核電汽輪機彎管式汽水分離器的改進(jìn)結構及其除濕性能

核電汽輪機彎管式汽水分離器的改進(jìn)結構及其除濕性能

　　核電汽輪機需在高壓缸出口布置汽水分離器，以去除高壓缸出口濕度約12%～14%蒸汽中的絕大部分水分。目前常用的是波形板汽水分離器，它的低速特性決定了其尺寸龐大、系統布置復雜、造價(jià)高以及系統可靠性低等。ABB公司開(kāi)發(fā)出安裝在高、中/低壓缸連通管內的高速汽水分離器——彎管式汽水分離器（SCRUPS），并取得了滿(mǎn)意的運行經(jīng)驗和效果。這種彎管式汽水分離器的除濕效率并不比常規汽水分離器低，且尺寸小，簡(jiǎn)化了系統布置，降低了造價(jià)，提高了系統的可靠性。

　　圖1是彎管式汽水分離器在汽輪機系統中的布置。預分離器（MOPS）先分離出沿高壓缸壁流下的水分，彎管式汽水分離器（SCRUPS）去除濕蒸汽中的水分，蒸汽經(jīng)再熱器（Reheater）加熱至一定過(guò)熱度后送往中/低壓缸繼續膨脹做功。圖2為彎管式分離器的簡(jiǎn)化結構示意。分離器內裝有導流除濕葉柵，蒸汽在除濕葉柵內流動(dòng)時(shí)流向發(fā)生偏轉，汽流攜帶的大部分水滴因慣性力作用發(fā)生碰撞并沉積在帶吸濕槽的除濕空心葉柵上，沉積的水分和少量蒸汽通過(guò)吸濕槽吸入葉柵內腔室并分別排出，從而達到除濕的目的。由于技術(shù)資料保密等原因，國內目前開(kāi)發(fā)和應用這種分離器存在一定的難度。

　　圖1彎管式汽水分離器在汽輪機系統中的布置

　　圖2彎管式汽水分離器結構簡(jiǎn)圖

　　本文應用計算流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS－CFX對彎管式汽水分離器和2種改進(jìn)結構的除濕性能進(jìn)行了數值計算與分析，揭示了“Z”字形彎管分離器具有最佳的除濕效率和最低的總壓損失。

　　水滴重力忽略不計，模型沿葉高方向對稱(chēng)，取沿葉高一半進(jìn)行研究能降低網(wǎng)格總數量，提高計算效率。

　　彎管式汽水分離器內水滴沉積率主要取決于導流除濕葉柵的葉寬、節距、汽流攻角，導流除濕葉柵的前期研究中得到了優(yōu)化葉型和葉柵參數，即：葉寬為350mm，節距為60mm，沖角為10°。圖3為彎管式汽水分離器結構示意。商業(yè)軟件ANSYSICEM可對分離器各部分單獨進(jìn)行結構化網(wǎng)格劃分后再組合計算，根據網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗證，計算時(shí)取總網(wǎng)格數約1239萬(wàn)。

　　圖3彎管式汽水分離器結構

　　不同直徑水滴，其沉積機理有所不同，大水滴沉積主要依靠慣性力，小水滴沉積受湍流效應影響很大。彎管式分離器內小水滴汽流跟隨性好，沉積量低，因此本文提出了彎管前加旋流裝置的組合結構（見(jiàn)圖4），來(lái)增加汽流湍流度，以提高小水滴沉積率，旋流葉柵結構尺寸參考文獻［8］。組合分離器中，旋流器為非結構化網(wǎng)格劃分，其余為結構化網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數約1450萬(wàn)。

　　圖4組合分離器結構

　　研究發(fā)現，各種直徑水滴的沉積量受汽流偏轉角影響很大，且隨偏轉角的增大而增大，為此本文提出了“Z”字形彎管分離器結構。圖5為“Z”字形彎管分離器在汽輪機系統中的布置。

　　圖5“Z”字形彎管分離器在汽輪機系統中的布置

　　圖6為“Z”字形彎管分離器結構示意，其中導流葉柵偏轉角為120°，沖角為0°，由90°偏轉角葉型改型并用NumecaDesigh3D葉型優(yōu)化而得，為結構化網(wǎng)格，總網(wǎng)格數約1698萬(wàn)。

　　圖6“Z”字形彎管分離器結構

　?。╝）分離器結構（b）葉柵布置

　　采用商業(yè)軟件CFX求解定常三維黏性雷諾平均N－S方程，湍流模型為壁面函數修正的標準－模型。采用IAPWS－IF97標準給定蒸汽的熱物理參數。

　　假定水滴碰撞到葉柵表面時(shí)未發(fā)生反彈，且被直接捕獲，所以采用Lagrangian方法追蹤水滴的運動(dòng)軌跡，采用隨機軌道模型修正Lagrangian方法在描述水滴運動(dòng)上的誤差，在運動(dòng)方程的速度項中通過(guò)添加隨機速度分量來(lái)考慮湍流的影響。

