中国实验快堆蒸汽发生器稳态特性分析及热工水力设计

中国实验快堆蒸汽发生器稳态特性分析及热工水力设计
研究快堆蒸汽发生器的热工水力机理对快堆蒸汽发生器的安全可靠运行有
着重要意义。

本文以中国实验快堆的俄罗斯进口钠-水蒸汽发生器为研究基础,
采用半解析法建立了蒸汽发生器稳态特性数学模型,深入分析了快堆蒸汽发生器的沸腾换热机理,在此基础上编制了钠加热蒸汽发生器的热工水力设计程序,讨
论了不同结构参数对蒸汽发生器性能的影响,并对其进行优化,得到最优的管束
结构。

最后运用数值模拟的方法对两种不同支撑板结构进行局部数值模拟,得到了有益的结论,能够指导工程应用。

本文的主要工作和结论如下：(1)比较和分析了高压高热流密度工况下适用于中国实验快堆蒸汽发生器的热工水力计算公式,对传热管内流体的沸腾区域进行合理的划分,结果表明：使用偏离饱和泡核沸腾(DNB)处的质量含气率作为沸腾区域的划分依据是合理的。

(2)采用半解析法建立了中国实验快堆蒸汽发生器的数学模型,探讨其沸腾
换热机理,研究表明：核态沸腾区域和膜态沸腾区域换热机理差别较大；同时,
在核态沸腾区域和其余传热区域内,影响沸腾传热的主要因素不同。

(3)对中国实验快堆蒸汽发生器进行稳态换热分析,研究了二次侧负荷、入口水温度和液态钠流量对蒸汽发生器换热的影响,研究表明：随着二次侧负荷的降低,沸腾段长度逐渐减小,沸腾贡献降低；入口水温度升高,液态钠向二次侧工质传递的总热量减少；液态钠的流量对各传热区域的长度比例分配和水蒸汽出口温度影响较为明显,可以通过液态钠的流量控制水蒸汽的出口温度。

(4)对钠加热蒸汽发生器进行热工水力设计,探讨了传热管长度、外径、壁厚、管间距对蒸汽发生器性能的影响,采用JF因子评估蒸汽发生器的综合性能。

在此
基础上,采用信噪比(SN)确定每个控制因素的贡献比,对比JF因子可知,每个控
制因素对蒸汽发生器性能的影响是相对独立的,得到综合性能最优的管束结构。

考虑建造成本,使用成本效益比(CER)评估蒸汽发生器的整体性能,发现此时管束最优结构与综合性能最优结构不完全一致,主要区别在于传热管长度的选择。

(5)采用大型商业软件FLUENT对圆形孔支撑板结构和梅花孔支撑板结构进行局
部的数值模拟,对比两种结构下壳程和管程介质的温度场、速度场分布,并讨论其对蒸汽发生器传热和压降的影响,研究结果表明圆形孔支撑板结构的综合性能是最优的。