蒸汽发生器汽水分离器改进设计数值分析

吴杨　王海松　李冬慧

【摘 要】对核电蒸汽发生器的汽水分离器进行改进设计后进行数值分析计算，从汽水分离器的阻力和分离效率两两方面对计算结果进行分析。结果表明，缩比后的汽水分离器满足蒸汽发生器的使用要求。本文的目的是通过数值分析获得汽水分离器主要结构参数的变化对分离器性能的影响趋势，为试验研究的模拟件设计提供依据。

【关键词】汽水分离器；分离效率；阻力

【Abstract】CFD analysis was made for improved steam separators of steam generator used in nuclear power plant.The calculation results are analyzed in two aspects，the resistance and separation efficiency.All the scale separators could meet the requirements of steam generator.The purpose of this article is to get the influence of the structure parameters on the separators.Which will be used to design the simulator used in the experimental study.

【Key words】Separators；Separation efficiency；Resistance

0 引言

汽水分離装置是自然循环蒸汽发生器中必不可少的部件。其工作性能直接影响蒸汽发生器的总体性能指标：分离效率的高低影响出口蒸汽品质，高度的大小影响设备的总体高度甚至影响装置的自然循环能力，汽水分离装置的阻力大小影响蒸汽发生器二次侧循环倍率，因此汽水分离装置是蒸汽发生器的中的关键部件。蒸汽发生器要求汽水分离器在大循环倍率下仍有较高的分离效率、较宽的许用负荷范围和较低的阻力[1]。

目前立式自然循环蒸汽发生器的大都采用的是旋叶式汽水分离器。这种分离器性能的优劣主要由其分离效率、分离器阻力特性、出口蒸汽湿度、上（下）携带及单位面积蒸汽负荷来评价[2]。由于旋叶式汽水分离器工作条件的参数高，直接通过原型试验分析影响分离器性能的因素及其规律，需要极高的代价；分离器内部结构复杂，气液两相流体经过旋叶后表现为三维螺旋流动，相对分布及其运动过程复杂，目前尚不能用纯理论公式来进行相关计算。如何设计模化实验以降低对试验参数的苛刻要求，如何评价模化实验结果的有效性等命题，是工程设计之前必须解决的重要课题，也是对多相流热物理学试验理论学科的一个挑战。

分离器的入口是来自U型管束的汽液两相流。流体以环状或搅拌流为主要流型进入分离器内，经过螺旋叶片后，由轴向流动变为螺旋环状流。在离心力作用下，液滴离心附着于分离筒内壁形成液膜，液膜在气流的作用下向上沿壁面呈螺旋流动，液膜从疏水口流出，进入分离筒与外套筒间的环形通道以下降液膜状流动形式从疏水阻挡环流出；分离筒轴心区水蒸汽夹带少量水滴从出汽筒进入干燥器。

分离筒内蒸汽流中的液滴尺寸大小不一，满足某规律分布（如正态分布，双R分布），液滴在运动过程中受不等数量级的多达八种以上力的作用，并经历液滴间的碰撞、液滴与液膜的碰撞等过程，这些碰撞会产生二次液滴、液滴聚并等现象，此外，液滴还受到气相湍流扩散的影响；分离筒内壁形成的液膜，受到气流的剪切应力和界面波、液滴碰撞等作用，一定条件下，液膜被撕裂并再次形成二次液滴被气流携带；液滴与有液膜覆盖壁面的相互作用过程主要存在四种不同的液滴行为：粘附、反弹、扩展和飞溅，其中，粘附和扩展还会造成液滴沉积。

正是因为液滴在汽相流中的复杂行为，目前并没有一种精确的模型来描述这一行为。所以工程应用的汽水分离器都是通过模拟体设计、冷态试验选型、热态考核验证的方式进行开发[3-5]。CFD计算的结果虽然不能直接用于工程设计，但是在模拟体设计的最初方案确定阶段，掌握汽水分离器中某一结构变化对汽水分离器性能的变化趋势，对汽水分离器的设计至关重要。计算流体力学CFD作为近代流体力学、数值数学和计算机科学相结合的产物，突破了求解非线形偏微分方程组的困难，使得计算流体力学的知识在两相流领域中得到广泛的应用，是目前掌握这种趋势的唯一现实可行的方法。在冷态试验之前，通过CFD计算对模拟件进行筛选，可以节约大量的试验，并且提高试验质量和效率。

本文通过对改进型汽水分离器进行数值分析，在保证分离效果的同时减小汽水分离器的尺寸，并降低汽水分离器的阻力，从而提高蒸汽发生器的紧凑型，并加强二次侧的水循环。同时通过在相同的工况、边界条件、计算假设下，对改进设计的汽水分离器分别进行数值计算，通过对计算结果的对比分析，把握不同形式的汽水分离器中的关键结构参数对汽水分离器性能的影响趋势，为试验模拟体的选择提供一定的参考和依据。

1 计算模型

1.1 几何模型

本文中汽水分离器的原型为核电厂工程使用的蒸汽发生器的汽水分离器，该汽水分离器具有成熟的工程使用经验，见图1。根据上升筒内径变化，采用线性比例缩放的方法得到其他尺寸的值，缩比后的结构的尺寸见表1。

