基于RELAP5的浮動(dòng)式核電二回路凝結(jié)水過冷現(xiàn)象模擬研究

嚴(yán)思偉　黎春梅　梁鐵波　趙京　郝承明　汪宇　韓冰

【摘 要】浮動(dòng)式核電站的二回路系統(tǒng)與常規(guī)核電類似，凝汽器熱井中的凝結(jié)水通常會(huì)存在凝結(jié)水過冷的問題，造成凝結(jié)水過冷的原因是多方面的。本文主要以RELAP5程序?yàn)榻＼浖?，模擬汽輪機(jī)低壓缸乏汽中含有不凝結(jié)氣體造成凝結(jié)水過冷的現(xiàn)象，并說明不凝結(jié)氣體的含量對凝汽器壓力、過冷度、換熱量、傳熱端差及冷卻水溫升的影響。結(jié)果表明，在乏汽中加入不凝結(jié)氣體能夠模擬凝結(jié)水過冷的現(xiàn)象，且能夠揭示隨著不凝結(jié)氣體含量變化而導(dǎo)致凝汽器傳熱特性變化的規(guī)律，該模型具有較高的仿真度。

【關(guān)鍵詞】RELAP5；二回路；凝結(jié)水過冷；不凝結(jié)氣體

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-2457（2018）03-0006-003

The simulation research of condensate water supercooling in secondary coolant of floating nuclear power plant based on RELAP5

YAN Si-wei LI Chun-mei LIANG Tie-bo ZHAO Jing HAO Cheng-ming WANG Yu HAN Bing

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China）

【Abstract】Similar to conventional nuclear power plant， condensate water supercooling is a common problem in secondary coolant of floating nuclear power plant， which is caused by many reasons. In this article， RELAP5 is used to simulate the phenomenon of condensate water supercooling caused by noncondensable gas. The influence of noncondensable gas to condensers pressure、supercooling degree 、heat transfer rate、terminal temperature difference、cooling water temperature rise is explained. The conclude shows that the model with noncondensable gas in steam can simulate condensate water supercooling， and reveal the discipline of condensers heat transfer characteristics as a function of noncondensable gas content， and the model has a high degree of simulation.

【Key words】REALP5； Secondary coolant； Condensate water supercooling； Noncondensable gas

0 引言

浮動(dòng)式核電是一種利用浮動(dòng)平臺(tái)建立的可移動(dòng)式核電站。與M310等常規(guī)核電類似，浮動(dòng)式核電采用蒸汽郎肯循環(huán)，凝汽器作為其中的重要設(shè)備，其傳熱特性受到廣泛關(guān)注。凝結(jié)水過冷是凝汽器傳熱特性受到影響的一種表現(xiàn)形式，造成凝結(jié)水過冷的原因是多方面的。當(dāng)乏汽中含有一定量的不凝結(jié)氣體時(shí)，凝結(jié)水就會(huì)產(chǎn)生過冷的現(xiàn)象。

由于凝汽器內(nèi)的傳熱過程涉及汽液兩相流動(dòng)，因此不凝結(jié)氣體的含量對凝汽器傳熱性能的影響非常復(fù)雜。采用實(shí)驗(yàn)的方式很難準(zhǔn)確的控制和測量乏汽中不凝結(jié)氣體的含量，實(shí)驗(yàn)過程中也存在較多不確定的因素。RELAP5作為最佳熱工水力估算程序，隨著版本的優(yōu)化升級(jí)，現(xiàn)已具有含不凝結(jié)氣體的汽液兩相流動(dòng)計(jì)算模型[2]，并應(yīng)用于穩(wěn)壓器中含有不凝結(jié)氣體的凝結(jié)換熱計(jì)算等相關(guān)研究中[3]，但是針對由于不凝結(jié)氣體而導(dǎo)致浮動(dòng)式核電二回路凝結(jié)水過冷現(xiàn)象的模擬很少。因此本文采用RELAP5計(jì)算程序，以浮動(dòng)式核電的凝汽器為背景，通過在乏汽中加入不同含量的不凝結(jié)氣體，分析不凝結(jié)氣體對凝汽器的壓力、過冷度、冷卻水的溫升、換熱量及傳熱端差的影響，并以此說明該模型的仿真程度。

1 凝汽器模型

1.1 凝汽器工作原理簡介

凝汽器是浮動(dòng)式核電站汽輪機(jī)艙重要的輔助設(shè)備，由于它的存在通常可以使汽輪機(jī)的排汽壓力盡可能的降低，從而大大提高浮動(dòng)式核電的熱經(jīng)濟(jì)性。凝汽器的作用可以簡要的概括為由于蒸汽凝結(jié)成水，體積驟然降低，在凝汽器的殼側(cè)形成高度真空，降低了汽輪機(jī)的背壓，提高了機(jī)組的效率[4]。

