先進(jìn)安注箱熱工水力特性研究

茍軍利,單建強(qiáng),胡宏偉,曹建華,沈永剛

(1.西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,710049,西安;2.中科華核電技術(shù)研究院有限公司,518035,廣東深圳)

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先進(jìn)安注箱熱工水力特性研究

茍軍利1,單建強(qiáng)1,胡宏偉1,曹建華2,沈永剛2

(1.西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,710049,西安;2.中科華核電技術(shù)研究院有限公司,518035,廣東深圳)

為了研究先進(jìn)安注箱的熱工水力特性,建立了其數(shù)學(xué)模型,包括基本守恒方程、傳熱模型、傳質(zhì)模型和阻尼器模型。開(kāi)發(fā)了先進(jìn)安注箱計(jì)算模塊,并將其嵌入到RELAP5/MOD3.3程序中。通過(guò)與CFD模擬結(jié)果的比較分析,驗(yàn)證了文中模型和求解方法的合理性。針對(duì)某先進(jìn)安注箱,研究了其熱工水力特性,并開(kāi)展了參數(shù)敏感性分析,結(jié)果表明:各參數(shù)的變化趨勢(shì)合理,先進(jìn)安注箱能實(shí)現(xiàn)從大流量到小流量段的過(guò)渡;小流量階段的出口質(zhì)量流量隨阻尼器直徑的增大而減小;整個(gè)階段的出口質(zhì)量流量隨大流量水體積與氮?dú)怏w積比的增大而減小;當(dāng)立管形阻系數(shù)在一定的變化范圍內(nèi)時(shí),大流量階段的出口質(zhì)量流量隨立管形阻系數(shù)的減小而增大。該研究將為我國(guó)先進(jìn)安注箱的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

先進(jìn)安注箱;熱工水力特性;敏感性分析

當(dāng)壓水堆核電廠發(fā)生大破口失水事故后,安注系統(tǒng)在噴放結(jié)束后分3個(gè)階段向堆芯注水,即再灌水、再淹沒(méi)和長(zhǎng)期冷卻。對(duì)于二代壓水堆核電廠,依靠傳統(tǒng)安注箱滿(mǎn)足再灌水階段的大流量需求,并依靠低壓安注系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足再淹沒(méi)和長(zhǎng)期冷卻階段的小流量需求。能動(dòng)的低壓安注系統(tǒng)需在安注箱注完之后立刻啟動(dòng),以提供所需的安注流量來(lái)保證堆芯再淹沒(méi)。若低壓安注系統(tǒng)不能及時(shí)啟動(dòng),將使堆芯不能被有效冷卻而導(dǎo)致堆芯熔化的嚴(yán)重事故發(fā)生。為此,日本三菱公司為其先進(jìn)壓水堆設(shè)計(jì)了一種可改變注入流量的先進(jìn)安注箱[1-2],即在安注箱內(nèi)設(shè)置了阻尼器(見(jiàn)圖1)。由于阻尼器的存在,先進(jìn)安注箱在大流量注入后過(guò)渡到小流量注入階段,其效果如傳統(tǒng)壓水堆的低壓安注泵投入初期的注射特性。因此,先進(jìn)安注箱不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)安注箱,還可以獲得較長(zhǎng)的寬限時(shí)間以啟動(dòng)低壓安注系統(tǒng),更進(jìn)一步,可能取消低壓安注系統(tǒng)而只保留一套能動(dòng)的安注系統(tǒng)(即高壓安注系統(tǒng)),以完成高壓安注和低壓安注功能。這不僅減少了能動(dòng)安全設(shè)施,使系統(tǒng)簡(jiǎn)化,且避免了人為干預(yù)可能產(chǎn)生的誤操作,提高了安全性。Tadashi等通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了其先進(jìn)性[3-7]。

圖1 傳統(tǒng)安注系統(tǒng)與先進(jìn)安注系統(tǒng)對(duì)比圖

福島核事故引起了全世界對(duì)核電安全的廣泛關(guān)注。CPR1000作為中國(guó)商用壓水堆的主力堆型,屬于二代核電技術(shù),其安全性與三代核電技術(shù)相比還有一定的差距。針對(duì)我國(guó)二代核電廠安全級(jí)冷卻鏈的薄弱點(diǎn),國(guó)家提出了反應(yīng)堆安全級(jí)冷卻鏈改進(jìn)的方向和要求,研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)安注箱是其中的重要組成部分。為了開(kāi)發(fā)用于先進(jìn)安注箱熱工水力特性研究的快速分析工具,本文建立了其熱工水力模型,開(kāi)發(fā)了計(jì)算模塊并將之嵌入到RELAP5/MOD3.3程序。利用該程序?qū)ο冗M(jìn)安注箱的熱工水力特性進(jìn)行了研究,通過(guò)參數(shù)敏感性分析,獲得了主要因素對(duì)安注流量的影響規(guī)律,為先進(jìn)安注箱的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)。

