流量波動對臨界熱流密度影響研究

陳薇，劉颯，門昌華，孫燦輝

1. 中國核電發(fā)展中心，北京 100045 2. 國家電投集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100220

壓力容器外部冷卻(IVR-ERVC)嚴重事故緩解措施是實現(xiàn)嚴重事故條件下反應(yīng)堆壓力容器完整的重要措施之一[1?3]。反應(yīng)堆壓力容器浸沒在堆腔的冷卻水中，通過在壓力容器與保溫層流道之間形成兩相自然循環(huán)，帶走反應(yīng)堆衰變熱，從而保證壓力容器的完整。以往的研究認為，壓力容器外壁面熱流密度小于臨界熱流密度，能夠保證壓力容器的完整性，而一旦壓力容器外壁面熱流密度超過臨界熱流密度，壓力容器將破損。因此，ERVC 條件下壓力容器外壁面臨界熱流密度一直是IVR-ERVC 嚴重事故緩解措施研究重點問題。Theofanous 等[4?5]開展了大量針對AP1000 反應(yīng)堆的工程驗證試驗，采用二維切片試驗段獲得了AP1000 設(shè)計條件下的臨界熱流密度。FBCheung 等[6]建立了小尺寸三維試驗裝置，研究了三維幾何結(jié)構(gòu)條件下的臨界熱流密度。陳薇等[7?8]建立了機理性試驗臺架，研究了加熱表面向下矩形通道內(nèi)臨界熱流密度和旁通流道冷卻強化措施。韓國Kim 等[9?10]建立了HERMES 系列試驗裝置，研究了APR1400 外部流道結(jié)構(gòu)下，加熱及非加熱條件下的兩相流自然循環(huán)特性。HERMES試驗發(fā)現(xiàn)了自然循環(huán)流道內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，研究者指出兩相流動不穩(wěn)定性可能降低臨界熱流密度。王亮亮[11]、李飛等[12]也通過試驗或數(shù)值計算的方式驗證了IVR-ERVC 流道內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定性。以往研究者認為，兩相流動不穩(wěn)定性會降低臨界熱流密度，但少有公開發(fā)表文獻開展過流動不穩(wěn)定性對臨界熱流密度影響的定量研究。

本文建立了小型機理性試驗臺架，定量研究流量波動對臨界熱流密度的影響。采用流量周期性波動的強迫循環(huán)方式模擬流動不穩(wěn)定工況，試驗回路流量、波動周期、振幅等參數(shù)盡量與IVRERVC 流道保持一致，具體參數(shù)從公開發(fā)表文獻中獲取。

1 試驗裝置

試驗臺架回路流程如圖1 所示。試驗回路由主回路系統(tǒng)、旁通回路系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等組成。主回路系統(tǒng)由主回路泵、預(yù)熱器、試驗段、冷凝器、蓄水箱等組成，蓄水箱敞口，與大氣壓連通。旁通回路系統(tǒng)由旁通回路泵、旁通回路入口管段、冷凝器等組成，旁通回路用于研究旁通射流對臨界熱流密度的影響，本文研究內(nèi)容不涉及旁通回路，旁通回路截止，不接入試驗系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)提供冷凝器冷卻用水，用于調(diào)節(jié)試驗段進出口溫度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集并記錄溫度、流量、壓力等試驗數(shù)據(jù)。流量波動工況通過變頻器控制，試驗中可設(shè)置變頻器運行頻率、波動周期、波動頻率，配合閥門調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)回路流量按照預(yù)先設(shè)定的流量均值、周期及振幅波動。

圖1 試驗臺架回路流程

試驗段示意圖如圖2 所示。試驗段截面寬50 mm、長1 800 mm、深150 mm，在支撐及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)調(diào)節(jié)下，可實現(xiàn)0～90°自由調(diào)節(jié)，其中水平定義為0°，豎直定義為90°。為盡量減小進出口效應(yīng)，試驗段進出口各有170 mm 過渡段。試驗段采用銅塊加熱，銅塊與試驗段本體采用龍門緊固方式壓緊，銅塊內(nèi)插加熱棒，加熱功率采用功率控制器控制，通過調(diào)節(jié)加載電壓，加熱功率可在0～100%額定功率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。加熱表面附近開有可視窗，用于觀察氣泡行為。