1.2 物理模型

在两相流计算中，主要有欧拉法和拉格朗日法。欧拉模型是将混合物中的每一个相都看成是连续相，而且所有相占有同一空间，在控制体内假设每一相占有的体积大小用体积分数来表示每一相都各自的质量、动量、能量、标量传输方程，各相间通过相同的能量传输、动量传输、质量传输模型耦合，适用于各相都可以当做连续相的介质。拉格朗日法也被称作粒子追踪模型，认为在一个连续相中分散着若干不连续的颗粒，且颗粒不占连续相的体积，通过对每个颗粒积分其常微分方程求得颗粒的位置和速度，并且忽略颗粒周围流场的细节，但是其不可能追踪所有的粒子，因此比较适合颗粒比较少的情况。在汽水分离器中，由于液滴直径不同，在流动过程中对液滴和蒸汽之间存在相互作用，而且液滴占据着相当一部分的空间和数量，因此欧拉两相流模型更适合于模拟汽水分离器中的真实情况。

求解器采用CFX，入口设定为速度入口，给定空泡份额，出口采用压力出口。汽水分离器入口条件见表2。

在计算设置中，液滴直径的设定与计算结果有关。由于在汽水分离器真实环境下，液滴直径也不是个固定值，是呈某种规律的分布。由于本文的目的在于比较几种类型汽水分离器的性能，并不是计算汽水分离器的绝对性能。因此假设一个液滴直径，几种类型汽水分离器都在一种工况下计算，得出的数据就有可比性。本次计算设定液滴直径为0.2mm。

在CFX中的湍动模型中，由于k-？着模型是针对湍流发展很充分的湍流流动建立的，它只适用于高Re数的湍流计算。在靠近壁面区，Re数较低，常采用壁面函数法，将壁面值同相邻控制体积的节点变量值联系起来。k-？着模型对来流参数敏感，但在壁面处稳定性比较好。SST模型在近壁面采用k-？着模型，在主流区采用k-？着模型，结合了二者的优势，因此湍流选用SST模型。

由于原型汽水分离器具有成功的工程使用经验，在同一种物理模型下，缩比后的模型计算结果与原型的计算结果进行了比较，即可得出缩比后的汽水分离器与原型汽水分离器之间的差别。

2 计算结果分析

基于以上模型和假设，计算结果见图2。

从分离效率上看，上升筒内径为360mm的汽水分离器分离效率最高。上升筒内径为310mm的汽水分离器其分离效率略低于内径为495mm汽水分离器。与内径为495mm汽水分离器相比，新设计的汽水分离器压降减小，分離效率并没有发生不可接受的变化。造成分离效率有些差异的原因可能是因为内径为495mm汽水分离器进行了优化选型，而新设计的汽水分离器只是采用线性缩比，各结构的参数的组合不是一个最优方案。

从流动阻力上看，随着上升筒直径增大，流动阻力呈增大趋势。阻力增大的原因可以解释为随着上升筒直径的增大，汽水分离器的高度增加，蒸汽流动路径的变长造成的。

从图3、图4、图5中对比中可以看出，两种新设计的汽水分离器与原型汽水分离器相比，分离器中的汽液分布并没有明显的差别，与蒸汽发生器中常规使用的汽水分离器比较，小筒径的汽水分离器，其压降变化值不超过原型的7.5%，蒸汽出口干度变化值不超过1%，这种差别对于数值计算来说，并不能作为某种结构优劣的判断依据。可以认为，在同样的蒸汽负荷下，通过结构优化，小筒径的汽水分离器同样可以达到较高的分离效率和较小的阻力，可以满足蒸汽发生器的使用要求。

3 结论

通过本文的计算可以看出，汽水分离器的分离效率和流动阻力与上升筒内径、叶片升角、叶片高度以及汽液两相的脱开高度有关，掌握这种联系也是汽水分离器研发中的关键技术。

小筒径的汽水分离器同样可以得到高的分离效率和小的压降。从目前国外汽水分离器设计的发展历程来看，小型化、标准化已经成为一种趋势。利用小型化的汽水分离器可以在相同的截面内增加蒸汽的流通面积，从而减小单个汽水分离器的负荷，进而提高蒸汽发生器的总体性能。这一点在蒸汽发生器的负荷越来越大的情况下优势尤为明显。由于汽液两相运动的复杂性，目前没有精确的数学物理模型能够准确的模拟汽水分离行为，因此，一种新型号的汽水分离器的性能需进行热态试验验证，采用小筒径的汽水分离器的另一个好处是，因为单个汽水分离器负荷不大，可以做全尺寸的热态试验，这样就可以避免缩比试验件数据外推带来的风险。本文的研究可以为试验研究的模拟件设计提供依据。

【参考文献】

[1]陈军亮，程慧平，等.百万千瓦级压水堆核电厂蒸汽发生器干燥器冷态试验研究[J].核动力工程，2006，27（2）：72-77.

[2]孙福泰，吕襄波，等.蒸汽发生器的旋叶分离器性能研究[J].核科学与工程，1995，15（3）：213-219.

[3]陈杏根，沈长发，等.秦山核电厂蒸汽发生器用一、二次分离器在空气—水试验台上的选型试验[J].核动力工程，1989，10（2）：6-12.

[4]丁训慎，崔保元.立式蒸汽发生器汽水分离装置的试验研究[J].中国核科技报告，1989：1-11.

[5]陈军亮，薛运奎，等.百万千瓦级压水堆核电厂蒸汽发生器汽水分离装置热态验证试验[J].核动力工程，2006，6（3）：61-66.

[责任编辑：田吉捷]