Numerical Study on the Characteristics of PWR Swirl-Vane Steam Separator using Particle Tracking Method

Abstract

산업이 지속적으로 발전함과 동시에 환경 문제는 전 세계의 주요 관심사가 되었다. 석탄 발전소와 비교할 때, 원자력 발전소는 이산화탄소, 이산화황, 질소산화물 및 기타 환경적으로 유해한 배출물을 방출하지 않으므로 환경보호 측면에서 전통적인 화석연료 발전소에 대한 최상의 대안 중 하나이다. 원자력 발전기술은 급속도로 발전했으며 이에 따라 원자력 발전소 장비를 연구하는 것이 필수적이다. PWR (Pressurized Water Reactor)계열 원자력 발전소 및 BWR (Boiling-Water Reactor)계열 원자력 발전소 모두에서 증기발생기는 안전하고 안정적인 운행과 관련된 관건적 설비이다. 본 연구에서는 증기발생기의 장치 중에서도 1차습분분리기에 중점을 둔다. 본 연구에서는 1차습분분리기 중 스월베인타입 습분분리기의 특성과 이러한 구조의 변형시킨 후 영향을 주로 논의하고자 한다. 습분분리기의 증기 및 물액적 분포와 분리기의 분리 효율을 분석하기 위하여 본 논문에서는 수치해석방법을 이용하였는데 이는 실제현상을 구현하기 어려운 실험적 방법과 비교할 때(증기발생기내 습분분리기의 경우 고온 고압의 보일러를 구현해야 하기 때문에 대부분 축소 실험 및 물·증기 실험이 주로 진행되어왔다) 실물크기와 실제 조건을 적용가능하기 때문이다. 또한 증기 속에 존재하는 물액적을 해석하기 위하여 입자추적방법을 사용하였다. 입자추적방법을 통한 습분분리기논문은 많지는 않으나 몇몇 존재하며 입자추적방법은 액적의 운동을 추적하기 쉽고, 짧은 계산 시간 및 컴퓨터의 적은 계산역량을 요구하기에 습분분리기의 효율을 계산하기에 적절하다. 스월 베인은 혼합 유체에 스월 유동을 제공하기 위한 장치로서, 혼합 유체 상에 생성된 원심력에 의해 밀도가 높은 액적은 분리기 벽을 향하여 액적을 증기로부터 분리시킨다. 계산 영역은 오리피스 배출구, 탄젠트 노즐 배출구, 다운 코머 배출구, 유체 유입구 등으로 구성된다. 본 연구에서는 ICEM CFD가 해석격자 제작에 사용되었고 ANSYS CFX상용 플랫폼을 사용하여 분석이 수행된다. 수치 시뮬레이션 결과는 CFD-POST를 이용하여 가시적인 결론을 얻었다. 본 연구에서는 여러 형상(날개 각도, 날개 수, 날개 위치) 및 액적 크기(0.01 ~ 50μm)에 따른 출구의 증기 건도, 입구와 출구 사이의 압력 강하, 벽면에서의 액적 제거율 및 원심력 등을 조사하였다. 첫째, 스월 베인 굽힘 각도 변경의 영향을 연구했다. 결과는 베인 굽힘 각도가 감소함에 따라 압력 강하가 증가하고 굽힘 각도가 10°씩 굽어질수록 압력 강하가 이전보다 두 배가 된다는 것을 보여준다. 또한 굽힘 각도가 작을수록 오리피스 출구에서의 건도가 커지고, 굽힘 각도가 증가함에 따라 감소하는 것을 나타내며, 이는 작은 굽힘 각도가 혼합 유체에서 더 많은 선회류를 제공하고 이에 따라 벽면에서의 입자수집량과 건도에 영향을 주는것이다. 해석결과 물방울 크기가 30μm를 초과하면 모든 물방울이 증기에서 분리된다. 