CN111680417A - 一种适用于钠水直流蒸汽发生器的热工设计方法 - Google Patents

一种适用于钠水直流蒸汽发生器的热工设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钠水直流蒸汽发生器的热工设计方法。包括以下步骤：确定钠水直流蒸汽发生器的热工参数和除传热管长度之外的几何参数；建立蒸汽发生器单管模型，设置蒸汽发生器的初始压力和温度；利用功率网格法获得每个流体控制体流体温度；划分换热区域计算换热系数和换热量，根据热传导和对流换热的能量平衡关系式求出壁温；根据热平衡方程和传热方程求解传热管上每个流体控制体的长度；计算每个流体控制体的压降得到新的压力分布；本发明是通用的钠水直流蒸汽发生器热工设计计算方法。该方法操作方便、通用性强、使用灵活、精度高，可以满足钠水直流蒸汽发生器热工设计计算需求，可以为中国钠冷快堆自主化设计提供软件基础。

Description

一种适用于钠水直流蒸汽发生器的热工设计方法
技术领域
本发明属于快中子反应堆蒸汽发生器热工水力设计技术领域，具体涉及到一种适用于钠水直流蒸汽发生器的热工设计方法。
背景技术
钠冷快堆(SFR)作为第四代核能系统有限研发堆芯之一，具有提高铀的利用率、嬗变长寿命放射性废料等优点。迄今为止，基于世界上的实验、原型和示范钠冷快堆，已有400多年的反应堆运行经验。钠水直流蒸汽发生器(OTSG)是钠冷快堆核电站的关键部件，对核电站的安全运行具有重要意义。蒸汽发生器是钠和水的边界，它将反应堆堆芯产生的热量从热钠传输给水，使水变成过热蒸汽，然后过热的蒸汽驱动涡轮机发电。因此，蒸汽发生器决定了从热到电的功率，为了获得更高的热电转换率，需要对蒸汽发生器进行适当的设计。
钠水直流蒸汽发生器可分为两类：一类为整体式；另一类为模块式。整体式蒸汽发生器是一个立式逆流管壳式换热器，模块式蒸汽发生器包括两个垂直逆流管壳式换热器，一个称为蒸发器，另一个称为过热器。
蒸汽发生器的设计对于反应堆的设计、分析与保障反应堆的稳定安全运行意义重大。目前存在的钠水直流蒸汽发生器热工设计程序要么只适用于整体式蒸汽发生器，要么只适用于模块式蒸汽发生器。因此，需要开发通用的钠水直流蒸汽发生器热工设计方法。
发明内容
本发明的目的是为了在对钠冷快堆设计分析时，提供一种适用于钠水直流蒸汽发生器的热工设计方法，可以准确可靠地对钠水直流蒸汽发生器进行热工设计分析计算；本发明方法提出独特的钠水直流蒸汽发生器单管模型和焓控制体划分方法，焓控制体划分方法避免了控制体同时处于两种换热区域的情况，单管模型的建立有效简化了计算同时不至于影响计算精度。
一种适用于钠水直流蒸汽发生器的热工设计方法，步骤如下：
步骤1：读入输入的变量包括钠水直流蒸汽发生器钠侧出口温度及水侧进口温度、钠水直流蒸汽发生器换热功率、钠侧及水侧出口压力、钠水直流蒸汽发生器传热管内径和外径、传热管根数、沿钠水直流蒸汽发生器传热管长度的控制体个数和计算精度；
步骤2：建立钠水直流蒸汽发生器单管模型，设置钠水直流蒸汽发生器的初始压力和初始温度；
钠水直流蒸汽发生器单管模型的建立是利用流通面积等效的方法将蒸汽发生器传热管束等效成单管模型，等效后单管的流通面积和换热面积均与等效前传热管束的流通面积和换热面积一致，确保钠水直流蒸汽发生器单管模型的换热能力与蒸汽发生器一致，钠水直流蒸汽发生器单管模型的水侧流通面积和钠侧流通面积分别为：
水侧流通面积：
Figure BDA0002522379010000021
钠侧流通面积：
Figure BDA0002522379010000022
其中：
Aw——单管模型水侧流通面积，单位为m2；
N——钠水直流蒸汽发生器传热管根数；
π——圆周率；
di——钠水直流蒸汽发生器传热管内径，单位为m；
As——单管模型钠侧流通面积，单位为m2；
P——钠水直流蒸汽发生器传热管节距，单位为m；
do——钠水直流蒸汽发生器传热管外径，单位为m；
步骤3：利用功率网格法Power Mesh Method获得每个流体控制体的初始焓值，根据初始焓值与初始压力求出每个流体控制体的流体温度；
