蒸汽发生器全尺寸汽水分离装置模型开发

汽水分离装置是核动力系统蒸汽发生器(SG)重要组成部分。目前针对汽水分离装置的研究包含试验与模拟两种方法,受限于成本和计算资源,现有研究主要是对汽水分离装置中单一旋叶式分离器或波形板干燥器开展。但在SG不同位置处分离器或干燥器入口参数不相同,存在负荷不均问题。为此,本研究基于已有分离器和干燥器分离效率计算模型,对汽水分离装置适当简化,开发SG全尺寸汽水分离装置模型。研究SG中不同位置处分离器和干燥器分离效率分布特性以及干燥器液滴负荷不均情况。计算结果可为SG汽水分离装置设计提供参考,开发的汽水分离模型已植入自主化SG全流域热工水力计算分析程序STAF。     

压水堆蒸汽发生器水滴重力分离的理论研究

压水堆蒸汽发生器水滴重力分离空间是汽水分离装置的重要组成部分,是连接汽水分离器和蒸汽干燥器的纽带。蒸汽发生器的设计,除了要选用分离效率高,结构紧凑的汽水分离器和干燥器外,还要合理选择重力分离空间高度。高度太低,湿分得不到充分的重力分离,将会影响干燥效果;高度太高,将会增加蒸汽发生器和核岛设施的投资。文中对重     

西德蒸汽发生器的汽水分离器

一、研究概况西德 KWU 为研究 U 型管蒸汽发生器两相流分离系统的特性进行了专门的试验,并根据试验结果分析了不同水位、不同汽水流量以及压力变化对分离器的压降、蒸汽湿度和疏水含汽量的影响。分离器和干燥器的综合性能与至今获得的运行经验表明,其分离系统完全能保证蒸汽发生器出口蒸汽湿度低于0.25%的规定值。目前裝设在 KWU 标准蒸汽发生器内的分离系统是大量试验的结果。研制汽水分离器之初,KWU 即确立了两个目标:①研制的分离系统必须保证在各种运行工况下     

新型蒸汽发生器综合性能实验研究

由于蒸汽发生器中流动及传热的复杂性,目前华龙一号ZH-65型蒸汽发生器不能完全通过理论计算进行设计,其性能是否满足设计要求必须通过开展相应的实验予以确认。本文利用中国核动力研究设计院的蒸汽发生器综合实验装置对新型蒸汽发生器开展综合性能实验研究,以验证ZH-65型蒸汽发生器二次侧自然循环性能和总体性能。通过稳态实验研究,获得了蒸汽发生器不同功率负荷下二次侧出口蒸汽压力、蒸汽产量、出口蒸汽湿度、循环倍率、给水组件阻力、汽水分离器压降等关键热工参数,全面验证了蒸汽发生器静态工作特性。本文还对蒸汽发生器瞬态工作特性进行了深入研究,获得了蒸汽发生器阶跃条件下的运行特性,获得的实验数据表明,华龙一号ZH-65型蒸汽发生器完全满足设计要求。     

压水堆蒸汽发生器水滴重力分离的理论研究(英文)

压水堆蒸汽发生器水滴重力分离空间是汽水分离装置的重要组成部分,是连接汽水分离器和蒸汽干燥器的纽带。蒸汽发生器的设计,除了要选用分离效率高,结构紧凑的汽水分离器和干燥器外,还要合理选择重力分离空间高度。高度太低,湿分得不到充分的重力分离,将会影响干燥效果;高度太高,将会增加蒸汽发生器和核岛设施的投资。文中对重力分离空间蒸汽携带水滴的过程进行了理论研究,推导出了水滴重力分离高度,水滴的飞升直径和飞升速度的一般表达式,在分析中还考虑了汽液两相间速度的不一致(即滑动比S),并提出了直径-粘度组合项。理论研究得出的结论可为确定蒸汽发生器重力分离空间高度提供依据。     

压水堆核电站立式蒸汽发生器性能的试验研究(英文)