둘째, 증기 분리기의 특성에 대한 서로 다른 스월 베인 수의 영향을 연구하였다. 스월 베인 수를 추가하면 압력 강하가 증가하였는데 이는 더 많은 스월베인 수가 습분분리기의 저항을 증가시킬 것임을 의미한다. 또한, 스월베인이 추가됨에 따라 오리피스 출구에서의 건도가 증가함을 보여준다. 이것은 소용돌이 베인이 많을 수록 액적에 더 많은 원심력이 작용한다는 것을 나타낸다. 벽면에서의 입자수집율의 또한 소용돌이 베인 수 증가에 증가하였다. 그리고 액적은 주로 라이저에서 제거되었다. 1μm 이하의 액적들이 스월베인 수의 변화에 가장 큰 영향을 받았다. 마지막으로 증기 분리기에서 서로 다른 스월 베인 위치의 영향을 조사했다. 해석 결과, 스월베인의 위치를 변경해도 스월베인 영역 전후의 속도 및 압력 값에 영향을 미치지 않았으나 스월 흐름의 발생 위치에 주로 영향을 미쳤다. 날개 위치가 오리피스 출구에 멀 수록 때 오리피스 출구의 건도가 높아졌다. 위의 해석 결과를 바탕으로 습분분리기 설계에서 배출구의 증기 품질을 향상시키는 설계에는 일반적으로 상당한 압력 손실이 수반됨을 알 수 있다. 스월의 입자가 혼합 유체와 분리되도록 하려면 베인과 배출구를 충분한 거리로 유지해야 한다. 다른 세 가지 시뮬레이션 계산에서 30μm의 액적 크기가 100% 제거되는 임계 크기임을 알 수 있다. 습분분리기의 설계에서는 압력강하와 분리 효율의 균형을 고려해야 하고 허용되는 범위 내에서 소용돌이 베인 굽힘 각도를 최대한 줄이며 소용돌이 베인 수를 늘리고 베인을 출구에서 멀리 떨어 뜨려 놓아야 한다. 습분분리기의 특성에 대한 연구는 이에 끝나지않고, 향후 추가 연구가 필요하다. 산업이 지속적으로 발전함과 동시에 환경 문제는 전 세계의 주요 관심사가 되었다. 석탄 발전소와 비교할 때, 원자력 발전소는 이산화탄소, 이산화황, 질소산화물 및 기타 환경적으로 유해한 배출물을 방출하지 않으므로 환경보호 측면에서 전통적인 화석연료 발전소에 대한 최상의 대안 중 하나이다. 원자력 발전기술은 급속도로 발전했으며 이에 따라 원자력 발전소 장비를 연구하는 것이 필수적이다. PWR (Pressurized Water Reactor)계열 원자력 발전소 및 BWR (Boiling-Water Reactor)계열 원자력 발전소 모두에서 증기발생기는 안전하고 안정적인 운행과 관련된 관건적 설비이다. 본 연구에서는 증기발생기의 장치 중에서도 1차습분분리기에 중점을 둔다. 본 연구에서는 1차습분분리기 중 스월베인타입 습분분리기의 특성과 이러한 구조의 변형시킨 후 영향을 주로 논의하고자 한다. 습분분리기의 증기 및 물액적 분포와 분리기의 분리 효율을 분석하기 위하여 본 논문에서는 수치해석방법을 이용하였는데 이는 실제현상을 구현하기 어려운 실험적 방법과 비교할 때(증기발생기내 습분분리기의 경우 고온 고압의 보일러를 구현해야 하기 때문에 대부분 축소 실험 및 물·증기 실험이 주로 진행되어왔다) 실물크기와 실제 조건을 적용가능하기 때문이다. 또한 증기 속에 존재하는 물액적을 해석하기 위하여 입자추적방법을 사용하였다. 