蒸汽发生器干燥器CFD模拟分析

莫少嘉，左超平，王丙鸿

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳518172)



蒸汽发生器干燥器CFD模拟分析

莫少嘉，左超平，王丙鸿

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳518172)

为了研究蒸汽发生器干燥器的负荷分布特性，采用计算流体动力学(CFD)软件ANSYS CFX 12.1，对CPR1000蒸汽发生器干燥器进行单相流场分析，得到其流场分布，对干燥器的负荷不均匀性及分离性能进行了评估分析。此外，通过与无均汽网模型的计算结果进行对比，分析均汽网对于干燥器负荷分布及分离性能的重要性，并提出了均汽网设计的改进方法。

蒸汽发生器；干燥器；CFD

蒸汽发生器的设计要求在正常运行时，蒸汽发生器出口处蒸汽湿度不超过0.25%，这是蒸汽发生器的关键性能指标[1]，因此，汽水分离装置是蒸汽发生器设计的关键环节，其负荷的大小及分布与汽水分离的效果和最终出口蒸汽湿度密切相关。CPR1000蒸汽发生器的汽水分离装置分两级，第一级由16个旋叶式汽水分离器组成，是粗分离阶段，可以分离掉蒸汽中大部分的水。第二级为波纹板式干燥器，为细分离阶段。干燥器是保证出口的蒸汽参数满足要求的最后一道屏障，其流场特性、负荷分布(干燥器进口的蒸汽速度分布)对其分离性能有重要影响。

干燥器波纹板进口处的蒸汽速度大小和分布是影响干燥器分离性能的关键参数，根据AREVA公司提供的单钩型波纹板干燥器效率曲线，干燥器进口最大允许的蒸汽速度为1.365m/s(蒸汽饱和压力为67.16Bar时)。干燥器进口某个局部的速度如果超过这个限值的话，干燥器将不能保证出口湿度小于0.25%，即达不到分离的性能要求。由于干燥器一半布置在热侧，一半布置在冷侧，而冷热侧蒸汽流量差别较大，且16个汽水分离器在空间上的分布也不均匀，都会对干燥器进口速度分布的均匀性造成不利影响。

本文采用计算流体动力学软件ANSYS CFX 12.1，对CPR1000蒸汽发生器波纹板干燥器的流场及负荷进行分析，得到其速度大小和分布，并分析其对干燥器的分离性能的影响。此外，对比有、无均汽网的计算结果，研究均汽网的作用，并提出均汽网改进方案。

1 模拟对象

图1 蒸汽发生器干燥器示意图Fig.1 Structure of dryers in steam generator

CPR1000蒸汽发生器采用波纹板式干燥器，共有12个干燥器单元，每个干燥器单元垂直安装在蒸汽汽鼓区域上部，呈星形布置，如图1所示。周向有6个干燥器单元，另外6个干燥器单元绕蒸汽发生器轴线径向均布。每个干燥器单元上均安装了单钩波纹板，如图2所示。每个干燥器单元的进气侧均安装有菱形网孔的金属栅格作为均汽网(见图3)，其目的是使蒸汽水平流入波纹板，同时也使得12个干燥器单元的负荷尽量均匀。携带小水滴的蒸汽进入波纹板干燥器，在波纹板中被迫通过曲折流程，蒸汽通过时很容易改变方向，而密度较大的水则不能，水不断附着在波纹板上，波纹板上的多道挡水钩收集板面水膜并捕集蒸汽流中的水滴，分离出的水汇集后沿凹槽流入疏水装置。如图1所示。

图2 干燥器波纹板示意图Fig.2 Dryer vanes in steam generator

图3 干燥器均汽网示意图Fig.3 Dryer inlet grids in steam generator

2 模型建立

为了对干燥器的流场进行准确模拟，本模型的计算边界为干燥器的上游(汽水分离器)到干燥器下游(出口限流器)。由于汽水分离器和干燥器结构复杂，为减少计算量，在模拟过程中，对以下结构和部件进行了简化处理。

(1) 由于汽水分离器和干燥器的疏水通道蒸汽流动影响很小，且截面积也较小，为简化计算模型，在计算中不考虑疏水过程，所以不对疏水管结构进行模拟。

(2) 由于干燥器的均汽网和波纹板结构十分复杂(见图2和图3)，完全按照其结构进行数值模拟的话会使模型变得十分复杂，网格数庞大，以至超出现有计算机的计算能力。所以将采用多孔介质方式对这两部分结构进行简化[2，3]。

