中国实验快堆蒸汽发生器稳态特性分析及热工水力设计

摘要

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。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 快堆发展概述

1．1．1 快堆简介

1．1．2 CEFR冷却剂的选择

1．1．3 CEFR工作原理

1．2 蒸汽发生器的研究现状

1．2．1 蒸汽发生器的分类

1．2．2 蒸汽发生器稳态换热特性分析

1．2．3 蒸汽发生器的热工水力设计

1．3 本文主要研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 CEFR SG热工水力理论分析

2．1 CEFR SG模型简化与假设

2．2 换热工质的物性参数

2．3 CEFR SG传热理论分析

2．3．1 传热计算原理

2．3．2 一次侧放热计算

2．3．3 二次侧对流传热计算

2．4 CEFR SG水动力理论分析

2．4．1 单相流动压降的计算

2．4．2 两相流动压降的计算

2．4．3 局部压降的计算

2．5 本章小结

3 CEFR SG稳态换热特性分析

3．1 模型简化与假设

3．2 数学模型

3．2．1 总传热方程及能量方程

3．2．2 过冷与过热区域传热模型

3．2．3 核态和膜态沸腾区域传热模型

3．2．4 方程的求解

3．2．5 模型验证

3．3 满负荷条件下CEFR SG稳态换热研究

3．4．CEFR SG稳态换热影晌因素研究

3．4．1 二次侧水／蒸汽流量对SG换热性能的影响

3．4．2 二次侧入口水温度对SG换热性能的影响

3．4．3 一次侧液态钠流量对SG换热性能的影响

3．5 本章小结

4 钠加热蒸汽发生器热工水力设计

4．1 程序的开发

4．1．1 模型简化与假设

4．1．2 程序流程图

4．1．3 程序验证

4．2 蒸汽发生器的综合性能评价

4．3 快堆蒸汽发生器性能影响因素研究

4．3．1 长度L对快堆蒸汽发生器性能的影响

4．3．2 外径do对快堆蒸汽发生器性能的影响

4．3．3 壁厚δ、间距t对快堆蒸汽发生器性能的影响

4．4 快堆蒸汽发生器几何参数优化

4．5 本章小结

5 CEFR SG支撑板结构的局部数值模拟

5．1 支撑板结构模型的构建

5．1．1 模型简化

5．1．2 控制方程

5．1．3 边界条件及物性参数

5．1．4 网格划分及独立性分析

5．1．5 模型验证

5．2 支撑板结构模拟结果分析

5．2．1 圆形孔和梅花孔流场分析

5．2．2 圆形孔和梅花孔结构综合性能分析

5．3 本章小结

结论与展望

1 结论

2 展望

参考文献

附录A MATLAB部分程序

附录B 圆形孔和梅花孔支撑板结构下管程和壳程工质的传热系数

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