密度鎖正向啟動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究

谷海峰，閻昌琪，陳薇

(哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

密度鎖最早是在瑞典的PIUS反應(yīng)堆中提出的［1］，目前國(guó)外許多最新設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆都應(yīng)用到這一部件［2-3］.密度鎖安裝在反應(yīng)堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)與主回路系統(tǒng)之間的相連管路上，其內(nèi)沒有任何機(jī)械隔離部件，而完全依靠反應(yīng)堆自身的運(yùn)行特性來控制密度鎖的“關(guān)閉”和“開啟”.在反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下，高溫主冷卻劑穩(wěn)定地分層于低溫事故冷卻水之上，從而可以在密度鎖內(nèi)形成穩(wěn)定的熱/冷流體交界面;同時(shí)反應(yīng)堆的運(yùn)行參數(shù)要滿足密度鎖內(nèi)的水力平衡條件，從而保證界面穩(wěn)定地存在于密度鎖內(nèi)，密度鎖“關(guān)閉”，以致達(dá)到隔離兩回路的目的.

可見，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)密度鎖“關(guān)閉”必須滿足2個(gè)條件:密度鎖能形成穩(wěn)定的熱/冷流體交界面;交界面在密度鎖內(nèi)滿足水力平衡條件.針對(duì)這一問題，日本名古屋大學(xué)的學(xué)者做了大量研究［4-6］，他們提出了一套主泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)來建立并維持密度鎖內(nèi)的水力平衡，但此種方法相對(duì)復(fù)雜，且可獲得的參考資料較少.國(guó)內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)建立實(shí)驗(yàn)回路對(duì)如何實(shí)現(xiàn)密度鎖“關(guān)閉”進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)密度鎖內(nèi)水力平衡具有一種自穩(wěn)定特性［7］.基于這一特性提出了自平衡啟動(dòng)方法，利用該方法能夠建立密度鎖內(nèi)的水力平衡，并按照啟動(dòng)流量與平衡流量之間的差別，將自平衡啟動(dòng)分為平衡啟動(dòng)、正向啟動(dòng)和反向啟動(dòng)3種不同情況［8］.本文主要針對(duì)該方法中正向啟動(dòng)的運(yùn)行特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上通過理論分析成功實(shí)現(xiàn)正向啟動(dòng)的條件.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中采用的熱工水力回路如圖1所示.整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置主要由2部分回路組成，分別是用來模擬反應(yīng)堆的主回路與非能動(dòng)余熱排出回路，主回路包括循環(huán)水泵、電加熱水箱、熱交換器和調(diào)節(jié)閥等.其中，電加熱水箱內(nèi)共有15根棒狀加熱元件，單根加熱功率為3 kW，總加熱功率為45 kW;在熱交換器內(nèi)主回路的高溫工質(zhì)與冷卻水進(jìn)行熱交換，從而可以控制工質(zhì)的入口溫度.非能動(dòng)余熱排出回路主要包括上密度鎖、下密度鎖、余熱排出換熱器和截止閥.2個(gè)回路通過上、下密度鎖相連，共用1個(gè)上升段.實(shí)驗(yàn)回路總高約8 m，實(shí)驗(yàn)回路的頂端與穩(wěn)壓水箱相連，穩(wěn)壓水箱的上方與大氣相通，用來維持回路內(nèi)的壓力.

自平衡啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)分為關(guān)閥預(yù)熱和開閥平衡2個(gè)階段.在關(guān)閥預(yù)熱階段，關(guān)閉非能動(dòng)余熱排出回路截止閥，對(duì)主回路的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行初步調(diào)節(jié)，主要包括流量、加熱功率和入口溫度的調(diào)節(jié)，使密度鎖內(nèi)形成穩(wěn)定的冷熱流體交界面，待主回路的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)接近密度鎖內(nèi)水力平衡條件后，打開非能動(dòng)余熱排出回路內(nèi)截止閥，進(jìn)入開閥平衡階段，由于啟動(dòng)流量與平衡流量之間存在差別，該階段可能會(huì)出現(xiàn)平衡啟動(dòng)、正向啟動(dòng)和反向啟動(dòng)3種不同情況.

實(shí)驗(yàn)采用常壓下的純凈水為工質(zhì).實(shí)驗(yàn)中參數(shù)的變化范圍:主回路內(nèi)工質(zhì)體積流量為1～8m3/h，加熱水箱入口溫度為30～80℃，加熱功率為3～45 kW.