(3) 汽水分离器出口的湿度约10%，对应的汽水混合物中液相的体积含汽率仅约0.5%，因此模型整体采用蒸汽单相进行计算。

(4) 由于蒸汽出口限流器位于干燥器的下游，对干燥器进口的流场影响较小，为了简化计算模型，未将文丘里管部分进行模拟[4]。

3 网格模型

经网格独立性验证，最终建立网格模型如图4所示，总网格数为10 599 474个。

图4 网格模型示意图Fig.4 Mesh model(a) 整体;(b) 局部

4 计算输入

4.1 计算假设与工况条件

计算主要考虑三个假设条件：a. 假设流动为稳态；b. 假定流动为不可压缩的湍流流动，湍流模型选用标准k-Epsilon模型；c. 假设汽水分离区域为蒸汽的单相流动。

计算采用CPR1000热工流量、寿期末工况。饱和压力为67.16Bar，蒸汽流量为537.8kg/s，循环倍率为3.49。

4.2 边界条件

• 入口边界条件：给定入口的质量流量，总蒸汽流量为537.8kg/s，各汽水分离器入口蒸汽流量由蒸汽发生器专用三维稳态热工水力软件计算得到;

• 出口边界条件：出口设定为压力出口；

• 壁面边界条件：光滑表面，无滑移；

• 干燥器均汽网及波纹板：均设置为各项异性多孔介质，根据干燥器波纹板局部流场分析的计算结果及试验数据得到局部阻力系数，并换算成CFX多孔介质模型中的平方阻力系数。

各边界条件的位置如图5所示。

图5 边界条件示意图Fig.5 Boundary condition

5 计算结果分析

5.1 流场分析

图6为整个计算区域的流线示意图。从图中可以看出，进入汽水分离器后，由于叶片导致的离心力作用，使蒸汽在分离器中旋转流动且速度较高。之后进入干燥器区域，依次穿过干燥器的均汽网和波纹板，最终从蒸汽发生器出口流出。计算区域内的整体流场比较复杂，且由于各分离器入口的负荷不均匀，以及汽水分离器及干燥器的布置位置并不一一对应，导致计算区域内表现出不均匀的流场特性。

图6 蒸汽流线示意图Fig.6 Streamlines of the model

5.2 干燥器负荷不均匀性分析

为研究各干燥器单元的负荷分布情况，定义负荷不均匀系数=各干燥器单元通过的质量流量/整体质量流量平均值，其中整体质量流量平均值=总蒸汽流量/干燥器个数。图7为各干燥器单元对应的负荷不均匀系数。从图中可以看出，周围的干燥器单元承受的负荷比较大，负荷不均匀系数均大于1，中间的干燥器单元承受的负荷较小，负荷不均匀系数大部分小于1，而最大最小流量的比值为1.20，各个干燥器单元存在一定的负荷不均匀性。

图7 各干燥器单元负荷不均匀系数对应图Fig.7 Flow mal-distribution coefficient of dryers

5.3 干燥器单元进口速度分布

各干燥器单元入口处的蒸汽流速分布的如图8所示。蒸汽流速在入口局部存在不均匀性，上方速度偏高，下方速度低。沿某典型干燥器单元中心轴线(见图8)高度方向的速度分布如图9所示。从图中可看出，沿着高度方向，干燥器单元入口处的蒸汽流速逐渐升高。

图8 干燥器单元入口处的蒸汽流速分布图Fig.8 Velocity distribution of dryer inlet

图9 沿某干燥器单元中心轴线高度速度分布图Fig.9 Velocity distribution along the central line of certain dryer inlet

5.4 干燥器性能评估分析

根据AREVA提供的单钩型波纹板干燥器效率曲线，最大允许的蒸汽速度为1.365m/s(蒸汽饱和压力为67.16Bar时)。干燥器进口某个局部的速度如果超过这个限值的话，干燥器将不能保证出口湿度小于0.25%。从图8中可以看出，最大速度值为1.309，即在设计限值(1.365)之内。表明CPR1000蒸汽发生器干燥器单元虽存在一定负荷不均匀性，但分离性能是满足要求的，只是干燥器单元上方将承受较大的负荷。

5.5 干燥器均汽网性能分析

为研究干燥器均汽网的作用，将原有模型中均汽网多孔介质部分的孔隙率设置为1，阻力系数设为0，即忽略均汽网的作用。将结果与前述有均汽网的计算结果进行对比。

5.5.1 波纹板整体负荷不均匀性对比

图10为没有均汽网时，各干燥器单元对应的负荷不均匀系数。从图中可以看出，没有均汽网时，干燥器内的负荷不均匀性更为明显，周围的干燥器单元的负荷不均匀系数都在1.46以上，而中间的干燥器的负荷不均匀系数则都在0.6以下。最大最小流量的比值达到4.45。