1 先進(jìn)安注箱熱工水力模型

先進(jìn)安注箱工作原理如圖2所示。位于安注箱底部中心位置的阻尼器有兩個(gè)入口,即小流量管和大流量管。小流量管沿阻尼器切線(xiàn)方向接入,大流量管與小流量管成一定夾角接入阻尼器,大流量管的另一端與立管相連。當(dāng)安注箱水位高于立管高度時(shí),立管和小管都有流量注入阻尼器,它們交混后直接流向阻尼器中心,流動(dòng)阻力很小,可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)安注箱的大流量注入。當(dāng)安注箱水位低于立管高度時(shí),立管的流量變?yōu)?,僅小管有流量沿著阻尼器切線(xiàn)方向注入,形成了漩渦,產(chǎn)生很大的流動(dòng)阻力,以小流量模式注人反應(yīng)堆。根據(jù)先進(jìn)安注箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行原理,建立了其熱工水力模型。在建立該熱工水力模型時(shí),將其分為氮?dú)鈪^(qū)和水區(qū),并作了如下假設(shè):①壁面和水等溫;②氮?dú)鉃槔硐霘怏w且比熱容恒定;③忽略混合氣體中水蒸氣的分壓。

圖2 先進(jìn)安注箱的工作原理圖

1.1 氮?dú)鈪^(qū)模型

假設(shè)氮?dú)鈪^(qū)的質(zhì)量保持不變,即

(1)

式中:Mn為氮?dú)獾馁|(zhì)量;C為常數(shù);ρn為氮?dú)獾拿芏?Vn為氮?dú)獾捏w積。

氮?dú)獾哪芰渴睾惴匠虨?/p>

Mn(dUn/dt)=-pn(dVn/dt)+Qn

(2)

式中:Un為氮?dú)鈨?nèi)能;Qn為氮?dú)獾奈鼰崃?右邊第1項(xiàng)為體積變化所作的功。氮?dú)獾奈鼰崃坑上率奖硎?/p>

Qn=h1A1(Tw-Tg)+h2A2(Tf-Tg)+

(3)

式中:右邊第1項(xiàng)為壁面對(duì)氮?dú)獾膶?duì)流換熱;第2項(xiàng)為水面對(duì)氮?dú)獾膶?duì)流換熱;第3項(xiàng)為水蒸發(fā)帶給氮?dú)獾臒崃?第4項(xiàng)為氮?dú)庵兴魵饫淠龓ё叩臒崃?。換熱系數(shù)h1、h2,蒸發(fā)率Mvap和冷凝率mc的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[8]。

1.2 水區(qū)模型

假設(shè)安注箱內(nèi)水是不可壓縮的,沿流線(xiàn)進(jìn)行積分,可得大流量時(shí)立管動(dòng)量方程為

(4)

同理,可得小管內(nèi)流體的動(dòng)量方程

(5)

出口管內(nèi)流體的動(dòng)量方程可表示為

(6)

式中:Δpf為摩擦壓降;Δpz為重力壓降;pe為出口的壓力;pn為氮?dú)獾膲毫?vl為立管的流速;vs為小管的流速。交混壓降Δpj和漩渦壓降Δpv分別由式(7)和式(8)計(jì)算[8]

(b/B′)2(m(B/b)+1)2/Cc]

(7)

(8)

式中:m=vl/vs;其他參數(shù)如圖3所示。

圖3 阻尼器參數(shù)圖

2 模型求解及驗(yàn)證

為了開(kāi)發(fā)適合于RELAP5/MOD3.3程序的先進(jìn)安注箱模塊,需采用合適的數(shù)值方法對(duì)上述模型進(jìn)行求解。本文基于半隱方法對(duì)上述模型進(jìn)行離散,獲得了便于數(shù)值計(jì)算的離散形式,采用高斯賽德?tīng)柕蠼猥@得氮?dú)鈮毫?、溫?立管水位、流速、壓力和安注箱出口質(zhì)量流量等主要參數(shù)[8],并將開(kāi)發(fā)的計(jì)算模塊嵌入RELAP5/MOD3.3程序,改進(jìn)后的程序與先進(jìn)安注箱模塊間的調(diào)用關(guān)系如圖4所示。

