直流蒸汽发生器稳态热工水力实验参数敏感性研究

张 廷，杜代全，张文豪，卓文彬

(中国核动力研究设计院 中核核反应堆热工水力技术重点实验室，四川 成都 610213)

直流蒸汽发生器结构紧凑、体积较小、高功率密度，具有较高的热效率[1]，广泛应用于石油化工、核能发电等工业领域，尤其在一体化小型反应堆中发挥了至关重要的作用。直流蒸汽发生器按传热管形状可分为直管式、螺旋管式和套管式等。与直管式直流蒸汽发生器相比，螺旋管产生了二次环流增强了湍流交混，对单相对流换热、欠热沸腾传热及蒸干后缺液区传热特性具有不同的影响规律[2]。套管式蒸汽发生器采用双面传热结构，形成的环形狭缝通道有效降低了导热热阻，具有显著的强化传热效果[3]。

国内外学者针对直流蒸汽发生器热工水力特性进行了实验研究。Vinod等[4]搭建了一次侧为高温钠工质、二次侧为水的直流蒸汽发生器热工水力实验回路，研究了两侧工质温度、表面传热系数、壁面温度不同工况下的分布规律，采用公式计算了蒸干点热平衡质量含气率用于确定蒸干点发生的位置。Chung等[5]对螺旋管式直流蒸汽发生器不同压力工况对蒸干后传热特性进行了研究，发现蒸干发生位置含气率明显增大，蒸汽压力对过冷沸腾及蒸干具有重要的影响。Hwang等[6]建立了螺旋管内蒸干后传热实验台架，研究了不同结构参数和运行参数的影响，修正了蒸干图。Santini等[7-8]针对螺旋管式直流蒸汽发生器中的一根单管，通过实验研究发现了表面传热系数与质量流速和热流密度之间的依赖关系。Statham等[9]实验研究了稳态和瞬态工况下欠热流动沸腾及蒸干特性，结果显示在高质量含气率工况下，稳态和瞬态两种情况的蒸干点分布基本相同。Yang等[10]采用钠冷快堆直流蒸汽发生器研究了一、二次侧不同的工况参数(出口压力、质量流速和进出口温度)对过热蒸汽的影响。Ju等[11]进行了HTR-10高温气冷堆直流蒸汽发生器热工水力实验，针对沿螺旋管轴向高度一、二次侧温度和传热系数实验值与理论计算之间的误差进行了研究，并分析了传热系数、干度对壁温温差的影响。Anglart等[12]采用了双面加热环管进行了蒸干后传热特性实验，研究了进口过冷度、质量流量和壁面温度对含气率的影响，确定了不同工况蒸干点所在位置。Tian等[13]进行了高温高压水在双边加热环形通道中过冷流动沸腾实验，对不同传热关联式的预测精度进行了评价。李晓伟等[14]针对螺旋管式直流蒸汽发生器进行了工程验证试验，对蒸汽发生器中温度分布的均匀性、温度展平调节能力、变工况瞬态特性和不稳定性进行了研究。赵国正[15]针对内部带旋转肋片的直流蒸汽发生器传热管分析了不同工况参数及螺距对换热性能的影响，发现高流量工况肋片影响显著，减小螺距能够提升换热性能。高刚等[16]使用F-113制冷剂作为换热介质进行了套管式蒸汽发生器沸腾实验，针对环形空间单面、双面加热情况与圆管进行了比较。吴振宇等[17]进行了蒸汽发生器稳态热工水力实验和理论研究，分析了不同负荷沿程壁面温度和传热系数的实验值与理论值差别。王明路[18]针对螺旋管式蒸汽发生器单只螺旋管不同水力直径、系统压力、质量流速和热流密度对全流程平均换热系数的影响进行了研究。本文直流蒸汽发生器传热管采用套管式分布结构，外管及内管高温高压水从双面加热给水，内管为螺旋式绕管，外管带环形肋以加强换热。经文献调研，针对此种蒸汽发生器运行参数(一次侧平均温度、负荷、蒸汽压力和给水温度)对过热蒸汽温度影响的实验研究较少。