介绍了在高温高压试验台上,对立式蒸汽发生器试验体所进行的传热特性、水循环性能和汽水分离装置性能的试验研究。试验台一回路系统由低合金钢管构成,压力为10.13MPa的一回路水由两台离心式循环水泵驱动进行循环,加热装置可使流量为65t/h的一回路水的温度升高约60℃。试验体可产生的最大蒸汽量为8t/h左右,它的240根不锈钢U形管倒立于管板上。管子尺寸为φ15mm×1.5mm,试验体总高度为5.789m。传热特性试验得出:在进行蒸汽发生器的传热计算时,可以忽略预热段的存在,把整个传热面都作为蒸发传热面来计算。这样,虽然不能精确地反映出传热系数和传热温差的大小,但二者的乘积设计值略小于试验值。传热系数与传热温差对传热面积综合影响的净结果使传热面积稍大于试验值。汽水分离器采用旋叶式分离器,干燥器是单圈立式波形板分离器。试验表明:汽水分离器和干燥器的分离效果良好,出口湿度远低于湿度指标(0.25％)。     

旋叶分离器中液滴运动相变特性分析

为研究AP1000核电站蒸汽发生器中初级旋叶分离器的液滴运动相变特性以及液滴相变对汽水分离性能的影响,通过建立液滴运动相变模型,基于AP1000旋叶分离器三维模型,采用欧拉-拉格朗日方法求解气液两相流动模型,计算得到了不同工况下旋叶分离器的汽水分离效率和压降的变化规律,并分析了液滴相变特性对分离效率的影响,获得了不同初始半径液滴的相变特性。计算结果表明:随着蒸汽流速的增加,分离效率和压降快速增加;压降相同时,半径较小的液滴在运动蒸发过程中半径变化百分比较大,相比半径较大的液滴其运动轨迹容易改变,更易逃逸出分离器,造成考虑相变时的分离效率降低;在正常运行工况下,液滴相变对分离效率的影响可忽略。计算结果可为进一步研究汽水分离装置中的汽水分离性能提供理论依据,并用于指导汽水分离装置的设计。     

蒸汽发生器一级汽水分离器内流场数值模拟

以压水堆核电厂蒸汽发生器一级汽水分离器为研究对象，采用基于计算流体动力学（CFD）的计算软件ANSYS Fluent对湿蒸汽进入汽水分离器后的流场特性和汽水分离性能进行模拟，在模拟过程中采用了欧拉多相流模型和k-ε Realizable湍流模型相结合的计算模型。对工质流经汽水分离器的模拟结果表明，在汽相与液相经由汽水分离器流至各自出口时，出现明显的分层现象。对比不同切向出口和不同液滴粒径下的模拟结果表明，出口面积越大，汽水分离器对液滴的分离效果越好；在0.01~0.10 mm的粒径范围内，液滴粒径越大，分离效果越好。对不同负荷条件下汽水分离器分离效率的模拟结果表明，分离效率随机组负荷升高略有降低。      

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

对百万千瓦级压水堆核电厂蒸汽发生器汽水分离装置水-空气冷态试验确定的最佳结构进行了实际核电厂运行参数条件下的水-蒸汽热态验证试验,与国外先进结构汽水分离装置试验体在热态试验条件下的性能进行了对比.结果表明,在正常运行条件下,研制的汽水分离装置试验体出口蒸汽湿度(上携带)为0.0021%,远小于百万千瓦级压水堆核电厂蒸汽发生器设计规定的0.1%的湿度指标,其在恶劣工作条件下的汽水分离性能仍满足设计要求,并优于国外先进结构汽水分离装置试验体.     

