非能動(dòng)安全殼圍堰分配盒改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王彥之， 魯仰輝， 王 妍

(國(guó)核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 102209)

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非能動(dòng)安全殼圍堰分配盒改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王彥之， 魯仰輝， 王 妍

(國(guó)核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 102209)

以冷卻水在分配盒中的流動(dòng)為研究對(duì)象，建立了分配盒的水分配模型，提出了立管和浮球2種圍堰分配盒概念，通過(guò)計(jì)算確定了關(guān)鍵參數(shù)，并在水分配試驗(yàn)臺(tái)架上完成了試驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果表明:在特征雷諾數(shù)約220時(shí)，立管分配盒使水膜覆蓋率提高了4.9%，浮球分配盒使水膜覆蓋率提高了3.8%；在特征雷諾數(shù)約130時(shí)，立管分配盒使水膜覆蓋率提高了3.1%，浮球分配盒使水膜覆蓋率提高了5.3%;2種設(shè)計(jì)方案均能有效降低收集水箱液位的均方差，提高小體積流量下的覆蓋率.

非能動(dòng)安全殼； 冷卻系統(tǒng)； 水分配試驗(yàn)； 圍堰分配盒； 覆蓋率

分水斗和圍堰系統(tǒng)是先進(jìn)非能動(dòng)(AP/CAP)三代核電非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的分水結(jié)構(gòu)，對(duì)殼外水膜的分布及均勻性具有決定性的影響[1].由于薄液膜具有傳熱特性，水膜越薄、越均勻，就越有利于帶走堆芯衰變熱.如果非能動(dòng)安全殼下降液膜分配失衡，就會(huì)導(dǎo)致液膜流動(dòng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)斷裂、分叉等現(xiàn)象，進(jìn)而影響非能動(dòng)安全殼的載出熱量.

為研究安全殼直徑更大、焊縫位置和圍堰結(jié)構(gòu)變化的CAP1400的水膜覆蓋規(guī)律以及水膜達(dá)到穩(wěn)定的延遲時(shí)間，國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站專(zhuān)項(xiàng)”的二級(jí)課題“CAP1400非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)”開(kāi)展了水分配試驗(yàn)及驗(yàn)證工作[2].已完成的水分配試驗(yàn)有效驗(yàn)證了非能動(dòng)安全殼及其分水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，試驗(yàn)測(cè)得的覆蓋率及延遲時(shí)間滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.原型圍堰結(jié)構(gòu)如圖1所示，冷卻水由左側(cè)入水口進(jìn)入，經(jīng)由底部小孔和上部V形槽流出，6個(gè)V形槽將水較均勻地分配到6個(gè)分配槽中，V形槽是圍堰分配系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分.

圖1 分配盒示意圖

結(jié)合試驗(yàn)觀(guān)察和數(shù)據(jù)分析，原型結(jié)構(gòu)分配盒在能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，在水膜分布均勻性和小流量下的覆蓋率方面有進(jìn)一步提升的空間.筆者以冷卻水在分配盒中的流動(dòng)為研究對(duì)象，建立了分配盒的水分配模型，提出了立管和浮球分配盒2種設(shè)計(jì)方案，這2種設(shè)計(jì)方案雖然增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，降低了排水能力，但對(duì)提高小流量覆蓋率及水膜分布均勻性有明顯效果.

1 分配盒模型

分配盒流量控制方程為

S=qV，in-qV，up-qV，down

(1)

qV，up=f(h)

(2)

(3)

式(1)～式(3)假設(shè)冷卻水為理想流體，采用伯努利方程作近似計(jì)算[3].式中：h為分配盒內(nèi)液位高度；S為分配盒底面積；qV，in為分配盒入口體積流量；qV，up為分配盒V形槽流出體積流量；qV，down為分配盒底孔流出體積流量；A為分配盒底孔面積；l為分配盒中的立管高度，在浮球分配盒中，沒(méi)有立管，l=0，在立管分配盒中，l為立管高度.當(dāng)h≤l時(shí)，水無(wú)法從底孔流出，qV，down=0，當(dāng)h>l時(shí)，可由式(3)計(jì)算出從分配盒底孔流出的體積流量.由式(4)可知，在分配盒液位達(dá)到V形槽最低高度前，沒(méi)有冷卻水從V形槽流出.

