非能動(dòng)余熱排出換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王 盟，陳 薇，呂焱燊

（1．國(guó)核（北京）科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100029；

2．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第703研究所，黑龍江哈爾濱 150036）

非能動(dòng)余熱排出換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王 盟1，陳 薇1，呂焱燊2

（1．國(guó)核（北京）科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100029；

2．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第703研究所，黑龍江哈爾濱 150036）

以CFX為工具，對(duì)AP1000非能動(dòng)余熱排出換熱器的管束結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，分析了管束結(jié)構(gòu)對(duì)非能動(dòng)余熱排出換熱器性能的影響。研究結(jié)果表明，在單相自然對(duì)流和輕度沸騰區(qū)，管束三角形排布時(shí)的換熱系數(shù)明顯優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)計(jì)，換熱能力隨著節(jié)距的減小而增強(qiáng)。為確保飽和沸騰區(qū)的換熱性能，便于飽和沸騰區(qū)氣泡自加熱面的逸離，節(jié)距應(yīng)不小于1．5do。

AP1000；非能動(dòng)余熱排出熱交換器；管束排列；節(jié)距

非能動(dòng)安全是第三代核電技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，非能動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用可有效降低堆芯熔毀概率，提高核電系統(tǒng)的安全性，同時(shí)避免因設(shè)備冗余而造成的成本增加。非能動(dòng)余熱排出換熱器（PRHR－HX）［1］是一回路非能動(dòng)冷卻的關(guān)鍵設(shè)備，其換熱性能的優(yōu)略直接影響該設(shè)備的大小和系統(tǒng)的布置。隨著核電廠功率的放大，PRHR－HX也隨之加大，這給加工、吊裝和現(xiàn)場(chǎng)布置帶來(lái)一定的不便。隨著多功能小型堆的發(fā)展，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)更為緊湊的PRHR－HX對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)布置具有重要的工程意義。

薛若軍等［2－5］研究了殼側(cè)流體的單相自然循環(huán)，有關(guān)管束結(jié)構(gòu)對(duì)自然循環(huán)換熱器特性影響的研究較少，目前僅停留在概念性改進(jìn)上［6－7］。PRHR－HX殼側(cè)流動(dòng)較為復(fù)雜，本工作借助CFD技術(shù)研究AP1000核電廠中管束排布方式和節(jié)距對(duì)換熱性能的影響。相關(guān)研究可為PRHR－HX結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 AP1000 PRHR－HX典型特征

1．1 PRHR－HX結(jié)構(gòu)及布置

圖1示出AP1000核電廠PRHR－HX的結(jié)構(gòu)及其在內(nèi)置換料水箱（IRWST）中的布置示意圖。從圖1可清楚地看出，PRHR－HX與傳統(tǒng)換熱器有著顯著不同，主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：1）結(jié)構(gòu)上換熱管束由多組長(zhǎng)度不等的C形管組成；2）換熱器沒(méi)有傳統(tǒng)的殼側(cè)，管束整體浸沒(méi)于IRWST中；3）換熱器不設(shè)折流板，豎直段沒(méi)有常規(guī)換熱器的橫向沖刷；4）換熱器在運(yùn)行過(guò)程中，管外側(cè)依次經(jīng)歷單相和兩相換熱，運(yùn)行工況較為復(fù)雜；5）由于換熱器整體浸沒(méi)于IRWST中，管外流體依靠自然循環(huán)與管壁換熱，管外流場(chǎng)和溫度場(chǎng)存在一定的不對(duì)稱性。

1．2 PRHR－HX運(yùn)行特性

PRHR－HX在設(shè)計(jì)上能帶走足夠的熱量，在喪失主給水或主給水管線破裂時(shí)，通過(guò)該系統(tǒng)的投入和蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的冷卻，可延緩或避免穩(wěn)壓器安全閥的開(kāi)啟。在熱工設(shè)計(jì)上，一次側(cè)進(jìn)、出口設(shè)計(jì)溫度分別為297．2℃和92．8℃，殼側(cè)設(shè)計(jì)溫度為48．9℃，在運(yùn)行時(shí)殼側(cè)將經(jīng)歷高換熱溫差、低換熱系數(shù)和低換熱溫差、高換熱系數(shù)的換熱進(jìn)程。

