核電汽輪機(jī)彎管式汽水分離器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)及其除濕性能

　　核電汽輪機(jī)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(tǒng)布置復(fù)雜、造價(jià)高以及系統(tǒng)可靠性低等。ABB公司開發(fā)出安裝在高、中/低壓缸連通管內(nèi)的高速汽水分離器——彎管式汽水分離器（SCRUPS），并取得了滿意的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和效果。這種彎管式汽水分離器的除濕效率并不比常規(guī)汽水分離器低，且尺寸小，簡化了系統(tǒng)布置，降低了造價(jià)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　圖1是彎管式汽水分離器在汽輪機(jī)系統(tǒng)中的布置。預(yù)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）加熱至一定過熱度后送往中/低壓缸繼續(xù)膨脹做功。圖2為彎管式分離器的簡化結(jié)構(gòu)示意。分離器內(nèi)裝有導(dǎo)流除濕葉柵，蒸汽在除濕葉柵內(nèi)流動時(shí)流向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，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吸濕槽吸入葉柵內(nèi)腔室并分別排出，從而達(dá)到除濕的目的。由于技術(shù)資料保密等原因，國內(nèi)目前開發(fā)和應(yīng)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(jī)系統(tǒng)中的布置

　　圖2彎管式汽水分離器結(jié)構(gòu)簡圖

　　本文應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)軟件ANSYS－CFX對彎管式汽水分離器和2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的除濕性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)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(jì)，模型沿葉高方向?qū)ΨQ，取沿葉高一半進(jìn)行研究能降低網(wǎng)格總數(shù)量，提高計(jì)算效率。

　　彎管式汽水分離器內(nèi)水滴沉積率主要取決于導(dǎo)流除濕葉柵的葉寬、節(jié)距、汽流攻角，導(dǎo)流除濕葉柵的前期研究中得到了優(yōu)化葉型和葉柵參數(shù)，即：葉寬為350mm，節(jié)距為60mm，沖角為10°。圖3為彎管式汽水分離器結(jié)構(gòu)示意。商業(yè)軟件ANSYSICEM可對分離器各部分單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分后再組合計(jì)算，根據(jù)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算時(shí)取總網(wǎng)格數(shù)約1239萬。

　　圖3彎管式汽水分離器結(jié)構(gòu)

　　不同直徑水滴，其沉積機(jī)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(yīng)影響很大。彎管式分離器內(nèi)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(jié)構(gòu)（見圖4），來增加汽流湍流度，以提高小水滴沉積率，旋流葉柵結(jié)構(gòu)尺寸參考文獻(xiàn)［8］。組合分離器中，旋流器為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，其余為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)約1450萬。

　　圖4組合分離器結(jié)構(gòu)

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

　　圖5“Z”字形彎管分離器在汽輪機(jī)系統(tǒng)中的布置

　　圖6為“Z”字形彎管分離器結(jié)構(gòu)示意，其中導(dǎo)流葉柵偏轉(zhuǎn)角為120°，沖角為0°，由90°偏轉(zhuǎn)角葉型改型并用NumecaDesigh3D葉型優(yōu)化而得，為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約1698萬。

　　圖6“Z”字形彎管分離器結(jié)構(gòu)

　　（a）分離器結(jié)構(gòu)（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(shù)修正的標(biāo)準(zhǔn)－模型。采用IAPWS－IF97標(biāo)準(zhǔn)給定蒸汽的熱物理參數(shù)。

　　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(yùn)動軌跡，采用隨機(jī)軌道模型修正Lagrangian方法在描述水滴運(yùn)動上的誤差，在運(yùn)動方程的速度項(xiàng)中通過添加隨機(jī)速度分量來考慮湍流的影響。

　　根據(jù)Parker等人在平面葉柵上進(jìn)行的小微粒沉積實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證本文計(jì)算方法的適用性。采用25萬、50萬、100萬、150萬4種網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算邊界條件按照實(shí)驗(yàn)條件給定。

　　總壓損失系數(shù)定義為

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

　　式中：、為2種網(wǎng)格密度時(shí)獲得的總壓損失系數(shù)的計(jì)算結(jié)果；為方程截差階數(shù)；為網(wǎng)格細(xì)化比。

　　沉積率為撞在實(shí)驗(yàn)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(shù)和沉積率。由表1可以看出，網(wǎng)格數(shù)為100萬時(shí)，平均總壓損失系數(shù)的相對偏差Δ和沉積率的相對偏差Δ明顯減小，網(wǎng)格數(shù)增加到150萬時(shí)，平均總壓損失系數(shù)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100萬～150萬網(wǎng)格比較合理，既可保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，也能適當(dāng)減少計(jì)算量。

