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《核動力工程雜志》2014年第三期

1可視化后處理

通過對二次側(cè)管束區(qū)域流場分布計算結(jié)果進(jìn)行可視化后處理，獲得相應(yīng)流場分布圖，坐標(biāo)系定義如圖3所示。圖3中：①坐標(biāo)原點位于SG管板上表面左下角；②X軸為與管廊垂直的軸線；③Y軸為與管廊平行的軸線；④Z軸為豎直軸線；⑤熱側(cè)位于計算區(qū)域左側(cè)，冷側(cè)位于右側(cè)。

2計算結(jié)果與分析

2.1對熱工水力參數(shù)的影響SG熱工水力靜態(tài)特性直接影響蒸汽發(fā)生器的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[2]。優(yōu)化前后SG主要熱工水力參數(shù)見表1。由于管廊區(qū)域取消了排污管和阻擋塊，使得二次側(cè)流體從套筒入口到流量分配板下游這個過程的壓力損失系數(shù)減小，從而SG二次側(cè)回路總壓力損失減小，循環(huán)倍率增加[3]。考慮到高循環(huán)倍率具有提高管束區(qū)流體的流動速度、降低管束區(qū)干度和增強水位穩(wěn)定性等優(yōu)點，且優(yōu)化后各參數(shù)的變化均小于0.3%，因此，排污結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對SG熱工水力參數(shù)產(chǎn)生的影響可以接受。

2.2對管束區(qū)流場的影響圖4為優(yōu)化前后二次側(cè)管束區(qū)域、Y=0.05m處豎直平面（XZ面）內(nèi)流體速度分布圖。從圖5中可知，優(yōu)化前后流量分配板以上的二次側(cè)管束區(qū)域的速度分布與大小基本相同，速度較大的區(qū)域均出現(xiàn)在熱側(cè)防振條附近，此平面內(nèi)最大流速變化1.8%；但在管板二次側(cè)上表面至流量分配板區(qū)域流場變化明顯，管板二次側(cè)中心區(qū)域優(yōu)化前僅有一個低流速區(qū)，而優(yōu)化后出現(xiàn)2個低流速區(qū)。因此，排污結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對管束區(qū)流場的影響主要集中在管板二次側(cè)上表面。圖5為優(yōu)化前后管板二次側(cè)上表面、Z=0.05m水平面（XY面）內(nèi)流體橫向速度分布云圖。由圖5可知，排污結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后二次側(cè)管板上表面管廊區(qū)和中心區(qū)域流體橫向速度變化明顯。優(yōu)化前，管板二次側(cè)上表面低流速區(qū)主要集中在排污管區(qū)域、阻擋塊區(qū)域以及中心區(qū)域；而優(yōu)化后，由于中間管廊區(qū)域阻力變小，給水從套筒入口進(jìn)入后趨向于管廊區(qū)域流動，管廊區(qū)域流體流速增加，同時在中心區(qū)域形成2個較大的低流速區(qū)，導(dǎo)致管廊區(qū)傳熱管直管段發(fā)生流彈失穩(wěn)以及中心區(qū)發(fā)生泥渣沉積的可能性增加。綜上所述，需對優(yōu)化后管廊高流速區(qū)傳熱管的流彈穩(wěn)定性進(jìn)行評估，同時對管板二次側(cè)中心區(qū)域進(jìn)行泥渣沉積分析。

2.3對質(zhì)量含汽率的影響為保證SG安全可靠的工作，避免二次側(cè)水中雜質(zhì)過度濃縮、傳熱管表面出現(xiàn)干濕交替導(dǎo)致的傳熱管腐蝕破裂及汽-水分離器的負(fù)荷增加[4]，蒸汽發(fā)生器的含汽率應(yīng)保持在合適的范圍內(nèi)。圖6為優(yōu)化前后二次側(cè)管束區(qū)域、Y=0.05m處豎直平面（XZ面）內(nèi)質(zhì)量含汽率分布圖。從圖中可知，優(yōu)化前后二次側(cè)管束區(qū)質(zhì)量含汽率分布和大小近似相同，最大值均出現(xiàn)在熱側(cè)靠近防振條出口處，此平面內(nèi)最大值變化3.4%，因此，排污結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對SG質(zhì)量含汽率產(chǎn)生的影響可接受。

