鈉冷快堆直流式蒸汽發生器節流裝置阻力特性研究

朱麗娜,王 博,武志廣

(1.中國原子能科學研究院,北京102413;2.東方電氣股份有限公司,四川 成都611731)

鈉冷快堆蒸汽發生器為典型的直流式蒸汽發生器,其殼側流動的介質為高溫液態金屬鈉,換熱管內流動的介質為高溫高壓的水/蒸汽[1,2]。換熱管內流動的水/蒸汽與殼側的液態金屬鈉進行逆向換熱,最終被加熱為過熱蒸汽。由于換熱管內的水存在兩相狀態,容易出現流動不穩定現象而影響蒸汽發生器的安全可靠運行[3-6]。對于鈉冷快堆直流式蒸汽發生器,防止換熱管內介質出現兩相流動不穩定性現象最為有效的措施是在換熱管的入口處加裝節流裝置[7-9]。節流裝置的設置不僅能夠抑制流動不穩定性現象的產生,而且會影響蒸汽發生器換熱管側整體的壓降。因此,節流裝置的設計及其阻力的確定對于鈉冷快堆蒸汽發生器的設計及其后期運行工況的確定至關重要。

由于節流裝置的結構較為復雜,采用傳統經驗關系式的方法計算阻力系數具有很大的偏差。本文以鈉冷快堆蒸汽發生器所采用的結構形式的節流裝置為對象,設計并加工了不同孔徑的節流裝置作為試驗件,通過試驗研究了孔徑尺寸及雷諾數變化對節流裝置阻力特性的影響規律,獲得了孔徑尺寸與阻力系數的關系。上述工作的開展為鈉冷快堆蒸汽發生器的設計優化與定型提供理論參考。

1 試驗系統及試驗原理

1.1 試驗系統

節流裝置阻力特性試驗的試驗系統如圖1所示,該系統包含主循環水回路、輔助循環水回路、參數實時測量及數據采集系統四部分。主循環水回路由水箱、過濾器、高壓柱塞泵、套管式換熱器、預熱器、試驗件組成,輔助循環水回路由水-水冷凝器、冷卻塔以及冷卻水泵組成。

主循環水回路中來自水箱1的去離子水由高壓柱塞泵4提高至試驗所需壓力后分兩路:一路作為旁路用于調節流量;另一路首先進入套管式換熱器7的管程,被來自試驗段9在套管式換熱器夾套內流動的高溫水加熱后流出,之后進入預熱器8被加熱至所需的試驗溫度后進入試驗段9。從試驗段9內流出的水由于溫度較高,為充分利用熱量首先進入套管熱換熱器7的夾套預熱來自柱塞泵4的去離子水,之后從夾套流出進入冷凝器殼程被冷卻后返回水箱1。流動路徑為水箱1—高壓柱塞泵4—夾套式換熱器管程—預熱器8—試驗段9—夾套式換熱器夾套程—冷凝器殼程—水箱1。

輔助循環水回路中,冷卻塔13流出的水經冷卻水泵12的驅動進入冷凝器11的換熱管程內,冷卻夾套內來自主循環回路的高溫水后再次返回冷卻塔13。流動路徑為冷卻塔13—冷卻水泵12—冷凝器管程—冷卻塔13。

圖1 試驗系統示意圖Fig.1 The schematic of the test system

試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

1.2 試驗段設計

鈉冷快堆蒸汽發生器采用直管式換熱管,節流裝置安裝在換熱管給水的入口處,給水從節流裝置底部向上流動,經過一系列突放、突縮以及轉彎的流動通道后流出節流裝置進入傳熱管內達到節流降壓的目的[10-12]。本試驗的試驗件如圖2和圖3所示,試驗件包括節流裝置前穩定段、節流裝置及節流裝置后穩定段。節流裝置前穩定段和節流裝置后穩定段的設置是為了保證節流裝置入口和出口處工質流動的穩定,保證測量結果的準確性。此外,節流裝置前穩定段與節流裝置入口處內徑(上下偏差)和粗糙度要求一致。節流裝置前穩定段、節流裝置以及節流裝置后穩定段之間通過激光焊接連接在一起,既保證了密封性,又不會對其內部結構產生影響。

圖2 試驗件結構Fig.2 The structure of the test piece

圖3 試驗件實物圖Fig.3 The picture of the test piece

1.3 試驗參數測量

本試驗測量的參數為溫度、流量及壓力。溫度測點布置在試驗件進口位置處,由T型熱電偶進行測量;壓力測點布置在試驗件進、出口處;試驗件進、出口的壓力差即為試驗件的壓降;試驗件內的流量由安裝在主回路管道上的質量流量計進行測量。試驗系統各測量裝置的測量范圍、精度及儀表型號如表2所示,試驗的測量誤差如表3所示。

表2 試驗測量儀器Table 2 Test measuring instruments

表3 測量誤差分析Table 3 Measurement error analysis

1.4 試驗原理

本試驗通過測量不同流量下節流裝置前后的壓差確定其總阻力系數。節流裝置阻力系數可由公式(1)計算得到:

式中:ξ——節流裝置的總阻力系數;

ΔP——節流段前后壓降,Pa;

ρ——試驗介質密度,kg/m3;

υ——試驗介質流速,m/s。

2 試驗系統測試

試驗臺架中主循環回路的高壓柱塞泵是容積泵的一種,其依靠柱塞在缸體中往復運動,使密封工作容腔的容積發生變化來實現介質的輸送。柱塞泵瞬時流量隨時間同一規律重復變化,具有明顯的流量波動特點。高壓柱塞泵在不同頻率運行時,流量和壓力波動的幅值也不相同,因此在阻力特性試驗前首先測試了不同頻率下的壓力和流量的波動以便評估其對測量精度的影響。

