套管式直流蒸汽发生器二次侧颗粒结垢特征

王东东; 傅晟威; 焦猛; 姜佳行; 蒋嘉诚

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506044

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3778-3784 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506044

原子能技术

套管式直流蒸汽发生器二次侧颗粒结垢特征

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Particulate Fouling Characteristics on the Secondary Side of Double-side Once through Steam Generator

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摘要

在核反应堆运行过程中,不同材料的腐蚀颗粒会逐渐沉积于蒸汽发生器传热管表面,形成结垢现象。这种结垢不仅会降低换热器的传热效率,还可能引发管道堵塞问题。通过构建套管式直流蒸汽发生器(once through steam generator,OTSG)二次侧全范围内的结垢沉积模型,系统地分析了换热区内流道传热特性及流型对表面结垢的影响机制,并从多维度揭示了套管式OTSG二次侧传热管表面结垢的分布规律,深入探讨了其内部结垢分布特性。研究结果表明,由于套管式OTSG独特的月牙形流道结构导致的周向不均匀性,使得传热管表面的结垢呈现螺旋条带状分布特征。颗粒直径的变化不会显著改变颗粒结垢的沉积情况;颗粒浓度越大,颗粒结垢情况越严重。

Abstract

During the operation of nuclear reactors, corrosion particles originating from various materials progressively accumulate on the surfaces of the heat transfer tubes in the steam generator, thereby inducing fouling. This fouling not only diminishes the heat transfer efficiency of the heat exchanger but may also result in pipe blockage. A comprehensive fouling deposition model was developed for the entire secondary side of double-side heating once-through steam generator (OTSG) with helical tubes. The influence mechanisms of heat transfer characteristics and flow patterns within the heat transfer zone on surface fouling were systematically investigated, and the distribution patterns of fouling on the heat transfer tube surfaces of the OTSG secondary side were elucidated from multiple perspectives. Furthermore, an in-depth analysis of the internal fouling distribution characteristics was provided. The findings indicate that the unique crescent-shaped flow channel structure of the OTSG induces circumferential non-uniformity, leading to a spiral distribution of fouling on the heat transfer tube surfaces. Additionally, the circumferential non-uniformity of fluid velocity or quality in different heat transfer regions significantly affects the circumferential fouling distribution. Moreover, variations in reactor operating conditions influence the spiral band distribution of fouling. As power levels increase and the inlet flow rate on the secondary side rises, the extent of the spiral band distribution of fouling becomes more extensive, and its characteristics become more pronounced.

Graphical abstract

关键词

套管式直流蒸汽发生器 / 结垢沉积模型 / 周向不均匀性 / 颗粒结垢分布特性

Key words

OTSG / fouling deposition model / circumferential non-uniformities / particulate fouling characteristics

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王东东, 傅晟威, 焦猛, 姜佳行, 蒋嘉诚. 套管式直流蒸汽发生器二次侧颗粒结垢特征[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(9): 3778-3784 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506044

WANG Dong-dong, FU Sheng-wei, JIAO Meng, JIANG Jia-hang, JIANG Jia-cheng. Particulate Fouling Characteristics on the Secondary Side of Double-side Once through Steam Generator[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(9): 3778-3784 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506044

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小型一体化反应堆中,直流蒸汽发生器(once through steam generator, OTSG)由于体积换热效率高被用作一、二回路的关键换热设备。尽管反应堆回路中实施了严格的水质管理措施,但由于长期运行,换热设备仍普遍面临严重的结垢问题,且结垢程度随时间逐渐累积。污垢在换热面生成后,会对设备性能产生以下两方面的不利影响^[1]:首先,结垢会导致表面热阻显著增加,从而使换热设备的性能逐步恶化。由于结垢材料的导热系数远低于换热管和流体,即使厚度远小于管壁的结垢层也可能引发较大的传热恶化。其次,壁面结垢会减小流道的水力直径,进而导致回路压降上升。这不仅增加了泵所需的驱动力,还降低了回路流量,从而进一步削弱了换热系数。结垢沉积问题对换热设备造成的危害极大,引起了国内外学者的关注。

