非均勻加熱條件下多通道自然循環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定邊界的確定

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[摘 要] 自然循環(huán)被廣泛應(yīng)用于非能動(dòng)固有安全性的先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中。實(shí)際中，自然循環(huán)系統(tǒng)往往是多通道的，且各通道的熱流密度也不相同，系統(tǒng)易產(chǎn)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。以RELAP5為分析工具，針對(duì)自然循環(huán)系統(tǒng)建模并對(duì)相關(guān)規(guī)律作了分析，得出系統(tǒng)在給定參數(shù)下的不穩(wěn)定邊界。

[關(guān) 鍵 詞] 自然循環(huán)；多通道；不均勻加熱；不穩(wěn)定性邊界

[中圖分類號(hào)] TL413.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）06-0192-01

RELAP程序是美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的大型瞬態(tài)熱工水力計(jì)算程序，可用于模擬輕水堆的多種假想事故?，F(xiàn)廣泛應(yīng)用于壓水堆核電站事故工況分析，幾乎可覆蓋所有熱工水力瞬變事故譜。

一、不均勻加熱對(duì)雙通道自然循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究

簡(jiǎn)單的自然循環(huán)裝置是一條閉合自然循環(huán)回路，由熱源（預(yù)熱段和加熱段）、冷源（冷凝器）、上升段及下降段構(gòu)成。冷熱源之間的高差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)壓頭來使流體循環(huán)流動(dòng)。

本文對(duì)某一假想的具有兩個(gè)并聯(lián)加熱通道的循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)。流體經(jīng)過預(yù)熱段預(yù)熱后，在加熱段分流通過兩個(gè)加熱通道加熱。加熱均勻度（加熱功率）不同。流體通過冷凝器冷卻，回到起始點(diǎn)，完成循環(huán)。

加熱段206P與306P均采用電加熱方式，加熱功率沿管道長(zhǎng)度均勻分布。204B為分支結(jié)構(gòu)，管段長(zhǎng)度為0.5m。276B與286B為分支結(jié)構(gòu)，連接兩個(gè)加熱管道，均取0.5m。冷凝管段214P穿過冷卻水箱224A，通過冷熱流體之間的對(duì)流來進(jìn)行熱交換。212S、216S為冷凝段前后連接的管段，均取0.1m。210P為穩(wěn)壓器，220TMD、228TMD是時(shí)間控制體。

二、系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定

節(jié)點(diǎn)的劃分會(huì)影響仿真的精度及流動(dòng)不穩(wěn)定起始點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果。重點(diǎn)研究部件內(nèi)部的劃分越細(xì)（內(nèi)部的小控制體數(shù)越多），最后結(jié)果數(shù)據(jù)越精確。

本節(jié)點(diǎn)數(shù)也不是越多越好，當(dāng)其增多到一定數(shù)目時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量的影響已經(jīng)很小，過多的節(jié)點(diǎn)使程序運(yùn)行時(shí)間增大。

對(duì)加熱段分別選取節(jié)點(diǎn)數(shù)為10、20、40、60、75的五組實(shí)驗(yàn)來比較分析，提取加熱段流量在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的條件下變化曲線，各組曲線都達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。

從結(jié)果看，五條曲線很接近。節(jié)點(diǎn)數(shù)選取越多，結(jié)果越平緩，但同時(shí)計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)選取在60與75時(shí)，兩曲線幾乎重合，對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響可以忽略。所以得出結(jié)論：當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為60時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的精度影響很小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

三、不穩(wěn)定邊界的確定方法

運(yùn)行程序獲得一個(gè)穩(wěn)定工況，然后逐漸增加加熱段的功率來尋找不穩(wěn)定邊界點(diǎn)。加功率過程要非常緩慢，因其對(duì)回路施加小的擾動(dòng)而對(duì)不穩(wěn)定性邊界產(chǎn)生影響。