2.1 水泵頻率影響分析

為滿足不同試驗工況的要求,試驗前測試了柱塞泵在5 Hz、15 Hz、25 Hz及47 Hz工作時壓力及質量流速的波動。圖4～圖7分別給出了上述頻率下數據采集系統350 s內壓力及質量流速隨時間的分布以及數據采集系統自動輸出的算術平均值。

圖4 出口壓力和流速隨時間變化(5 Hz)Fig.4 The outlet pressure and velocity change vs.time(5 Hz)

圖5 出口壓力和流速隨時間變化(15 Hz)Fig.5 The outlet pressure and velocity change vs.time(15 Hz)

圖5 出口壓力和流速隨時間變化(15 Hz)(續)Fig.5 The outlet pressure and velocity change vs.time(15 Hz)

圖6 出口壓力和流速隨時間變化(25 Hz)Fig.6 The outlet pressure and velocity change Vs.time(25 Hz)

圖7 出口壓力和流速隨時間變化(47 Hz)Fig.7 The outlet pressure and velocity change vs.time(47 Hz)

柱塞泵在不同的頻率下,出口壓力和質量流速的平均偏差如表4所示。

表4 壓力和流量隨泵頻率變化的平均偏差Table 4 Average Deviation with Different Pump Frequency

從表4中可以看出,柱塞泵在不同頻率運行時,其出口質量流速及壓力的偏差很小,壓力最大平均偏差為1.33%,而流速的最大平均偏差為0.32%。柱塞泵在不同頻率保持穩定運行,能夠保證不因水泵流速及壓力波動而影響測量的精度。

2.2 數據采集穩定性分析

為了考察試驗臺架數據采集系統的穩定性,對不同時刻采集的數據進行了比較,如圖8所示。

圖8 不同時刻采集的出口壓力和質量流速對比Fig.8 Comparison of the pressure and mass flow at different collection times

由圖8可知,不同時間第一次數據采集系統得到的流速及壓力與第二次得到的數據保持一致,試驗系統保持穩定運行,測量精度可以滿足要求。

3 試驗結果及分析

3.1 阻力特性隨孔徑及雷諾數變化規律

圖9 給出了節流孔徑分別為2.4 mm、2.5 mm、2.6 mm、2.7 mm及2.8 mm時,節流裝置的阻力系數隨雷諾數的變化規律。如圖可見:節流裝置阻力系數對節流孔徑的變化十分敏感,而不同節流孔徑下雷諾數的變化對節流裝置阻力系數的影響不大。

圖9 阻力系數隨孔徑及雷諾數變化Fig.9 Resistance coefficients changing with orifice size and Re

圖9 阻力系數隨孔徑及雷諾數變化(續)Fig.9 Resistance coefficients changing with orifice size and Re

節流裝置的壓力降可分為沿程壓力降和局部壓力降。局部阻力系數為無量綱常數,通常由試驗獲得;沿程阻力系數與流體的黏度、速度以及管道內徑及管壁粗糙度等有關,可以由公式(2)～公式(3)計算得到。

式中:λ——沿程阻力系數,無量綱;

L——節流裝置長度,m;

f——局部阻力系數,無量綱;

Δ——粗糙度,m;

x——節流孔徑,m;

Re——雷諾數。

節流裝置內流體需要經過一系列突放、突縮以及轉彎的流動,節流孔徑的變化將影響節流裝置內流體的流速、雷諾數進而改變沿程阻力系數。局部阻力的系數也會受到結構變化產生的影響,因此節流裝置阻力系數對節流孔徑的變化十分敏感。不同節流孔徑下的阻力系數隨雷諾數的變化不大的主要原因是節流孔徑較小,雷諾數較高,流動進入了阻力平方區,沿程阻力系數基本趨于穩定,而且從公式(3)中也可發現當雷諾數較高時沿程阻力系數僅與結構件的節流孔徑及粗糙度有關。

3.2 不同節流孔徑時的阻力特性

如前文所述,對于同一結構的節流裝置,總壓降可以表示為阻力系數與(1/2ρv2)的乘積,圖10給出了不同節流孔徑時,各試驗件總壓降隨(1/2ρv2)的變化規律。圖中各曲線的斜率即為對應的阻力系數。

圖10 不同節流孔徑的阻力特性Fig.10 The pressure drop at different hole diameters

表5 給出了不同孔徑節流裝置的阻力系數。由表5中可以看出,節流裝置阻力系數對節流孔徑的變化十分敏感。開展工程設計時,應充分考慮結構尺寸對阻力系數的影響,嚴控加工精度。

表5 不同特征尺寸節流裝置阻力系數Table.5 The average deviation with different pump frequency

4 結論

本文進行了鈉冷快堆蒸汽發生器節流裝置阻力特性的試驗研究,試驗獲得了不同孔徑的節流裝置在不同流量下的阻力特性。通過試驗研究發現節流裝置的阻力系數對節流孔徑的變化十分敏感;開展工程設計時,應充分考慮結構尺寸對阻力系數的影響,嚴控加工精度;不同節流孔徑下的阻力系數隨雷諾數的變化較小。

通過本試驗研究得到的不同節流孔徑下節流裝置的阻力系數值,將為我國現今以及未來鈉冷快堆蒸汽發生器同類型節流裝置的結構設計和優化提供理論依據。