本文应用典型传热单元(12管规模)套管式直流蒸汽发生器建立双回路稳态热工水力实验系统，分析不同一次侧平均温度、负荷、蒸汽压力和给水温度对过热蒸汽的影响，为直流蒸汽发生器稳态运行和蒸干后沸腾传热数值模拟提供实验数据，对直流蒸汽发生器优化设计具有一定的参考价值。

1 实验装置及测量

本文实验在中核核反应堆热工水力技术重点实验室超临界热工水力实验装置和小型热工水力实验装置上进行。超临界实验装置作为实验的一次侧回路，小型实验装置作为实验的二次侧回路。实验回路系统流程如图1所示。

1.1 实验本体

ACP100套管式蒸汽发生器源于俄罗斯船用堆ABW-6，传热管采用了钛合金双套管式高效传热结构[19]。为保证实验用蒸汽发生管管束的热工水力特性与原型蒸汽发生器一致，实验管束应为原型蒸汽发生器管束的典型栅元，

图1 实验回路系统流程Fig.1 Schematic diagram of experimental system

具有较强的实验代表性，其实验结果能准确反映原型设计性能。经计算论证，采用12根管束时边壁效应的影响在可接受范围内且实验难度和成本也相对更低。实验用蒸汽发生管的有效传热段和节流件的结构、尺寸、布置形式和材料等与原型完全一致，蒸汽发生管一次侧和二次侧的运行工质和热工参数与原型完全相同。试验本体包括12根蒸汽发生管，图2为管束流道组件结构示意图。传热管以2-3-4-3形式呈正三角排列置于围筒组件内，流道组件整体呈六边形结构，构成了管束的流道边界。每根传热管外壁面安装4条螺旋肋，内管中间段为螺旋结构。

图2 管束流道组件结构示意图Fig.2 Schematic diagram of flow channel and tube bundle assembly

一次侧冷却剂由右侧入口流进，先向上流动，后折返流入流道组件，经过传热管加热二次侧给水后，流经下筒体最后从下部出口流出。二次侧给水通过12个进口流入给水管路，然后向上流经传热管并被一次侧冷却剂加热至过热蒸汽后从上封头出口流出。具体本体结构示意图如图3所示。

图3 本体结构示意图Fig.3 Schematic diagram of test section

一次侧冷却剂流量采用文丘里流量计配0.1级ST3000智能式压差变送器测量；实验本体二次侧给水总流量和12根传热管的给水流量均采用0.1级高精度质量流量计测量。实验本体进口和出口冷却剂温度，12支给水过渡管进口和蒸汽过渡管出口设置A级铂电阻温度计测温。一次侧回路的本体进出口、蒸汽联箱、给水联箱压力采用0.1级ST3000智能式压力变送器测量。测控系统采用0.1级精度NI数采模块及Labview软件，并配置了高速数采模块，采集频率为20 Hz。

1.2 实验参数范围

一次侧压力、一次侧流量均为ACP100直流蒸汽发生器额定工况，为研究一次侧平均温度的影响，在额定温度303 ℃附近进行了工况设置；为研究高参数蒸汽压力影响，在额定压力4 MPa及以上进行了工况设置；为研究给水温度和负荷的影响，分别在额定温度和额定负荷附近进行了工况设置。实验参数包括一/二次侧流量、温度和压力，实验工况参数范围列于表1。

表1 实验工况参数范围Table 1 Parameter range of experimental condition

1.3 实验方法

调节实验本体一次侧出口压力至给定值；调节实验本体一次侧冷却剂流量至给定值；调节一回路预热器(或加热器)功率以1 ℃/min速度提升一回路流体温度，最终使实验本体一次侧冷却剂进出口平均温度维持在给定值范围内；调节实验本体蒸汽联箱压力至给定值；调节实验本体二次侧给水总流量至给定值；适当改变二回路预热器功率，使实验本体二次侧进口给水温度达到给定值；待各实验参数达到预定值并保持稳定后，采集实验数据。

1.4 不确定度分析

对于直接测量，在仪表进行标定无系统误差的条件下，真值可用测量值表示为：

xi=xim+δxi

(1)

式中：xi为测量值的真值；xim为测量值；δxi为xi的不确定度。

对于由几个直接测量物理量组成的间接参量：

y=f(x1,x2,…,xn)

(2)

参量的不确定度按照下式进行传递：

(3)