針對(duì)AP1000非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)，文獻(xiàn)［8］應(yīng)用系統(tǒng)程序進(jìn)行了一些研究。圖2示出全廠斷電事故下?lián)Q熱器進(jìn)、出口溫度及換料水箱平均溫度隨時(shí)間的變化。從圖2可看出：從系統(tǒng)啟動(dòng)至換料水箱達(dá)到飽和溫度，換熱溫差變化不大，在啟動(dòng)階段換熱溫差稍大，但此時(shí)換熱處于單相自然對(duì)流階段，換熱系數(shù)約為沸騰換熱的1／7～1／5。因此，制約換熱器大小的關(guān)鍵在于單相段，提高該區(qū)段的換熱強(qiáng)度具有現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于C型換熱器的水平段，因有很強(qiáng)的橫向沖刷，其換熱效果較好。而豎直管段沒(méi)有顯著的橫流現(xiàn)象，目前主要依靠圍板的煙囪效應(yīng)來(lái)增強(qiáng)換熱。為提高單相區(qū)的換熱能力，本文研究管束排布方式和節(jié)距對(duì)換熱性能的影響，為PRHR－HX結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 PRHR－HX結(jié)構(gòu)（a）及布置（b）Fig．1 Structure（a）and arrangement（b）of PRHR－HX

圖2 PRHR－HX運(yùn)行特性Fig．2 Operating behavior of PRHR－HX

2 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱性能的影響

管束排列方式和節(jié)距直接影響著換熱器的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行PRHR－HX設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性分析時(shí)，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱性能的影響進(jìn)行分析，且要考慮管側(cè)依次經(jīng)歷單相對(duì)流和沸騰換熱，換熱器結(jié)構(gòu)應(yīng)在單相段和沸騰換熱區(qū)段均表現(xiàn)出良好的運(yùn)行特性。

2．1 管束排列方式

管束排列方式主要有4種，如圖3所示。其中，三角形排列應(yīng)用最普遍，因?yàn)楣荛g距相等，所以在同一管板面積上可排列最多的管子，且便于管板的劃線和鉆孔。但三角形排布的管間不易清洗，TEMA標(biāo)準(zhǔn)［9］規(guī)定，殼程需要機(jī)械清洗時(shí)，不得采用三角形排列形式。殼程需要機(jī)械清洗時(shí)一般采用正方形排列，管間通道沿整個(gè)管束應(yīng)是連續(xù)的，且要保證6mm的清洗通道。

圖3 管束排列方式Fig．3 Arrangement of tube bundle

圖4 管束排列方式的分析模型Fig．4 Analysis model of tube bundle arrangement

表1 計(jì)算模型參數(shù)Table 1 Parameters of calculation model

對(duì)于橫向沖刷流動(dòng)，在折流板間距相同的情況下，三角形和正方形兩種排列方式的流通截面要比轉(zhuǎn)角三角形和轉(zhuǎn)角正方形的小，有利于提高流速，更為合理一些。PRHR－HX沒(méi)有嚴(yán)格意義上的殼側(cè)，不需機(jī)械清洗，且流動(dòng)主要以豎直流動(dòng)為主，橫流不太顯著，這些標(biāo)準(zhǔn)不適宜直接應(yīng)用于PRHR－HX的設(shè)計(jì)。

2．2 管束排列方式對(duì)換熱的影響

為研究管束排列方式對(duì)換熱的影響，建立了圖4所示的分析模型，相關(guān)參數(shù)列于表1。

圖5示出管束截面的速度分布。由圖5可見(jiàn)，相比AP1000原有設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但軸向速度高于原有設(shè)計(jì)，且具有較為強(qiáng)烈的橫向交混，使得單相對(duì)流換熱得到增強(qiáng)。

圖6示出管束布置對(duì)換熱的影響。由圖6可見(jiàn)，相比AP1000原有設(shè)計(jì)，初始時(shí)刻改進(jìn)設(shè)計(jì)的平均換熱系數(shù)可提高7．5%，一旦建立穩(wěn)定的自然循環(huán)，改進(jìn)設(shè)計(jì)的換熱系數(shù)可提高10%以上；進(jìn)入沸騰階段，換熱曲線波動(dòng)較大，隨著向飽和沸騰遷移，增幅逐漸降低，但整體優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)計(jì)。