功率网格法是将钠水直流蒸汽发生器换热功率平均划分到水侧每个流体控制体上；根据步骤1确定的控制体个数和蒸汽发生器换热功率划分钠水直流蒸汽发生器单管模型钠水两侧流体控制体，每个流体控制体的焓升一致，获得每个流体控制体的初始焓值，结合设置的初始压力利用物性函数求得流体控制体的流体温度；
步骤4：划分钠水直流蒸汽发生器传热管水侧换热区域，分为过冷水、核态沸腾、膜态沸腾和过热蒸汽四个换热区域；
换热区域的划分基于饱和水焓值、饱和蒸汽焓值和临界含气率，流体控制体的焓值小于饱和水焓值划分为过冷水区；流体控制体的焓值大于饱和水焓值且流体控制体含气率小于临界含气率划分为核态沸腾区；流体控制体含气率大于临界含气率划分为膜态沸腾区；流体控制体的焓值大于饱和蒸汽焓值划分为过热蒸汽区；
步骤5：在不同的水侧换热区域采用不同的换热模型计算换热系数和换热量，根据热传导和对流换热的能量平衡关系式求出传热管壁温；
步骤6：根据热平衡方程和传热方程计算流体控制体长度；
每个流体控制体的长度是根据热平衡方程与传热方程计算的，根据每个流体控制体的进出口焓值变化量等于流体与壁面的对流换热量求出每个流体控制体长度Δz：
Figure BDA0002522379010000041
Figure BDA0002522379010000042
其中：
N——钠水直流蒸汽发生器传热管根数；
π——圆周率；
di——钠水直流蒸汽发生器传热管内径，单位为m；
G——质量流密度，单位为kg/m-2/s；
Hout——流体控制体出口焓值，单位为J/kg；
Hin——流体控制体进口焓值，单位为J/kg；
do——钠水直流蒸汽发生器传热管内径，单位为m；
q——热流密度，单位为W/m2；
步骤7：根据每个流体控制体长度计算每个流体控制体的压降；
流体流动过程中的压力损失包括：重位压降、加速压降、摩擦压降和形阻压降；单相摩擦压降的计算采用Darcy公式，两相摩擦压降的计算方法为先计算全液相摩擦压降，再将其与两相摩擦倍增因子相乘获得两相摩擦压降；
步骤8：根据计算的流体控制体压降、流体控制体的流体温度重新计算流体控制体压力分布及温度分布；
由步骤7算出的压降结合边界压力计算出各个流体控制体的压力，再根据物性函数以及流体控制体焓值计算流体控制体的流体温度；
步骤9：如果计算误差大于给定的计算精度，重复步骤3-8，直到计算结果满足精度要求为止；
计算精度θ由步骤1给定，采用步骤3和步骤8两步计算的流体温度确定计算误差ε：
Figure BDA0002522379010000051
其中：
T1——步骤3计算的流体温度，单位为K；
T2——步骤8计算的流体温度，单位为K。
相比于目前存在的钠水直流蒸汽发生器热工设计方法，本发明带来以下有益效果：
1)本发明适用对象更广，既可用于整体式蒸汽发生器的热工设计计算，也可用于模块式蒸汽发生器的热工设计计算。
2)本发明采用的功率网格划分方法避免了控制体同时处于两种换热区域的情况，比以往按几何尺寸划分控制体的方法具有更高计算精度。
附图说明
图1是钠水直流蒸汽发生器热工设计计算的流程图。
图2是钠水直流蒸汽发生器单管模型。
图3是水侧换热区域划分图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明一种适用于钠水直流蒸汽发生器的热工设计方法，包括如下步骤：
步骤1：读入输入的变量包括钠水直流蒸汽发生器钠侧出口温度及水侧进口温度、钠水直流蒸汽发生器换热功率、钠侧及水侧出口压力、钠水直流蒸汽发生器传热管内径和外径、传热管根数、沿钠水直流蒸汽发生器传热管长度的控制体个数和计算精度。
热工设计计算的目的是计算在给定热功率的情况下所需要的蒸汽发生器的传热面积，因此部分热工参数需要在计算前给定，包括钠侧出口温度、水侧进口温度、钠水直流蒸汽发生器换热功率。在给定传热面积的情况下，传热管管径、节距、根数与管长有着多种组合方式，为了便于设计计算，本发明方法中通过给定传热管管径、节距、根数的形式求解传热管长度。
步骤2：建立钠水直流蒸汽发生器单管模型，设置钠水直流蒸汽发生器的初始压力和初始温度。
本发明中将钠水直流蒸汽发生器简化为一维单管，如图2所示，根据流通面积等效的方法将流动换热问题进行简化。等效后单管的流通面积和换热面积均与等效前传热管束的流通面积和换热面积一致，确保钠水直流蒸汽发生器单管模型的换热能力与钠水直流蒸汽发生器一致，单管模型的水侧流通面积和钠侧流通面积分别为：
水侧流通面积：
