本發明涉及核電機組凝汽器冷卻管汽流激振評估，特別是涉及一種核電機組凝汽器冷卻管汽流激振評估方法。

背景技術：

1、凝汽器是核電機組的重要輔機設備，凝汽器故障會直接影響核電機組運行的可靠性和安全性。冷卻管泄漏是凝汽器的常見故障，若冷卻水因冷卻管泄漏進入凝汽器汽側，則將造成凝汽器汽側凝結水水質快速惡化，嚴重時甚至會導致核電機組降功率停機。

2、造成凝汽器冷卻管泄漏的原因除了冷卻管材質腐蝕以外，還可能由于凝汽器運行時局部產生汽流激振造成冷卻管振動引起。汽流激振是高速汽流誘發冷卻管振動的一種常見形式，一般認為當一定流速的流體流過跨距過大的冷卻管時，冷卻管會從其原有的平衡位置發生瞬時的位移，同時還會破壞相鄰冷卻管的平衡，使之也處于振動狀態。如果在每一振動循環中，冷卻管從流體吸收的能量大于冷卻管因阻尼而消耗的能量，便會發生汽流激振。

3、為了避免汽流激振的發生，世界公認的美國傳熱學協會發布的凝汽器設計hei標準對凝汽器隔板間距，也就是冷卻管跨距有具體的設計要求，但是hei標準是在假設汽輪機排汽口流速分布均勻的情況下確定冷卻管最大跨距的，沒有考慮蒸汽流速局部可能過大的情況。此外，研究人員也曾根據試驗研究和實測分析提出了評估冷卻管汽流激振與否的經驗公式，用于預防高速汽流導致冷卻管振動損壞，例如，sebald?j.f.提出把冷卻管最大撓度保持在冷卻管排列孔橋的1/4以內，由此得出計算冷卻管許用最大跨距的sebald?j.f.公式；coit?r.l.提出一種表征冷卻管振動嚴重性的概念，即振動度，認為它與冷卻管單位長度上承受的汽流負荷成正比，與冷卻管跨距的剛度和對數衰減率成反比，由此得出另一個計算冷卻管許用最大跨距的coit?r.l.公式；peaker?c.c.則在coit?r.l公式的基礎上，將對振動度的限制從0.0432m提高到0.0254m，由此又得到了peaker?c.c.公式。但是，這些經驗公式在計算冷卻管許用最大跨距時同樣使用蒸汽平均流速進行冷卻管汽流激振評估，沒有將凝汽器喉部出口蒸汽流場分布的具體情況考慮其中。

4、事實上，由于汽輪機排汽缸和凝汽器喉部幾何結構的特殊性以及凝汽器喉部內部部件布置的復雜性，導致凝汽器喉部出口的蒸汽流速分布不可能均勻分布，存在局部流速過大的可能性，因此，有必要在基于凝汽器喉部出口流速分布的情況下進行冷卻管的汽流激振評估。

技術實現思路

1、本發明的目的在于，提供一種核電機組凝汽器冷卻管汽流激振評估方法，考慮核電機組凝汽器喉部出口流速分布，適用于核電機組汽輪機排汽缸和凝汽器喉部幾何結構特殊及凝汽器喉部內部部件布置復雜的場景。

2、為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

3、一種核電機組凝汽器冷卻管汽流激振評估方法，包括如下步驟：

4、步驟1、對耦合汽輪機排汽缸的凝汽器喉部幾何模型求解凝汽器喉部蒸汽運動方程，得到凝汽器喉部蒸汽流動分布，輸出凝汽器喉部出口截面流速分布；

5、步驟2、對凝汽器喉部出口截面與下游冷卻管對接的流動區域進行離散，得到多個離散區域；

6、步驟3、采用凝汽器冷卻管汽流激振評估公式，計算每個離散區域下游冷卻管的許用最大跨距；

7、步驟4、根據每個離散區域下游冷卻管的實際跨距和許用最大跨距，對每個離散區域下游的冷卻管進行汽流激振評估。

8、作為其中一種可實現的方式，步驟1，對耦合汽輪機排汽缸的凝汽器喉部幾何模型求解凝汽器喉部蒸汽運動方程，得到凝汽器喉部蒸汽流動分布，輸出凝汽器喉部出口截面流速分布，包括如下步驟：

9、步驟11、采用幾何造型軟件，建立耦合汽輪機排汽缸的凝汽器喉部幾何模型；

10、步驟12、在凝汽器喉部幾何模型的基礎上，從凝汽器喉部出口截面開始向下游進行流動區域的延長；

11、步驟13、基于質量守恒定律、動量守恒定律及蒸汽流動特點，構建凝汽器喉部蒸汽運動方程；

12、步驟14、對耦合汽輪機排汽缸的凝汽器喉部幾何模型求解凝汽器喉部蒸汽運動方程，得到凝汽器喉部蒸汽流動分布，輸出凝汽器喉部出口截面流速分布。

13、作為其中一種可實現的方式，步驟11中，采用幾何造型軟件，根據耦合汽輪機排汽缸的凝汽器喉部的形狀、尺寸及內部部件，建立耦合汽輪機排汽缸的凝汽器喉部幾何模型。

14、作為其中一種可實現的方式，步驟12中，凝汽器出口截面流動區域延長的距離為凝汽器出口截面當量直徑的10～20倍；凝汽器出口截面當量直徑按照如下公式計算：

15、

16、其中，a為凝汽器喉部出口截面面積，x為凝汽器喉部出口截面周長。

17、作為其中一種可實現的方式，步驟13中，凝汽器喉部蒸汽運動方程的通用形式為：

18、

19、其中，ρ為蒸汽密度；為通用變量；對于連續性方程，對于三個坐標方向上的動量方程，μi為蒸汽速度，i＝1，2，3；對于標準k-i紊流模型，取和分別為擴散系數和源項，根據而定。

