余熱排出系統(tǒng)入口圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)的分析

侯建飛，　夏愈卓，　劉喜超

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳 518026)

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余熱排出系統(tǒng)入口圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)的分析

侯建飛，夏愈卓，劉喜超

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳 518026)

摘要：針對(duì)CPR1000核電廠余熱排出系統(tǒng)吸入管線，采用CFD方法對(duì)CPR1000原結(jié)構(gòu)及增加了圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)的余熱排出系統(tǒng)吸入管線進(jìn)行了數(shù)值模擬，在主管道中心水位及多個(gè)一回路水位下，對(duì)比分析了2種結(jié)構(gòu)的管內(nèi)流場及空氣卷入量的差異，并研究了2種結(jié)構(gòu)下的臨界水位.結(jié)果表明：圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)可以明顯抑制余熱排出系統(tǒng)吸入管線內(nèi)的渦流，減少空氣的卷入量，同時(shí)顯著降低一回路的臨界水位，提高了余熱排出泵的安全運(yùn)行裕量.

關(guān)鍵詞：余熱排出系統(tǒng)； 渦流破壞結(jié)構(gòu)； 空氣卷入； 半管水位

在核電廠中，余熱排出系統(tǒng)是一個(gè)重要的系統(tǒng)，其主要功能為：在電廠正常停堆冷卻的第二階段，余熱排出系統(tǒng)將反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的熱量傳輸?shù)皆O(shè)備冷卻水系統(tǒng)，使反應(yīng)堆冷卻劑的溫度以可控速率降低到冷停堆溫度，并且維持此溫度直到電廠重新啟動(dòng)為止.在CPR1000項(xiàng)目中，余熱排出系統(tǒng)簡稱為RRA系統(tǒng)[1].

在CPR1000核電廠中，余熱排出系統(tǒng)的吸入管線直接與一回路熱管段相連，布置在主管道的下方.當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)處于低水位運(yùn)行期間，余熱排出系統(tǒng)吸入管線可能出現(xiàn)渦流，卷入空氣，導(dǎo)致下游余熱排出泵產(chǎn)生空蝕，造成泵的損壞，從而影響一回路的冷卻[2].在余熱排出系統(tǒng)吸入管線與一回路熱管段的連接處，通過增加一個(gè)渦流破壞結(jié)構(gòu)，可以有效地減弱或消除余熱排出系統(tǒng)吸入管線內(nèi)的渦流，從而減少空氣的卷入量[3]，增加半管水位運(yùn)行時(shí)余熱排出泵的安全裕量.

筆者基于寧德3號(hào)機(jī)的管道布置情況，對(duì)CPR1000中余熱排出系統(tǒng)的吸入管線進(jìn)行建模，在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在吸入管線與一回路熱管段連接處增加圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)，針對(duì)這2種結(jié)構(gòu)，分別在半管水位下模擬余熱排出系統(tǒng)吸入管線內(nèi)的流場，對(duì)比分析得出圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)的作用.同時(shí)，不斷改變一回路水位，通過每個(gè)水位下的模擬計(jì)算，得出余熱排出泵入口空氣體積分?jǐn)?shù)不超過限值所對(duì)應(yīng)的臨界水位，為泵的安全運(yùn)行提供參考.

1數(shù)值模擬方法

1.1物理模型與網(wǎng)格劃分

圖1為寧德3號(hào)機(jī)RRA系統(tǒng)與一回路連接圖及吸入管線流程簡圖.RRA系統(tǒng)吸入管線直接與主管道相連，之后分成2列，反應(yīng)堆冷卻劑流經(jīng)第1列與第2列之后，在母管RRA0002中匯集，在RRA0002的出口又分為2列，分別流向2臺(tái)余熱排出泵RRA001PO和RRA002PO.在半管水位期間，RRA系統(tǒng)采取單泵運(yùn)行的方式，筆者選取RRA002PO.

圖1　寧德3號(hào)機(jī)RRA系統(tǒng)流程簡圖

Fig.1Flow diagram of the RRA system in unit 3 of Ningde Power Plant

以寧德3號(hào)機(jī)的管道布置為基礎(chǔ)，采用Solidworks進(jìn)行三維建模，模型如圖2所示.在圖2模型基礎(chǔ)上，在RRA吸入管線與主管道連接處(見圖2中方框處)，增加圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)后的局部模型見圖3.

圖2　寧德3號(hào)機(jī)余熱排出泵前吸入管線模型圖

Fig.2Model of the RRA suction line before RRA pump of Ningde unit 3

圖3　含圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)局部管線模型圖

Fig.3Partial model of RRA suction line with cylindrical vortex mitigator

采用Ansys ICEM軟件對(duì)三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并在管壁附近進(jìn)行加密.對(duì)于含圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)的模型，需要進(jìn)行2次O型剖分.