입자추적방법을 통한 습분분리기논문은 많지는 않으나 몇몇 존재하며 입자추적방법은 액적의 운동을 추적하기 쉽고, 짧은 계산 시간 및 컴퓨터의 적은 계산역량을 요구하기에 습분분리기의 효율을 계산하기에 적절하다. 스월 베인은 혼합 유체에 스월 유동을 제공하기 위한 장치로서, 혼합 유체 상에 생성된 원심력에 의해 밀도가 높은 액적은 분리기 벽을 향하여 액적을 증기로부터 분리시킨다. 계산 영역은 오리피스 배출구, 탄젠트 노즐 배출구, 다운 코머 배출구, 유체 유입구 등으로 구성된다. 본 연구에서는 ICEM CFD가 해석격자 제작에 사용되었고 ANSYS CFX상용 플랫폼을 사용하여 분석이 수행된다. 수치 시뮬레이션 결과는 CFD-POST를 이용하여 가시적인 결론을 얻었다. 본 연구에서는 여러 형상(날개 각도, 날개 수, 날개 위치) 및 액적 크기(0.01 ~ 50μm)에 따른 출구의 증기 건도, 입구와 출구 사이의 압력 강하, 벽면에서의 액적 제거율 및 원심력 등을 조사하였다. 첫째, 스월 베인 굽힘 각도 변경의 영향을 연구했다. 결과는 베인 굽힘 각도가 감소함에 따라 압력 강하가 증가하고 굽힘 각도가 10°씩 굽어질수록 압력 강하가 이전보다 두 배가 된다는 것을 보여준다. 또한 굽힘 각도가 작을수록 오리피스 출구에서의 건도가 커지고, 굽힘 각도가 증가함에 따라 감소하는 것을 나타내며, 이는 작은 굽힘 각도가 혼합 유체에서 더 많은 선회류를 제공하고 이에 따라 벽면에서의 입자수집량과 건도에 영향을 주는것이다. 해석결과 물방울 크기가 30μm를 초과하면 모든 물방울이 증기에서 분리된다. 둘째, 증기 분리기의 특성에 대한 서로 다른 스월 베인 수의 영향을 연구하였다. 스월 베인 수를 추가하면 압력 강하가 증가하였는데 이는 더 많은 스월베인 수가 습분분리기의 저항을 증가시킬 것임을 의미한다. 또한, 스월베인이 추가됨에 따라 오리피스 출구에서의 건도가 증가함을 보여준다. 이것은 소용돌이 베인이 많을 수록 액적에 더 많은 원심력이 작용한다는 것을 나타낸다. 벽면에서의 입자수집율의 또한 소용돌이 베인 수 증가에 증가하였다. 그리고 액적은 주로 라이저에서 제거되었다. 1μm 이하의 액적들이 스월베인 수의 변화에 가장 큰 영향을 받았다. 마지막으로 증기 분리기에서 서로 다른 스월 베인 위치의 영향을 조사했다. 해석 결과, 스월베인의 위치를 변경해도 스월베인 영역 전후의 속도 및 압력 값에 영향을 미치지 않았으나 스월 흐름의 발생 위치에 주로 영향을 미쳤다. 날개 위치가 오리피스 출구에 멀 수록 때 오리피스 출구의 건도가 높아졌다. 위의 해석 결과를 바탕으로 습분분리기 설계에서 배출구의 증기 품질을 향상시키는 설계에는 일반적으로 상당한 압력 손실이 수반됨을 알 수 있다. 스월의 입자가 혼합 유체와 분리되도록 하려면 베인과 배출구를 충분한 거리로 유지해야 한다. 다른 세 가지 시뮬레이션 계산에서 30μm의 액적 크기가 100% 제거되는 임계 크기임을 알 수 있다. 습분분리기의 설계에서는 압력강하와 분리 효율의 균형을 고려해야 하고 허용되는 범위 내에서 소용돌이 베인 굽힘 각도를 최대한 줄이며 소용돌이 베인 수를 늘리고 베인을 출구에서 멀리 떨어 뜨려 놓아야 한다. 습분분리기의 특성에 대한 연구는 이에 끝나지않고, 향후 추가 연구가 필요하다.

