CN113779713B - 考虑壳侧横向交混的钠-水直流蒸汽发生器精细建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑壳侧横向交混的钠‑水直流蒸汽发生器精细建模方法，该方法步骤如下：步骤1：根据蒸汽发生器换热管的管束排布，按径向简化成钠通道与水通道；步骤2：多个钠‑水换热通道根据实际需要合并成几个并联的单管通道；步骤3：在钠回路之间用横向接管模型相互连接，模拟横向流道之间的流动换热特性；步骤4：建立壳侧钠回路流动模型；步骤5：建立管侧水回路流动模型；步骤6：在钠‑水回路的之间加入模拟换热的热构件；步骤7：进行热工水力计算，分析通道的流动换热特性；步骤8：判断数值模拟结果精度需求，如果不符合，则再确定合并的并联的单管通道数目直到符合需求为止。本发明操作简便，通用性更强，使用灵活，计算结果更准确。

Description

考虑壳侧横向交混的钠-水直流蒸汽发生器精细建模方法

技术领域

本发明涉及快中子反应堆热工水力分析领域，特别涉及一种考虑壳侧横向交混的钠-水直流蒸汽发生器精细建模方法。

背景技术

当前，核能的发展面临铀资源短缺的问题，钠冷快堆作为当前唯一实现的可增值堆，可实现铀资源利用率提高到60％-70％。此外，钠冷快堆还能嬗变稀有锕系元素和长寿命放射性废物，得到了各国的重视和推广。

钠冷快堆的热传输系统是由一回路钠冷却系统、二回路钠冷却系统和三回路水和蒸汽冷却系统组成。主冷却系统的作用是冷却反应堆燃料元件并将堆芯核反应产生的热量导出，经蒸汽发生器产生过热蒸汽，推动汽轮机做工。其中，二回路钠冷却系统是液态金属冷却反应堆所特有的。设置二回路主冷却系统的作用是为了杜绝放射性的钠与三回路水和蒸汽系统发生钠水反应的可能性。

钠-水直流式蒸汽发生器作为钠冷快堆的关键设备之一，其设计研发是反应堆过程中的重要环节，对于核反应堆的安全运行至关重要。钠-水蒸汽发生器位于钠冷快堆二回路和三回路之间，是二、三回路的重要枢纽。它将反应堆产生的热量及时导出，并将二回路产生的热量传递给三回路的主给水，使之通过蒸发器、过热器后产生高温高压的过热蒸汽驱动汽轮机做功。此外，钠-水蒸汽发生器还能分隔二回路和三回路的重要屏障，一旦传热管破裂将会引起严重的钠-水反应，严重影响核电站运行的可用性，经济性及可靠性。

在蒸汽发生器中，水的相变过程包括：过冷水、核态沸腾、膜态沸腾、单相蒸汽等复杂的变化过程，因此蒸汽发生器中的传热工况比传统的压水堆自然循环蒸汽发生器复杂，各种工况下工质与钠壁面的换热传热机制相差很大。因此寻找一种准确地对钠-水蒸汽发生器的仿真建模方法显得至关重要。

目前，对钠-水蒸汽发生器的建模大多采用平均通道处理方法，将钠回路与水回路分别看成两个独立的平均通道建模，直接研究其热工水力特性。然而，上述平均单通道方法忽略了钠回路间可能存在的流量分配不均匀和流体受热不均匀问题，这种不均匀则会引起管束间横向的质量、动量交混问题。因此会与钠-水蒸汽发生器真实的变化情况存在一定的差异，无法准确地模拟钠-水蒸汽发生器复杂结构内的流动和换热特性。

中国专利CN104834773A建立了基于传热分区的直流式蒸汽发生器一维均相流数学模型。其采用适当的判定条件对二次侧换热过程进行划分，在此基础上自主开发了基于MATLAB软件的直流蒸汽发生器换热仿真程序，进行直流蒸汽发生器在不同工况下稳态换热性能的仿真。但是该方法将蒸汽发生器看成一维模型，无法反映蒸汽发生器复杂结构内三维热工水力变化，通用性不高，而且计算结果存一定的误差。

随着各种三维建模软件的推出，可以对蒸汽发生器内的各种复杂物理化学现象开展多物理、多尺度、多过程的高精度建模，模拟蒸汽发生器在各种稳态以及事故瞬态下的安全特性并进行精准预测。但是，在高精度建模的同时，蒸汽发生器的几何模型也会非常复杂，模型建立以及数值计算带来的工作量是巨大的，对计算机的计算能力要求极高，容易消耗大量的计算资源，当前的计算性能无法满足三维高精度建模的需要。