　　根據Parker等人在平面葉柵上進(jìn)行的小微粒沉積實(shí)驗數據，來(lái)驗證本文計算方法的適用性。采用25萬(wàn)、50萬(wàn)、100萬(wàn)、150萬(wàn)4種網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗證，計算邊界條件按照實(shí)驗條件給定。

　　總壓損失系數定義為

　　式中：為進(jìn)口總壓；為當地總壓。由于文獻［9］中未給出總壓損失系數，所以引入外推法來(lái)獲得的精確解，即

　　式中：、為2種網(wǎng)格密度時(shí)獲得的總壓損失系數的計算結果；為方程截差階數；為網(wǎng)格細化比。

　　沉積率為撞在實(shí)驗葉柵上的粒子質(zhì)量與加入的粒子總質(zhì)量之比。表1為平均總壓損失系數和沉積率。由表1可以看出，網(wǎng)格數為100萬(wàn)時(shí)，平均總壓損失系數的相對偏差Δ和沉積率的相對偏差Δ明顯減小，網(wǎng)格數增加到150萬(wàn)時(shí)，平均總壓損失系數的相對偏差僅減小了0.5%，沉積率的相對偏差僅減小了0.4%。因此，采用100萬(wàn)～150萬(wàn)網(wǎng)格比較合理，既可保證計算的準確性，也能適當減少計算量。

　　核電汽輪機高壓缸出口蒸汽所含水分中二次水滴不足5%，根據臨界韋伯數計算，高壓缸二次水滴的尺寸與一次水滴相差不大。為簡(jiǎn)化計算，本文將少部分的二次水滴并入一次水滴。根據文獻［12］的試驗資料，汽輪機一次水滴群中直徑為的水滴群質(zhì)量與直徑等于平均直徑的水滴群質(zhì)量之比近似服從正態(tài)分布，即

　　計算出水滴平均直徑后，可求出各種直徑水滴的質(zhì)量及相應的水滴數。

　　根據1750MW核電汽輪機的相關(guān)參數，按文獻［11］的方法確定水滴的平均直徑為10μm。本文將水滴分為5種直徑范圍來(lái)考核水滴的運動(dòng)沉積特性，每種范圍取其平均值進(jìn)行計算。水滴的質(zhì)量流量為.1g/s，每秒有1.×10個(gè)水滴進(jìn)入計算區域，該數目過(guò)于龐大，按1∶10比例縮小水滴數目，即取個(gè)水滴進(jìn)行計算。表2為水滴平均直徑為10μm時(shí)不同水滴直徑范圍內的水滴數目。

　　汽相進(jìn)口給定總壓1234.5kPa、總溫463.3K、汽流方向、湍流強度及長(cháng)度；出口給定質(zhì)量流量424.29kg/s；葉高方向上端面為對稱(chēng)面，其余為壁面；水滴從進(jìn)口均勻加入，速度為汽相進(jìn)口速度的80%。

　　圖7為彎管式汽水分離器（簡(jiǎn)稱(chēng)彎管式分離器）內汽相流線(xiàn)分布。由圖7可見(jiàn)，分離器內流速分布較為均勻且在50m/s左右，流線(xiàn)分布良好，汽流沿著(zhù)圓管軸向流動(dòng)。

　　圖7彎管式分離器內汽相流線(xiàn)分布

　　圖8為彎管式分離器葉柵中間截面的總壓損失系數分布。由圖8可見(jiàn)，汽流總壓損失主要發(fā)生在兩組導流除濕葉柵中，對應總壓損失系數增大，在圓管和過(guò)渡段中汽流總壓損失系數基本不變。

　　圖8彎管式分離器葉柵中間截面總壓損失系數分布

　　圖9為3種直徑水滴在彎管式分離器內的運動(dòng)軌跡。由圖9可見(jiàn)，水滴在經(jīng)過(guò)兩組除濕葉柵時(shí)數量有所減少，水滴沉積量隨著(zhù)水滴直徑的增大而增多。

　　圖93種直徑水滴在彎管式分離器內的運動(dòng)軌跡

　　圖10為組合分離器中汽相流線(xiàn)分布。由圖10可見(jiàn)：汽流經(jīng)過(guò)旋流葉柵后流線(xiàn)發(fā)生偏轉，對應的汽流湍流度增強，紊亂的流場(chǎng)持續到第一組除濕葉柵進(jìn)口；經(jīng)過(guò)第一組除濕葉柵后，受葉柵整流的作用，流線(xiàn)基本均勻，經(jīng)過(guò)第二組葉柵后流線(xiàn)與圓管軸向幾乎一致。

