自然循环蒸汽发生器瞬态热工 水力建模与分析
邱桂辉
（中广核工程设计有限公司，广东深圳518124）
摘要：应用瞬态分析专用程序建立了CPR1000蒸汽发生器儿何模型，对CPR1000蒸汽发生器在功率运 行期间停运一台主泵时的热工水力瞬态响应、主蒸汽管道破裂和蒸汽/主给水流量同时10%阶跃扰动工况下的瞬态响应进行了模拟与分析，获得了蒸汽发生器内部热工水力参数如流量、温度、换热系数的响应特性，分析结果表明，瞬态分析模型满足蒸汽发生器设计瞬态分析的要求.
关键词：白然循环：燕汽发生器：瞬态：热工水力
中图分类号：T1353 文章标志码：A
文章编号：0258-0918(2014)04-0505-06
CharacteristicforNatural Circulation TypeSteam Generator Modeling and Analysis of Transient Thermal Hydraulic
QIU Gui-hui
(Chins Nuclear Power Design Compsny Ltd. Shenzhen of Guangdoeg Prov. S18124 China)
dynamic responses of the steam generator are simulated during the transient condition characteristic for CPR1000 steam generator by using a one-dimension code.Theinitiated by a reactor coolant pump shutdown without reactor trip and main steam linebreak. The density wave oscilletion phenomenon was observed during the transientkeep constant thereafter. As a result the model meets the requirement of transient initiated by increasing the feed and steam flow by 10% over a period of 0. 5 seconds andanalysis and fatigue analysis for the steam generator
Key words: natural circulation; steam generator; transient; thermohydraulic
道重要流程，它研究蒸汽发生器内部热工水力参数在核电厂瞬态工况下的响应特性，为设备拟，包括蒸汽发生器瞬态分析专用程序和一些
瞬态热工水力分析是蒸汽发生器设计的一输人参数.
许多软件可以用于蒸汽发生器瞬态特性模应力分析提供流量、温度、换热系数时程曲线等系统软件，西屋TRANFLO程序可用于蒸汽
发生器职态特性模拟，法马通早期的MEPRISE程序可以用于蒸汽发生器水位稳态特性分析，VIDGV程序可以用于主蒸汽管道破裂工况下蒸汽发生器内部热工水力瞬态响应分析.
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本文应用蒸汽发生器瞬态分析程序，模拟了CPR1000蒸汽发生器在功率运行期间停运一台主泵、主蒸汽管道破裂和蒸汽/主给水流量同时10%阶跃扰动工况下的瞬态响应.
1计算方法
1.1控制体划分
将CPR1000蒸汽发生器二次侧划分为汽室、汽水分离器外、下降通道、U形管、汽水分 离器等区城共29个控制体；一次侧U形管束等效为两根长直管，划分为24个控制体，管束热段和冷段控制体分别对应二次侧所划分的同一个控制体，编号1和24为管板厚度内控制体，图1为控制体划分示意图，连接各个控制 体的流道通常选取在流通截面变化较大的位置，如支撑板、上下甲板、汽水分离器叶片等，一次侧进出口接管、蒸汽出口接管、给水接管和定义为外部接口.传热管束、二次侧壳体和管 排污接管等与外部存在质量和能量交换的接口板、管子支撑板等金属构件定义为导热构件，在瞬态过程中套简两侧流体热量可以通过套筒传递.
图1控制体划分示意图
Fig. 1 Sketch of volume control of the stesm generator
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广义激项Qsr包括下降通道和上升通道通过套筒壁面传递的热量、热构件传递的热 量、热扩散传递的热量、蒸汽遇到壁面冷凝传递的热量等，式中.M为控制体内质量，kg：U为控制体内能，J；W为流道质量流量，kg/s；S为流道流通截面，m²；L为流道长度，m；△p为摩 擦压降，Pa△p，为局部压降，Pa△p，为重位压降，Pa；△p.为加速压降，Pa；h为比，kJ/kg.下标i，j为控制体编号，k为流道编号，in为流进控制体，out为流出控制体，ex为控制体与外部接口.
1.2数学模型
规定上游控制体：和下游控制体j通过流道连接，控制体中的压力、温度、比给、质量和流道中的质量流量通过控制方程描述.循环回路的各种压头损失通过控制体间的流道连接描 述，在两相流区域，该程序考虑了流道中的汽、液两相介质速度不平衡.假设一次侧工质为单相不可压缩流体，沿同一方向流动，压力不随空间发生变化：忽略一次侧下封头的导热构件，忽 略流体和传热管的轴向导热，忽略宏观流体的动能项和黏性耗散项，不考虑蒸汽发生器的对外散热.蒸汽发生器的控制方程为：
控制体内密度、压力和比增等物性参数根据状态方程确定：
(4)
式中，v为比容，m²/kg：p为压力，Pa.
蒸汽发生器二次侧分为无水位和有水位两种控制体，无水位控制体内的介质可以为过冷
体中汽液两相介质处于热力学平衡，汽相和液制体上部区域和下部区城空泡份额不连续，下 相介质速度相等.当控制体内存在水位时，控部区域可能处于冷水状态或饱和两相状态，上部区城可能处于过热蒸汽状态或含有液滴的饱随水位的变化面发生影胀和收缩，下部区城气 和两相状态，在瞬态过程中，上部和下部区域泡上升到上部区域，上部区域冷凝的水滴跌落到下部区域；上部区域的蒸汽在液面发生冷凝；液位以上区域的蒸汽遇到壁面冷凝并注人到下部区域.因此，有水位控制体上下部区域 由于热力不平衡面发生质量和能量交换，该程序考虑了上述热工现象，并分别对上部区域和下部区域建立守恒方程.