圖2 試驗段示意

加熱棒及熱電偶布置如圖3 所示。加熱表面尺寸為50 mm×80 mm，銅塊內(nèi)插入18 根加熱棒，單根加熱棒額定功率0.78 kW，總額定功率約14 kW。加熱銅塊內(nèi)布置27 根熱電偶，用于監(jiān)測銅塊溫度，其中3 根熱電偶布置在加熱銅塊頂部，用于監(jiān)測銅塊是否超溫，保證銅塊安全，24 根熱電偶布置在銅塊底部，用于監(jiān)測臨界熱流密度。24 根熱電偶分兩排雙面布置在加熱銅塊底部，熱電偶編號規(guī)則為T-F-R-N，其中T 代表熱電偶，F(xiàn) 代表面，正對紙面定義為A 面，背對紙面定義為B 面，R 代表行數(shù)，距離水工質(zhì)較遠的為1 排，距離水工質(zhì)較近的為2 排，N 代表數(shù)量編號，沿著流動方向(從左至右)分別為1-6 號熱電偶，如圖所示，TA25 代表A 面2 排5 號熱電偶。第2 排熱電偶距冷卻水加熱表面11 mm，兩排熱電偶間距9.85 mm，A 面熱電偶插入銅塊深度為2 mm，B 面熱電偶插入銅塊深度為1 mm。

圖3 加熱棒及熱電偶布置示意

2 流量恒定條件下的臨界熱流密度

試驗過程中，首先調(diào)節(jié)主回路流量至設(shè)定工況，調(diào)節(jié)冷卻水流量，維持試驗段進、出口溫度不變。待主回路各項運行參數(shù)穩(wěn)定后，逐漸增加功率控制器功率，直至發(fā)生臨界熱流密度。經(jīng)過多次反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)，臨界熱流密度發(fā)生之前，熱電偶溫度會發(fā)生顯著波動，可將熱電偶溫度波動幅度作為試驗段升功率幅度指標。以臨界熱流密度發(fā)生在試驗段出口為例，TB25 溫度作為升功率幅度指標，TB25 溫度波動較小時(T<1 ℃)，加熱表面熱流密度距離臨界熱流密度較遠，試驗段升功率幅度可大于0.5 kW/步；TB25 溫度波動較大時(T＞1 ℃)緩慢增加加熱段功率，試驗段升功率幅度約0.1 kW/步。

以試驗段傾角30°，質(zhì)量流速326 kg/(m2·s)，入口溫度100 ℃工況下的臨界熱流密度試驗為例，升功率過程熱電偶溫度變化曲線如圖4 所示。啟動功率控制器，調(diào)節(jié)加熱棒功率至2 kW，熱電偶溫度迅速從95 ℃升高至約140 ℃，之后基本維持不變。繼續(xù)提高加熱棒功率，如此反復(fù)，每次功率提升后穩(wěn)定時間約10 min。過程中注意監(jiān)測TB25 溫度波動，如TB25 溫度波動范圍增大，需減小功率控制器調(diào)節(jié)步長，緩慢提高加熱棒功率，直至熱電偶出現(xiàn)溫度飛升現(xiàn)象，之后迅速切斷功率控制器電源，避免試驗段超溫。本例中，2 790 s 左 右，TB25 溫 度 在20 s 之 內(nèi) 溫 度 升 高 約20 ℃，認為發(fā)生CHF 現(xiàn)象，加熱表面對應(yīng)的熱流密度即為臨界熱流密度。

圖4 升功率過程熱電偶溫度變化

30°傾角時，不同入口條件下的臨界熱流密度數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 30°傾角不同入口條件下的臨界熱流密度

由表1 可以看出，質(zhì)量流速越大，入口溫度越低，臨界熱流密度越高。

3 流量波動對臨界熱流密度的影響

韓國原子能研究院[10]建立了縮比的壓力容器外部流道加熱試驗，在其中的高水位壓頭試驗中，發(fā)現(xiàn)了明顯的兩相流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，產(chǎn)生的氣泡首先聚集在出口，聚集到一定程度后瞬間排出，壁面和冷卻水入口溫度均發(fā)生較大幅度波動。王亮亮等[11]研究了上海交通大學(xué)REPECII 全尺寸工程驗證臺架上的閃蒸現(xiàn)象和流動不穩(wěn)定性，總結(jié)了流量波動規(guī)律和流動穩(wěn)定性區(qū)域。國家電投研究院李飛等[12]建立了針對CAP1700 IVR-ERVC 流道的RELAP5 分析模型，分析了多種加熱功率、入口過冷度等條件下的流量波動形式，在CAP1700 工況條件下，流量波動振幅大約在±10%范圍內(nèi)，波動周期在50～100 s。