Figure BDA0002522379010000061
钠侧流通面积：
Figure BDA0002522379010000062
其中：
Aw——单管模型水侧流通面积，单位为m2；
N——钠水直流蒸汽发生器传热管根数；
π——圆周率；
di——钠水直流蒸汽发生器传热管内径，单位为m；
As——单管模型钠侧流通面积，单位为m2；
P——钠水直流蒸汽发生器传热管节距，单位为m；
do——钠水直流蒸汽发生器传热管外径，单位为m。
步骤3：利用功率网格法Power Mesh Method获得每个流体控制体的初始焓值，根据初始焓值与初始压力求出每个流体控制体的流体温度。
功率网格法是将钠水直流蒸汽发生器换热功率平均划分到水侧每个流体控制体上；根据步骤1确定的控制体个数和蒸汽发生器换热功率划分钠水直流蒸汽发生器单管模型钠水两侧流体控制体，每个流体控制体的焓升一致，可以获得每个流体控制体的初始焓值，结合设置的初始压力利用物性函数求得流体控制体的流体温度。
步骤4、划分蒸汽发生器传热管水侧换热区域，分为过冷水、核态沸腾、膜态沸腾和过热蒸汽四个换热区域。
如图3所示，根据饱和水焓值、饱和蒸汽焓值、临界含气率将换热区域划分为：过冷水区、核态沸腾区、膜态沸腾区、过热蒸汽区。
步骤5、在不同的水侧换热区域采用不同的换热模型计算换热系数和换热量，根据热传导和对流换热的能量平衡关系式求出传热管壁温。
壁温可由导热和对流的能量平衡关系式得到。
对于内侧壁面：
Figure BDA0002522379010000071
对于外侧壁面：
Figure BDA0002522379010000081
式中：
Tw——钠水直流蒸汽发生器传热管管壁平均温度，单位为K；
Tw1——钠水直流蒸汽发生器传热管外壁温度，单位为K；
Tw2——钠水直流蒸汽发生器传热管内壁温度，单位为K；
λ——钠水直流蒸汽发生器管壁导热系数，单位为W·m-1·K-1；
δ——钠水直流蒸汽发生器管壁厚度，单位为m；
h1——钠水直流蒸汽发生器钠侧流体与管壁的换热系数，单位为W·m-2·K-1；
h2——钠水直流蒸汽发生器水侧流体与管壁的换热系数，单位为W·m-2·K-1；
T1——钠水直流蒸汽发生器一次侧流体温度，单位为K；
T2——钠水直流蒸汽发生器二次侧流体温度，单位为K。
步骤6、根据热平衡方程和传热方程计算流体控制体长度。
每个流体控制体长度是根据热平衡方程与传热方程计算的，根据每个流体控制体的进出口焓值变化量等于流体与壁面的对流换热量求出每个流体控制体长度Δz：
Figure BDA0002522379010000082
Figure BDA0002522379010000083
其中：
N——钠水直流蒸汽发生器传热管根数；
π——圆周率；
di——钠水直流蒸汽发生器传热管内径，单位为m；
G——质量流密度，单位为kg/m-2/s；
Hout——流体控制体出口焓值，单位为J/kg；
Hin——流体控制体进口焓值，单位为J/kg；
d——钠水直流蒸汽发生器传热管内径，单位为m；
o
q——热流密度，单位为W/m2。
步骤7、根据每个流体控制体长度计算每个流体控制体的压降。
流体流动过程中的压力损失包括：重位压降、加速压降、摩擦压降和形阻压降；单相摩擦压降的计算采用Darcy公式，两相摩擦压降的计算方法为先计算全液相摩擦压降，再将其与两相摩擦倍增因子相乘获得两相摩擦压降。
步骤8、根据计算的流体控制体压降、流体控制体的流体温度重新计算流体控制体压力分布及温度分布。
由步骤7算出的压降结合边界压力计算出各个流体控制体的压力，再根据物性函数以及流体控制体焓值计算流体控制体的流体温度。
步骤9、如果计算误差大于给定的计算精度，重复步骤3-8，直到计算结果满足精度要求为止。
计算精度θ由步骤1给定，采用步骤3和步骤8两步计算的流体温度确定计算误差ε：
Figure BDA0002522379010000091
其中：
T1——步骤3计算的流体温度/K；