蒸汽发生器汽水分离器负荷不均匀性分析

应用三维稳态热工水力软件GENEPI,对CPR1000蒸汽发生器管束区及汽水分离器区域进行热工水力分析,得到了管束区和汽水分离器入口的热工水力参数分布。结果表明,汽水分离器区域的负荷不均匀性明显,中间及热侧的汽水分离器承受的负荷较高,分析数据为汽水分离器及干燥器湿度分析提供输入数据和设计依据。对比了不同汽水分离器局部阻力系数下的结果,表明汽水分离器局部阻力系数对其负荷不均匀性有一定的影响,系数越大,流量越均匀。     

System Code Calculation and Experimental Verification for Double-hole Steam Jet Condensation Heat Transfer Process Based on ADS1 3 Scaled Model

The steam direct contact condensation of high-temperature steam in sub-cooled water is an important way to reduce the temperature and pressure in the primary circuit in the third generation of advanced pressurized water reactors such as AP1000 and CAP1400 in the event of accidental overpressure. Based on the system codes of RELAP5 and COSINE, the process of saturated steam injecting into large volume sub-cooled water through a double-hole nozzle was modeled, calculated and analyzed. The temperature distributions along the axial direction of the high-temperature steam ejected from the nozzle were obtained. At the same time, the visual experiments of steam jet condensation were performed. The thermocouple matrix and high-speed camera were used to measure the key thermal-hydraulic parameters to obtain the temperature distributions along the steam plume and the flow patterns of the steam jet, which were used to verify the accuracy of the system code to simulate the process of steam spraying and condensation. The results show that the system code RELAP5 can basically simulate the general trend of ADS steam condensation process under the simplified model. The average error of the simulation results is 2.97% compared with the experimental results. In addition, the COSINE code was used to further modify and improve the model of the spraying condensation process. Considering the influence of the overall flow in the water tank on the condensation characteristics, the simulation results fit well with the experimental results, with an average error of 1.89%. However, the actual double-hole spraying process is complex and has obvious three-dimensional characteristics, so the relevant condensation heat transfer model in the system code still needs to be further improved to simulate its local condensation characteristics more accurately.     

基于ADS1～3缩比模型的双孔蒸汽喷放冷凝传热系统程序计算与实验验证

高温蒸汽在过冷水中喷放直接接触式冷凝是AP1000、CAP1400等三代先进压水堆一回路在事故超压情况下重要的降温降压途径。本文基于系统程序RELAP5、COSINE对饱和蒸汽通过双孔喷洒器喷入大容积过冷水中进行直接接触冷凝这一过程进行建模、计算、分析,获得高温蒸汽从喷口喷出后沿轴向的温度分布。同时开展蒸汽喷放冷凝可视化实验,采用热电偶矩阵和高速摄像机等对关键热工参数进行测量,以获得蒸汽汽羽的温度分布和喷放流型等,用于验证系统程序对蒸汽喷放冷凝过程模拟的准确性。结果表明,采用RELAP5程序基本能模拟简化条件下的ADS蒸汽喷放冷凝总体变化规律,模拟结果与实验结果相比平均误差为2.97%。此外,采用COSINE程序对喷放冷凝过程模型进行了进一步修正和改进,考虑水箱内整体流动对喷放特性的影响,模拟结果与实验结果吻合较好,平均误差为1.89%。但由于实际双孔喷放过程较为复杂,并且存在明显的三维特性,所以仍需对系统程序中相关冷凝传热模型进行完善,以更精确地模拟其局部冷凝特征。     

Steam separator modeling for various nuclear reactor transients

Experiments were performed using air and water on three types of centrifugal separators plus gravity and secondary separators. Experiments were also done in the MIT blowdown rig, with and without a centrifugal separator, using steam and water. Appreciable carry-over from the steam generator occurs when the drain lines from the three stages of separation (centrifugal, gravity, and secondary) are unable to carry-off the liquid flow due to the high downcomer water level. Failure scenarios of the separator for conditions ranging from quasi-steady state to fast transients are presented. Separators, in general, in fast (blowdown) transients were found to increase the carry-over slightly. A module showing the general separator model structure is provided and recommendations are made for modeling the separator.     