　　圖10組合分離器中汽相流線(xiàn)分布

　　為了定量說(shuō)明汽流在兩組除濕葉柵前的攻角分布，應用CFX探針功能提取計算結果中的汽流角度，并計算出沿額線(xiàn)分布的汽流攻角大小。圖11為應用探針對兩組葉柵進(jìn)行數據提取的位置，圖12為組合分離器中汽流攻角分布，其中橫坐標相對長(cháng)度定義為探針位置距葉柵前額線(xiàn)端部的距離與前額線(xiàn)總長(cháng)之比。由圖11、12可以見(jiàn)，兩組葉柵進(jìn)口汽流攻角不再是設計時(shí)的10°，第一組葉柵進(jìn)口汽流攻角的變化范圍較大，為－4°～42°，第二組葉柵進(jìn)口汽流攻角的變化范圍較小，為2°～22°。

　　圖13為組合分離器葉柵中間截面的總壓損失系數分布。由圖13可見(jiàn)，汽流在經(jīng)過(guò)旋流葉柵和兩組導流除濕葉柵時(shí)都會(huì )產(chǎn)生較大總壓損失，對應的總壓損失系數增大。

　　圖11探針數據提取位置示意圖

　　圖12組合分離器中葉柵進(jìn)口汽流攻角分布

　　圖13組合分離器葉柵中間截面總壓損失系數分布

　　圖14為3種直徑水滴在組合分離器中的運動(dòng)軌跡。由圖14可見(jiàn)，與彎管式分離器相比，組合分離器中3種直徑水滴的沉積量均有所增多，尤其是直徑較小的水滴沉積量增加更明顯。

　　圖143種直徑水滴在組合分離器中的運動(dòng)軌跡

　　圖15為“Z”字形彎管分離器中汽相流線(xiàn)分布。由圖15可見(jiàn)，總體上分離器中流速分布較為均勻，流線(xiàn)分布良好，汽流沿著(zhù)圓管軸向流動(dòng)。

　　圖16為“Z”字形彎管分離器葉柵中間截面總壓損失系數分布。由圖16可見(jiàn)，汽流在經(jīng)過(guò)導流除濕葉柵時(shí)總壓降低明顯，對應總壓損失系數增大，在圓管和過(guò)渡段中汽流總壓損失系數基本不變。

　　圖15“Z”字形彎管分離器中汽相流線(xiàn)分布

　　圖16“Z”字形彎管分離器葉柵中間截面總壓損失系數分布

　　圖17為3種直徑水滴在“Z”字形彎管分離器中的運動(dòng)軌跡。由圖17可見(jiàn)，與彎管式分離器相比，“Z”字形彎管分離器中不同直徑水滴的沉積量均有所增多，尤其是直徑較大水滴沉積量增加更明顯。

　　圖173種直徑水滴在“Z”字形彎管分離器中的運動(dòng)軌跡

　　表3為3種分離器水滴沉積數量的統計結果。由表3可見(jiàn)：與彎管式分離器相比，2種改進(jìn)結構中各種直徑水滴的沉積量均有所增多，組合分離器中直徑較小水滴的沉積量增加更明顯，“Z”字形彎管分離器中直徑較大水滴的沉積量增加明顯。根據每種直徑水滴沉積率及其對應沉積量占總水滴量的質(zhì)量分數，經(jīng)加權求和可求得分離器的除濕效率。圖18為3種分離器除濕效率和平均總壓損失系數對比。由圖18可見(jiàn)：彎管式分離器除濕效率和平均總壓損失系數分別為79.9%和0.32%，組合分離器分別為85.8%和0.41%，顯然在提高除濕效率的同時(shí)也增加了總壓損失；“Z”字形彎管分離器除濕效率和平均總壓損失系數分別為88.9%和0.20%，該分離器在提高除濕效率的同時(shí)也大大減小了總壓損失。

　　圖183種分離器除濕效率和平均總壓損失系數對比

　?。?）彎管式分離器和“Z”字形彎管分離器中汽相流速比較均勻，汽流基本沿著(zhù)圓管軸向流動(dòng)；汽流經(jīng)過(guò)組合分離器的旋流葉柵后流線(xiàn)發(fā)生偏轉，流場(chǎng)紊亂，流線(xiàn)經(jīng)過(guò)第二組導流除濕葉柵后與圓管軸向基本一致。

　?。?）與彎管式分離器相比，組合分離器中直徑較小水滴的沉積量增加明顯，但同時(shí)也增加了總壓損失；“Z”字形彎管分離器中直徑較大水滴的沉積量增加明顯，同時(shí)大大減小了總壓損失。

　?。?）在除濕效率和平均總壓損失系數方面，彎管式分離器分別為79.9%和0.32%，組合分離器分別為85.8%和0.41%，“Z”字形彎管分離器分別為88.9%和0.20%。顯然，本文提出的“Z”字形彎管分離器具有較高的除濕效率和較低的總壓損失系數，值得推薦。