钠冷快堆直流式蒸汽发生器节流装置阻力特性研究

2021-05-18朱丽娜武志广

核科学与工程 2021年2期

朱丽娜,王博,武志广

(1.中国原子能科学研究院,北京102413;2.东方电气股份有限公司,四川成都611731)

钠冷快堆蒸汽发生器为典型的直流式蒸汽发生器,其壳侧流动的介质为高温液态金属钠,换热管内流动的介质为高温高压的水/蒸汽[1,2]。换热管内流动的水/蒸汽与壳侧的液态金属钠进行逆向换热,最终被加热为过热蒸汽。由于换热管内的水存在两相状态,容易出现流动不稳定现象而影响蒸汽发生器的安全可靠运行[3-6]。对于钠冷快堆直流式蒸汽发生器,防止换热管内介质出现两相流动不稳定性现象最为有效的措施是在换热管的入口处加装节流装置[7-9]。节流装置的设置不仅能够抑制流动不稳定性现象的产生,而且会影响蒸汽发生器换热管侧整体的压降。因此,节流装置的设计及其阻力的确定对于钠冷快堆蒸汽发生器的设计及其后期运行工况的确定至关重要。

由于节流装置的结构较为复杂,采用传统经验关系式的方法计算阻力系数具有很大的偏差。本文以钠冷快堆蒸汽发生器所采用的结构形式的节流装置为对象,设计并加工了不同孔径的节流装置作为试验件,通过试验研究了孔径尺寸及雷诺数变化对节流装置阻力特性的影响规律,获得了孔径尺寸与阻力系数的关系。上述工作的开展为钠冷快堆蒸汽发生器的设计优化与定型提供理论参考。

1 试验系统及试验原理

1.1 试验系统

节流装置阻力特性试验的试验系统如图1所示,该系统包含主循环水回路、辅助循环水回路、参数实时测量及数据采集系统四部分。主循环水回路由水箱、过滤器、高压柱塞泵、套管式换热器、预热器、试验件组成,辅助循环水回路由水-水冷凝器、冷却塔以及冷却水泵组成。

主循环水回路中来自水箱1的去离子水由高压柱塞泵4提高至试验所需压力后分两路:一路作为旁路用于调节流量;另一路首先进入套管式换热器7的管程,被来自试验段9在套管式换热器夹套内流动的高温水加热后流出,之后进入预热器8被加热至所需的试验温度后进入试验段9。从试验段9内流出的水由于温度较高,为充分利用热量首先进入套管热换热器7的夹套预热来自柱塞泵4的去离子水,之后从夹套流出进入冷凝器壳程被冷却后返回水箱1。流动路径为水箱1—高压柱塞泵4—夹套式换热器管程—预热器8—试验段9—夹套式换热器夹套程—冷凝器壳程—水箱1。

辅助循环水回路中,冷却塔13流出的水经冷却水泵12的驱动进入冷凝器11的换热管程内,冷却夹套内来自主循环回路的高温水后再次返回冷却塔13。流动路径为冷却塔13—冷却水泵12—冷凝器管程—冷却塔13。

图1 试验系统示意图Fig.1 The schematic of the test system

试验工况如表1所示。

表1 试验工况Table 1 Test conditions

1.2 试验段设计

钠冷快堆蒸汽发生器采用直管式换热管,节流装置安装在换热管给水的入口处,给水从节流装置底部向上流动,经过一系列突放、突缩以及转弯的流动通道后流出节流装置进入传热管内达到节流降压的目的[10-12]。本试验的试验件如图2和图3所示,试验件包括节流装置前稳定段、节流装置及节流装置后稳定段。节流装置前稳定段和节流装置后稳定段的设置是为了保证节流装置入口和出口处工质流动的稳定,保证测量结果的准确性。此外,节流装置前稳定段与节流装置入口处内径(上下偏差)和粗糙度要求一致。节流装置前稳定段、节流装置以及节流装置后稳定段之间通过激光焊接连接在一起,既保证了密封性,又不会对其内部结构产生影响。

图2 试验件结构Fig.2 The structure of the test piece

图3 试验件实物图Fig.3 The picture of the test piece

1.3 试验参数测量

本试验测量的参数为温度、流量及压力。温度测点布置在试验件进口位置处,由T型热电偶进行测量;压力测点布置在试验件进、出口处;试验件进、出口的压力差即为试验件的压降;试验件内的流量由安装在主回路管道上的质量流量计进行测量。试验系统各测量装置的测量范围、精度及仪表型号如表2所示,试验的测量误差如表3所示。

