NSE-201112-0019-NSE-201112-0019-CEFR三回路除氧器内凝结水和蒸汽混合运动特征返修以后复习进程.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。NSE-201112-0019-NSE-201112-0019-CEFR三回路除氧器内凝结水和蒸汽混合运动特征返修以后-CEFR三回路除氧器额定工况下凝结水和蒸汽混合的运动特征杨永昌张琭（中国原子能科学研究院，北京102413）摘要：利用Fluent流体数值模拟软件，对中国实验快堆(简称CEFR)三回路除氧器内凝结水和蒸汽混合运动特征进行数值计算，研究了凝结水和蒸汽混合后的温度场和速度场。研究结果为以后的运行和CFR-1000设计提供了理论依据。关键词：中国实验快堆；除氧器；数值计算中图分类号：TK233.5+22文献标识码：AMixedmovementcharacteristicsofcondensationwaterandsteaminCEFRthreeloopdeaeratorYANGYongChangZHANGLu（ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413）Abstract:ThenumericalcalculationiscarriedoutforthemixedmovementcharacteristicsofdeaeratorcondensationwaterandsteaminCEFRthreeloopbyusingFluentsolver.Thecondensationwaterandsteammixturetemperaturefieldandvelocityfieldisstudied.TheresultscanprovideatheoreticalbasisfortheafteroperationandCFR-1000design.Keywords:ChinaExperimentalFastReactor（CEFR）;deaerator;numericalsimulation除氧器是电厂给水除氧的主要手段，除氧效果与除氧设备的结构有直接的关系。目前国内大中型火电机组所配备的除氧器多采用喷雾填料式，利用弹簧喷嘴将凝结水喷射呈锥形水膜，这种喷嘴能够随着负荷的变化，通过弹簧作用调节喷口的开度。但是这种喷淋装置中的关键部件较为复杂，同时安装调试精度要求高，长期运行会导致弹簧腐蚀，易使其性能退化，给电厂的运行和维护带来了极大的不便。旋膜式除氧器是近些年来发展起来的，其主要除氧元件起膜管结构简单，没有活动部件，能够很好地克服了传统弹簧喷嘴性能易退化的缺点；同时还具备负荷适应性好的优点，在补水量大、补水温度低等恶劣工况下仍能保证良好的除氧效果。本文介绍了旋膜式除氧器的结构和工作原理，分析了CEFR三回路中YGXC-110型旋膜式除氧器的性能，通过数值计算研究了其内部凝结水的流动和传热传质特性，以及凝结水和蒸汽混合后的运动特征。1. 除氧器工作原理及系统方案设计1.1除氧器工作原理膜式除氧器采用热力除氧方法，无论其结构如何变化，其除氧原理都是建立在亨利定律和道尔顿定律的基础上。亨利定律指出：对于稀溶液，在一定温度下，当溶质在气、液两相中的传质达到平衡时，溶质在气相中的分压与其在液相中的浓度成正比，即：式中：P溶质在气相中的平衡分压，Kpa；E亨利系数，单位与压力单位相同；x溶质在液相中的摩尔分率。如果通过降低溶质在气相中的分压，使其低于液相中溶质在气相中的平衡分压，则会使溶质在液相中析出，直至达到新的平衡。通过不断降低气相中的溶质的分压，破坏并建立新的平衡，可以达到持续去除液相中溶质的目的。道尔顿定律指出：对于低压下的混合气体的全压力近似等于各组分气体的分压力之和，因此，气相中各组分气体的分压与全压力的关系为：式中：溶于水中的各种气体的分压力；水蒸汽的分压力。在定压下将水加热至其沸点，使水蒸汽的分压力趋于气相中的全压力，其它组分气体的分压力就趋于零(同时将水中逸出的气体及时排出)，从而保证水中的溶解气体维持在较低的水平含量并趋于零。综上所述，热力除氧必须同时具备两方面条件：(1)传热条件快速将水加热至给定压力下的饱和温度；(2)传质条件使溶质不断地从水中析出并迅速带走。在CEFR三回路YGXC-110型旋膜式除氧器中，来自低压加热器的凝结水首先进入水室，在凝结水压力和除氧器工作压力的压差作用下，由起膜管切向小孔喷射至起膜管内壁；入水会形成短暂的射流，高速射流两侧形成局部低压区，射流结束后，水沿着起膜管内壁旋转而下，凝结水在喷管内先进行部分除氧。然后旋转水流从起膜管出口以一定角度离开起膜管，形成中空的旋转的裙装水膜，常称为水膜裙，它能够在各种负荷下与加热蒸汽充分接触，瞬间使水被加热至除氧器工作压力下的饱和温度，进行初步除氧。