圖4 RELAP5/MOD3.3中先進(jìn)安注箱解法流程圖

由于我國(guó)先進(jìn)安注箱的實(shí)驗(yàn)研究正處于準(zhǔn)備階段,而國(guó)外的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有公開(kāi),為了初步驗(yàn)證模型及其求解方法的合理性,本文將模型計(jì)算結(jié)果與中科華核電技術(shù)研究院提供的先進(jìn)安注箱縮比模型(1/2模型)的CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較[9]。如圖5所示,RELAP5和CFD模擬的出口體積流量Q基本一致,從定性上驗(yàn)證了本文建立的模型及其求解方法的正確性和合理性。

圖5 CFD模型和RELAP5模型的對(duì)比

3 先進(jìn)安注箱熱工水力特性研究

表1給出了某先進(jìn)安注箱初步設(shè)計(jì)參數(shù)。先進(jìn)安注箱內(nèi)初始?jí)毫?.4 MPa、初始溫度為313.15 K、出口壓力設(shè)為0.1 MPa?；诖藚?shù),開(kāi)展了先進(jìn)安注箱的熱工水力特性分析。

表1 先進(jìn)安注箱的幾何參數(shù)

圖6 先進(jìn)安注箱出口質(zhì)量流量和阻尼器壓降特性

圖7 阻尼器壓降流量特性曲線(xiàn)

如圖8所示,當(dāng)安注箱啟動(dòng)后,由于初始氮?dú)怏w積較小,隨著安注箱內(nèi)流體的快速流出,氮?dú)怏w積迅速擴(kuò)大,從而導(dǎo)致氮?dú)鈮毫ρ杆俳档?壓力下降的同時(shí)導(dǎo)致出口流量減小,尤其是阻尼器啟動(dòng)后流量更小。這又使得氮?dú)怏w積變化率減小,壓力開(kāi)始緩慢下降,其中36 s后有一個(gè)壓力上升的趨勢(shì),原因是氮?dú)鉁囟然厣隆?/p>

由于初始階段壓力變化很大,氮?dú)怏w積擴(kuò)大對(duì)外做功大于由于傳熱而吸收的熱量,從而導(dǎo)致氮?dú)鈨?nèi)能減小,氮?dú)鉁囟萒n下降,而隨著流量的減小,氮?dú)獾膲毫ψ兓蕼p小,壁面和水面對(duì)氮?dú)獾膫鳠峥梢詮浹a(bǔ)氮?dú)怏w積擴(kuò)大對(duì)外做的功,此時(shí)氮?dú)獾臏囟葘?huì)上升,最后接近壁面和水面的溫度。

在大流量階段,安注箱水位高于立管高度,所以立管水位Hlw一直是6 m。當(dāng)水位降到立管高度時(shí),大管內(nèi)的水由于慣性會(huì)導(dǎo)致水位急劇下降,但是安注箱內(nèi)氮?dú)獾膲毫εc阻尼器中交混點(diǎn)的壓力差值會(huì)使立管水位回升,最終達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。

圖8 先進(jìn)安注箱內(nèi)氮?dú)鈮毫Α囟群土⒐芩蛔兓?/p>

4 參數(shù)敏感性分析

4.1 阻尼器直徑對(duì)安注箱特性的影響

如圖9所示,在大流量階段不同阻尼器直徑下先進(jìn)安注箱的出口質(zhì)量流量基本不變,但小流量階段的流量隨著阻尼器直徑的增大而減小。其原因主要在于:整個(gè)階段氮?dú)獾膲毫ψ兓闆r基本一樣,在大流量階段不同阻尼器直徑下交混壓降基本相同,漩渦壓降都為0,所以該階段的流量一樣;在小流量階段,不同阻尼器直徑下的漩渦壓降差別很大,從而導(dǎo)致該階段的流量差別也很大。

(a)質(zhì)量流量和氮?dú)鈮毫?/p>

(b)交混壓降和漩渦壓降圖9 阻尼器直徑對(duì)安注箱特性的影響

4.2 大流量水體積與氮?dú)怏w積比對(duì)安注箱特性的影響

如圖10所示,整個(gè)階段的出口質(zhì)量流量隨著初始體積比Vr的減小而增大,其中對(duì)大流量階段的影響較大,而對(duì)小流量階段的影響較小。其原因在于:初始體積比越小,氮?dú)獾捏w積變化率越小,氮?dú)鈮毫ψ兓试叫?則壓頭越大;在大流量階段,漩渦壓降為0,交混壓降的影響遠(yuǎn)小于壓頭的影響,所以該階段出口質(zhì)量流量都較大,且初始體積比越小流量越大;在小流量階段,交混壓降為0,氮?dú)鈮毫Φ南陆祲侯^減小,且壓頭越大時(shí)漩渦壓降也越大,所以體積比對(duì)小流量階段的影響較小。