With the continuous development of industry in recent years, the air environmental problem has been one of the main focus all over the world. Compared with coal-fired power stations, the nuclear power plants do not emit carbon dioxide, sulfur dioxide, nitrogen oxides, and other environmentally damaging emissions, and hence is one of the best alternatives to traditional fossil fuel power plants in terms of environmental protection. The development of nuclear power has advanced by leaps and bounds, which has made it imperative to study nuclear power plant equipment. Whether it is a Pressurized Water Reactor (PWR) nuclear power plant or a Boiling-Water Reactor (BWR) nuclear power plant, the steam generator is a device that is related to the safe and stable operation of the nuclear power plant. This study focuses on the primary steam separator which is located in the steam generator aiming to investigate its characteristics. In this numerical study, the characteristics of PWR swirl vane steam separator and the effects of the different structures are mainly discussed. Many previous researchers used the Volume of Fluid (VOF) method to analyze the distribution of steam and liquid in the separator and estimated the separation efficiency of the separator. The Particle Tracking Method is used in this study to analyze the characteristics of the separator. There are not many articles on the study of steam separation through the particle tracking method. Comparing with the experimental methods, where the problem of real working conditions are often difficult to implement, we take advantages of the numerical methods using full scale and real condition to simulate the process of separation. We investigate the steam quality in the outlet of the orifice, the pressure drop between inlet and outlet and also the centrifugal force along the riser with different swirl vane number and droplet sizes. In this numerical study, a 3D separator model of different forms of the swirl vane was used to study the characteristics of the PWR steam separator. Steam-water two-phase flow with particle tracking method in a full- scale model is applied in this simulation. Different swirl vane bending angles, a different number of swirl vanes and different locations of the swirl vane are chosen to investigate the characteristics of the steam separator. Moreover, various water droplet sizes from 0.01 to 50μm are also considered in this study. In the process of simulation, we mainly focus on the effect of the steam quality at the orifice outlet, the effect of the particle collection rate and the pressure drop in the steam separator with the model structure changed. The swirl vanes serve as components for providing swirl flow to the mixed fluid, and by the centrifugal force generated on the mixed fluid, the denser droplets are directed toward the separator wall to separate the droplets from the steam. The computational domain consists of an orifice outlet, a tangent nozzle outlet, a downcomer outlet, fluid inlet and so on. In this study, the analysis is carried out using the commercial platform ANSYS in which ICEM CFD is used for meshing and CFX is used for simulation. The results of numerical simulation are analyzed by CFD-POST to obtain the corresponding visible conclusions. Firstly, the influence of changing the swirl vane bending angle is studied. The results show that the pressure drop will increase with a decrease in the vane bending angle and each 10° increase in the bending angle results in pressure drop which is twice than before. Moreover, the result illustrates that the steam quality at the orifice outlet will decrease with an increase in the vane bending angle because the lower bending angle serves more swirl flow on the mixed fluid. In addition, the result also shows that the particle collection rate trend will follow the steam quality. And with the water droplet size over 30μm, all the water droplets are separated from the steam. Secondly, the effect of different swirl vane numbers on the characteristics of the steam separator is studied. From the results, we conclude that the pressure drop will increase with the addition of swirl vane numbers. This means that more swirl vane numbers will increase the resistance in the steam separator. In addition, the result illustrates that the steam quality at the orifice outlet will increase with the swirl vane added. This indicates that the more swirl vane added the more centrifugal force acts on water-steam fluid. Furthermore, in the case of particle collection rate, we conclude that the particle collected rate will increase with the swirl vane number increase. And the particles are mainly removed on the wall pipe, and the particles flow out of the downcomer. For droplet particles of different sizes, the particle size of less than 1 μm is the most affected. Finally, we investigate the influence of the different swirl vane locations in the steam separator. The simulation results show that changing the location of the swirl vane without changing other conditions does not affect the velocity and pressure distribution before and after the swirl vane area. The results show that changing the location of the swirl vane mainly affects the location of occurring of the swirl flow. When the vane location is closer to the orifice outlet, the lower is the steam quality at the orifice outlet. Based on the above simulation results, we can see that in the design of the steam separator, the design of improving the steam quality of the outlet is usually accompanied by significant pressure loss. In order for the particles in the swirl to separate from the mixed fluid, it is necessary to keep the vane and outlet at a sufficient distance. From three different simulation calculations, we can see that the particle size of 30μm is the critical size of the steam separator. In the design of the steam separator, we need to consider the balance between pressure reduction and improved separation efficiency. To the extent permitted, we should reduce the swirl vane bending angle as much as possible, increase the number of swirl vanes and place the vane far enough, away from the outlet. The study of the characteristics of the steam separator is not limited to this, and further research is needed in future studies.