旋叶汽水分离器试验和数值模拟研究

针对旋叶汽水分离器的缩比模型展开空气-水冷态试验性能分析和数值模拟研究。试验表明：分离效率主要受水流量的影响,随水流量的增大呈逐渐上升的趋势,当水流量增大到0.3 m³/h后增加趋势逐渐减缓进而出现下降的趋势。压降对空气流量变化敏感,随空气流量的增大显著上升。进一步建立旋叶分离器CFD数值分析模型,采用欧拉两流体模型,气相为连续相,液相为离散相,并使用雷诺应力RSM方法求解湍流应力。计算分析了液滴粒径对分离特性的影响,结果表明,液滴粒径分布对分离效率有显著影响,微小粒径液滴的存在显著降低了气液分离效率。     

汽水分离再热器波形板分离元件试验验证

在压水堆核电机组汽水分离再热器（MSR）的实际运行工况下验证饱和湿蒸汽通过波形板分离元件时的分离特性和压降特性。采用大型热工-水力试验台架提供满足要求的饱和湿蒸汽，获得该湿蒸汽流经试验件的压降和残余湿度，结果表明:该MSR波形板试验件的二次携带临界流速较高，在入口蒸汽干度不大于86%且入口速度低于临界流速时，其残余湿度不大于0.1%，分离效率在99%以上，压降不大于7 kPa，满足出口蒸汽干度不小于99%、分离模型压降不大于14 kPa的设计要求，具有良好的分离和压降特性。      

两相流模型在直流蒸汽发生器热工水力分析中的比较研究

根据组成气液两相流基本场方程数量所反映的流动与传热特性的不同,两相流方程分为三方程、四方程、五方程和六方程模型,结合流动压降模型、传热模型、两相相互作用模型以及流动工质的状态参数和结构材料热物性等辅助关系式,可很好地对蒸汽产生系统进行设计和研究分析。本文分析了不同数量的两相流场方程的特点和局限性,结合直管式直流蒸汽发生器实验装置,分别选取最佳估算程序中4种不同的两相流场方程计算模型进行流动传热计算分析,重点比较了强制流动的单相过冷水被加热至单相过热蒸汽过程中的压力与传热特性,从而给出不同场方程的两相流模型在分析具有较大相变过程中的差异性,验证了RELAP5程序和RETRAN-3D程序计算分析直流蒸汽发生器的能力。结果表明,RELAP5程序的六方程模型更适合模拟直流蒸汽发生器。     

Development of Steam Separator Performance Analysis Code and Its Validation, (II) Carryover Experiments

Abstract

The purpose of the study is to collect data in order to make models that are applicable to calculate carryover droplets that are generated in and flow out of a steam separator. Various effective tests relevant to separation mechanisms in the separator have been conducted with a full-scale steam separator under atmospheric pressure. Separation behaviors for the top of the riser of the separator and for corrugated-separator were clarified and correlated by the experiment. Distinct patterns about the separation at the corrugated-separator, the separation of discharged droplets by gravity, and the separation of droplets by a screen dryer that is used to dry up the steam were also measured with the facility using a full-scale separator in a vessel simulating the flow area of ATR under the high-pressure and high-temperature condition for various water levels. Each separation data were correlated under the condition of maximum steam and liquid flow rates of 7 and 30.5 kg/s, respectively. Liquid droplets containing a small amount of LiOH at several positions were sampled together with steam by iso-kinetic probes, and the amount of carryover was analyzed in PPT range by the chemical analysis of condensed steam. As a result, basic data for separation mechanisms were obtained, and maximum capacity of the separator was estimated.     

蒸汽发生器的旋叶分离器性能研究

通过对旋叶式汽水分离器（简称旋叶分离器）内部的汽水分离过程进行分析，建立了旋叶分离器的分离性能模型，为今后旋叶分离器在不同工况下的分离性能进行预估计算提供计算方法，同时根据旋叶分离器冷态模拟实验结果分析，找出了影响旋叶分离器性能的主要原因，并整理出阻力计算的经验关系式。