初步除氧后的凝结水经水篦组分配，以薄膜形式均布到不锈钢丝网上，再进行泡沸式换热，与二次加热蒸汽充分接触，进行深度除氧，最后汇集于水箱。1.2系统方案设计CEFR三回路中的除氧器由上部的除氧头及下部的除氧水箱所构成，上下两部分由四根直管相连接。凝结水自上而下通过除氧头正下方的落水管进入除氧水箱，在落水管周围均匀分布有三根通气管，除氧水箱内的蒸汽自下而上进入除氧头。除氧头结构如图1所示，除氧头内的凝结水自上而下与流向相反的蒸汽在填料层和水蓖子中进行充分换热。换热结束后，凝结水通过除氧头正下方的落水管进入除氧水箱。除氧水箱底部安装有一根再沸腾管，若除氧水箱无法将凝结水加热至190，则需通过此管送入高温蒸汽，使凝结水达到预定加热温度。该除氧器的除氧水箱容积为50m3，可以起到为三回路水循环提供缓冲的重要作用。图1除氧头结构Fig1Deaeratorheadstructure1.通气管2.支腿3.填料组4.蓖组5.压紧件6.高加疏水7.筒体8.入水口混管9.旋膜管10.双连通管11.汽水分离器12.安全阀接管13.温度计14.压力表15.蒸汽接管16.水膜裙室17.落水管1.3参数的选择已知进入除氧器的凝结水流量和加热蒸汽流量，以及凝结水入口面积和加热蒸汽的入口面积，就可以计算出凝结水和蒸汽分别进入除氧器的速度。表1除氧器在额定工况下的运行参数Table1Deaeratoroperatingparametersatratedconditions蒸汽单位参数凝结水单位参数加热蒸汽流量t/h9.18进口主凝结水流量t/h86.44进口蒸汽压力(阀前)MPa（绝对)1.73进口主凝结水温度140.6进口蒸汽温度279出口给水流量t/h95.62加热蒸汽入口管径mm219*8出口给水温度190凝结水入口管径mm194*8（1）根据进口蒸汽的压力1.73MPa和进口蒸汽温度279，查表可得蒸汽密度为7.19kg/m3；（2）由凝结水的质量流量G1求出体积流量和速度；（3）由水蒸汽的质量流量G2求出体积流量和速度图2计算模型Fig2Computationalmodel根据表1给出参数，就可以求出凝结水和蒸汽的参数。表2凝结水和蒸汽设计参数Table2Parametersofcondensationwaterandsteam(t/h)（m2）（）（）蒸汽9.180.09420.354453.76凝结水86.440.017660.0241.352.数值模拟计算本文采用Fluent软件对进入除氧器的凝结水、化学补水以及水蒸汽进行数值模拟。凝结水和化学补水以及水蒸汽同时进入除氧器，换热过程属于湍流换热，其模型需综合考虑湍流流动、换热以及冷凝相变等过程。本文以高温蒸气对凝结水加热的温度场及其速度场为研究对象。2.1计算区域及网格划分数值计算区域从除氧器头部的入口一直到除氧器底部的出口。计算网格是数值模拟的一个重要组成部分，网格品质的好坏直接影响数值解计算的精度及收敛性。网格数太少，会使计算精度下降，甚至发散；网格数过多，虽然能提高计算精度，但是计算速度太慢，成本会增大。本文对计算网格进行了验算选取。计算区域包括除氧器内部凝结水、化学补水以及水蒸气，模拟时凝结水和化学补水采用规则的四面体网格，水蒸气采用非结构性的六边形网格。整个计算区域网格划分的节点数量为325131。图3除氧器网格结构图Fig3Deaeratorgridstructure2.2基本假设a.流体的流动为湍流流动；b.忽略喷嘴以及起膜管结构，认为凝结水是从除氧头正上部进入除氧头；c.除氧器外壁面与外部环境（T0）之间的热交换是由对流换热与辐射换热两部分组成，由于除氧器内温度基本相同，因此认为除氧器对环境散热量处处相等。2.3物理模型本文利用了下列计算模型：（1）湍流模型：标准的湍流模型；（2）混合模型：vof；（3）冷凝模型：嵌套udf函数。2.4边界条件处理和初始条件a.入口条件：凝结水和水蒸汽均采用速度入口。其速度分别为v1，v2；凝结水的进口温度为t1，水蒸汽的进口温度为t2。b.出口条件：自由出口。3.结果分析为了对结果进行分析，首先做出两个截面：ab图4除氧器截面图Fig4Deaeratorsections图a是除氧器中心截面图（x=0），从此图可以看出连接除氧头和除氧水箱的中心管截面，图b是连接除氧头和除氧水箱的两根通气管的中心截面图（x=2230）。3.1额定工况下温度场分布ab图5额定工况下温度场分布Fig5Ratedoperatingtemperaturefielddistribution蒸汽和凝结水换热主要在除氧头填料层和水蓖子中完成，除氧水箱的主要作用是为三回路水循环提供缓冲。