铂电阻满足A级技术指标要求，最高测量温度400 ℃，通过现场仪表柜接入0.1级精度NI数采模块(9217)直接采集。测量不确定度包括数采模块不确定度和铂电阻标定不确定度。温度测量不确定度σpt为：

(4)

文丘里流量计的不确定度包括标定不确定度σ标定、仪表不确定度σ仪表和数采模块不确定度σ数采。一次仪表应用文丘里流量计，标定相对不确定度为0.5%。二次仪表应用差压变送器ST3000系列，精度0.075级，量程5.0 V，最小测量值1.0 V。数采模块相对不确定度为0.323%。因此，文丘里流量计测量相对不确定度σw为：

0.70%

(5)

质量流量计的不确定度包括标定不确定度和数采模块不确定度。质量流量计标定相对不确定度为0.1%，数采模块相对不确定度0.323%。

质量流量计测量相对不确定度σc为：

(6)

压力压差变送器的精度为0.075级，量程5.0 V，最小测量值1.0 V。数采模块相对不确定度为0.323%。

压力/压差测量相对不确定度σp为：

(7)

2 实验结果与讨论

一次侧平均温度、负荷、蒸汽压力和给水温度对直流蒸汽发生器蒸干及蒸干后传热特性的影响因素各不相同，因此对蒸汽温度产生不同的影响规律。为研究单一工况参数对蒸汽温度不同的影响规律，采用控制变量的研究方法，维持其余3种工况参数不变(相对偏差小于±5%)，每次实验只研究一种工况参数对蒸汽温度的影响。

2.1 一次侧平均温度对蒸汽温度的影响

一次侧平均温度作为二次侧的热边界条件，对二次侧流体蒸干后传热具有直接的影响。为研究一次侧平均温度(Tl)变化对蒸汽温度的影响规律，维持二次侧负荷为额定值(100%FP)，蒸汽压力为4.0 MPa，给水温度为140 ℃不变，维持一次侧压力为15.0 MPa，流量为5.11 t/h，只改变一次侧平均温度获得不同工况的蒸汽温度。4.0 MPa蒸汽压力平台一次侧平均温度敏感性研究实验结果如图4所示。

图4 4.0 MPa工况一次侧平均温度的影响Fig.4 Effect of primary circuit average temperature under 4.0 MPa steam pressure

随着一次侧平均温度的降低，一次侧进口、出口温度，蒸汽温度均降低。一次侧进口、出口温度随着一次侧平均温度平均每降低1 ℃而降低1 ℃，蒸汽温度随着一次侧平均温度平均每降低1 ℃则降低2.3 ℃。当蒸汽温度接近饱和温度(264.4 ℃)时降速达到最大值，随着一次侧平均温度平均每降低1 ℃则降低6.8 ℃。由于加热功率保持不变，一次侧进口、出口温度随平均温度线性变化。蒸汽温度随着接近饱和温度，下降速度呈现变大的趋势。一次侧平均温度降低，一二次侧换热温差及壁面过热度段减小，预热段与蒸发段的换热能力减弱，导致对应换热长度增大，因换热管总长度一定，故过热度段长度减小，因此蒸汽温度减小。单相水/蒸汽比定压热容随温度的变化如图5所示，由于过热蒸汽比热容较单相水小，而且接近饱和温度比定压热容明显增加，故蒸汽温度越接近饱和温度下降幅度越大。

图5 单相水/蒸汽比定压热容随温度的变化曲线Fig.5 Variation curve of specific heat of single-phase water/steam with temperature

使用同一方法在4.5 MPa蒸汽压力平台控制其他参数不变，只改变一次侧平均温度，通过实验得出蒸汽温度随一次侧平均温度的变化曲线，如图6所示。可看出，4.5 MPa蒸汽压力下蒸汽温度随一次侧平均温度变化与4.0 MPa具有相同的趋势。由于4.5 MPa饱和温度更高，一次侧平均温度降低至285.5℃时蒸汽达到饱和状态，继续降低一次侧平均温度，蒸汽温度不再发生变化。随着蒸汽压力从4.0 MPa增至4.5 MPa，蒸汽温度平均降速提高了30%，最大降速提高了20.6%。由于4.5 MPa蒸汽压力下流体具有更高的饱和温度，因此相同一次侧平均温度情况下比4.0 MPa蒸汽压力平台具有更长的预热段和蒸发段，总换热长度一定时过热度段长度减小，因而蒸汽温度更低。一次侧平均温度增加时，两种压力下过热度段长度占总换热长度比例增加，两者之间的差异逐渐减小，蒸汽温度趋于相同。