徐志明等^[2]利用湍流猝发理论,开发了一个微粒结垢预测模型,以颗粒浓度、流速等参数表示污垢热阻,简化了实际应用。王久生等^[3]研究了污垢在换热设备中的变化趋势,建立了基于广义回归神经网络的污垢热阻预测,验证了预测模型具有较高的拟合精度。曹生现等^[4]通过建立非匀强电场作用下颗粒污垢的抑垢模型,并结合COMSOL仿真,首次揭示了非匀强电场通过介电泳力已成垢颗粒运动轨迹从而实现抑垢的机理。Tang等^[5]使用与计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)框架集成的综合结垢模型,通过ANSYS Fluent中的离散相模型和动态网格模型对结垢形态和结垢对传热的影响进行了预测。Mu等^[6]基于沉积分布特性,提出了基于Maxwell模型的结垢热阻模型,深入探讨了结垢对蒸汽发生器传热性能的影响机制。张蕊^[7]对换热面上CaSO₄析晶污垢的沉积过程进行了系统研究,对恒定热流密度条件下矩形通道和缩放管的结垢问题进行了仿真分析。汪文等^[8]通过挂片沉积实验和重量分析法,系统探究了以矿井水为补充水的活力发电循环冷却水系统中各离子浓度、温度、pH以及时间对结垢行为的影响,揭示了硫酸根离子是硬垢形成的关键因素,为针对性水质处理提供了实验依据。

与常规直管相比,螺旋管能够显著增强湍流混合效果,从而实现更高的热效率。然而,更强的湍流混合也可能加速腐蚀产物在管壁上的沉积过程。Mao等^[9]对螺旋盘管蒸汽发生器的结垢问题进行了实验研究,研究表明结垢产物在干涸烧干区开始沉积并会导致壁面温度飞升阻碍壁面的传热。Wang等^[10]研究发现与普通管相比,螺旋脊管更容易黏附颗粒沉淀,几乎不易被流动剥落。为实现一体化布置,小型一体化反应堆中采用了结构更为紧凑的套管式蒸汽发生器。该设备具有结构简单、体积换热效率高的特点。然而,由于其独特的月牙形流道设计,套管式蒸汽发生器内部的流动传热特性与传统直管蒸汽发生器存在显著差异,尤其是周向流场的不均匀性以及螺旋条带式分布的蒸干带^[11-12],这使得其结垢情况与传统OTSG相比表现出明显的不同。因此,现从多维的角度分析研究套管式蒸汽发生器传热管二次侧的结垢问题,预测颗粒结垢的生长情况,从而为设备的维护与清洗提供理论指导和技术支撑。

1 颗粒结垢沉积模型

根据Kern-Seaton模型,传热管表面沉积质量的变化率表示为

(1)$\frac{\mathrm{d}m}{\mathrm{d}t}={m}_{\mathrm{d}}-{m}_{\mathrm{r}}$

式(1)中:m_d为结垢沉积质量;m_r为结垢去除质量。

考虑沉积物的多孔结构,结垢厚度可表示为

(2)$\delta =\frac{m}{{\rho }_{\mathrm{d}}(1-{\varepsilon }_{\mathrm{d}})}$

式(2)中:δ为结垢厚度;ρ_d为沉积物的密度;ε_d为沉积物的孔隙率。

颗粒沉积过程可以表示为

(3)${m}_{\mathrm{d}}=K{\rho }_{\mathrm{f}}{C}_{\mathrm{p}}\left(t\right)$

式(3)中:K为沉积系数;ρ_f为流体的密度;C_p(t)为随时间变化的颗粒浓度。

单相沉积系数可由输运系数和黏附系数组成,其数学表达式为

(4)$K={\left(\frac{1}{{K}_{\mathrm{T}}}+\frac{1}{{K}_{\mathrm{A}}}\right)}^{-1}$

式(4)中:K_T为输运系数;K_A为黏附系数。

对于垂直结构,输运系数K_T是由热泳、扩散以及惯性滑移等三项共同作用产生,其关系为

(5)${K}_{\mathrm{T}}=\left[\right({K}_{\mathrm{d}}{)}^{3}+({K}_{\mathrm{i}}{)}^{3}{]}^{1/3}+{K}_{\mathrm{t}\mathrm{h}}$

