AP1000冷卻劑回路主管道流場分析

夏 栓，徐 臻

（上海核工程研究設(shè)計院，上海 200235）

1 引言

1.1 AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)

AP1000反應(yīng)堆和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）設(shè)計采用成熟技術(shù)，但由于非能動設(shè)計理念的引入和屏蔽式冷卻劑泵的采用，使得其設(shè)計與傳統(tǒng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的設(shè)計又有很大的不同。

AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（見圖1）有兩條環(huán)路，每條環(huán)路由一條熱段主管道和兩條冷段主管道、一臺蒸汽發(fā)生器以及與之直接相連的兩臺反應(yīng)堆冷卻劑屏蔽泵組成。RCS還包括一臺反應(yīng)堆壓力容器、一臺穩(wěn)壓器、自動卸壓系統(tǒng)和反應(yīng)堆壓力容器頂蓋放氣系統(tǒng)。RCS的所有設(shè)備都布置在反應(yīng)堆安全殼內(nèi)。

兩臺蒸汽發(fā)生器對稱布置，系統(tǒng)管路由兩個主冷卻劑環(huán)路構(gòu)成。每個環(huán)路的冷段完全相同，并采用了大半徑彎管使管路流動阻力降低，并為調(diào)節(jié)冷熱管不同的膨脹率提供柔韌性。管子整體鍛造、消除焊縫，既降低成本，也減少在役檢查的工作量。管路結(jié)構(gòu)和材料的選擇顯著降低了管子的應(yīng)力。

主泵采用屏蔽式泵，電機與水泵共用一根轉(zhuǎn)動軸，其間沒有聯(lián)軸器，所有轉(zhuǎn)動部件均被包容在與主回路冷卻劑相連通的承壓殼中。由于屏蔽泵沒有軸封，使主回路成為一個“封閉的”系統(tǒng)，傳統(tǒng)壓水堆核電廠中的軸封LOCA事件在AP1000設(shè)計中不會發(fā)生。另外，主泵直接安裝在蒸汽發(fā)生器下封頭上，可使泵與蒸汽發(fā)生器采用同一個支撐，大大簡化了支撐系統(tǒng)。

綜上所述，AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)采用了簡化、安全和緊湊布置的設(shè)計，冷卻劑壓力邊界相對于傳統(tǒng)壓水堆核電廠有所簡化，壓力邊界的完整性比傳統(tǒng)設(shè)計更加可靠。

圖1 AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)Fig.1 AP1000 reactor coolant system

1.2 主管道設(shè)計相關(guān)問題及其分析方法

（1）主管道阻力

AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)計算書中給出的反應(yīng)堆冷卻劑主管道的阻力值，是在采用和AP600主管道相同阻力系數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)流量的平方比得到的。該計算方法明顯是錯誤的，因為AP600與AP1000的主管道無論是長度還是彎管的角度都完全不同。后續(xù)又采用經(jīng)典流體力學(xué)公式和FLOWMASTER一維流體分析軟件計算了主管道的阻力，但由于主管道管徑很大，計算阻力值還應(yīng)采用其他方法核算。

對比可知，各種分析方法得到的結(jié)果有一定差距。另外，以上各種計算方法均未考慮主管道上各種接管嘴以及儀表測量元件的影響。因此，考慮采用三維流體分析軟件FLUENT對主管道內(nèi)的流場進(jìn)行分析，除了可以得到主管道的流動阻力外，還可以觀察儀表測量元件、噴霧勺形件等的沖刷情況。

（2）彎管流量計放置位置

AP1000項目某設(shè)計變更單中描述：熱段管道彎管流量計上部兩個管嘴的夾角原本為15°，但由于ADS第四級接管嘴和RNS接管嘴的影響，使得該角度下彎管流量計接管嘴處的湍流強度很高，影響彎管流量計的測量精度，將這兩個管嘴的夾角改為30°。具體修改如圖2所示。

為了驗證該改單，考慮采用F L U E N T對AP1000熱段管道內(nèi)的流場進(jìn)行分析。

圖2 AP1000彎管流量計接管嘴修改Fig.2 Change of nozzle of AP1000 elbow flow rate instrument

2 計算分析

2.1 控制方程

控制方程包括質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，具體公式參見相關(guān)文獻(xiàn)。

2.2 湍流模型

FLUENT中采用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)模型和RNG模型，具體公式參見相關(guān)文獻(xiàn)。

3 AP1000主管道流場分析

3.1 邊界條件分析模型建立和邊界條件

以AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主管道設(shè)計圖紙為設(shè)計輸入，建立冷段和熱段幾何模型，包括管道和主要的管嘴以及儀表測量元件等。

模型建立完畢后，采用四面體和六面體網(wǎng)格對整個模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并定義邊界條件，具體如下：