求解，该程序可以对蒸汽发生器二次侧的水位 通过对有水位控制体下部区域控制方程的变化进行眼踪模拟，其水位方程如下：
式中，A为控制体流通截面，m²；WL为控制体内水位，m.下标un为有水位控制体下部区域.
1.3物理模型
本文中主要关系式选取如下：
系式；
关系式： 2）两相摩擦因子：Chisholm-Sutherland
3）两相局部阻力因子：Chisholm修正关系式：
4）传热计算.
择各种不同的传热公式，本文中选用的换热关 根据控制体所处的状态，程序可以白行选系式有：
①单相自然对流：
式中，h为换热系数，W/（mK）：k为流体导热系数，W/（m²K）；Ra为瑞利数.
②单相强制对流层流：
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水、过热蒸汽或者是汽液两相混合物，假设控制式中，d.为水力直径，m.
③单相强制对流淄流：采用Dittus-Boelter公式；
④冷凝换热：采用Shah公式：
过冷沸腾：采用Rohsenow公式；
强制对流泡核沸腾：采用Jens-Lottes修正公式；
公式. 强制对流蒸发：采用Schrock-Grossman
5）临界流计算：采用Moody关系式.
2模型假设和边界条件
主要考虑的假设条件：①模型中不考虑对干燥器的模拟；②在主蒸汽管道破裂工况下，汽水混合物迅速上升，汽水分离器不起分离作用：③在其他瞬态工况下，假设汽水分离器的分离效率为100%，即全部的饱和水被分离出 来并瞬间注入到液面以下，分离出来的全部蒸汽通过分离筒上升至蒸汽空间.
在已知蒸汽发生器出口蒸汽流量、二次侧给水湿度和流量、一次侧流体进口温度和流量、 一次侧压力的边界条件下，通过瞬态分析程序计算得到二次侧压力、再循环流量、二次侧水位和一次侧流体出口温度等参数的动态响应.
1）干度计算关系式：OHKAWA漂移关3计算结果及分析
3.1功率运行期间停运一台主泵
该瞬态的初始工况为60%P，由于一台主泵停运，停泵环路的流量急剧下降并在40s后流动方向反转，该环路蒸汽发生器蒸汽流量较 正常运行时降低，而汽轮机的负荷基本不变，主泵正常运行环路蒸汽发生器蒸汽流量增加.图2给出了由瞬态分析程序计算得到的主泵正常运行环路蒸汽发生器一次侧出口温度、汽室蒸汽压力、控制体温度、换热系数和下降通道流量 随时间的变化曲线.由图2可以看出，由于蒸汽流量上升，汽室蒸汽压力降低，一、二次测冷却剂之间温差变大，换热得到强化，一次侧出口核电站蒸汽发生器的计算结果，可以看出，本文 湿度随之下降.图2a和2b还同时给出了在役计算得到的曲线和在役核电站蒸汽发生器设计瞬态报告中的THEMIS程序计算得到的结果
非常接近.图2c~2e给出了下降通道控制体8和17的温度、与承压壳体内壁的换热系数和
流量等参数随时间的变化曲线，为结构力学分析提供了输人数据.
图260%P.运行期间停运一台主泵瞬态结果由线Fig. 2 Dynamic responses during the transient condition initisted by a（a）一次侧出口温度：（b）饱和蒸汽压力：（e）下降通道流量；（d）控制体温度： reactor coolant pump shutdown at 60% P（c）控酬体与承压壳体内壁的换热系数
役核电站蒸汽发生器的MEPRISE程序计算结果非常接近.图3d给出了蒸汽发生器下降通道底部流量和上升通道出口流量随时间的变化曲线，它们两者间的相位相差180°，表明了蒸汽发生器二次侧自然循环系统发生了密度波振 荡现象，在11s后，振荡迅速减弱，验证了CPR1000蒸汽发生器具有很好的稳定特性.
3.2正常满功率运行期间蒸汽和给水流量 10%阶跃瞬态
初始工况为满功率稳态运行工况，在0.5s，二次侧蒸汽流量和给水流量引人同相10%额定流量阶跃扰动.图3给出了蒸汽发生 器的主要参数的响应曲线以及在役核电站蒸汽发生器的计算结果.可以看出，本文模型和在
Fig 3 Dynamic responses during the transient condition initiated by increasing 图3正常满功率运行期间高汽/给水流量10%阶跃瞬态结果曲线the feed and steam flow by 10% under normal condition（a）饱和压力变化：（b）水位变化：（e）再循环水该量变化：（d）上升通道和下降通道流量
3.3主蒸汽管道破裂瞬态工况
在主蒸汽管道破裂工况下，不同的初始水位高度对内件的冲击载荷不同，为研究对管 子支撑板和拉杆可能受到的最大载荷，初始水位高度选取在最高管子支撑板（第9块）处，初始工况为热停堆工况，在该工况下，二次侧的压力最大，相应的饱和水密度最高.图4给出了在瞬态工况下第9块支撑板的压 差以及9块支撑板和流量分配板总压差的曲线，同时给出在役核电站蒸汽发生器的VIDGV程序计算结果.可以看出，本文模型接近. 和在役核电站蒸汽发生器的计算结果非常
4结论与展望
1）本文所建立的几何模型和选用的数学关系式，利用瞬态热工水力分析程序能够模拟 自然循环蒸汽发生器的瞬态响应，计算结果符合设计瞬态的要求.
(b)图4主燕汽管道破裂瞬态结果曲线Fig. 4 Dynamic responses during the transient condition initiated by steam line break（a）第9块文撑板压整；（b）9块支挥板和流量分配板总压费