式(5)中:K_d为扩散输运系数;K_i为惯性输运系数;K_th为热泳输运系数。

两相沉积系数可由单相沉积系数和沸腾系数求和而得,表达式为

(6)${K}_{2\varphi }={K}_{1\varphi }+{K}_{\mathrm{B}}$

式(6)中:K₂_φ为两相沉积系数;K₁_φ为单相沉积系数,可用式(4)表示;K_B为沸腾沉积系数。

在沸腾条件下,流体中的颗粒被蒸发的液体沉淀。沸腾沉积系数可表示为

(7)${K}_{\mathrm{B}}=\frac{BQ}{{\rho }_{\mathrm{f}}{h}_{\mathrm{f}\mathrm{g}}}$

式(7)中:B为经验沸腾系数;Q为传热管热流通量;h_fg为汽化潜热。

其中B与蒸汽质量有关,采用Turner等^[13]报告的实验拟合结果来确定B的值,表达式为

(8)$\left\{\begin{array}{ll}B=0,& x<-0.103\\ B=0.1578\mathrm{l}\mathrm{g}(x+0.15),& -0.103\le x<0\\ B=0.08,& x\ge 0\end{array}\right.$

式(8)中:x为热力学含气率。

在沉淀的初始阶段,沉淀质量会随着时间快速增加。当沉淀达到一定厚度时,在流体冲刷力的作用下,沉淀会脱落随流体继续流动。沉淀的去除率与沉淀质量成正比,即

(9)${m}_{\mathrm{r}}=\lambda m$

式(9)中:λ为夹带脱落系数。

根据Cleaver等^[14]的研究,有

(10)$\lambda =\frac{A{{u}^{\mathrm{*}}}^{2}}{{\nu }_{\mathrm{l}}}$

式(10)中:A为经验常数,由实验取得;u^*为摩擦速度;ν_l为流体的运动黏度。

2 数值模型

2.1 物理模型和边界条件

如图1所示为一种带螺旋管的套管式蒸汽发生器结构,其中内管为螺旋管,外管为直管,并以三角形排列方式布置。一次侧水流从上部进入蒸汽发生器。在OTSG的有效传热区域内,一次侧水的流动被分为两部分:一部分流入螺旋管内部,另一部分则在直管外的管间区域中流动,二者共同将热量传递至套管环隙中的二次侧工作介质。具体的计算条件如表1所示。

2.2 结垢沉积模型设置

对套管式OTSG二次侧传热管在100%工况下的不同颗粒直径和不同颗粒浓度的结垢情况进行了分析。在结垢沉积模型中设置沉积时间为1 000 h。具体参数如表2所示。

2.3 结垢沉积模型和CFD数值模拟耦合

如图2所示为CFD数值模拟与结垢沉积模型的耦合过程。通过Python语言开发,实现了CFD三维数据与结垢一维数据之间的传递。具体而言,将CFD中OTSG二次侧的直管内壁和螺旋管外壁的壁面网格数据(如壁面温度、壁面热流密度)以及临近壁面网格的流体数据(如流体温度、流体压力、质量通量和空泡份额)作为初始参数导入结垢沉积模型中,并经过数据筛选与分区计算,最终得到各壁面网格对应的结垢沉积一维数据。此外,通过后处理,可将结垢沉积的一维数据映射回CFD原壁面网格,从而生成结垢沉积的三维分布云图。

3 数值验证

3.1 热工水力模型验证

所采用的套管式蒸汽发生器的CFD数值计算模型已在本实验室先前的研究中得到了验证。焦猛等^[11-12]以带螺旋管的双侧加热直流蒸汽发生器为原型,建立了其两相流欧拉数值模型,并通过与Becker实验结果对比进行了验证。研究结果表明,该欧拉两相流模型能够较为准确地应用于两相流传热的仿真分析。

3.2 结垢沉积模型验证

选取Turner等^[15]开展的磁铁矿颗粒沉积实验,用于验证所提出的沉积模型。Turner等^[15]使用了加拿大Chalk River实验室的B-250实验回路。该回路中的一段Inconel 600或Inconel 800 合金管既可用作回路加热器,也可作为沉积实验的测试部分,其通过在回路其余部分电气隔离的两个端子之间传递交流电实现电加热功能。在沉积实验阶段,注入含有⁵⁹Fe放射性示踪剂的磁铁矿颗粒,入口磁铁矿浓度为1.0 mg/kg,颗粒直径为0.2 μm。在整个实验过程中,伽马射线探测器持续监测因⁵⁹Fe衰变为⁵⁹Co而产生的伽马射线强度变化。选用Turner实验中的8-Ⅰ案例来验证结垢沉积模型,具体实验条件如表3所示。