CAP1400和CAP1700的熱功率較AP1000分別提高了18．8%和47%，如果選用改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，可有效減少換熱面積的增幅，進(jìn)而控制PRHR－HX的重量和體積。從安全角度分析，換熱面積的減小，可減少傳熱管根數(shù)，在一定程度上降低了傳熱管破口事故發(fā)生的概率。

2．3 節(jié)距對(duì)換熱的影響

圖5 管束截面的速度分布Fig．5 Velocity distribution of cross section for tube bundle

圖6 管束布置對(duì)換熱的影響Fig．6 Effect of bundle arrangement on heat exchange

TEMA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定換熱管中心距（節(jié)距）最小應(yīng)為1．25do，當(dāng)殼程用于蒸發(fā)過(guò)程時(shí)，為使氣相更好的逸出，節(jié)距可加大到1．4do。在換熱器設(shè)計(jì)上，三角形排布應(yīng)用最多，但相關(guān)研究大部分是基于強(qiáng)迫對(duì)流工況，對(duì)自然對(duì)流的研究較少。

圖7示出節(jié)距對(duì)換熱性能的影響。由圖7可見(jiàn)：在單相區(qū)節(jié)距越小換熱性能越好；在沸騰區(qū)節(jié)距對(duì)換熱性能的影響不大，1．5do結(jié)構(gòu)稍占優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)樗剡€未進(jìn)入飽和沸騰，單相對(duì)流和沸騰換熱同時(shí)存在，小節(jié)距使得管束更加緊密，通道內(nèi)的流體溫度升高，拉大了冷熱區(qū)的溫度差，強(qiáng)化了自然循環(huán)能力，進(jìn)而增強(qiáng)了管束的換熱性能。

目前AP1000PRHR－HX豎直段為2．0do× 4．0do的矩形排布。在豎直段，由于橫向距離較大，管束排列方式原則上將屬于列管排布，但又具有一定的管束效應(yīng)，其節(jié)距的選擇還需更為深入的研究，使得換熱器的設(shè)計(jì)更加合理。

圖7 節(jié)距對(duì)換熱性能的影響Fig．7 Effect of pitch on heat exchange

3 結(jié)論

1）對(duì)于浸沒(méi)式換熱器，管束排列方式對(duì)換熱影響較大，在單相和輕度沸騰區(qū)，三角形排列方式整體優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)計(jì)；

2）C型換熱器水平段有較強(qiáng)的橫向沖刷，換熱效果很好，對(duì)于豎直段采用三角形排布來(lái)提高單相和輕度沸騰區(qū)的換熱性能，選擇稍大的節(jié)距可避免飽和沸騰區(qū)因氣泡聚集而造成換熱能力下降；

3）AP1000蒸汽發(fā)生器二次側(cè)為飽和沸騰，換熱管材料、結(jié)構(gòu)尺寸與PRHR－HX一致，運(yùn)行工況也與PRHR－HX相似，目前AP1000蒸汽發(fā)生器采用的是三角形布置，具有一定的工程參考依據(jù)。

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Research on Optimal Design of Passive Residual Heat Removal Heat Exchanger

WANG Meng1，CHEN Wei1，LV Yan－shen2
（1．State Nuclear Power Research Institute，Beijing100029，China；
2．The 703th Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Harbin150036，China）

The tube bundle structure of AP1000’s passive residual heat removal heat exchanger（PRHR－HX）was improved base on the CFX software and the influence of tube bundle structure on the performance of PRHR－HX was also analyzed．The results show that in the region of single－phase natural convection and mild boiling，the heat transfer coefficient of triangle bundle arrangement is widely superior to the existing design and the capability increases with the decrease of pitch size．To ensure the heat transfer performance in the boiling zone，the pitch size should not be less than 1．5do，so that the bubbles can easily escape from the heating surface．

AP1000；passive residual heat removal heat exchanger；tube bundle arrangement；pitch

TL353

：A

：1000－6931（2015）03－0455－05

10．7538／yzk．2015．49．03．0455

2013－12－06；

2014－01－26

王 盟（1986—），男（蒙古族），內(nèi)蒙古通遼人，助理工程師，從事反應(yīng)堆熱工水力研究