中国专利CN110020476A建立了一种反应堆U型管式蒸汽发生器的全三维耦合模型。在几何模型简化的基础上对蒸汽发生器一二侧计算节点采用相同的划分策略，通过离散流动传热方程获得各侧能源项，通过两侧能源数据项的相互迭代过程，最终获得管侧以及壳侧的全三维热工参数分布结果。但是，该方法几何模型中对大量传热管数量的简化是非常复杂的，通用性也不强。此外，大量的节点划分以及迭代计算对计算的性能要求极高，在计算中会耗费大量的计算资源，无法满足反应堆热工设计的经济性要求。

现有的蒸汽发生器建模方法，单通道模型过于简化蒸汽发生器的三维几何特征，无法准确地模拟钠、水回路之间的对流换热特性，计算结果误差较大；而全三维建模则过于细致模拟蒸汽发生器的几何结构，仿真模型过于复杂，浪费计算资源，并且建得的三维模型也只适用于某一具体的蒸汽发生器，适用性较窄。

发明内容

现有的蒸汽发生器建模方法，单通道模型过于简化蒸汽发生器的几何结构，无法获取蒸汽发生器内复杂的三维热工水力变化，而三维的数值建模在得到高精度仿真的同时会消耗大量的计算资源。为了克服现有建模方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种考虑壳侧横向交混的钠-水直流蒸汽发生器精细建模方法，解决了一维单通道换热模型可能存在的计算准确性的问题，更好的反映不同通道之间的相互作用程度，可以最大程度地保证对钠-水蒸汽发生器多个流道的热工水力特性的刻画程度，在不降低计算资源的同时也提高了计算精度。此外，针对不同工况的实际需求，可以灵活地对钠回路进行不同数目的多通道划分以更加精准地模拟蒸汽发生器的流动换热特性，该方法操作比较简便，工程适用性很强。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种考虑壳侧横向交混的钠-水直流蒸汽发生器精细建模方法，包括以下步骤：

步骤1：根据钠-水直流蒸汽发生器的几何结构，对蒸汽发生器划分径向钠通道与水通道；

钠-水直流蒸汽发生器主要由壳体和管束结构组成，水和蒸汽在换热管束之内流动，管束之间没有联通，而钠在壳体中流动；换热管束在蒸汽发生器中按正六边形结构一圈一圈向外排列，根据其管束排布结构，将蒸汽发生器按径向简化成一圈一个相互换热的钠通道与水通道；

步骤2：根据核反应堆蒸汽发生器计算的需要，再将多个钠-水换热通道合并成几个并联的单管通道；

步骤3：在壳侧钠回路的多个并联单管通道之间各自用模拟横向交叉流动的横向接管模型相互连接，这样模拟计算各个横向流道之间的流动换热特性；

步骤4：建立壳侧钠回路流动模型：在壳侧钠回路的入口处用分支部件连接多个并联的单管通道，并在分支部件的入口处再连接入口接管，同理钠回路的出口处用分支部件汇合多个并联的单管通道，并在分支部件的出口再连接出口接管；这样热钠能够从蒸汽发生器入口接管自上而下流入分支部件后，被分成各个不同的并联回路之后流经蒸汽发生器壳侧各个通道，最后在出口处被分支部件汇合成一个回路从出口接管流出；

步骤5：建立管侧水回路流动模型：在管侧水回路的入口处也用分支部件连接多个并联的单管通道，分支部件另一侧连接入口接管，在出口处将多个并联的单管通道也用分支部件汇总，分支部件另一侧连接出口接管；这样给水从蒸汽发生器入口接管自下而上流入分支部件后，被分成多个并联回路后流经蒸汽发生器管侧各个通道，然后在出口处被分支部件汇合成一个回路后从出口接管流出；

步骤6：在管侧钠回路与壳侧水回路的每个并联的单管通道之间分别加入模拟换热的热构件，以模拟钠侧以及水侧之间的对流换热，从而将两个回路耦合起来，建立准三维蒸汽发生器模型；

步骤7：在该准三维蒸汽发生器模型上进行热工水力稳态及瞬态计算，分析各个并联的单管通道的流动换热特性、横向交混受热以及给水调节瞬态特性，进行数值模拟；

步骤8：判断数值模拟结果是否符合实际工况的精度需求，如果不符合，则再回到步骤2重新确定合并的并联的单管通道的数目直到符合仿真需求为止，从而更加准确地模拟蒸汽发生器的三维热工水力变化。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