實(shí)驗(yàn)中所測(cè)參數(shù)包括流量與溫度.主回路內(nèi)工質(zhì)流量用渦輪流量計(jì)測(cè)量，非能動(dòng)余熱排出回路內(nèi)的流量采用孔板流量計(jì)測(cè)量，精度等級(jí)為0.5級(jí).工質(zhì)溫度采用銅-康銅熱電偶測(cè)量，其精度可達(dá)0.1℃，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中共有27根熱電偶，為了監(jiān)測(cè)密度鎖內(nèi)豎直方向的溫度場(chǎng)，其中上密度鎖內(nèi)沿豎直方向布置6根，下密度鎖內(nèi)沿豎直方向布置11根，其余10根分別布置在主回路與非能動(dòng)余熱排出回路的管路中.流量計(jì)和熱電偶所輸出的模擬信號(hào)均通過分散式IMP數(shù)據(jù)采集板輸入計(jì)算機(jī)，并采用專業(yè)的軟件對(duì)輸入的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集計(jì)算，并將所得到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)圖形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄.

圖1 實(shí)驗(yàn)回路Fig.1 Simple diagramof experimental loop

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 正向啟動(dòng)過程

圖2和圖3分別給出了2種不同工況下的正向啟動(dòng)特性曲線，曲線中反映了開閥后非能動(dòng)余熱排出回路流量與下密度鎖內(nèi)工質(zhì)溫度的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系.

圖2中給出了主回路流量為5.1 m3/h、加熱功率為27 kW、入口溫度為64.2℃，余熱排出回路溫度25.2℃條件下的正向啟動(dòng)特性曲線.由圖2可見，在關(guān)閥預(yù)熱階段結(jié)束后，密度鎖內(nèi)已經(jīng)形成了穩(wěn)定的熱/冷流體分層.在80 s左右開啟閥門，閥門開啟后非能動(dòng)余熱排出回路工質(zhì)呈現(xiàn)出小幅度的正向流量，密度鎖內(nèi)工質(zhì)溫度也開始下降，表明下密度鎖內(nèi)溫度界面正在向上移動(dòng)，界面的上移減小了兩界面間的高度差，從而下密度鎖內(nèi)界面向上運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力變小;因此隨著密度鎖內(nèi)工質(zhì)溫度的下降，非能動(dòng)余熱排出回路所呈現(xiàn)出的正向流量也在逐漸減小，最后在280 s附近，非能動(dòng)余熱排出回路流量減小至0 kg/s左右波動(dòng)，密度鎖內(nèi)溫度也不再變化，表明密度鎖內(nèi)的水力平衡已經(jīng)建立.可以看出，在此工況下開啟閥門時(shí)，啟動(dòng)流量與平衡流量之間的偏差不大，在開閥后僅出現(xiàn)較小的正向流量，下密度鎖內(nèi)界面位置發(fā)生小幅變化后便很快建立了水力平衡，建立平衡后下密度鎖內(nèi)界面仍位于密度鎖柵格內(nèi).

圖2 小偏差條件下條件正向啟動(dòng)特性曲線Fig.2 Characteristics curve in the phase of positive direction startupin small deviation

圖3 大偏差條件下條件正向啟動(dòng)特性曲線Fig.3 Characteristics curve in the phase of positive direction startupin large deviation