20、作為其中一種可實現的方式，步驟14中，數值計算軟件為fluent或cfx；對耦合汽輪機排汽缸的凝汽器喉部幾何模型求解凝汽器喉部蒸汽運動方程，得到凝汽器喉部蒸汽流動分布，輸出凝汽器喉部出口截面流速分布，包括如下步驟：

21、對耦合汽輪機排汽缸的凝汽器喉部幾何模型進行網格劃分，得到網格；對網格進行網格無關性驗證，得到通過網格無關性驗證的網格；

22、在數值計算軟件中設置飽和蒸汽物性參數、凝汽器喉部出口截面流動區域入口邊界條件及出口邊界條件，選擇標準紊流模型、二階迎風離散格式及s?implec算法，對凝汽器喉部蒸汽運動方程進行迭代求解，得到凝汽器喉部蒸汽流動分布，輸出凝汽器喉部出口截面流速分布；

23、飽和蒸汽物性參數為凝汽器工況下壓力對應的飽和蒸汽物性參數；飽和蒸汽物性參數包括飽和蒸汽的密度和動力粘度。

24、作為其中一種可實現的方式，步驟2，對凝汽器喉部出口截面與下游冷卻管對接的流動區域進行離散，得到多個離散區域，包括如下步驟：

25、步驟21、根據凝汽器喉部出口尺寸和凝汽器殼側冷卻管位置，在凝汽器喉部出口截面上確定出與下游冷卻管對接的流動區域；

26、步驟22、根據凝汽器殼側的中間隔板跨距和端板跨距，對凝汽器喉部出口截面上確定出的與下游冷卻管對接的流動區域進行沿冷卻管軸向方向上的區域離散，得到多個第一離散區域；

27、步驟23、根據凝汽器冷卻管管間距，取n倍管間距，對凝汽器喉部出口截面上確定出的與下游冷卻管對接的流動區域進行垂直冷卻管軸向方向上的區域離散，將每個第一離散區域再離散出多個第二離散區域；n在3～7間取值。

28、作為其中一種可實現的方式，步驟3，采用凝汽器冷卻管汽流激振評估公式，計算每個離散區域下游冷卻管的許用最大跨距，包括如下步驟：

29、步驟31、根據凝汽器喉部出口截面速度場分布，提取每一個第二離散區域的蒸汽流速，計算每一個第一離散區域的蒸汽平均流速；

30、步驟32、以每一個第一離散區域的蒸汽平均流速為蒸汽流速特征值，采用凝汽器冷卻管汽流激振評估公式對每一個第一離散區域逐一計算下游冷卻管的許用最大跨距。

31、作為其中一種可實現的方式，凝汽器冷卻管汽流激振評估公式為偏于安全的凝汽器冷卻管汽流激振評估公式，優選peaker?c.c.公式；peaker?c.c.公式為：

32、

33、其中，e為冷卻管管材的彈性模量；i為冷卻管截面慣矩；d2為冷卻管外徑；ρ為蒸汽密度；v為蒸汽豎直向下的流速。

34、作為其中一種可實現的方式，步驟4，根據每個離散區域下游冷卻管的實際跨距和許用最大跨距，對每個離散區域下游的冷卻管進行汽流激振評估，包括如下步驟：

35、步驟41、定義風險系數為冷卻管實際跨距與冷卻管許用最大跨距之比；對每一個第一離散區域逐一計算風險系數；

36、步驟42、根據每個第一離散區域的風險系數，對每個第一離散區域下游的冷卻管進行汽流激振評估；

37、當第一離散子區域的風險系數大于風險系數安全裕量，則評估第一離散子區域下游的冷卻管存在汽流激振風險；

38、風險系數安全裕量根據理論值或工程經驗進行取值，風險系數安全裕量理論值為1。

39、本發明的有益技術效果：

40、本發明的核電機組凝汽器冷卻管汽流激振評估方法，通過耦合汽輪機排汽缸的凝汽器喉部幾何模型，利用數值計算軟件求解得到凝汽器喉部蒸汽流動分布；根據凝汽器喉部出口尺寸和凝汽器殼側冷卻管位置，對凝汽器喉部出口截面進行區域離散，并基于每個離散區域冷卻管許用最大跨距的計算，對凝汽器冷卻管進行汽流激振評估，適用于核電機組汽輪機排汽缸和凝汽器喉部幾何結構特殊及凝汽器喉部內部部件布置復雜的場景。