图6 蒸汽温度随一次侧平均温度的变化曲线Fig.6 Effect of primary circuit average temperature on steam temperatw under different steam pressures

2.2 不同蒸汽压力对蒸汽温度的影响

蒸汽压力对二次侧流体的物性具有直接的影响，进而影响一、二次侧蒸干后传热特性。保持一次侧平均温度、质量流量和压力不变，二次侧负荷、给水温度不变，在不同的蒸汽压力(4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 MPa)下实验得出对应的蒸汽温度。不同蒸汽压力对蒸汽温度，一次侧进口、出口温度的影响如图7所示。可看出，随蒸汽温度增加一次侧进口温度略有降低，一次侧出口温度略有升高。蒸汽温度随蒸汽压力的变大而降低，并呈现降幅增大的趋势。蒸汽温度平均降速为5.2 ℃/MPa，最大降速为11.8 ℃/MPa。随蒸汽压力升高，预热段功率增加、蒸发段与过热度段功率减小，总功率逐渐减小，在保持平均温度不变的情况下，一次侧进出口温差降低，因此一次侧进口温度略有降低，出口温度略有增加。饱和温度增加是造成预热段功率增加的根本原因，同时换热温差减小，换热长度增加。对蒸发段而言，蒸汽压力升高引起汽化潜热变小，同时气泡尺寸、脱离壁面频率等关键参数变化进而影响两相流型发展，导致蒸发段汽液两相换热系数急剧降低，换热长度反而增加。对过热度段而言，蒸汽压力升高，换热系数增大，但受限于换热长度与换热温差的急剧减小，蒸汽温度降低，且越接近饱和温度过热蒸汽比热容变化越大，造成蒸汽温度急剧降低。

图7 满负荷下蒸汽压力的影响Fig.7 Effect of steam pressure under full load

图8 低负荷下蒸汽压力对蒸汽温度的影响Fig.8 Effect of steam pressure on steam temperature under low load

为探究更大负荷范围(20%FP～120%FP)蒸汽温度随蒸汽压力的变化，使用相同的方法对剩余负荷工况进行实验。低负荷(20%FP～60%FP)下蒸汽温度随蒸汽压力的变化曲线如图8所示，高负荷(60%FP～120%FP)时蒸汽温度随蒸汽压力的变化曲线如图9所示。可看出，低负荷时随蒸汽压力增大蒸汽温度几乎不变，高负荷时蒸汽温度随蒸汽压力提升而降低且降速不断增加，最大降幅为50 ℃/MPa。低负荷时随着负荷增加，蒸汽温度整体增加。高负荷时随着负荷接近或超过额定负荷蒸汽温度反而减小。由于随着负荷的增加，过热度度先增加后减小，在不同压力下存在最大过热度段长度，因此在临界负荷前蒸汽温度增加，临界负荷后蒸汽温度减小。

图9 高负荷下蒸汽压力对蒸汽温度的影响Fig.9 Effect of steam pressure on steam temperature under high load

2.3 不同负荷对蒸汽温度的影响

维持一次侧平均温度、流量和压力不变，二次侧蒸汽压力和给水温度不变，只改变负荷(二次侧给水流量)，通过实验得出4.0 MPa蒸汽压力工况在对应负荷的蒸汽温度。蒸汽温度，一次侧进口、出口温度随负荷的变化如图10所示。可看出，一次侧进口温度不断增大，一次侧出口温度不断减小，蒸汽温度先缓慢增大后加速降低，最高蒸汽温度点负荷为90%FP。由于负荷不断增大，导致一次侧进出口温差线性增加，在保持平均温度不变的情况下，一次侧进口温度增加，一次侧出口温度降低。小负荷时壁面过热度长度和流速均增大，导致换热能力增强，预热段和蒸发段长度减小，过热度段长度增加，蒸汽温度随之增加。但随着负荷增加到90%FP时，换热能力的增幅持续降低，而二次侧质量流量仍然维持线性增大，换热能力与流量达到最佳匹配值，此时过热度段长度达到最大值，此后随负荷增加而减小，蒸汽温度开始加速降低。