1.2數(shù)值模型

半管水位下的流動(dòng)為氣液兩相流，氣體與液體有明顯的分界線，因此多相流模型采用均相模型[4]，兩相分別設(shè)為連續(xù)的水和空氣.兩相之間考慮表面張力，表面張力系數(shù)設(shè)為0.072 N/m，相間無質(zhì)量傳輸.湍流模型選取RNGk-ε模型[5].由于流體是在重力場下的流動(dòng)，因此還需考慮浮力模型的設(shè)置.

1.3邊界條件

入口邊界位于主管道兩側(cè)的截面，考慮到流動(dòng)過程中，氣體和水有可能流進(jìn)或流出入口邊界處，因此設(shè)為開放式邊界.入口邊界給定壓力和兩相體積分?jǐn)?shù)，這2個(gè)參數(shù)均與一回路主管道液位H相關(guān)，如式(1)~式(3)中所示.出口設(shè)為速度邊界，數(shù)值為單泵運(yùn)行下RRA吸入管線平均速度3.77 m/s.初始條件設(shè)全場的速度為0，壓力為p，如式(3)所示.

(1)

(2)

(3)

式中：φa為空氣體積分?jǐn)?shù)；step為階躍函數(shù)；z為垂直高度，m；H為主管道液位，m；φw為水的體積分?jǐn)?shù)；p為壓力，Pa；p0為主管道液位上氣體的壓力，數(shù)值為101 325 Pa；ρw為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2.

2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1半管水位下流場對(duì)比分析

對(duì)于CPR1000的結(jié)構(gòu)，在主管道中心液位下，余熱排出系統(tǒng)吸入管線內(nèi)的空氣體積分?jǐn)?shù)分布見圖4(a).由圖4(a)可見，第2列的空氣體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第1列，計(jì)算結(jié)果表明，三通出口位置處第1列的空氣體積分?jǐn)?shù)為4.4%，第2列的空氣體積分?jǐn)?shù)則高達(dá)53.9%，2列在下一個(gè)三通處混合后繼續(xù)向下流動(dòng)，到達(dá)泵前時(shí)，平均體積分?jǐn)?shù)為9.1%.對(duì)于應(yīng)用于壓水堆的單級(jí)離心泵，為了保證泵的揚(yáng)程不出現(xiàn)明顯減小，同時(shí)保證泵的機(jī)械不受到損壞，當(dāng)泵在40%~120%額定體積流量范圍內(nèi)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，流體中不凝結(jié)氣體的最大體積分?jǐn)?shù)不能超過2%[6].這表明對(duì)于目前的CPR1000機(jī)組，當(dāng)一回路水位位于主管道中心線時(shí)，余熱排出泵不能安全運(yùn)行，即泵的安全運(yùn)行臨界水位必須高于主管道中心液位.

增加圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)后的RRA系統(tǒng)吸入管線內(nèi)空氣體積分?jǐn)?shù)分布見圖4(b).由圖4(b)可見，由于圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)的采用，余熱排出系統(tǒng)吸入管線的空氣體積分?jǐn)?shù)有了明顯的降低，在與主管道連接處，由于增加的圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)高于主管道中心線，因此上方有一定的空氣分布.

(a) CPR1000 RRA系統(tǒng)吸入管線

(b) 增加圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)后RRA系統(tǒng)吸入管線

Fig.4Air volume fraction contour of two different RRA suction lines at mid-loop operation

為了進(jìn)一步對(duì)比2種結(jié)構(gòu)下的流場，從與主管道連接處開始，在RRA系統(tǒng)吸入管線內(nèi)截取一系列橫截面，如圖5所示.2種結(jié)構(gòu)下RRA系統(tǒng)吸入管線內(nèi)的沿程空氣體積分?jǐn)?shù)分布見圖6，其中各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)位置見圖5.通過對(duì)比可見，采用圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)后，整個(gè)管道內(nèi)空氣體積分?jǐn)?shù)只有0.4%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CPR1000無渦流破壞結(jié)構(gòu)下，同時(shí)余熱排出泵入口的空氣體積分?jǐn)?shù)只有0.38%，遠(yuǎn)小于泵入口所允許不凝結(jié)氣體的最高體積分?jǐn)?shù)2%，大大提高了余熱排出泵的安全運(yùn)行裕量.

圖5　圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)附近部分截面示意圖

Fig.5Schematic diagram of the cross-sections near cylindrical vortex mitigator

圖6　有無圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)的空氣體積分?jǐn)?shù)沿流向的對(duì)比圖

Fig.6Comparison of streamwise air volume fraction distribution in the RRA suction line with and without cylindrical vortex mitigator

圖7給出了有無圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)下游某處的管道截面流線圖.由圖7可見，2種結(jié)構(gòu)形式下管道內(nèi)均存在2個(gè)旋向相反的渦，采取圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)后，2個(gè)渦更為對(duì)稱，且強(qiáng)度明顯降低.