(a)質(zhì)量流量和氮?dú)鈮毫?/p>

(b)交混壓降和漩渦壓降圖10 大流量水體積與氮?dú)怏w積比對(duì)安注箱特性的影響

4.3 立管形阻系數(shù)對(duì)安注箱特性的影響

如圖11所示,當(dāng)立管形阻系數(shù)Kl在一定的變化范圍內(nèi)時(shí),大流量階段先進(jìn)安注箱的出口質(zhì)量流量隨著立管形阻系數(shù)的減小而增大,小流量階段先進(jìn)安注箱的出口質(zhì)量流量基本一致。其原因在于:整個(gè)階段氮?dú)獾膲毫ψ兓闆r基本一樣,

在小流量

(a)質(zhì)量流量和氮?dú)鈮毫?/p>

(b)交混壓降和漩渦壓降圖11 立管形阻系數(shù)對(duì)安注箱特性的影響

階段,不同立管形阻系數(shù)下漩渦壓降基本相同,交混壓降都為0,所以這個(gè)階段的質(zhì)量流量一樣;在大流量階段,立管形阻系數(shù)越小,交混后的流體速度方向更加接近阻尼器中心,所以產(chǎn)生的漩渦壓降越小,同時(shí)交混壓降差別不大,從而導(dǎo)致大流量階段的質(zhì)量流量越大。當(dāng)立管形阻系數(shù)為1.2時(shí),交混后的流體速度方向直接指向阻尼器中心,漩渦壓降為0,大流量階段的質(zhì)量流量也達(dá)到最大。

5 結(jié) 論

本文建立了先進(jìn)安注箱的熱工水力模型,開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算模塊,并將其嵌入到RELAP5/MOD3.3程序中。通過(guò)與中科華核電技術(shù)研究院的CFD模擬結(jié)果的分析比較,驗(yàn)證了該模型和求解方法的正確性與合理性。其次,采用修改后的RELAP5/MOD3.3程序?qū)ο冗M(jìn)安注箱的熱工水力特性進(jìn)行了分析研究,獲得了安注箱壓力、溫度,立管水位,出口質(zhì)量流量等參數(shù)的變化特性,以及大流量到小流量的轉(zhuǎn)換過(guò)程。最后,開(kāi)展了參數(shù)敏感性分析,獲得了影響先進(jìn)安注箱流量大小的主要因素,所得結(jié)論如下。

(1)小流量階段出口質(zhì)量流量隨阻尼器直徑的增大而減小。

(2)整個(gè)階段的出口質(zhì)量流量隨大流量水體積與氮?dú)怏w積比的增大而減小。

(3)立管形阻系數(shù)在一定的變化范圍內(nèi)時(shí),大流量階段出口質(zhì)量流量隨立管形阻系數(shù)的減小而增大。

本研究開(kāi)發(fā)了用于我國(guó)先進(jìn)安注箱熱工水力特性研究的快速分析工具,研究成果將為我國(guó)先進(jìn)安注箱的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

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(編輯 荊樹(shù)蓉)

Investigation on the Thermalhydraulic Characteristics of Advanced Accumulation Tank

GOU Junli1,SHAN Jianqiang1,HU Hongwei1,CAO Jianhua2,SHEN Yonggang2

(1. School of Nuclear Science and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen, Guangdong 518035, China)

To investigate the thermalhydraulic characteristics of advanced accumulation tank, the mathematical models, including the conservation equations, heat transfer model, mass transfer model and the damper model, are established. The calculation module of advanced accumulation tank is developed and embedded into the RELAP5/MOD3.3 code. By comparing the simulation results of the modified RELAP5 with those of a CFD analysis, the rationality of the models and solution methods is validated. The thermalhydraulic characteristics and the parameter sensitivity analyses of an advanced accumulation tank are performed with the modified code. It is found that the parameter variation trends are reasonable and the transition from large flow phase to small flow phase can be achieved by the advanced accumulation tank; large damper diameter leads to a small exit mass flow rate in the small flow phase; a small initial volume ratio of water to nitrogen leads to a large exit mass flow rate; and a large form loss coefficient of the stand pipe may result in a small exit mass flow rate in the large flow phase when the form loss coefficient varies in a certain range. The present study could provide a theoretical basis for the design and experimental investigation on the advanced accumulation tank.

advanced accumulation tank; thermalhydraulic characteristics; sensitivity analysis

時(shí)間:2015-08-25

10.7652/xjtuxb201511019

TL33

A

0253-987X(2015)11-0116-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150825.1753.008.html