[发明专利]一种蒸汽发生器污垢沉积分析方法

权利要求书

1.一种蒸汽发生器污垢沉积分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：根据计算要求，对蒸汽发生器的结构进行简化并建立蒸汽发生器三维几何模型：由于蒸汽发生器的腐蚀产物沉积主要发生在管束区、支撑板及管板上，因此对蒸汽发生器的几何模型进行简化，仅包括蒸汽发生器下降段、管束、支承板、上升段及旋叶式汽水分离器筒体；

步骤2：运用网格划分软件对步骤1中的蒸汽发生器三维几何模型进行网格划分，考虑到两相流计算对网格质量的要求高，使用纯六面体网格对计算域进行网格划分；

步骤3：使用蒸汽发生器三维热工水力计算程序对计算域进行未沉积工况下稳定运行状态下的计算，由于找到最佳的节点分布能保证计算结果的准确性，因此对步骤2中划分的网格进行网格无关性验证，验证计算结果对于网格密度变化的敏感性，以找到最佳的节点分布；

步骤4：计算微粒在蒸汽发生器管束区以及支承板上的沉积分布区域和分布量，具体步骤如下：

步骤4-1：计算沉积物质量

蒸汽发生器运行的过程中，伴随着污垢的不断沉积以及部分沉积物的脱落，污垢的沉积速率表示为：

其中：

m_d——单位表面积的沉积质量，kg/m²；

t——时间，t；

m_D——单位表面积的沉积速率，kg/m²/s；

m_R——单位表面积的再携带速率，kg/m²/s；

污垢在传热管表面的单位表面积的沉积速率表示为：

m_D＝Kρ_mφ (2)

其中：

ρ_m——混合物密度，kg/m³；

φ——粒子浓度，kg/kg；

K——沉积系数，m/s；

K的值与热用力、惯性、扩散、重力与离心沉降、沸腾因素有关；

假定微粒的去除速率与沉积物质量成正比，表示为：

m_D＝λm_d (3)

其中：

λ——去除因子，s^-1；

根据公式(1)-(3)，解出沉积物质量随时间变化的表达式：

步骤4-2：计算沉积物厚度：由于沉积物形成多孔矿床的复杂性，假定矿床是一层致密层，孔隙度为ε_f，不考虑致密层上可能产生的潜在多孔层，沉积物厚度由沉积物质量除以沉积密度和孔隙度得到：

其中：

ρ_d——微粒密度，kg/m³；

ε_f——孔隙度；

步骤5：建立沉积物对蒸汽发生器热力性能影响机制：

腐蚀产物在蒸汽发生器内部的沉积对蒸汽发生器热力性能的影响主要表现在两个方面：传热管热阻的增加以及支承板的堵塞；如下是对这两种影响机制的量化研究：

(1)传热管束

对于传热管束而言，污垢的影响的主要是传热热阻，因此只考虑污垢对热阻的影响，并不考虑污垢对流动所带来的影响；

假定矿床仅由磁铁矿组成，此外，沉积物的孔隙被认为充满了饱和蒸汽，由于蒸汽的导热系数低于水的导热系数，这种假设使污垢热阻最大化；

基于以上假设，用麦克斯韦模型计算含有夹杂物的连续固相的相关热导率：

其中：

k_f——含有夹杂物的连续固相的热导率，W/M/K；

k_mg——磁铁矿的热导率，W/M/K；

k_v——蒸汽发生器二次侧饱和蒸汽的热导率，W/M/K；

磁铁矿在蒸汽发生器二次侧饱和温度T_sat下的热导率表示为：

k_mg＝3.86-0.00137T_sat (7)

根据沉积层的厚度和导热系数，得到污垢热阻：

(2)支承板

在污垢沉积到支承板后，会造成支承板一定程度的堵塞，减小了流通面积，对流体的流动阻力产生影响，因此在支承板发生污垢沉积后，用步骤3蒸汽发生器三维热工水力计算程序中的阻力计算模型对支承板的阻力重新进行计算；

步骤6：进行热工水力与腐蚀产物沉积耦合计算：

蒸汽发生器内部的腐蚀产物在传热管、管板、管支承板位置发生沉积后，将会对蒸汽发生器内流体的流动传热造成一定影响；另一方面，由于腐蚀产物沉积后流动传热情况的改变，污垢的沉积速率又将受到新的影响，具体的耦合求解步骤如下：

步骤6-1：在不添加任何腐蚀产物的情况下，使用步骤3中的蒸汽发生器三维热工水力计算程序对蒸汽发生器内的计算域进行稳态求解，并以此作为耦合计算的初始条件；

步骤6-2：在蒸汽发生器瞬态热工水力程序中添加污垢沉积模型，设定时间步长为Δt，计算在Δt时间内不同位置处腐蚀产物的沉积物厚度δ；

步骤6-3：根据上一步得到的沉积物厚度δ重新计算沉积之后的污垢热阻以及支承板阻力，并将计算得到的参数带回到蒸汽发生器三维热工水力计算程序中用以下一时间步长的迭代计算；

步骤6-4：若此时的计算时间t达到所要求的时间，即t＝t_total，则计算结束；若没有达到所要求的时间，即t＜t_total，则继续进行下一时间步长t+Δt的计算，此时需要用步骤6-3中计算得到的新的污垢热阻以及支承板阻力重新回到步骤6-2进行计算，直到计算时间满足计算要求。