本研究采用流量周期性波動方式模擬流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，通過變頻器控制泵電機頻率，再配合閥門開度，實現(xiàn)控制試驗回路波動周期、振幅等。根據(jù)李飛模擬的CAP1700 IVR-ERVC 流動條件，試驗研究流量波動幅度在10%～20%、波動周期在50～100 s 的臨界熱流密度。

以試驗段傾角30°、主回路流量460 kg/(m2·s)、試驗段入口溫度90 ℃左右工況為例，說明流量周期性波動條件對臨界熱流密度的影響。試驗中首先開展基礎(chǔ)性工況試驗，即流量主回路流量維持不變，獲得基礎(chǔ)工況條件下的臨界熱流密度。接著調(diào)整主回路流量為周期性波動條件，并改變流量周期、振幅等參數(shù)，獲得流量波動條件下的臨界熱流密度數(shù)據(jù)。

主回路流量平均值460 kg/(m2·s)、波動振幅約17%、波動周期50 s 時，主回路流量曲線如圖5所示。

圖5 波動工況下主回路流量

流量波動工況下，加熱銅塊升功率過程中，TB25 溫度變化曲線如圖6 所示。隨著加熱功率升高，TB25 溫度變化特征可分為以下幾個階段：第I 階段，溫度隨著流量呈現(xiàn)較明顯的周期性波動，溫度波動周期與流量波動周期一致；第II 階段，熱電偶溫度隨流量周期性波動基礎(chǔ)上，出現(xiàn)小幅度溫度波動，周期性波動特征不明顯；第III 階段，熱電偶溫度波動幅度明顯增大，此時，熱電偶溫度波動周期與流量波動周期不一致，這是因為這一階段溫度波動是由于加熱表面熱流密度較高，加熱表面被汽膜周期性覆蓋導(dǎo)致的；第IV 階段，臨界熱流密度發(fā)生前，熱電偶溫度振蕩明顯，溫度振蕩頻率明顯增高，并且溫度振蕩幅度難以穩(wěn)定，幅度越來越高。如圖6 所示，2 180 s左右，熱電偶溫升超過30 ℃，認為此時發(fā)生臨界熱流密度，之后迅速切斷加熱電源。

圖6 波動工況下TB25 溫度變化

表2 列出了平均質(zhì)量流速460 kg/(m2·s)、入口溫度90.5 ℃左右、波動幅度0～17.3%、波動周期0～100 s 時臨界熱流密度數(shù)據(jù)。其中波動振幅0、波動周期0 s 代表流量恒定條件。由此可見，流量波動可導(dǎo)致臨界熱流密度降低，降低幅度與波動振幅及周期有關(guān)。

表2 流量波動條件對臨界熱流密度的影響

圖7 給出了無波動以及波動振幅17.3%條件下，波動周期對臨界熱流密度的影響。波動周期從50 s 增加到100 s，臨界熱流密度降低幅度由4.3%增加到8.0%。

圖8 給出了無波動以及波動周期100 s 條件下，波動振幅對臨界熱流密度的影響。波動振幅從10.8%增加到17.3%，臨界熱流密度降低幅度由6.4%增加到8.0%。

圖7 波動周期對臨界熱流密度影響

圖8 波動振幅對臨界熱流密度影響

以上研究結(jié)果表明，流量波動條件可在一定程度上降低臨界熱流密度，因此，在IVR-ERVC 保溫層流道結(jié)構(gòu)設(shè)計中，因盡量考慮避免發(fā)生流動不穩(wěn)定工況。

4 結(jié)論

本文針對IVR-ERVC 流動通道內(nèi)可能發(fā)生的流動不穩(wěn)定性導(dǎo)致臨界熱流密度降低的現(xiàn)象，建立了機理性試驗臺架，試驗研究了IVR-ERVC 流動通道發(fā)生流動不穩(wěn)定性時，流量波動振幅、周期范圍內(nèi)、流量波動條件對臨界熱流密度的影響，結(jié)果表明：

1)流量均值相同時，由于流量周期性減少和增加，流量波動條件導(dǎo)致臨界熱流密度降低。

2)臨界熱流密度降低幅度與流量波動周期、振幅有關(guān)，波動振幅越大。周期越長，臨界熱流密度降低幅度越大，本試驗范圍內(nèi)，流量波動導(dǎo)致的臨界熱流密度降低幅度可達8%。