水壓驅(qū)動控制棒減速性能研究

秦本科，許星星，薄涵亮，宋 威

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

水壓驅(qū)動控制棒減速性能研究

秦本科，許星星，薄涵亮，宋 威

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

控制棒水壓驅(qū)動線是一種新型的內(nèi)置式控制棒驅(qū)動技術(shù)，控制棒水力減速裝置是水壓驅(qū)動線的關(guān)鍵部件之一，通過水力減速片和減速筒體的配合對控制棒進(jìn)行減速，降低快速落棒末端的沖擊速度，避免控制棒的變形和損壞。完成了水壓驅(qū)動線快速落棒減速實(shí)驗(yàn)，對減速過程機(jī)理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上建立了水壓驅(qū)動線快速落棒減速理論模型，理論模型的求解結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好，從而驗(yàn)證了理論模型的正確性。通過該模型對熱態(tài)工況下水壓驅(qū)動線的快速落棒性能進(jìn)行了分析，為控制棒水壓驅(qū)動線減速環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

控制棒水壓驅(qū)動線；快速落棒；控制棒水力減速裝置；減速片

控制棒水壓驅(qū)動線是清華大學(xué)為低溫核供熱堆發(fā)明的一種新型的內(nèi)置式控制棒驅(qū)動技術(shù)［1］，該驅(qū)動技術(shù)是在5MW核供熱堆控制棒水力驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合商用壓水堆磁力提升器的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展而來的?？刂瓢羲畨候?qū)動線通過快速落棒實(shí)現(xiàn)停堆功能，以滿足反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性和可靠性要求?？刂瓢羲p速環(huán)節(jié)是水壓驅(qū)動線的關(guān)鍵部件之一，在滿足快速落棒時間的前提下，利用水力學(xué)原理對控制棒快速落棒過程進(jìn)行減速，以降低快速落棒末端的沖擊速度，避免控制棒的變形和損壞。

不同的堆型具有不同的控制棒減速方式。在快速落棒過程中，商用壓水堆通過控制棒導(dǎo)向管上的流動阻力環(huán)節(jié)對控制棒進(jìn)行減速［2］；高溫氣冷堆利用渦流限速器將控制棒下落的部分動能轉(zhuǎn)化為電磁能和熱能，實(shí)現(xiàn)控制棒減速［3］；沸水堆通過蝶形減速裝置對控制棒快速落棒過程進(jìn)行減速［4］。本文中應(yīng)用于控制棒水壓驅(qū)動線的水力減速環(huán)節(jié)是在對常見堆型控制棒落棒減速裝置深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合低溫核供熱堆的特點(diǎn)提出的，作為一種新的控制棒減速裝置，為獲得控制棒水力減速環(huán)節(jié)的關(guān)鍵性能參數(shù)，需對其減速過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論研究，該研究也為水力減速環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 水壓驅(qū)動線減速環(huán)節(jié)

圖1 控制棒水壓驅(qū)動線示意圖Fig.1 Scheme of CRHDL

圖1為控制棒水壓驅(qū)動線示意圖。通過控制棒水壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制棒的步升、步降、保持和快速落棒功能。水力減速箱內(nèi)設(shè)置彈簧吸能裝置，控制棒處于堆底零位時，彈簧處于自由伸展?fàn)顟B(tài)，隨著控制棒步升過程的進(jìn)行，其上部驅(qū)動軸頂端壓縮減速箱內(nèi)的彈簧，蓄積彈性勢能，當(dāng)控制棒運(yùn)動到頂端時，彈簧到達(dá)最大壓縮量。此時，開始快速落棒過程，驅(qū)動機(jī)構(gòu)銷爪松開，控制棒在彈簧力和重力的作用下快速插入堆芯，撞擊驅(qū)動線底部水力緩沖器，并最終穩(wěn)定在堆底零位，完成快速落棒過程。

水力減速裝置由減速箱和水力減速片構(gòu)成，水力減速箱為柱狀筒體，控制棒驅(qū)動軸與水力減速片連接，在快速落棒過程中，水力減速片將減速箱內(nèi)的水通過減速片與箱體內(nèi)壁間隙以及下部控制棒驅(qū)動軸入口處壓出，由于以上兩處的流動阻力和水的可壓縮性，使減速箱中水的壓力升高，減速片上、下兩側(cè)的差壓使控制棒在快速落棒過程中的速度降低。

圖2 控制棒水力減速性能實(shí)驗(yàn)回路示意圖Fig.2 Scheme of hydraulic decelerating performance experiment for control rod

2 控制棒水力減速實(shí)驗(yàn)