从上图中可以明显发现除氧头内温度的剧烈变化程度，凝结水从除氧头上部进入时为140.6，通过填料层和水蓖子后a点温度达到243，温度升高，水蒸汽在气相中的分压增加，氧在气相中的分压就会降低，从而有利于氧从液相中向气相转移，有效降低了凝结水中的溶解氧含量；图b显示汽水混合物在除氧水箱内温度基本没有变化，维持在190左右，有利于为蒸汽发生器提供合格的水质，同时有利于除氧水箱为三回路水循环提供缓冲作用。3.2额定工况下速度场分布ab图6额定工况下速度场分布Fig6Ratedvelocityfielddistribution图6表明，除氧器中蒸汽和凝结水混合后速度在凝结水进入除氧水箱的部位达到最大值：5.26m/s，在除氧头内，自上而下的凝结水与自下而上的蒸汽混合后形成强烈的漩涡，因此向下流动的凝结水通过除氧水箱上部的蒸汽区域时流速达到了最大值。此时状态为汽水混合物，速度越大，旋流管喷嘴形成的水膜受重力影响越小，形成的水膜裙越理想，不易出现缩口现象，水膜面积也越大，汽水接触面积越大，除氧效果更佳。在除氧器水箱中下部凝结水流动趋于静态平衡，从除氧头流入水箱的水等于下部流出的水，有利于除氧水箱为三回路水循环提供缓冲作用。3.3额定工况下压力场分布ab图7额定工况下压力场分布Fig7Ratedworkingpressurefielddistribution除氧器中压力分布较为均匀，工作时压力维持在1.15Mpa，在除氧头内凝结水与压力较高的蒸汽混合，流入除氧水箱，在除氧水箱的下部，压力达到了最大。3.4额定工况下水的组分分布ab图8额定工况下水的组分分布Fig8Ratedworkingconditionofwaterdistribution由图8可以发现在除氧头内的填料层和水篦子部分，以及除氧水箱内，水基本以液态形式存在，水的百分比达到95.8%。凝结水由除氧头上部自上而下，蒸汽则由除氧头下部自下而上，在填料层和水篦子中进行换热，蒸汽凝结放热变为水随凝结水流入除氧水箱，凝结水中的不凝汽体被有效地去除，水的比例越高，说明除氧效果越好，同时也说明了设计的合理性；在除氧水箱上部留有一定的空间，其主要作用是为三回路水循环提供缓冲，水箱在1950mm高度以下全部为凝结水。3.5额定工况下湍动能分布ab图9额定工况下湍动能分布Fig9Ratedworkingconditionthedistributionofturbulentkineticenergy图9中可以看出湍动能有两个区域比较大，分别是在除氧头填料层和水篦子中、汽水混合物由除氧头通过除氧水箱的上部区域。在除氧头填料层和水篦子中比较大是由于这个区域内自下而上的蒸汽与自上而下的凝结水混合后，惯性力起主导作用，黏性不足以约束流体质点的紊乱运动，形成强烈的漩涡；在凝结水由除氧头流入除氧水箱上部这个区域时，截面突然发生变化，由一根细管突然变为一个很大的区域，相当于一个扩张的截面，扩张的截面会出现漩涡，如果有旋涡出现势必会伴随很强的湍流，凝结水的速度达到最大值，因此这两个区域湍动能比较大。紊流程度比较严重，汽水混合程度较好，有利于除氧功能的实现。4.结论利用Fluent软件对旋膜式除氧器的额定工况进行数值模拟计算，计算结果表明凝结水与蒸汽在除氧头内进行了剧烈的流动换热，并在这个过程中完成热力除氧。（1）在除氧头内，凝结水与蒸汽交混的过程中，凝结水温度迅速升高，在除氧头填料层和水蓖子中换热剧烈，在a点温度可以达到243，有利于降低凝结水中的溶解氧含量；（2）在图（6）中最大速度出现在除氧头与水箱的连接部，此时的状态为汽水混合物，最大值为5.26m/s有效提高了汽水接触面积，有效提高了除氧效果。在图（8）水的组分分布中，除氧头的下部及水箱下部水的百分比达到95.8%，有效提高了凝结水中的不凝气体的除去率，从而提高了除氧效果；（3）数值计算结果表明，额定工况下运行的除氧器可以满足为蒸汽发生器提供190给水的要求，但是必须保证进入除氧器的凝结水达到设计温度（进入除氧器前低压加热器出口温度），否则除氧器就需要打开再沸腾管，这样会损坏除氧器及其它设备，并从理论上说明CEFR除氧器的设计的合理性，也为未来CFR-1000除氧器的设计提供了参考依据。参考文献：1马彦，贾美芹，丁卉.75t/h旋膜式除氧器性能分析及改进J.发电设备，2006.（3）443-445.2谢建育，黄卫剑.热力除氧机理及除氧器水位控制系统的调整策略J.广东电力，2006.（12）41-44.3张振明，20t/h热力除氧器温度控制系统设计研究D.上海交通大学,2001.4刘树华，天凤歧，危日光等，旋膜式除氧器传热传质特点及性能试验J，汽轮机技术，2006.（8）281-2865除氧器设计说明书M.快堆内部文件，20026高压除氧器技术规格书M.快堆内部文件，20027旋膜除氧器高质量证明书.M.快堆内部文件，2002通信地址：北京市275信箱34分箱（中国原子能科学研究院快堆工程部）邮编：102413联系人：杨永昌电话：15901292057E-mail：yangyongchang800-