图10 无均汽网时各干燥器单元负荷不均匀系数对应图Fig.10 Flow mal-distribution coefficient of dryers without dryer door

图11为无均汽网时的流线图，对比图6可以看出，无均汽网时，从分离器出来的流体由于惯性，加上干燥器外圈空间阻力较小，所以蒸汽流速较高且保持较强的旋转运动，多数流线在离开汽水分离器出口后需运动半周以上才进入干燥器波纹板，使得周围的干燥器负荷明显比中间的高。当设置均汽网后，均汽网较大的阻力将使蒸汽的速度在进入波纹板之前大大降低，且减少由于分离器叶片引起的旋转惯性，使蒸汽能较快地进入干燥器中进行汽水分离。

图11 无均汽网流线示意图Fig.11 Streamlines of dryers without dryer door

5.5.2 波纹板局部负荷不均匀性对比

图12为无均汽网时各干燥器波纹板入口处的速度分布图。对比图8可以看出，没有均汽网时，波纹板入口处的速度分布极不均匀，且位于周围的干燥器速度体现出较明显的左侧小右侧大的特点，这是由于汽水分离器叶片为右旋布置，且无均汽网的均化作用所致。此外，没有均汽网时，周围干燥器单元的入口速度明显增大，最大速度为有均汽网时的约3倍，这将严重影响干燥器的分离性能，中间的均汽网速度则较小。

图12 无均汽网时入口速度对比图Fig.12 Velocity of dryer inlet without dryer door

5.5.3 无均汽网时干燥器性能评估

从图12中可以看出，无均汽网时，最大速度达到3.865m/s，已远超最大允许的蒸汽速度(1.365m/s)。尤其是位于周围的干燥器单元，这可能使干燥器的分离性能失效，达不到分离的要求。

从以上分析可见，均汽网对于干燥器的分离性能十分重要，其较大的阻力使得蒸汽在离开汽水分离器后能以比较均匀的方式进入干燥器波纹板，大大减少负荷的不均匀性，提高了干燥器的分离性能，最终使出口蒸汽达到运行要求。

5.6 干燥器均汽网改进建议

从以上分析可见，干燥器均汽网对于干燥器负荷分布和分离性能十分重要，是干燥器不可缺少的一部分。针对干燥器上方负荷普遍偏大的问题，在后续的设计中，建议采用均汽网非均匀开孔方式，从下到上逐步降低均汽网的开孔率。由于菱形均汽网难以做到不均匀开孔，建议采用圆形开孔方式，且上方孔较小，阻力较大；下方孔较大，阻力较小，引导蒸汽趋向均汽网下方流动，使干燥器的负荷更均匀，从而提高干燥器的分离性能。

6 结论

采用ANSYS CFX 12.1软件，建立CPR1000干燥器整体模型进行单相不换热模拟计算，分析其流场，主要结论是：

(1) 在干燥器中，周围的干燥器单元承受的负荷比中间大，最大最小流量的比值为1.27，干燥器内的负荷不均匀性十分明显。

(2) 在干燥器单元中，蒸汽流速存在一定不均匀性，干燥器单元上方速度高，下方速度低。

(3) 从干燥器单元的速度分布图可以看出，速度最大值为1.309，小于设计限值(1.365)，计算验证了干燥器分离性能的有效性。

(4) 对比了有、无均汽网两种条件下的计算结果，当没有均汽网时，负荷不均匀性大大增加，最大最小流量的比值达到4.209；干燥器波纹板入口速度大大增加，速度最大值已超过设计限值，可能使干燥器的分离性能达不到要求。计算验证了均汽网设置的必要性。

(5) 在后续设计中，建议采用均汽网非均匀开孔方式，通过改变均汽网上下部的开孔率，使干燥器的负荷更均匀，从而提高干燥器分离性能。

[1] 广东核电培训中心. 900MW压水堆核电站系统与设备 [M]. 北京: 原子能出版社, 2005：87

[2] ANSYS CFX 12.1 software and user manuals, ANSYS, Inc.

[3] 王福军. 计算流体动力学分析. 北京：清华大学出版社，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—)，广东汕头人，工程师，硕士，现主要从事的蒸汽发生器热工水力分析工作

TL4

A

0258-0918(2017)02-0229-06