2001.

[2]孙汉虹等编著.第三代核电技术AP1000[M].中国电力出版社，2010.

[3]郑明光、杜圣华编著.压水堆核电站工程设计[M].上海科学技术出版社，2013.

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[5]薛汉俊，杜圣华.核能动力装置[M].原子能出版社，1990.

[6]朱齐荣.核电厂机械设备及其设计[M].原子能出版社，2000.

[7]Crane技术文件410，1988，通过阀门、管件和管道的流体流动.

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