(4)

式中：h0為分配盒內(nèi)V形槽最低處高度；g為重力加速度；α為V形槽半角；hmax為分配盒高度.

冷卻水進(jìn)入分配盒后，若進(jìn)入的冷卻水多于小孔流出的冷卻水，分配盒液位上升，液位超過(guò)h0后，當(dāng)從小孔和V形槽流出的冷卻水體積流量與進(jìn)入分配盒的冷卻水體積流量相等時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定平衡.在水分配試驗(yàn)中，流入分配盒的冷卻水體積流量是由回路系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥和變頻器控制的定量，即qV，in是輸入的已知量，同時(shí)為h預(yù)設(shè)一個(gè)初值h1，啟動(dòng)迭代運(yùn)算.迭代求解步驟如下：

qV，up1=f(h1)

(5)

qV，down1=g(h1,A,l)

(6)

(7)

將更新的h2代入式(5)和式(6)，重復(fù)此過(guò)程直至收斂.

2 概念設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

由式(3)可知，降低分配盒底部小孔在小冷卻水體積流量下的流量有2種方法：一是減小壓頭(即增大立管高度)，可通過(guò)在小孔處加設(shè)一根豎直空心管的方法實(shí)現(xiàn)，該空心管的高度有待進(jìn)一步確定；二是減小底孔面積，特別是減小較小冷卻水體積流量下的面積，可通過(guò)浮球控制改變底孔面積的方法實(shí)現(xiàn).

2.1 立管分配盒

若非能動(dòng)安全殼表面水膜均勻分布，由質(zhì)量守恒可知，從分配盒V形槽流出體積流量等于從圍堰流出的體積流量qV，up；從分配盒底孔流出體積流量為分配盒所在長(zhǎng)度均勻流量的來(lái)源，由均勻分布可得：

qV，down/qV，up=Lbox/Lweir

(8)

式中：Lbox為分配盒的長(zhǎng)度；Lweir為圍堰的長(zhǎng)度.

計(jì)算不同特征雷諾數(shù)、不同立管高度(40 mm、80 mm、120 mm、141 mm)下的分配效果參數(shù)，即qV，down/qV，up，結(jié)果如圖2所示.圖中橫軸為不同特征雷諾數(shù)，縱軸代表分配均勻性的底孔出水體積流量與V形槽出水體積流量之比.黑色水平線(xiàn)為水膜均勻分布目標(biāo)值.

從計(jì)算結(jié)果可知：(1)立管可有效降低小孔的體積流量；(2)立管高度越高，小孔體積流量降低越明顯；(3)冷卻水體積流量越小，立管高度對(duì)小孔體積流量的降低效果越明顯；(4)高立管、大體積流量下，出現(xiàn)了qV，down/qV，up低于設(shè)計(jì)值的情況.為盡量提高小體積流量的分水能力，立管分配盒采用高141 mm的立管.

圖2 不同高度立管分配盒水分配效果的對(duì)比

2.2 浮球分配盒

因考慮堵塞等原因，減小底孔面積的方案不能直接縮小底孔面積，應(yīng)使用變面積方案，即底孔面積可隨分配盒內(nèi)液位高度變化.此方案理論上可以達(dá)到最好的分配效果，但也大大提升了分配盒的復(fù)雜性，為分配盒設(shè)計(jì)和制造增加了難度.因此，設(shè)計(jì)了不同的變面積方案，包括如下線(xiàn)性關(guān)系：

A=Amin+(Amax-Amin)(h-h0)/(hmax-h0)

(9)

式中：Amin、Amax分別為分配盒最小線(xiàn)性底面積和最大線(xiàn)性底面積.

計(jì)算不同特征雷諾數(shù)、不同變面積方案的分配效果參數(shù)qV，down/qV，up，結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同變面積分配盒水分配效果的對(duì)比

從計(jì)算結(jié)果可知：(1)變面積可以有效降低小孔體積流量；(2)因面積有最小值，小體積流量下仍無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)；(3)體積流量較大時(shí)，3種變面積方案效果差異較小.復(fù)雜變面積方案采用浮球控制底孔面積，浮球分配盒結(jié)構(gòu)如圖4所示，具體過(guò)程為：浮力球隨液位高低運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒扇轉(zhuǎn)動(dòng)，齒扇通過(guò)嚙合帶動(dòng)錐體上浮，實(shí)現(xiàn)底部小孔的復(fù)雜面積變化.