　　核電汽輪機(jī)高壓缸出口蒸汽所含水分中二次水滴不足5%，根據(jù)臨界韋伯?dāng)?shù)計(jì)算，高壓缸二次水滴的尺寸與一次水滴相差不大。為簡化計(jì)算，本文將少部分的二次水滴并入一次水滴。根據(jù)文獻(xiàn)［12］的試驗(yàn)資料，汽輪機(jī)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(jì)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(yīng)的水滴數(shù)。

　　根據(jù)1750MW核電汽輪機(jī)的相關(guān)參數(shù)，按文獻(xiàn)［11］的方法確定水滴的平均直徑為10μm。本文將水滴分為5種直徑范圍來考核水滴的運(yùn)動沉積特性，每種范圍取其平均值進(jìn)行計(jì)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(jì)算區(qū)域，該數(shù)目過于龐大，按1∶10比例縮小水滴數(shù)目，即取個(gè)水滴進(jìn)行計(jì)算。表2為水滴平均直徑為10μm時(shí)不同水滴直徑范圍內(nèi)的水滴數(shù)目。

　　汽相進(jìn)口給定總壓1234.5kPa、總溫463.3K、汽流方向、湍流強(qiáng)度及長度；出口給定質(zhì)量流量424.29kg/s；葉高方向上端面為對稱面，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（簡稱彎管式分離器）內(nèi)汽相流線分布。由圖7可見，分離器內(nèi)流速分布較為均勻且在50m/s左右，流線分布良好，汽流沿著圓管軸向流動。

　　圖7彎管式分離器內(nèi)汽相流線分布

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

　　圖8彎管式分離器葉柵中間截面總壓損失系數(shù)分布

　　圖9為3種直徑水滴在彎管式分離器內(nèi)的運(yùn)動軌跡。由圖9可見，水滴在經(jīng)過兩組除濕葉柵時(shí)數(shù)量有所減少，水滴沉積量隨著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(nèi)的運(yùn)動軌跡

　　圖10為組合分離器中汽相流線分布。由圖10可見：汽流經(jīng)過旋流葉柵后流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，對應(yīng)的汽流湍流度增強(qiáng)，紊亂的流場持續(xù)到第一組除濕葉柵進(jìn)口；經(jīng)過第一組除濕葉柵后，受葉柵整流的作用，流線基本均勻，經(jīng)過第二組葉柵后流線與圓管軸向幾乎一致。

　　圖10組合分離器中汽相流線分布

　　為了定量說明汽流在兩組除濕葉柵前的攻角分布，應(yīng)用CFX探針功能提取計(jì)算結(jié)果中的汽流角度，并計(jì)算出沿額線分布的汽流攻角大小。圖11為應(yīng)用探針對兩組葉柵進(jìn)行數(shù)據(jù)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(biāo)相對長度定義為探針位置距葉柵前額線端部的距離與前額線總長之比。由圖11、12可以見，兩組葉柵進(jìn)口汽流攻角不再是設(shè)計(jì)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(shù)分布。由圖13可見，汽流在經(jīng)過旋流葉柵和兩組導(dǎo)流除濕葉柵時(shí)都會產(chǎn)生較大總壓損失，對應(yīng)的總壓損失系數(shù)增大。

　　圖11探針數(shù)據(jù)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(shù)分布

　　圖14為3種直徑水滴在組合分離器中的運(yùn)動軌跡。由圖14可見，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(yùn)動軌跡

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

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

　　圖15“Z”字形彎管分離器中汽相流線分布

　　圖16“Z”字形彎管分離器葉柵中間截面總壓損失系數(shù)分布

　　圖17為3種直徑水滴在“Z”字形彎管分離器中的運(yùn)動軌跡。由圖17可見，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(yùn)動軌跡

　　表3為3種分離器水滴沉積數(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表3可見：與彎管式分離器相比，2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)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(jù)每種直徑水滴沉積率及其對應(yīng)沉積量占總水滴量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，經(jīng)加權(quán)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(shù)對比。由圖18可見：彎管式分離器除濕效率和平均總壓損失系數(shù)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(shù)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(shù)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，汽流基本沿著圓管軸向流動；汽流經(jīng)過組合分離器的旋流葉柵后流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，流場紊亂，流線經(jīng)過第二組導(dǎo)流除濕葉柵后與圓管軸向基本一致。

　　（2）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(shù)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(shù)，值得推薦。