圖3中給出了主回路流量為5.1 m3/h、加熱功率為27 kW、入口溫度為62.5℃，余熱排出回路溫度20.8℃條件下的正向啟動(dòng)特性曲線，該條件下開閥時(shí)啟動(dòng)流量與平衡流量偏差較大.在關(guān)閥預(yù)熱階段結(jié)束后100 s左右，打開非能動(dòng)余熱排出回路截止閥，由于開閥前啟動(dòng)流量與平衡流量偏差較大，開閥后密度鎖內(nèi)界面所受到的不平衡力較大.對(duì)于下密度鎖來說，界面受到向上的驅(qū)動(dòng)力大于向下的力，因此，界面將在較大的不平衡力作用下迅速向上運(yùn)動(dòng)，非能動(dòng)余熱排出回路呈現(xiàn)出正向流量，并且正向流量迅速增大.正向流量的快速增大，一方面使得非能動(dòng)余熱排出回路的流動(dòng)阻力迅速增大;另一方面使得兩界面間的高度差迅速減小，進(jìn)而減小了余熱排出回路工質(zhì)流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力.使密度鎖內(nèi)的不平衡力迅速減小并趨向于零，充分體現(xiàn)出密度鎖較好的自穩(wěn)定特性.所以開閥后正向流量很快達(dá)到峰值并開始快速減小，減小至接近0 kg/s，此后隨著界面的緩慢移動(dòng)，密度鎖內(nèi)逐漸達(dá)到水力平衡.由圖可見，在500 s左右密度鎖內(nèi)各點(diǎn)的平均溫度基本不變，非能動(dòng)余熱排出回路流量在0 kg/s附近波動(dòng)，基本建立了密度鎖內(nèi)的水力平衡.可以看出，平衡后密度鎖內(nèi)的界面位置變化較大，1-1的溫度也明顯降低，表明密度鎖內(nèi)冷熱流體交界面已經(jīng)位于混合段內(nèi)(無柵格處).

綜上所述，在不同的正向啟動(dòng)工況下，開閥后通過上、下密度鎖內(nèi)界面位置的移動(dòng)能夠建立密度鎖內(nèi)的水力平衡.

2.2 正向啟動(dòng)中的亞穩(wěn)態(tài)平衡

但是實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，此時(shí)所達(dá)到的平衡并不是最終的水力平衡，而只是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)平衡.這是由于在正向啟動(dòng)過程中，下密度鎖內(nèi)界面已經(jīng)移出穩(wěn)定分層段(柵格處)，并在密度鎖的混合段內(nèi)達(dá)到水力平衡.但是在密度鎖上方水平擾動(dòng)的作用下，溫度交界面無法穩(wěn)定地存在于混合段內(nèi)，交界面存在劇烈的波動(dòng)，冷熱流體間傳熱比較劇烈，從而使得靠近界面處的工質(zhì)將會(huì)升高溫度，下密度鎖內(nèi)交界面位置向下移動(dòng)，交界面的下移將增大兩界面的高度差，因此，密度鎖內(nèi)的水力平衡又將被打破，非能動(dòng)余熱排出回路再次呈現(xiàn)出正向流量，下密度鎖內(nèi)工質(zhì)溫度降低，下密度鎖內(nèi)界面上升，從而達(dá)到一個(gè)新的亞穩(wěn)態(tài).

圖4給出了主回路流量為6.54 m3/h、加熱功率為21 kW、入口溫度為82.5℃，余熱排出回路溫度21.6℃條件下達(dá)到亞穩(wěn)態(tài)平衡后非能動(dòng)余熱排出回路流量與界面處工質(zhì)溫度波動(dòng)的對(duì)比曲線.可以看出，當(dāng)密度鎖內(nèi)處于亞穩(wěn)態(tài)平衡時(shí)，非能動(dòng)余熱排出回路流量在0 kg/s附近波動(dòng)時(shí)，這時(shí)下密度鎖界面處的工質(zhì)溫度在擾動(dòng)的作用下大幅度升高，表明下密度鎖內(nèi)交界面位置向下移動(dòng)，交界面的下移將增大兩界面的高度差，打破密度鎖內(nèi)的水力平衡.因此，當(dāng)工質(zhì)溫度升高到一定程度后，非能動(dòng)余熱排出回路出現(xiàn)正向流量，界面處的工質(zhì)溫度又大幅度降低，達(dá)到新的亞穩(wěn)態(tài).這樣在上方擾動(dòng)與正向流量的共同作用下，非能動(dòng)余熱排出回路周期性出現(xiàn)正向流量，下密度鎖內(nèi)工質(zhì)溫度也存在周期性波動(dòng)，并逐漸升高，如圖中箭頭所示.在這種情況下，下密度鎖混合段內(nèi)的工質(zhì)溫度在周期波動(dòng)中緩慢升高，界面緩慢向下移動(dòng).