圖4 浮球裝置示意圖

圖中浮球裝置包括滑輪組1件(Q235B 50 mm×50 mm×20 mm)、支撐板2件(Q235B 40 mm×40 mm×10 mm)、銷(xiāo)軸1件(圓鋼,d=12 mm,L=60 mm)、錐銷(xiāo)1件(d=8 mm或d=2 mm圓鋼，L=70 mm)、浮球及線(xiàn)繩索等附件.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)，制造加工了立管分配盒和浮球分配盒，安裝在水分配試驗(yàn)臺(tái)架上，并完成了試驗(yàn)[4].圖5展示了水分配臺(tái)架在試驗(yàn)過(guò)程中圍堰進(jìn)行水分配的情況.

圖5 水分配試驗(yàn)的圍堰

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

按與CAP1400安全殼1∶1比例設(shè)計(jì)了CAP1400非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)水分配試驗(yàn)臺(tái)架.臺(tái)架取穹頂?shù)?/8扇面、第二道圍堰下方部分為1/16的扇面以及3 m豎直壁面，總高近20 m，直徑40 m，由分水斗和圍堰裝置組成的分水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)位于試驗(yàn)本體.試驗(yàn)啟動(dòng)后，冷卻水進(jìn)入分水斗，并通過(guò)分水斗的開(kāi)槽溢流至本體.在重力作用下，經(jīng)過(guò)圍堰的再分配，在試驗(yàn)本體表面流動(dòng)并形成較均勻分布的半穩(wěn)態(tài)水膜.豎直壁面下設(shè)有30個(gè)收集水箱，收集各部分的累積水量，用于評(píng)估水膜分布的均勻性.水膜是安全殼殼外重要的熱阱，其分布的均勻性對(duì)安全殼熱量載出的能力有重要影響.試驗(yàn)裝置如圖6所示.

圖6 試驗(yàn)裝置示意圖

3.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證不同體積流量下立管分配盒和浮球分配盒的水分配效果，并與原型分配盒進(jìn)行對(duì)比，設(shè)置試驗(yàn)矩陣如表1所示.試驗(yàn)矩陣中的數(shù)字為試驗(yàn)次數(shù)，為證明試驗(yàn)的可重復(fù)性及標(biāo)定試驗(yàn)裝置的誤差，同一特征雷諾數(shù)原型分配盒進(jìn)行了2次試驗(yàn).

表1 試驗(yàn)矩陣

試驗(yàn)采用由數(shù)字CCD相機(jī)、高速圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)等模塊構(gòu)成的視頻系統(tǒng)測(cè)量水膜覆蓋率，即水膜覆蓋區(qū)域(濕區(qū))占試驗(yàn)本體總面積的比值，參考文獻(xiàn)[5]中介紹了設(shè)備、軟件及利用干濕區(qū)灰度差異得到水膜覆蓋率的方法.

在二道圍堰之下，采用30個(gè)收集水槽回收了不同位置的累積水量，用于分析不同分配盒對(duì)水膜覆蓋均勻度的影響.收集水箱大小相同、排列整齊，收集水槽水量的均勻性可以反映出水膜分布的均勻性.若水膜完全均勻分布，則收集水槽水量相等.

3.3 覆蓋率分析

水膜在試驗(yàn)本體展開(kāi)時(shí)，其覆蓋率不斷上升，直至達(dá)到半穩(wěn)定狀態(tài)的覆蓋率.圖7給出了不同形式分配盒、不同特征雷諾數(shù)下的覆蓋率.由圖7可以看出，改進(jìn)分配盒形式在小體積流量下對(duì)提高覆蓋率有明顯作用.在特征雷諾數(shù)約為220時(shí)，立管分配盒使覆蓋率提高了4.9%,浮球分配盒使覆蓋率提高了3.8%；在特征雷諾數(shù)約為130時(shí)，立管分配盒使覆蓋率提高了3.1%,浮球分配盒使覆蓋率提高了5.3%；在中大特征雷諾數(shù)下，改變分配盒形式對(duì)覆蓋率沒(méi)有明顯影響.