為獲得控制棒水力減速裝置的性能參數(shù)，進(jìn)行了水力減速實(shí)驗(yàn)［5］，實(shí)驗(yàn)臺架如圖2所示，實(shí)驗(yàn)臺架由水箱、循環(huán)泵、組合閥、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制棒、水力緩沖器和實(shí)驗(yàn)測量控制系統(tǒng)等組成，回路流程如下：水箱內(nèi)的水經(jīng)循環(huán)泵加壓后一部分經(jīng)過旁路流回水箱，另一部分進(jìn)入組合閥，通過操作組合閥控制進(jìn)入驅(qū)動機(jī)構(gòu)的脈沖水流，帶動驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作，使驅(qū)動軸上下進(jìn)行步進(jìn)式運(yùn)動，從而帶動控制棒運(yùn)動實(shí)現(xiàn)步升、步降和快速落棒的功能。實(shí)驗(yàn)本體頂端設(shè)置有光柵位移傳感器，其測量游標(biāo)與控制棒同步運(yùn)動，用于獲得控制棒的落棒位移曲線，位移數(shù)據(jù)測量精度為±0.025mm。

實(shí)驗(yàn)中通過水壓驅(qū)動線將控制棒提升至指定棒位，啟動棒位測量采集系統(tǒng)，觸發(fā)自動控制系統(tǒng)“快速落棒”指令，執(zhí)行控制棒快速落棒操作。通過光柵線位移傳感器獲得控制棒快速落棒位移曲線。設(shè)置減速裝置前后控制棒快速落棒位移曲線對比如圖3所示，其中，控制棒行程頂端為位移0點(diǎn)，向上為位移正方向?？煽闯?，設(shè)置減速裝置后，快速落棒位移曲線變化較為平緩，曲線斜率減小，落棒時間有所增加。

圖3 控制棒快速落棒位移曲線Fig.3 Displacement curve of control rod fast dropping

圖4 控制棒快速落棒速度曲線Fig.4 Velocity curve of control rod fast dropping

3 控制棒水力減速模型

根據(jù)對控制棒落棒過程機(jī)理的分析，在快速落棒過程中，減速片和控制棒受到重力mg、反沖彈簧彈力FN、浮力Ff、減速片上側(cè)水的壓力p0、減速片下側(cè)水的壓力px和控制棒運(yùn)動阻尼力f的作用，取初始棒位為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎直向下為正方向建立坐標(biāo)系，如圖5所示。

圖5 減速片和控制棒的受力分析Fig.5 Force analyses of slow-downplug and control rod

快速落棒過程中控制棒的運(yùn)動學(xué)方程為：

動力學(xué)方程為：

其中：y為控制棒的位移；v為控制棒的速度；t為落棒時間；g為重力加速度；As為減速片上側(cè)面積；Ax為減速片下側(cè)面積；k為反沖彈簧的彈性系數(shù)；l0為反沖彈簧的初始壓縮長度；c為控制棒所受的阻力系數(shù)；ρw為水的密度；VC為控制棒排開水的體積。

在控制棒下落過程中，減速片壓縮彈簧箱中的水從彈簧箱底部環(huán)形孔（Q2）和上部環(huán)形縫隙（Q1）流出，如圖6所示。

圖6 水力減速裝置流量分布Fig.6 Flow distribution of hydraulic deceleration device

減速箱中水的連續(xù)性方程為：

式中：C、A分別為水力減速箱底部環(huán)形孔的流量系數(shù)和流動面積；d為減速箱的內(nèi)徑；H為減速片的高度；δ為減速片和水力減速箱內(nèi)壁之間的環(huán)形間隙寬度；p0為環(huán)境流體的壓力；μ為水的動力黏度。

4 模型計(jì)算結(jié)果和驗(yàn)證

由式（1）～（8）組成了水壓驅(qū)動線快速落棒減速模型，為求解該模型，需確定減速箱底部出流孔的流量系數(shù)，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對減速箱底部節(jié)流孔處流場進(jìn)行了三維數(shù)值分析，由于減速片和控制棒在下落過程中彈簧箱底部出流孔的流量系數(shù)基本保持不變，為簡化計(jì)算，取減速片距彈簧箱底部距離為20mm，建立彈簧箱底部節(jié)流孔流道的幾何模型，如圖7所示。在前處理軟件GAMBIT中，使用Tet／Hybrid單元TGrid方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型［6］，控制方程包括流體連續(xù)性方程、動量方程、湍流動能方程和湍流耗散率方程。進(jìn)口邊界條件設(shè)為速度入口邊界條件，出口邊界條件設(shè)為壓力出口邊界條件，表壓為0Pa。其他壁面設(shè)為絕熱無滑移。采用有限體積法對控制方程組進(jìn)行離散化處理，將偏微分方程組轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程組，使用SIMPLE算法求解。壓強(qiáng)插值格式選擇標(biāo)準(zhǔn)格式，動量、湍流動能、湍流耗散率選擇一階迎風(fēng)格式，以提高計(jì)算穩(wěn)定性和加快計(jì)算速度。計(jì)算收斂的判據(jù)是各方程的殘差降低至10－6以下。