圖4 亞穩(wěn)態(tài)平衡時(shí)溫度和流量波動(dòng)曲線Fig.4 Fluctuation curve of temperature and flowin the metastable balance

圖5給出了主回路流量為5.08 m3/h、加熱功率為27 kW、入口溫度為64℃，余熱排出回路溫度21℃條件下正向啟動(dòng)全過程溫度變化曲線.如圖5所示，在建立了亞穩(wěn)態(tài)平衡后，下密度鎖內(nèi)工質(zhì)溫度經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)，混合段內(nèi)工質(zhì)溫度逐漸升高，并已經(jīng)等于高溫工質(zhì)溫度，1-1號(hào)熱電偶所測(cè)工質(zhì)溫度也接近高溫工質(zhì)溫度，表明下密度鎖內(nèi)界面緩慢移動(dòng)并已經(jīng)重新進(jìn)入到穩(wěn)定分層段，返回到關(guān)閥預(yù)熱階段結(jié)束后下密度鎖內(nèi)界面所在位置，達(dá)到最終的水力平衡，在正向啟動(dòng)前后，下密度鎖內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)曲線如圖6所示.由圖可見，在正向啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，下密度鎖內(nèi)工質(zhì)的溫度分布與開閥前基本相同，表明經(jīng)過正向啟動(dòng)后下密度鎖內(nèi)界面位置并沒有改變.

圖5 正向啟動(dòng)全過程密度鎖內(nèi)溫度波動(dòng)曲線Fig.5 Fluctuation curve of temperature in the density lock in the whole process of positive direction startup

圖6 正向啟動(dòng)前后下密度鎖內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)Fig.6 Steady-state temperature field in the lower density lock before and after positive direction startup

圖7 正向啟動(dòng)時(shí)上密度鎖內(nèi)瞬態(tài)溫度曲線Fig.7 Curve of transient state temperature in the upper density lock in the phase of positive direction startup

圖7給出了正向啟動(dòng)過程中上密度鎖內(nèi)工質(zhì)溫度的瞬態(tài)變化曲線.由圖可以看出，在正向啟動(dòng)時(shí)，上密度鎖內(nèi)工質(zhì)溫度與開閥前相比已經(jīng)明顯升高，并呈現(xiàn)出分層的特點(diǎn)，表明上密度鎖內(nèi)界面位置已經(jīng)明顯下降，并很快達(dá)到了亞穩(wěn)態(tài)平衡.在達(dá)到亞穩(wěn)態(tài)平衡后，下密度鎖內(nèi)界面在上方擾動(dòng)的作用下向下移動(dòng)，打破亞穩(wěn)態(tài)平衡，出現(xiàn)正向流量.因此，上密度鎖內(nèi)界面繼續(xù)向下移動(dòng)，工質(zhì)溫度在穩(wěn)定一段時(shí)間后繼續(xù)緩慢升高，直到建立最終的水力平衡.上述分析表明，正向啟動(dòng)的最終水力平衡是通過上密度鎖內(nèi)界面位置的改變來建立的，而下密度鎖內(nèi)界面位置在水力平衡的建立前后基本不變.

3 正向啟動(dòng)條件分析

在密度鎖的啟動(dòng)過程中，密度鎖內(nèi)界面的移動(dòng)主要取決于其所受水力驅(qū)動(dòng)的作用.在打開非能動(dòng)余熱排出回路截止閥的瞬間，密度鎖內(nèi)界面將受到2個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)力，分別為向上方的驅(qū)動(dòng)力(ρ1-ρh)gHi和向下方的驅(qū)動(dòng)力.如果在開閥瞬間，密度鎖內(nèi)界面所受驅(qū)動(dòng)力恰好相互平衡，表明此時(shí)各參數(shù)已經(jīng)滿足密度鎖內(nèi)的水力平衡條件，那么開閥后將直接建立密度鎖內(nèi)的水力平衡，界面靜止于密度鎖內(nèi)，密度鎖“關(guān)閉”.將這種啟動(dòng)工況定義為平衡啟動(dòng)，并將此時(shí)的啟動(dòng)流量定義為平衡流量qPH，根據(jù)2個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)力相等可得:

式中:Hi為初始時(shí)兩界面間的高度差，m;ρh為主回路上升段內(nèi)工質(zhì)的密度，kg/m3;ρl為非能動(dòng)余熱排出回路內(nèi)工質(zhì)的密度，kg/m3;qQD為開閥瞬間時(shí)主回路內(nèi)的工質(zhì)流量，將其定義為啟動(dòng)流量，m3/h;qPH為開閥瞬間時(shí)主回路內(nèi)的工質(zhì)流量，將其定義為啟動(dòng)流量，m3/h;A為通道流通面積，m2;ξ為無量綱系數(shù).從而可以得到平衡流量的表達(dá)式:

但在實(shí)際啟動(dòng)時(shí)，某些工況下啟動(dòng)流量與平衡流量會(huì)存在偏差.根據(jù)偏差的正負(fù)不同，非能動(dòng)余熱排出回路內(nèi)會(huì)出現(xiàn)正向流量或反向流量，這2種工況分別定義為正向啟動(dòng)和反向啟動(dòng).在正向啟動(dòng)工況下，開閥時(shí)的啟動(dòng)流量小于平衡流量(qQD＜qPH)，那么界面受到向下的力將小于向上的力，即

因此，界面將在不平衡力的作用下開始向上運(yùn)動(dòng)，非能動(dòng)余熱排出回路內(nèi)工質(zhì)出現(xiàn)正向流動(dòng)，使得上密度鎖內(nèi)界面開始向下移動(dòng)，從而減小了兩界面間的高度差.高度差的減小使得兩回路間的靜壓力減小，反過來又抑制了非能動(dòng)余熱排出回路內(nèi)工質(zhì)的正向流動(dòng)，最終非能動(dòng)余熱排出回路內(nèi)工質(zhì)流量減小為0，最后，在一個(gè)新的位置建立了密度鎖內(nèi)的水力平衡，即

式中:ΔH為界面高度差的改變量，m.

通過式(1)、(4)可以得到

通過上述分析可知，由于密度鎖內(nèi)的水力平衡在一定范圍內(nèi)具有自穩(wěn)定的特性，因此，在開閥時(shí)刻，即使啟動(dòng)流量與平衡流量存在小幅度的偏離，仍不需要外界動(dòng)力的干預(yù)，僅僅依靠密度鎖內(nèi)熱/冷界面位置的改變，便能抑制這種偏離的不斷加強(qiáng)，并很快在密度鎖內(nèi)建立水力平衡.

由于密度鎖內(nèi)達(dá)到水力平衡后，要保證冷熱流體界面位于密度鎖內(nèi)，因此，通過正向啟動(dòng)方法來建立密度鎖內(nèi)水力平衡，其啟動(dòng)流量存在下限值，要保證界面位置的變化不能超出密度鎖，因此其界面位置的變化量與密度鎖的高度有關(guān)系.根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，正向啟動(dòng)的最終水力平衡是通過上密度鎖內(nèi)界面位置的改變來建立的，而下密度鎖內(nèi)界面位置在水力平衡的建立前后基本不變.因此，ΔH應(yīng)為上密度鎖的高度，將其代入式(5)，便可得到實(shí)現(xiàn)正向啟動(dòng)所必需滿足的條件:

式中:HM為上密度鎖的高度，m.

因此，只要啟動(dòng)流量滿足上述條件，那么在反應(yīng)堆啟動(dòng)后，便可以通過正向啟動(dòng)的方法來建立密度鎖內(nèi)的水力平衡，使非能動(dòng)余熱排出回路與主回路之間通過密度鎖相隔離.

4 結(jié)論

結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，可得如下結(jié)論:

1)當(dāng)啟動(dòng)流量與平衡流量偏差較小時(shí)，通過上、下界面位置的微小變化，正向啟動(dòng)可以很快地建立密度鎖內(nèi)的水力平衡;當(dāng)啟動(dòng)流量與平衡流量之間的偏差較大時(shí)，在正向啟動(dòng)初期通過上、下界面位置的變化所建立的水力平衡僅是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)平衡.

2)正向啟動(dòng)時(shí)達(dá)到亞穩(wěn)態(tài)后，下密度鎖內(nèi)的界面無法穩(wěn)定存在于混合段內(nèi)，在上方擾動(dòng)和正向流量的共同作用下，下密度鎖內(nèi)界面最終要回到密度鎖的穩(wěn)定分層段內(nèi).

3)正向啟動(dòng)的最終穩(wěn)態(tài)是通過上密度鎖內(nèi)界面位置變化來實(shí)現(xiàn)的，而下密度鎖內(nèi)界面位置在水力平衡的建立前后基本不變.以此為基礎(chǔ)給出的正向啟動(dòng)條件對(duì)于成功實(shí)現(xiàn)正向啟動(dòng)具有重要意義.

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