本发明考虑蒸汽发生器中横向的质量动量交混以及受热不均匀现象，建立并联多管考虑横向交混模型的多通道准三维模型。相对于蒸发器发生器采用全三维计算流体力学程序模拟可以节省大量的计算资源，同时也弥补了单通道模型没有考虑横向交混和受热不均匀的缺陷。该方法可以较为准确而全面地将钠-水直流式蒸汽发生器钠回路与水回路的流动换热特性体现在程序计算中，在提高计算精度的同时也不降低仿真效率，对计算机性能要求不高，计算速度很快，不会造成计算资源的浪费。此外，该方法在计算中可以根据不同的反应堆的需求，在蒸汽发生器中划分不同数目的并联多管，操作起来非常简便，使用起来也很灵活，工程适用性更强。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为钠-水蒸汽发生器简化结构示意图。

图3a和图3b分别为钠-水蒸汽发生器横截面和竖直截面示意图。

图4为钠-水蒸汽发生器径向通道划分示意图。

图5为考虑壳侧横向交混的钠-水直流蒸汽发生器并联3管模型。

图5中，100TV/500TV：入口接管(提供入口边界条件)

106TV/506TV：出口接管(提供出口边界条件)

102B/104B/502B/504B：分支部件(将多个并联通道汇合成一个单通道)

110P/112P/114P：壳侧钠回路并联多管

510P/512P/514P：管侧水回路并联多管

HS：模拟钠-水之间对流换热的热构件

MJ210/MJ212/MJ214：模拟壳侧钠回路横向交叉流动的横向交混模型。

图6为考虑壳侧横向交混的钠-水直流蒸汽发生器并联4管模型。

100TV/500TV：入口接管(提供入口边界条件)

106TV/506TV：出口接管(提供出口边界条件)

102B/104B/502B/504B：分支部件(将多个并联通道汇合成一个单通道)

110P/112P/114P/116P：壳侧钠回路并联多管

510P/512P/514P/516P：管侧水回路并联多管

HS：模拟钠-水之间对流换热的热构件

MJ210/MJ212/MJ214/MJ216：模拟壳侧钠回路横向交叉流动的横向交混模型。

具体实施方式

以下结合附图以钠冷快堆钠-水直流式蒸汽发生器为例，对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明一种考虑壳侧横向交混的钠-水直流蒸汽发生器精细建模方法，包括以下步骤：

步骤1：根据钠-水直流蒸汽发生器的几何结构，对蒸汽发生器按径向划分成钠通道与水通道。

钠冷快堆钠-水直流蒸汽发生器简化结构示意图如图2所示。蒸汽发生器由壳体和管束等结构组成。其中，水和蒸汽在换热管束之间流动，管束之间没有任何联通，而钠在壳体中流动。蒸汽发生器的横截面和竖直截面示意图分别如图3a和图3b所示，可以看到，换热管束在蒸汽发生器中按正六边形结构一圈一圈向外排列，本图出于简化的需要只展示四圈换热管束。根据其管束排布结构，将蒸汽发生器按径向等面积简化成一圈一个相互换热的钠通道与水通道。图4为其径向通道划分示意图，四圈换热管束被简化成四个水回路，壳侧的钠通道也被简化成四个钠回路。

步骤2：根据核反应堆蒸汽发生器计算的需要，将钠、水换热通道简化成几个并联的单管通道。

假设实际工况中着重考虑蒸汽发生器中心以及壁面的流动换热特性，则保留蒸汽发生器最中间以及最外侧的钠、水通道1和4，将中间的钠通道与水通道2和3分别合并成一个通道。如图5所示，由此将蒸汽发生器的钠回路简化成3个并联通道110P、112P、114P，水回路简化成3个并联通道510P、512P、514P，蒸汽发生器简化成三通道并联模型。

步骤3：在壳侧钠回路的各个并联单管通道之间连接横向接管模型。

考虑钠回路存在的横向的质量和动量交换现象，如图5所示，在壳侧钠回路的三个并联单管110P、112P、114P之间连接横向交混模型MJ210、MJ212、MJ214，以模拟钠回路之间的横向流动，这样可以模拟计算各个横向通道之间的流动换热特性。

步骤4：建立壳侧钠回路流动模型。

如图5所示，在壳侧钠回路的入口处用分支部件102B连接三个并联单管通道110P、112P、114P，并在分支部件的入口处再连接入口接管100TV，以提供钠回路的入口边界条件。同理钠回路的出口处用分支部件104B汇合三个并联单管通道，并在分支部件的出口再连接出口接管106TV，以提供钠回路的出口边界条件。这样热钠能够从蒸汽发生器入口接管100TV自上而下流入分支部件102B后，被分成三个不同的并联回路之后，自上而下流经蒸汽发生器壳侧三个通道110P、112P、114P，最后在出口处被分支部件104B汇合成一个回路从出口接管106TV流出。