2.2不同水位下2種結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析

為了進(jìn)一步分析圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)的作用，不斷改變一回路的水位，對(duì)比2種結(jié)構(gòu)下的空氣卷入情況，結(jié)果如圖8所示.整體來看，當(dāng)余熱排出泵入口空氣體積分?jǐn)?shù)大于2%后，隨著一回路水位的降低，余熱排出泵入口空氣體積分?jǐn)?shù)會(huì)迅速增大.2種結(jié)構(gòu)下，空氣體積分?jǐn)?shù)隨水位的增加速率較為接近.對(duì)于CPR1000的原有結(jié)構(gòu)，當(dāng)余熱排出泵入口空氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時(shí)，對(duì)應(yīng)的一回路水位為主管道直徑52%位置處，即一回路水位臨界值為主管道直徑52%位置處.采用了圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)后，這一臨界值降低至43%，對(duì)應(yīng)的一回路水位絕對(duì)值降低了60 mm，這對(duì)于泵的安全運(yùn)行及操作員的操作是非常有益的.

(a) CPR1000 RRA系統(tǒng)吸入管線

(b) 增加圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)后RRA系統(tǒng)吸入管線

Fig.7Comparison of flow field in the RRA suction line with and without cylindrical vortex mitigator

圖8　RRA泵入口空氣體積分?jǐn)?shù)隨一回路水位的變化

Fig.8Inlet air volume fraction of RRA pump at different primary water levels

對(duì)于CPR1000電站，工程上的半管水位通常指主管道的3/4水位.計(jì)算表明，此水位下CPR1000余熱排出泵前空氣體積分?jǐn)?shù)為0.02%，遠(yuǎn)小于泵前空氣體積分?jǐn)?shù)的最大限值2%，這表明對(duì)于目前CPR1000的設(shè)計(jì)，在半管水位下余熱排出泵的運(yùn)行是安全的.

3結(jié)論

(1) 在工程上的半管水位(即主管道3/4水位)下，CPR1000電站余熱排出泵前的空氣體積分?jǐn)?shù)僅為0.02%，遠(yuǎn)小于泵入口所允許的最大空氣體積分?jǐn)?shù)2%，這表明目前CPR1000的設(shè)計(jì)可以保證余熱排出泵在半管水位下安全運(yùn)行.

(2) 當(dāng)水位降低至主管道中心液位時(shí)，CPR1000電站余熱排出泵前的空氣體積分?jǐn)?shù)增加至9.1%，這時(shí)泵無法安全運(yùn)行.采用了圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)后，泵前的空氣體積分?jǐn)?shù)降至0.4%，效果明顯.

(3) 采用圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)后，吸入管線內(nèi)的渦強(qiáng)度明顯降低，且流動(dòng)也更為對(duì)稱，這對(duì)于減少空氣卷入量有一定的作用.

(4) 由于圓柱形渦流破壞結(jié)構(gòu)的引入，一回路的臨界水位明顯降低，降幅達(dá)60 mm，大大增大了泵的安全運(yùn)行裕量.

(5) 通過本文的研究可以提高余熱排出系統(tǒng)對(duì)一回路低水位的適應(yīng)能力，為在建項(xiàng)目優(yōu)化提供參考方案，為研發(fā)堆型解決余熱排出泵前渦流問題提供解決方案.

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Functional Analysis of Cylindrical Vortex Mitigator Added at Inlet of the Residual Heat Removal System

HOUJianfei,XIAYuzhuo,LIUXichao

(China Nuclear Power Design Co., Ltd. (Shenzhen), Shenzhen 518026, Guangdong Province, China)

Abstract：Based on the suction line of residual heat removal (RRA) system in CPR1000 power plant, numerical simulation and analysis were carried out by CFD technique on the original RRA suction line and the one added with cylindrical vortex mitigator, during which the difference of flow field and air entrainment was respectively compared at mid-loop level and several water levels of primary loop between the two structures. Results show that the cylindrical vortex mitigator can obviously suppress the vortex in the RRA suction line, reduce the air entrainment, and descend the critical water level of primary loop significantly, which can improve the margin of safe operation of RRA pump.

Key words：residual heat removal system; vortex mitigator; air entrainment; mid-loop level

文章編號(hào)：1674-7607(2016)02-0157-05

中圖分類號(hào)：TL334

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：490.50

作者簡介：侯建飛(1988-)，女，山西大同人，工程師，碩士，主要從事核電站核島主系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì).電話(Tel.)：15989414571；E-mail: houjianfei@cgnpc.com.cn.

收稿日期：2015-04-21