表2 试验测量仪器Table 2 Test measuring instruments

表3 测量误差分析Table 3 Measurement error analysis

1.4 试验原理

本试验通过测量不同流量下节流装置前后的压差确定其总阻力系数。节流装置阻力系数可由公式(1)计算得到:

式中:ξ——节流装置的总阻力系数;

ΔP——节流段前后压降,Pa;

ρ——试验介质密度,kg/m3;

υ——试验介质流速,m/s。

2 试验系统测试

试验台架中主循环回路的高压柱塞泵是容积泵的一种,其依靠柱塞在缸体中往复运动,使密封工作容腔的容积发生变化来实现介质的输送。柱塞泵瞬时流量随时间同一规律重复变化,具有明显的流量波动特点。高压柱塞泵在不同频率运行时,流量和压力波动的幅值也不相同,因此在阻力特性试验前首先测试了不同频率下的压力和流量的波动以便评估其对测量精度的影响。

2.1 水泵频率影响分析

为满足不同试验工况的要求,试验前测试了柱塞泵在5 Hz、15 Hz、25 Hz及47 Hz工作时压力及质量流速的波动。图4～图7分别给出了上述频率下数据采集系统350 s内压力及质量流速随时间的分布以及数据采集系统自动输出的算术平均值。

图4 出口压力和流速随时间变化(5 Hz)Fig.4 The outlet pressure and velocity change vs.time(5 Hz)

图5 出口压力和流速随时间变化(15 Hz)Fig.5 The outlet pressure and velocity change vs.time(15 Hz)

图5 出口压力和流速随时间变化(15 Hz)(续)Fig.5 The outlet pressure and velocity change vs.time(15 Hz)

图6 出口压力和流速随时间变化(25 Hz)Fig.6 The outlet pressure and velocity change Vs.time(25 Hz)

图7 出口压力和流速随时间变化(47 Hz)Fig.7 The outlet pressure and velocity change vs.time(47 Hz)

柱塞泵在不同的频率下,出口压力和质量流速的平均偏差如表4所示。

表4 压力和流量随泵频率变化的平均偏差Table 4 Average Deviation with Different Pump Frequency

从表4中可以看出,柱塞泵在不同频率运行时,其出口质量流速及压力的偏差很小,压力最大平均偏差为1.33%,而流速的最大平均偏差为0.32%。柱塞泵在不同频率保持稳定运行,能够保证不因水泵流速及压力波动而影响测量的精度。

2.2 数据采集稳定性分析

为了考察试验台架数据采集系统的稳定性,对不同时刻采集的数据进行了比较,如图8所示。

图8 不同时刻采集的出口压力和质量流速对比Fig.8 Comparison of the pressure and mass flow at different collection times

由图8可知,不同时间第一次数据采集系统得到的流速及压力与第二次得到的数据保持一致,试验系统保持稳定运行,测量精度可以满足要求。

3 试验结果及分析

3.1 阻力特性随孔径及雷诺数变化规律

图9 给出了节流孔径分别为2.4 mm、2.5 mm、2.6 mm、2.7 mm及2.8 mm时,节流装置的阻力系数随雷诺数的变化规律。如图可见:节流装置阻力系数对节流孔径的变化十分敏感,而不同节流孔径下雷诺数的变化对节流装置阻力系数的影响不大。

图9 阻力系数随孔径及雷诺数变化Fig.9 Resistance coefficients changing with orifice size and Re

图9 阻力系数随孔径及雷诺数变化(续)Fig.9 Resistance coefficients changing with orifice size and Re

节流装置的压力降可分为沿程压力降和局部压力降。局部阻力系数为无量纲常数,通常由试验获得;沿程阻力系数与流体的黏度、速度以及管道内径及管壁粗糙度等有关,可以由公式(2)～公式(3)计算得到。

式中:λ——沿程阻力系数,无量纲;

L——节流装置长度,m;

f——局部阻力系数,无量纲;

Δ——粗糙度,m;

x——节流孔径,m;

Re——雷诺数。

节流装置内流体需要经过一系列突放、突缩以及转弯的流动,节流孔径的变化将影响节流装置内流体的流速、雷诺数进而改变沿程阻力系数。局部阻力的系数也会受到结构变化产生的影响,因此节流装置阻力系数对节流孔径的变化十分敏感。不同节流孔径下的阻力系数随雷诺数的变化不大的主要原因是节流孔径较小,雷诺数较高,流动进入了阻力平方区,沿程阻力系数基本趋于稳定,而且从公式(3)中也可发现当雷诺数较高时沿程阻力系数仅与结构件的节流孔径及粗糙度有关。