图10 4.0 MPa蒸汽压力下不同负荷的影响Fig.10 Effect of load on steam temperature under 4.0 MPa steam pressure

使用同样的方法获得不同蒸汽压力(4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 MPa)下蒸汽温度随负荷的变化曲线，如图11所示。可看出，在不同蒸汽压力下蒸汽温度随负荷的变化规律完全相同，均呈现出随负荷增大先增大后减小的趋势。同时也可看到最大蒸汽温度点负荷随蒸汽压力变大向左移动(分别为100.6%FP、88.8%FP、81.6%FP、80.1%FP和70.1%FP)，最高温度点随蒸汽压力变大向下移动(分别为317.8、316.9、314.9、314.4和313 ℃)。低负荷时不同蒸汽压力下蒸汽温度的差异较小，随负荷增大蒸汽温度随蒸汽压力的增大开始减小，且呈现出降幅增大的趋势。当蒸汽压力增大，饱和温度对应增大，导致过热度段长度减小，蒸汽温度降低。图12为不同压力下蒸汽比定压热容随温度的变化，可看出，比定压热容随着温度的降低增大，增幅随温度趋近饱和温度呈现放大趋势。因此在高负荷时呈现压力增大，蒸汽温度加速下降的趋势，6.0 MPa压力下105%FP时蒸汽已达到饱和，继续增大负荷，蒸汽温度保持不变。

图11 不同蒸汽压力下负荷对蒸汽温度的影响Fig.11 Effect of load on steam temperature under different steam pressures

图12 不同压力下蒸汽比定压热容随温度的变化Fig.12 Variation of specific heat of steam with temperature under different pressures

2.4 不同给水温度对蒸汽温度的影响

维持一次侧平均温度、流量和压力不变，二次侧蒸汽压力和负荷不变，只改变二次侧给水温度，通过实验得出4.5 MPa蒸汽压力工况在对应给水温度的蒸汽温度。蒸汽温度，一次侧进口、出口温度随给水温度(TL)的变化如图13所示。可看出，给水温度降低，一次侧进口温度增大，一次侧出口温度降低，蒸汽温度增加。给水温度每升高1 ℃蒸汽温度平均降低0.03 ℃。给水温度对蒸汽温度的影响远低于一次侧平均温度，变化速率仅为后者的1.3%。随给水温度降低，单相水达到饱和需要更大的热量，导致总功率变大，在保持一次侧平均温度不变的条件下，一次侧进口温度增大，一次侧出口温度降低。给水温度升高，预热段功率降低、换热长度略有减小，相应的过热度段长度增加，但与预热段相比，过热度段换热系数与换热温差小，尽管换热长度有所增加，但其增幅微弱，故蒸汽温度变化较小。给水温度140 ℃时，由于平均温度产生了一定的控制偏差(偏小0.4 ℃)使得蒸汽温度产生较大幅度的降低，降幅远超进口温度增加20 ℃造成蒸汽温度的降幅，可看出一次侧平均温度的影响远超给水温度。

图13 4.0 MPa蒸汽压力下不同给水温度的影响Fig.13 Effect of different feed water temperatures under 4.0 MPa steam pressure

3 结论

本文基于直流蒸汽发生器稳态热工水力实验，针对不同参数(一次侧平均温度、负荷、蒸汽压力和给水温度)对蒸汽温度的影响进行了敏感性分析，结论如下。

1) 蒸汽温度随一次侧平均温度的降低而降低，越接近饱和温度，温度变化越剧烈。提高蒸汽压力，一次侧平均温度在温度较低时对蒸汽温度的影响更剧烈。

2) 蒸汽温度随着蒸汽压力的增加而降低，并呈现降幅增大的趋势。低负荷(20%FP～60%FP)时蒸汽温度随蒸汽压力的变化幅度较小，随着负荷接近和超过额定负荷变化幅度变大。

3) 蒸汽温度随负荷的增加先缓慢增大后加速降低，存在最大蒸汽温度点。最大蒸汽温度点对应负荷随蒸汽压力变大向左移动。

4) 给水温度增大蒸汽温度随之降低，但降速很小。