圖7 水力減速箱底部節(jié)流孔流道幾何模型和網(wǎng)格劃分Fig.7 Geometry and meshing model of orifice flow channel at the bottom of hydraulic decelerating box

計(jì)算的流場速度和壓力特征分布云圖如圖8所示。由圖8a可看出，水流從減速箱出流孔流出時，由于流道截面的變化，使水流方向發(fā)生了改變，水流速度增加。由圖8b可看出，出流孔處壓力梯度較大，同時在流速急劇增大的區(qū)域存在負(fù)壓區(qū)。取進(jìn)口速度分別為0.5、1、2、3和4m／s 5種工況對減速箱底部出流孔的三維流場進(jìn)行了計(jì)算，由此得到流道差壓和流速的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而擬合得到控制棒水力減速箱底部出流孔的流量系數(shù)為2.51，流量系數(shù)定義見式（8）。

利用流量系數(shù)作為輸入條件，使用歐拉法求解水壓驅(qū)動線快速落棒減速模型，可得到冷態(tài)工況下控制棒快速落棒的位移和速度曲線，如圖9所示，圖中還示出了相應(yīng)工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可看出，理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好，從而驗(yàn)證了水壓驅(qū)動線快速落棒減速模型的正確性。

通過減速過程模型還求解得到了熱態(tài)、冷態(tài)工況下控制棒快速落棒過程中減速片兩側(cè)的差壓曲線，如圖10所示?？煽闯觯S著控制棒的下落，減速片壓縮其下部的水從減速箱底部流出，水的壓力逐漸增大到最大值然后逐漸減小，直至控制棒與水力緩沖器發(fā)生碰撞。這是由于落棒開始階段減速片和控制棒的速度逐漸增大，減速箱底部出流流量逐漸增大，使水的壓力逐漸升高到達(dá)最大值。之后由于出流流量逐漸減小，使得減速片兩側(cè)差壓逐漸減小。

圖8 水力減速箱底部節(jié)流孔流道流場分布云圖Fig.8 Flow field of orifice flow channel at the bottom of hydraulic decelerating box

圖9 冷態(tài)工況下的落棒位移和速度曲線Fig.9 Curves of control rod dropping displacement and velocity under cold working condition

圖10 熱態(tài)、冷態(tài)兩種工況下減速片兩側(cè)差壓對比Fig.10 Comparison of slow-down plug differential pressures under hot and cold working conditions

5 模型應(yīng)用

反應(yīng)堆的實(shí)際運(yùn)行壓力和溫度高于實(shí)驗(yàn)工況，這將帶來水的密度和黏度等物性參數(shù)的變化，進(jìn)而影響水壓驅(qū)動線的快速落棒減速過程，因此需利用減速過程模型對熱態(tài)工況下水壓驅(qū)動線的落棒減速性能進(jìn)行分析和預(yù)測，為水壓驅(qū)動線減速環(huán)節(jié)的定型和工程應(yīng)用提供依據(jù)。

首先，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT分析得到了熱態(tài)工況下水力減速箱底部出流孔的流場分布，如圖11所示。可看出，熱態(tài)工況下速度場、壓力場的變化趨勢與冷態(tài)工況相似，不同之處在于，減速片下壓時，流體區(qū)域的壓力降低。計(jì)算進(jìn)口速度分別為0.5、1、2、3和4m／s的5種工況下水力減速箱底部出流孔的三維流場，得到差壓和流量的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而擬合得到彈簧箱底部出流孔的流量系數(shù)為2.60，較冷態(tài)工況有所增大，流動阻力系數(shù)有所減少，這主要是由于溫度升高造成水的物性參數(shù)變化所引起的。

將水力減速箱底部出流孔的流量系數(shù)代入彈簧箱底部出流流量計(jì)算式（式（8）），采用歐拉法求解水壓驅(qū)動線快速落棒減速理論模型，得到了熱態(tài)工況下的快速落棒位移曲線，將其與冷態(tài)工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如圖12a所示?？煽闯?，熱態(tài)工況下的落棒位移曲線斜率增大，說明落棒速度增大，落棒時間明顯減小。圖12b為熱態(tài)、冷態(tài)兩種工況下的快速落棒速度對比曲線，可看出，熱態(tài)工況下，快速落棒速度明顯增大，這是因?yàn)闊釕B(tài)時水的密度和黏度減小，控制棒所受水的阻力減小。同時，快速落棒末端速度仍在控制棒底部緩沖器設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