2.4流彈穩(wěn)定性分析由圖5可知，優(yōu)化后管板二次側(cè)上表面管廊區(qū)域橫向流速增加，而較高的橫向速度可能導(dǎo)致傳熱管發(fā)生流彈失穩(wěn)，工程上將等效激勵流速與臨界流速的比值稱為流彈不穩(wěn)定率，當(dāng)流彈不穩(wěn)定率小于1時認(rèn)為管束是穩(wěn)定的[5]；核工業(yè)為保守起見，一般認(rèn)為不穩(wěn)定率小于0.75時管束不發(fā)生流彈失穩(wěn)。根據(jù)圖5所反映的流體橫向速度分布情況，選取位于管廊入口處的C01R55和管廊高流速區(qū)的C01R22（圖7）兩根最“危險”的傳熱管作為研究對象，計算其優(yōu)化前后的流彈不穩(wěn)定率，評價其在橫向流作用下是否會出現(xiàn)失穩(wěn)及保持穩(wěn)定性的安全裕量。計算結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知，傳熱管C01R55的流彈不穩(wěn)定率優(yōu)化后略大于優(yōu)化前，優(yōu)化前后最大值分別為0.221和0.232，均遠(yuǎn)低于臨界值0.75；而傳熱管C01R22雖然在優(yōu)化后前18階頻率下的流彈不穩(wěn)定率比優(yōu)化前增幅較大，但優(yōu)化后最大值為0.352，仍遠(yuǎn)低于臨界值0.75。由此可知，排污結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仍能保證傳熱管不發(fā)生流彈失穩(wěn)，并有較大設(shè)計裕量。

2.5泥渣沉積分析GENEPI通過計算管板二次側(cè)上表面流體軸向沉積速度和橫向沉積速度，將流速較低的區(qū)域判定為泥渣沉積區(qū)，并輸出發(fā)生泥渣沉積的傳熱管的數(shù)量和位置。圖9是優(yōu)化前后出現(xiàn)泥渣沉積的傳熱管（圖中黑點）分布圖。由圖9可知，優(yōu)化后管板二次側(cè)上表面的泥渣沉積區(qū)域增加，發(fā)生泥渣沉積的傳熱管數(shù)量由優(yōu)化前的26根增至優(yōu)化后的54根。這主要是由于優(yōu)化后管板二次側(cè)上表面低流速區(qū)域較大的緣故。考慮到結(jié)構(gòu)優(yōu)化后中心管廊取消阻擋塊，便于泥渣槍更加準(zhǔn)確、便捷的接近泥渣沉積區(qū)，實現(xiàn)對管板二次側(cè)上表面泥渣的有效沖洗，提高沖洗效果；同時，通過加強水化學(xué)控制[6]等可大大減少泥渣沉積，因此，排污結(jié)構(gòu)優(yōu)化后管板二次側(cè)上表面發(fā)生的泥渣沉積是可控的。

3結(jié)論

（1）在管板上直接開排污孔，可以簡化管板區(qū)域結(jié)構(gòu)、提高管廊區(qū)域可達(dá)性、便于管板二次側(cè)上表面泥渣沖洗，提高沖洗效果。（2）優(yōu)化后熱工水力參數(shù)的變化均在可接受范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。（3）優(yōu)化后管廊區(qū)域阻力變小，流體流速增加，但仍能保證傳熱管不發(fā)生流彈失穩(wěn)，并有較大設(shè)計裕量。（4）優(yōu)化后在管板二次側(cè)上表面中心區(qū)域形成兩個較大的低流速區(qū)，導(dǎo)致發(fā)生泥渣沉積的傳熱管數(shù)量增加。通過理論分析，證明了CPR1000蒸汽發(fā)生器排污結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的可行性，可為新型SG的設(shè)計提供參考。

作者：王國賢任紅兵左超平朱勇莫少嘉單位：深圳中廣核工程設(shè)計有限公司