在测试部分用恒定的热流密度代替一次侧换热过程。实验过程从单相水到饱和沸腾。根据实验结果,在Rummen^[16]的实验基础上将沸腾系数乘了修正系数0.8。如图2所示为实验结果与计算结果之间的比较,实验结果与计算结果吻合较好,随热力学平衡含气率的增大结垢速率增大,并在饱和沸腾时趋于稳定。最大误差不超过9.7%。

3.3 结垢沉积模型和CFD数值模拟耦合

如图3所示为CFD数值模拟与结垢沉积模型的耦合过程。通过Python语言开发,实现了CFD三维数据与结垢一维数据之间的传递。具体而言,将CFD中OTSG二次侧的直管内壁和螺旋管外壁的壁面网格数据(如壁面温度、壁面热流密度)以及临近壁面网格的流体数据(如流体温度、流体压力、质量通量和空泡份额)作为初始参数导入结垢沉积模型中,并经过数据筛选与分区计算,最终得到各壁面网格对应的结垢沉积一维数据。此外,通过后处理,可将结垢沉积的一维数据映射回CFD原壁面网格,从而生成结垢沉积的三维分布云图。

4 颗粒结垢分布特性分析

对二次侧传热管表面的结垢分布情况进行分析。沉积1 000 h后,工况1~5的直管内壁面和螺旋管外壁面的结垢厚度分布如图4~图8所示,可以看出直管内壁面和螺旋管外壁面的结垢沉积情况呈现螺旋状分布特征。这种结垢的螺旋状分布是传热管内独特的月牙形流道结构所带来的。流体在月牙形流道中不断旋转,其流速和压力分布因此受到显著影响,并呈现出周向不均匀的特性。同样地,这种周向不均匀特性也会对空泡份额(或含气率)的分布产生影响,从而进一步改变壁面传热特性和温度分布特性。而结垢沉积与流场特性密切相关,因此周向不均匀特性会直接反映在结垢沉积上,导致结垢厚度分布呈现螺旋状形式。周向不均匀性产生的高含气率条带区,导致条带区壁面热通量低。由于含气率较低时,流体流速较大,换热系数较高,从而导致热流密度增大。而壁面热通量是影响沸腾沉积系数的重要因素,热通量越大,其对应的沸腾沉积系数也越大。所以高含气率条带区,结垢不易沉积,导致结垢厚度减小。

工况2和3下的结垢厚度分布基本一致,比工况1的螺旋分布更加明显。如图9所示,工况2和3的平均结垢厚度基本一致,比工况1略高。颗粒直径的改变并未明显改变结垢的分布情况。这是由于颗粒的无量纲沉积速率与颗粒直径有关。在相同流速下,颗粒无量纲沉积速率随颗粒直径的增加呈先增大后减小的趋势,在不同流速中表现不同的沉积速率^[17]。不同颗粒浓度下的直管内壁面和螺旋管外壁面的结垢厚度分布如图7、图8所示。相较于颗粒直径的变化,颗粒浓度的变化对于结垢厚度分布情况更加直接。低颗粒浓度下的工况4和中颗粒浓度下的工况5的螺旋分布区明显缩小,其平均结垢厚度相较于工况1大大减小。这说明颗粒浓度是影响套管式OTSG二次侧结垢的重要因素。

5 结论

研究了带螺旋内管的套管式蒸汽发生器二次侧传热管的颗粒结垢特性。通过建立融合流场的热工水力参数的多维度结垢沉积模型,预测了OTSG长时间运行后传热管壁面上颗粒结垢的分布情况,进一步对结垢厚度分布特征进行了深入分析。主要结论如下。

(1)传热管内的月牙形结构导致周向不均匀性,而周向不均匀性会影响壁面的传热特性和温度分布特性,从而影响颗粒杂质沉积,使沉积物呈现螺旋条带状分布。

(2)颗粒直径的变化(从3.0~6.0 μm)不会显著改变颗粒结垢沉积情况;颗粒浓度的变化会显著改变颗粒结垢沉积情况。一般来说,颗粒浓度越大,颗粒沉积越严重。

(3)所提出的结垢沉积模型能够较为准确地模拟套管式OTSG二次侧传热管壁面的颗粒结垢分布情况,为蒸汽发生器的维护和保养工作提供了重要参考。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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