倒U型蒸汽发生器在自然循环条件下一次侧流动传热数值模拟研究

发布时间：2020-08-25 20:41

【摘要】：当前核电处于大发展时期,我国核电技术已经相对成熟。在稳步推进核电向前发展的同时,加强核电设备安全显得尤其重要。蒸汽发生器是联系核反应堆系统一、二回路的枢纽,是核动力装置中的重要设备。在核电系统中,自然循环是一种由于冷却剂温度差产生沿程密度差,从而形成进出口压差作为驱动力的循环流动。研究发现,自然循环不仅可以很好地提高核反应堆的非能动安全性,而且还能有效地增强核反应堆一体化程度,使得核反应堆堆芯通道内不均匀的流量分配得到改善,所以现役的以及新一代的小型核反应堆的设计研究中,自然循环都作为一项新技术备受青睐。但是,已有研究发现,立式倒U型蒸汽发生器(UTSG)在自然循环工况下存在倒U管内非常显著的流动不均匀现象,部分倒U管内出现冷却剂从管出口流回入口的倒流现象。这一倒流现象使得UTSG有效传热面积减少,流过反应堆堆芯的流量减少。因此,自然循环工况下UTSG管内倒流的研究具有重要意义。本文采用流体动力学软件FLUENT对自然循环工况下,UTSG 一次侧进行三维数值模拟。以蒸汽发生器并联倒U型管内流量正负值作为倒流的判据,对自然循环工况下倒U型蒸汽发生器管内倒流进行研究,并将结果与核电热工水力分析程序RELAP5/MOD3.3计算结果进行对比分析,结果吻合良好。本文研究的主要内容包括:在自然循环低流量条件下,研究蒸汽发生器一次侧倒U型管内倒流特性;针对管长、入口初始流量、一次侧入口质量流速以及一次侧入口温度对倒U型蒸汽发生器管内倒流的影响进行研究分析;UTSG在不同倾斜方式以及不同倾斜角度的情况下,对其倒U管内倒流特性进行了研究。该研究对蒸汽发生器的热工水力设计和海洋环境下UTSG的安全运行具有主要意义。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM623.4
【图文】：

原理图,压水堆核电站,原理图,堆芯

压水堆是核电系统中应用最为成熟的反应堆，其核动力装置主要组成部分逡逑有：反应堆堆芯及其辅助设备、一回路冷却系统、二回路系统等。压水堆核电逡逑站系统工作原理图如图１．１所示。逡逑１逦２逦３逦４逦５逦６＿逦７逦８逡逑１／邋ｕ邋Ｖ逡逑图１．１压水堆核电站系统工作原理图［１］逡逑Ｆｉｇ．１．１邋Ｔｈｅ邋ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＰＷＲ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑Ｉ－一回路系统；ＩＩ－二回路系统；逡逑１－堆芯燃料棒；２－压力容器；３－控制棒；４－稳压器；５－蒸汽发生器；６－倒Ｕ逡逑型换热管；７－汽轮机；８－发电机；９－二回路冷却剂水泵；１０－冷凝装置；１１－二回逡逑路水泵；１２－—回路水泵；逡逑一回路系统由堆芯（燃料棒、安全壳、控制棒等）、一回路冷却系统（稳压逡逑器、一回路水泵和蒸汽发生器等）和其他相关辅助核电设备构成。众所周知，在逡逑压水堆运行过程中，如果堆芯内水的温度过高，产生沸腾，则会严重威胁着压水逡逑堆的堆芯安全，所以压水堆一回路冷却水由－回路水泵打入堆芯后流经堆芯带走逡逑堆芯热量时，应该尽量避免堆芯冷却剂过热沸腾。从堆芯吸热后的冷却水经过稳逡逑压器流入蒸汽发生器，最后，在蒸汽发生器中换热后的冷却水再次被一回路水泵逡逑送入核反应堆堆芯进行循环换热流动。在蒸汽发生器中，传热管将一次侧冷却剂逡逑１逡逑

蒸汽发生器,管板

（１）邋ＵＴＳＧ邋结构逡逑立式倒Ｕ型蒸汽发生器由蒸汽发生器外壳、进出口管、进出口腔室、倒Ｕ型逡逑换热管、汽水分离器以及其他辅助装置构成，蒸汽发生器的结构简图如图１．２所逡逑示。两个不同直径的筒体构成了ＵＴＳＧ整个外壳，其材料是低合金钢板或者碳素逡逑钢卷板。在筒体的上部为球形封头，由低合金钢板或者碳素钢冲压而成。二次侧逡逑经过汽水分离的干饱和蒸汽从外壳顶部的中心流出，筒体的中部采用锥形外壳，逡逑下端是球状的封头。立式倒Ｕ型蒸汽发生器一次侧是由一回路冷却剂进出口圆逡逑管、进出口腔室和倒Ｕ管构成，其中，倒Ｕ管与立式倒Ｕ型蒸汽发生器的进出口逡逑腔室之间采用管板连接。管板的材料一般为碳钢锻件，管板通过钻孔将倒Ｕ管插逡逑入管板孔与进出口腔室相连，管板上的钻孔排布，即立式倒Ｕ型蒸汽发生器倒Ｕ逡逑管的进出排布为菱形排布，使倒Ｕ管依据不同的管长有序并行排列成管束。蒸汽逡逑发生器倒Ｕ管管束上装有支撑板

蒸汽发生器,学者,节点划分,管内

ＲＥＬＡＰ５／ＭＯＤ３．３对ＵＴＳＧ进行建模和节点划分，将倒Ｕ管沿着管长方向分成１０逡逑个控制体，将ＵＴＳＧ—次侧总体结构划分为１６２个控制体进行数值研究，ＵＴＳＧ节逡逑点划分如图１．４所示。章德模拟出了立式倒Ｕ型蒸汽发生器在自然循环条件下管逡逑内倒流现象。该学者基于质量、动量和能量守恒方程研究立式倒Ｕ型蒸汽发生器逡逑ＵＴＳＧ在稳态工况下倒Ｕ管内冷却剂的温度分布和压力分布特性。研究发现，立逡逑式倒Ｕ型蒸汽发生器倒Ｕ管内冷却剂温度沿着传热管长度方向逐步降低，倒Ｕ管逡逑内流体的重位压降和摩擦压降对其进出口压降起到决定性作用。随着立式倒Ｕ型逡逑蒸汽发生器ＵＴＳＧ入口总流量的变化，短管比长管先发生倒流。逡逑Ｔ邋Ｔ邋Ｔ邋Ｖ邋■邋Ｔ邋Ｔ邋Ｔ逡逑ｖｊ邋Ｌｙ逡逑图１．４ＳＧ—次侧控制体划分［２８］逡逑Ｆｉｇ．１．４邋Ｔｈｅ邋ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｂｏｄｙ邋ｐａｒｔｉｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｓｉｄｅ逡逑学者王川Ｗ对某一特定压水堆中立式倒ｕ型蒸汽发生器的一回路单相水进逡逑行ＲＥＬＡＰ５／ＭＯＤ３．３程序建模分析。该学者分别运用了传统的方法和集总参数法逡逑对立式倒Ｕ型蒸汽发生器进行节点划分，如图１．５和图１．６所示。该研究给出逡逑了立式倒Ｕ型蒸汽发生器ＵＴＳＧ在自然循环条件下倒Ｕ管内的流量分布情况，研究逡逑了倒流发生的原因。此外，学者王川研究还发现，立式倒Ｕ型蒸汽发生器在自然循逡逑８逡逑

【参考文献】