步骤5：建立管侧水回路流动模型。

如图5所示，在管侧水回路的入口处也用分支部件502B连接三个并联单管通道510P、512P、514P，分支部件另一侧连接入口接管500TV，以提供水回路的入口边界条件。在出口处将三个并联单管通道也用分支部件504B汇总，分支部件另一侧连接出口接管506TV，以提供水回路的出口边界条件。这样给水能够从蒸汽发生器入口接管500TV自下而上流入分支部件502B后，被分成三个并联回路后，自下而上流经蒸汽发生器管侧各个并联单管通道510P、512P、514P，然后在出口处被分支部件504B汇合成一个回路后从出口接管506TV流出。

步骤6：在钠回路与水回路之间加入模拟换热的热构件。

如图5所示，在壳侧钠回路与管侧水回路的蒸汽发生器并联单管通道110P与510P之间、112P与512P之间、114P与514P之间，分别加入模拟换热的HS热构件，以模拟钠回路与水回路之间的对流换热，从而将钠回路与水回路之间耦合起来，建立蒸汽发生器准三维模型。当给水从入口接管500TV自下而上流入并联单管510P、512P、514P时，会不断吸收钠侧的热量转变成具有一定过热度的过热蒸汽，并从出口接管506TV流出。而钠流经并联单管110P、112P、114P之后，由于与水侧进行热量交换，温度会有明显的降低。建好的考虑壳侧横向交混的钠-水直流蒸汽发生器并联3管模型如图5所示。

步骤7：进行热工水力计算并分析流动换热特性。

在建好的准三维蒸汽发生器模型上进行热工水力稳态及瞬态计算，分析三个并联通道钠回路与水回路的流动换热特性、横向交混通道MJ210、MJ212、MJ 214之间的受热情况以及给水调节瞬态特性。

8：判断数值模拟结果，根据不同的工况需求，改变并联单管数目进行精细化计算。

判断上述三通道并联模型的数值模拟结果是否符合实际工况的精度需求，假设上述建模过于简化蒸汽发生器中间通道的换热情况，则再回到步骤2重新确定合并的并联的单管通道的数目直到符合仿真需求为止，从而更加准确地模拟蒸汽发生器的三维热工水力变化。图6为将钠与水的中间通道2和3也各自等效成一个流动通道后建立的钠-水蒸汽发生器并联四管模型示意图。

Claims (1)

1.一种考虑壳侧横向交混的钠-水直流蒸汽发生器精细建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据钠-水直流蒸汽发生器的几何结构，对蒸汽发生器划分径向钠通道与水通道；

钠-水直流蒸汽发生器主要由壳体和管束结构组成，水和蒸汽在换热管束之内流动，管束之间没有联通，而钠在壳体中流动；换热管束在蒸汽发生器中按正六边形结构一圈一圈向外排列，根据其管束排布结构，将蒸汽发生器按径向简化成一圈一个相互换热的钠通道与水通道；

步骤2：根据核反应堆蒸汽发生器计算的需要，再将多个钠-水换热通道合并成几个并联的单管通道；

步骤3：在壳侧钠回路的多个并联单管通道之间各自用模拟横向交叉流动的横向接管模型相互连接，这样模拟计算各个横向流道之间的流动换热特性；

步骤4：建立壳侧钠回路流动模型：在壳侧钠回路的入口处用分支部件连接多个并联的单管通道，并在分支部件的入口处再连接入口接管，同理钠回路的出口处用分支部件汇合多个并联的单管通道，并在分支部件的出口再连接出口接管；这样热钠能够从蒸汽发生器入口接管自上而下流入分支部件后，被分成各个不同的并联回路之后流经蒸汽发生器壳侧各个通道，最后在出口处被分支部件汇合成一个回路从出口接管流出；

步骤5：建立管侧水回路流动模型：在管侧水回路的入口处也用分支部件连接多个并联的单管通道，分支部件另一侧连接入口接管，在出口处将多个并联的单管通道也用分支部件汇总，分支部件另一侧连接出口接管；这样给水从蒸汽发生器入口接管自下而上流入分支部件后，被分成多个并联回路后流经蒸汽发生器管侧各个通道，然后在出口处被分支部件汇合成一个回路后从出口接管流出；

步骤6：在管侧钠回路与壳侧水回路的每个并联的单管通道之间分别加入模拟换热的热构件，以模拟钠侧以及水侧之间的对流换热，从而将两个回路耦合起来，建立准三维蒸汽发生器模型；

步骤7：在该准三维蒸汽发生器模型上进行热工水力稳态及瞬态计算，分析各个并联的单管通道的流动换热特性、横向交混受热以及给水调节瞬态特性，进行数值模拟；

步骤8：判断数值模拟结果是否符合实际工况的精度需求，如果不符合，则再回到步骤2重新确定合并的并联的单管通道的数目直到符合仿真需求为止，从而更加准确地模拟蒸汽发生器的三维热工水力变化。

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