進(jìn)口：速度入口，冷段入口為20.27 m/s，熱段為23.15 m/s。

出口：壓力出口，假定為-500 Pa（假定環(huán)境壓力為0 Pa）。

噴霧管嘴出口：壓力出口，假定為-500 Pa。

固壁邊界條件：由于正常運行狀態(tài)下ADS和RNS接管嘴無流量，因此將ADS接管嘴和RNS接管嘴出口處設(shè)為固體壁面。

3.2 計算結(jié)果及分析

（1）主管道阻力

通過計算主管道進(jìn)出口表面總壓的平均值的差，可以獲得AP1000主管道CFD計算阻力值。

由于環(huán)路1和環(huán)路2主管道的管嘴配置和測量元件有所不同，且模型網(wǎng)格劃分時由于模型不同導(dǎo)致網(wǎng)格也有所不同。因此，對于冷段和熱段的壓降，可取兩個環(huán)路的平均值作為整個系統(tǒng)壓力損失的計算值。該值與前述AP1000計算書中給出的值相差不大，但由于AP1000計算書中的計算方法明顯錯誤，因此只是巧合。我們在技術(shù)轉(zhuǎn)讓過程中已經(jīng)向西屋公司反映了該問題，并得到了西屋公司的認(rèn)同。

（2）管道內(nèi)流場及彎管流量計位置分析

通過觀察4個模型的流場情況可知：

1）穩(wěn)壓器噴霧接管和CMT入口管接管對管道內(nèi)流場的影響主要在直管段部分，且影響不大。

圖3 熱段流量計截面靜壓云圖Fig.3 Flow measuring instrument cross section static pressure contours of the hot leg

2）熱段插入式測溫元件雖然很多，但對流場影響不大。

3）接管嘴處均存在著漩渦，流場復(fù)雜。

4）大口徑管嘴對管道的流場影響較大。

由于彎管流量計未插入管道內(nèi)流場，因此僅需要考慮壁面附近的湍流強度的影響。通過觀察可知，環(huán)路1熱段彎管流量計所在截面的湍流強度是均一的，有利于彎管流量計的測量。對于環(huán)路2熱段彎管流量計所在截面的壁面處，豎直中心線附近15°處的值比30°處的值要大。

通過讀取數(shù)據(jù)，15°處壁面的湍流強度值為1.49 m2/s2，而30°處壁面的湍流強度值為1.06 m2/s2。將彎管流量計相對中心線的夾角由15°改為30°可以使湍流強度減小30%，這對彎管流量計的測量是很有好處的。該分析結(jié)果與改單的描述是一致的，因此該改進(jìn)是可行的且有利于提高彎管流量計的測量精度。

另外，由于彎管流量計需要依靠管道頂部和底部管嘴間的凈壓差作為計算流量的輸入，因此頂部流量計位置的壓力應(yīng)該盡量低。彎管流量計所在位置截面的靜壓云圖分布如圖3所示。

由圖3可知，若頂部的流量計管嘴位于偏離豎直中心線30°位置，其靜壓相對偏離中心線15°位置差別不大，是可以接受的。

4 結(jié)論

通過采用FLUENT對AP1000反應(yīng)堆冷卻劑主管道的流場進(jìn)行分析，得到了主管道內(nèi)部的速度、壓力和湍流強度分布，可以為工藝設(shè)計、儀表設(shè)計以及力學(xué)設(shè)計提供設(shè)計輸入和支持。本文對于AP1000主管道設(shè)計的指導(dǎo)意義如下。

4.1 主管道的流動阻力

將CFD計算的阻力結(jié)果與各種計算方法的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 AP1000主管道阻力計算值對比Table 1 Comparison of AP1000 reactor coolant pipe flow resistance calculation values

通過對比可知，CFD計算相對其他計算方法的計算結(jié)果偏小，原因是CFD計算較為精確，而其他計算方法（如公式計算）考慮了大量的經(jīng)驗公式和保守假設(shè)。因此，在要求精確主管道阻力值的情況下，推薦采用CFD計算得到的結(jié)果，而在需要進(jìn)行保守計算的場合，推薦采用流體力學(xué)公式計算得到的值。

4.2 彎管流量計接管嘴方位

根據(jù)上文分析，將AP1000熱段彎管流量計管道上部的管嘴設(shè)置在偏離豎直方向30°處，可以有效減少管嘴處的湍流強度，提高流量測量的準(zhǔn)確性。而且根據(jù)截面的壓力變化情況可知，該處的壓力相對15°處的壓力變化不大，是可以接受的位置。因此，在審查改單的過程中，我們接受了該改動。在AP1000后續(xù)項目中，主管道的外形尺寸有可能改變，將采用同樣的方法來確定彎管流量計接管嘴的位置。

[1] 孫漢虹. 第三代核電技術(shù)AP1000[M]. 北京：中國電力出版社，2010.（SUN Han-hong. The Third Generation Nuclear Power Technology AP1000 [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010.）