T2——步骤8计算的流体温度/K。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，但不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种适用于钠水直流蒸汽发生器的热工设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：读入输入的变量包括钠水直流蒸汽发生器钠侧出口温度及水侧进口温度、钠水直流蒸汽发生器换热功率、钠侧及水侧出口压力、钠水直流蒸汽发生器传热管内径和外径、传热管根数、沿钠水直流蒸汽发生器传热管长度的控制体个数和计算精度；
步骤2：建立钠水直流蒸汽发生器单管模型，设置钠水直流蒸汽发生器的初始压力和初始温度；
钠水直流蒸汽发生器单管模型的建立是利用流通面积等效的方法将蒸汽发生器传热管束等效成单管模型，等效后单管的流通面积和换热面积均与等效前传热管束的流通面积和换热面积一致，确保钠水直流蒸汽发生器单管模型的换热能力与蒸汽发生器一致，钠水直流蒸汽发生器单管模型的水侧流通面积和钠侧流通面积分别为：
水侧流通面积：
Figure FDA0002522376000000011
钠侧流通面积：
Figure FDA0002522376000000012
其中：
Aw——单管模型水侧流通面积，单位为m2；
N——钠水直流蒸汽发生器传热管根数；
π——圆周率；
di——钠水直流蒸汽发生器传热管内径，单位为m；
As——单管模型钠侧流通面积，单位为m2；
P——钠水直流蒸汽发生器传热管节距，单位为m；
do——钠水直流蒸汽发生器传热管外径，单位为m；
步骤3：利用功率网格法Power Mesh Method获得每个流体控制体的初始焓值，根据初始焓值与初始压力求出每个流体控制体的流体温度；
功率网格法是将钠水直流蒸汽发生器换热功率平均划分到水侧每个流体控制体上；根据步骤1确定的控制体个数和蒸汽发生器换热功率划分钠水直流蒸汽发生器单管模型钠水两侧流体控制体，每个流体控制体的焓升一致，获得每个流体控制体的初始焓值，结合设置的初始压力利用物性函数求得流体控制体的流体温度；
步骤4：划分钠水直流蒸汽发生器传热管水侧换热区域，分为过冷水、核态沸腾、膜态沸腾和过热蒸汽四个换热区域；
换热区域的划分基于饱和水焓值、饱和蒸汽焓值和临界含气率，流体控制体的焓值小于饱和水焓值划分为过冷水区；流体控制体的焓值大于饱和水焓值且流体控制体含气率小于临界含气率划分为核态沸腾区；流体控制体含气率大于临界含气率划分为膜态沸腾区；流体控制体的焓值大于饱和蒸汽焓值划分为过热蒸汽区；
步骤5：在不同的水侧换热区域采用不同的换热模型计算换热系数和换热量，根据热传导和对流换热的能量平衡关系式求出传热管壁温；
步骤6：根据热平衡方程和传热方程计算流体控制体长度；
每个流体控制体的长度是根据热平衡方程与传热方程计算的，根据每个流体控制体的进出口焓值变化量等于流体与壁面的对流换热量求出每个流体控制体长度Δz：
Figure FDA0002522376000000031
Figure FDA0002522376000000032
其中：
N——钠水直流蒸汽发生器传热管根数；
π——圆周率；
di——钠水直流蒸汽发生器传热管内径，单位为m；
G——质量流密度，单位为kg/m-2/s；
Hout——流体控制体出口焓值，单位为J/kg；
Hin——流体控制体进口焓值，单位为J/kg；
do——钠水直流蒸汽发生器传热管内径，单位为m；
q——热流密度，单位为W/m2；
步骤7：根据每个流体控制体长度计算每个流体控制体的压降；
流体流动过程中的压力损失包括：重位压降、加速压降、摩擦压降和形阻压降；单相摩擦压降的计算采用Darcy公式，两相摩擦压降的计算方法为先计算全液相摩擦压降，再将其与两相摩擦倍增因子相乘获得两相摩擦压降；
步骤8：根据计算的流体控制体压降、流体控制体的流体温度重新计算流体控制体压力分布及温度分布；
由步骤7算出的压降结合边界压力计算出各个流体控制体的压力，再根据物性函数以及流体控制体焓值计算流体控制体的流体温度；
步骤9：如果计算误差大于给定的计算精度，重复步骤3-8，直到计算结果满足精度要求为止；
计算精度θ由步骤1给定，采用步骤3和步骤8两步计算的流体温度确定计算误差ε：
Figure FDA0002522376000000041
其中：
T1——步骤3计算的流体温度，单位为K；
T2——步骤8计算的流体温度，单位为K。
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