圖11 熱態(tài)工況下水力減速箱底部出流孔流場分布Fig.11 Flow field of orifice at the bottom of hydraulic decelerating box under hot working condition

通過減速模型求解還得到了熱態(tài)工況下水力減速片兩側(cè)差壓變化時程，將其與冷態(tài)工況進(jìn)行對比（圖10），可看出，熱態(tài)工況下減速片兩側(cè)的差壓有所減小，這是由熱態(tài)工況下水的物性參數(shù)變化以及減速片和控制棒的下落速度變化聯(lián)合作用所引起的。

圖12 熱態(tài)、冷態(tài)兩種工況下快速落棒位移和速度曲線對比Fig.12 Comparison of fast dropping rod displacement and velocity curves under hot and cold working conditions

6 結(jié)束語

水壓驅(qū)動線通過水力減速片和減速筒體的配合對控制棒快速落棒過程進(jìn)行減速，降低控制棒行程末端的沖擊速度，避免其變形和損壞。本文分析了水力減速裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作機(jī)理，完成了水壓驅(qū)動線快速落棒減速實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上建立了水壓驅(qū)動線快速落棒減速過程理論模型，包括連續(xù)性方程和動力學(xué)方程等，模型求解結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，并揭示了落棒過程中減速箱內(nèi)外差壓的變化機(jī)理。

利用落棒減速模型求解得到了熱態(tài)工況下控制棒落棒減速過程，結(jié)果表明：熱態(tài)工況下的落棒位移曲線斜率增大，落棒速度增加，減速片兩側(cè)的差壓有所減少，落棒時間減小，且快速落棒末端速度處于堆底緩沖器設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。落棒減速過程模型為控制棒水壓驅(qū)動線減速環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

［1］ 薄涵亮，鄭文祥，王大中，等.核反應(yīng)堆控制棒水壓驅(qū)動技術(shù)［J］.清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，45（3）：424-427.

BO Hanliang，ZHENG Wenxiang，WANG Dazhong，et al.Hydraulic control rod drive technology for nuclear reactors［J］.J Tsinghua Univ：Sci ＆Tech，2005，45（3）：424-427（in Chinese）.

［2］ 趙良舉，彭云康，曾丹苓.秦山300MW核反應(yīng)堆控制棒熱態(tài)落棒實(shí)驗(yàn)數(shù)值擬合［J］.重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000，23（6）：107-109.

ZHAO Liangju，PENG Yunkang，ZENG Danling.Numerical simulation and analysis of control rod dropping of Qingshan 300MW nuclear reaction［J］.Journal of Chongqing University：Natural Science Edition，2000，23（6）：107-109（in Chinese）.

［3］ 張偉，刁興中.高溫氣冷堆控制棒渦流限速器研究綜述［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2009，43（增刊）：326-329.

ZHANG Wei，DIAO Xingzhong.Study of magnetic vortex damper used by control rod system of high-temperature gas-cooled reactor［J］.Atomic Energy Science and Technology，2009，43（Suppl.）：326-329（in Chinese）.

［4］ 陳寶山，劉承新.輕水堆燃料元件［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［5］ 薄涵亮，秦本科.控制棒水力緩沖性能實(shí)驗(yàn)報告［R］.北京：清華大學(xué)，2011.

［6］ 王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Study on Decelerating Performance of Hydraulic Driving Control Rod

QIN Ben-ke，XU Xing-xing，BO Han-liang，SONG Wei
（Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety of Ministry of Education，Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing100084，China）

The control rod hydraulic driving line（CRHDL）is a new type of in-vessel control rod driving technology.The control rod hydraulic deceleration device（CRHDD）is one of the key components of the CRHDL.To prevent the control rod cross wing from being permanently deformed or damaged during the fast dropping rod process，the CRHDD performs the fast dropping rod deceleration function through the interworking of the slow-down plug and water filled cylinder.The hydraulic driving rod deceleration test was conducted to get the slow-down mechanism of the CRHDD，and a dynamic model was developed to analyze the key parameters of the decelerating process.The model calculation result agrees well with the experiment result，which verifies the accuracy of the model.Then the CRHDD performance calculation under reactor high temperature working condition was carried out through the CRHDD dynamic model.The above work lays solid foundation for the design and upgrade of the CRHDD.

control rod hydraulic driving line；fast dropping rod；control rod hydraulic deceleration device；slow-down plug

TL334

：A

：1000-6931（2015）05-0825-07

10.7538／yzk.2015.49.05.0825

2014-01-21；

2014-02-26

秦本科（1978—），男，河南南陽人，副研究員，博士，核能科學(xué)與工程專業(yè)