圖7 不同形式分配盒、不同特征雷諾數(shù)下覆蓋率的對(duì)比

Fig.7 Comparison of coverage rates with different Reynolds numbers for different distribution boxes

3.4 小體積流量對(duì)比

圖8比較了立管分配盒、浮球分配盒和原型分配盒在特征雷諾數(shù)約為220時(shí)，收集水箱在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)累積水的質(zhì)量分?jǐn)?shù).由圖8可以看出,立管分配盒和浮球分配盒使得分配盒對(duì)應(yīng)的百分比明顯下降，水膜在試驗(yàn)本體表面分布更加均勻.

圖8 不同形式分配盒在特征雷諾數(shù)為220時(shí)收集水箱累積水的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Fig.8 Mass fraction of water accumulated in water collection tanks at Reynolds number of 220 for different distribution boxes

3.5 冷卻水分布分析

由圖9可知，立管分配盒和浮球分配盒相對(duì)于原型分配盒均有效降低了收集水箱均方差，使液膜在試驗(yàn)本體表面分布得更均勻.

圖9 不同形式分配盒、不同特征雷諾數(shù)下收集水箱均方差的對(duì)比

Fig.9 Mean square deviation of water collection tanks at different Reynolds numbers for different distribution boxes

4 結(jié) 論

利用減小壓頭或減小面積等非能動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了立管分配盒和浮球分配盒，給出了具體的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)2種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了流體力學(xué)分析.2種設(shè)計(jì)方案相對(duì)于原型分配盒均有效降低了收集水箱的均方差，在小體積流量下使覆蓋率提高了3%以上，具有讓液膜分布更加均勻的作用.相對(duì)于原型分配盒，立管分配盒增加了分配盒積水的問(wèn)題，浮球分配盒增加了分配盒結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降低了裝置的可靠性.2種設(shè)計(jì)方案豐富了分配盒的設(shè)計(jì)選型，是進(jìn)一步提高非能動(dòng)安全殼水膜覆蓋率及傳熱傳質(zhì)特性的基礎(chǔ).

[1] 林誠(chéng)格，郁祖盛，歐陽(yáng)予.非能動(dòng)安全先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)[M].北京：原子能出版社，2010: 11-27.

[2] 林誠(chéng)格，趙瑞昌，劉志弢.安全殼在事故下的完整性分析[J].核科學(xué)與工程，2010，30(2)：181-192.

LIN Chengge, ZHAO Ruichang, LIU Zhitao. Containment integrity analysis under accidents [J]. Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering, 2010, 30(2):181-192.

[3] 吳望一.流體力學(xué)[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2000: 52-63.

[4] 鄭紅亮，李聰，顧國(guó)興，等.核電工程試驗(yàn)的過(guò)程控制[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2015，35(4)：336-340.

ZHENG Hongliang， LI Cong， GU Guoxing， et al. Process control of nuclear power engineering tests [J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2015, 35(4):336-340.

[5] 張子楊，魯仰輝，王彥之，等.基于視頻技術(shù)的大空間內(nèi)液膜覆蓋率的測(cè)量方法研究[J].中國(guó)科技成果，2013(9)：56-59.

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Design Improvement and Testing of a Weir Distribution Box for Passive Containments

WANG Yanzhi, LU Yanghui, WANG Yan

(Guohe Huaqing (Beijing) Nuclear Power Technology R&D Center Co., Ltd., Beijing 102209, China)

Taking the cooling water flow in a weir distribution box as an object of study, a water distribution model was set up for two kinds of weir distribution box, namely riser box and float box, of which the key parameters were determined through necessary calculations, and subsequently verification experiments were conducted on a water distribution test bench. Results show that when the Reynolds number is around 220, the coverage rate of water film would be increased by 4.9% and 3.8% respectively via riser box and float box, and when the Reynolds number is around 130, the coverage rate would be increased by 3.1% and 5.3% accordingly. Both the design schemes can reduce the mean square error of the collection levels and improve the coverage rate of the containment under small flow rates.

passive containment; cooling system; water distribution test; weir distribution box;coverage rate

2016-05-26

2016-07-22

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX06002-005-003)

王彥之(1984-)，男，四川巴中人，工程師，博士，主要從事反應(yīng)堆安全分析及試驗(yàn)技術(shù)方面的研究.電話(huà)(Tel.)：010-56681699； E-mail：wangyanzhi@snptc.com.cn．

1674-7607(2017)06-0508-05

TL42

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490.40