現(xiàn)以50kW預(yù)熱功率下兩加熱通道加熱不均勻度為1：2時(shí)的工況為例來說明本文中增加功率的過程。每步700s，前200s加熱段功率線性增加1kW，后500s維持功率不變，觀察系統(tǒng)是否穩(wěn)定。增加功率后系統(tǒng)各參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，并慢慢達(dá)到下一個(gè)穩(wěn)定工況。當(dāng)加熱功率達(dá)到某一個(gè)極限值時(shí)，再增加功率系統(tǒng)各參數(shù)不能維持穩(wěn)定，而是發(fā)生自持振蕩。

從RELAP5算得的分別以質(zhì)量流量與溫度振蕩為例的振蕩曲線中讀取振蕩起始點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，根據(jù)該時(shí)間找到此時(shí)對(duì)應(yīng)的加熱功率，即為此系統(tǒng)在特定壓力、進(jìn)口過冷度下的極限功率。

本文中所計(jì)算的每一個(gè)工況均有一個(gè)這樣的振蕩起始點(diǎn)，以相同的方法找出各工況下對(duì)應(yīng)的極限功率，最終所得極限功率與預(yù)熱段加熱功率的關(guān)系曲線即要找的不穩(wěn)定性邊界。

從結(jié)果中看出，在整體脈動(dòng)中，試驗(yàn)段的總流量隨時(shí)間作近似等幅脈動(dòng)，兩個(gè)分管內(nèi)的流量隨總流量作同相脈動(dòng)，流體溫度作近似的同相脈動(dòng)。

四、振蕩起始點(diǎn)的確定

自然循環(huán)不穩(wěn)定性研究中，流量與加熱量存在匹配關(guān)系，所以，首先要找到一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作點(diǎn)，再以此點(diǎn)為基礎(chǔ)尋找不穩(wěn)定區(qū)間。

對(duì)于自然循環(huán)系統(tǒng)，找到穩(wěn)定工況點(diǎn)較為困難，因?yàn)榛芈返淖匀谎h(huán)流量是多個(gè)參數(shù)的復(fù)雜函數(shù)，且系統(tǒng)一旦啟動(dòng)，內(nèi)部各參數(shù)自動(dòng)發(fā)展變化，須不斷調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)及長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算才能尋找到符合條件的初始穩(wěn)定工況。當(dāng)回路到達(dá)穩(wěn)定工況后，即可逐漸增加加熱段的功率來尋找不穩(wěn)定起始點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)從穩(wěn)定流動(dòng)開始，在保證總管進(jìn)口質(zhì)量流量基本不發(fā)生波動(dòng)的前提下，逐步調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)至脈動(dòng)發(fā)生。實(shí)驗(yàn)中依靠分管進(jìn)口質(zhì)量流量波動(dòng)的情況來判定脈動(dòng)是否發(fā)生。在脈動(dòng)起始段左邊，兩根分管形成了明顯的可持續(xù)周期性異相脈動(dòng)，此時(shí)流量脈動(dòng)的振幅為起始脈動(dòng)振幅。

綜上所述，本文使用RELAP5對(duì)系統(tǒng)建模分析，按編寫

RELAP5輸入卡，對(duì)卡片中的數(shù)據(jù)參數(shù)的選取進(jìn)行了說明。本文主要對(duì)加熱段進(jìn)行研究，尤其對(duì)加熱管段節(jié)點(diǎn)數(shù)的選取進(jìn)行了分析比較。程序編好后，反復(fù)調(diào)試運(yùn)行，即可找到系統(tǒng)的不穩(wěn)定邊界。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊祖毛，王飛，王文康.閉合回路單相自然循環(huán)穩(wěn)態(tài)特性研究[J].核科學(xué)與工程，1999，20（3）：198-220.

[2]郭烈錦.兩相與多相流動(dòng)力學(xué)[M].西安交通大學(xué)出版社，2002.