凝汽器通常為表面式換熱器，通過在傳熱管內(nèi)流動(dòng)的循環(huán)冷卻水冷卻殼側(cè)的蒸汽，使蒸汽凝結(jié)為水滴入凝汽器的熱井。在循環(huán)冷卻水的進(jìn)出口側(cè)各有一個(gè)凝汽器水室，用以將循環(huán)冷卻水均勻分配到各傳熱管中，凝汽器的結(jié)構(gòu)形式及一般傳熱過程如圖1所示。

1.2 不凝結(jié)氣體模型

RELAP5的基本建模方程除了汽液兩相的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒六個(gè)方程外，還補(bǔ)充有不凝結(jié)氣體的質(zhì)量守恒方程。對于蒸汽中含有不凝結(jié)氣體的情況，用Xn表示在蒸汽中含不凝結(jié)氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，Mn表示不凝結(jié)氣體的質(zhì)量，kg；Ms表示蒸汽的質(zhì)量，kg。

根據(jù)連續(xù)性方程，對含有不凝結(jié)氣體的質(zhì)量守恒方程RELAP5采用下式表示[5]：

式中，αg表示蒸汽的體積份額；vg表示蒸汽的流速，m/s；ρg表示蒸汽的密度，kg/m3。該方程作為質(zhì)量守恒的附加方程可對汽液兩相質(zhì)量守恒方程進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。

1.3 凝汽器模型

采用RELAP5 Mod3.4程序建立的浮動(dòng)式核電凝汽器模型節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示。

凝汽器模型本質(zhì)上是一種存在相變的表面式換熱器，不同于一般的管殼式換熱器，凝汽器殼側(cè)蒸汽的流動(dòng)方向通常與傳熱管內(nèi)冷卻水的流動(dòng)方向垂直，發(fā)生橫掠管束式的換熱，其傳熱系數(shù)大于一般的順流或逆流式換熱，采用RELAP5建模時(shí)需特別指定熱構(gòu)件左右邊界的換熱形式。同時(shí)凝汽器殼側(cè)的蒸汽存在相變，汽輪機(jī)低壓缸的排汽在通過凝汽器的喉部進(jìn)入凝汽器汽側(cè)空間后，逐漸被冷凝為水，滴入凝汽器的熱井，蒸汽體積沿流動(dòng)方向越來越小。因此在建模過程中，凝汽器的汽側(cè)空間控制體的通流截面積應(yīng)隨著蒸汽的流動(dòng)而逐漸減小。

為模擬凝結(jié)水過冷的現(xiàn)象，本文所建立的凝汽器模型在汽輪機(jī)低壓缸的排汽中加入了一定量的不凝結(jié)氣體，在循環(huán)冷卻水和乏汽輸入?yún)?shù)不變的情況下，計(jì)算凝汽器的壓力、過冷度、冷卻水的溫升、換熱量及傳熱端差，并分析其隨不凝結(jié)氣體相對含量的變化規(guī)律。

2 計(jì)算數(shù)據(jù)分析

2.1 不凝結(jié)氣體對凝汽器壓力的影響

當(dāng)凝汽器殼側(cè)的低壓缸排汽混有一定量的不凝結(jié)氣體時(shí)，凝汽器的真空被破壞，凝汽器的運(yùn)行壓力會(huì)隨不凝結(jié)氣體含量的增加而逐漸上升。由圖3可以看出，凝汽器的運(yùn)行壓力與不凝結(jié)氣體的含量近似為線性關(guān)系。凝汽器的運(yùn)行壓力能夠直觀的反應(yīng)凝汽器的運(yùn)行情況，由于凝汽器中含有不凝結(jié)氣體，不凝結(jié)氣體會(huì)分走一部分蒸汽壓力，導(dǎo)致蒸汽的實(shí)際壓力低于額定值。從圖3中同樣可以看出，隨著不凝結(jié)氣體含量的增加，蒸汽的分壓力逐漸降低。

2.2 不凝結(jié)氣體對凝汽器過冷度的影響

凝結(jié)水產(chǎn)生過冷的現(xiàn)象與凝汽器的運(yùn)行壓力有一定的關(guān)系，由于不凝結(jié)氣體的存在導(dǎo)致凝汽器蒸汽的實(shí)際壓力低于凝汽器的運(yùn)行壓力，因此蒸汽的實(shí)際壓力所對應(yīng)的飽和溫度一定低于凝汽器運(yùn)行壓力下的飽和溫度，由此產(chǎn)生凝結(jié)水過冷的現(xiàn)象。凝汽器的汽側(cè)存在汽阻也是造成凝結(jié)水過冷的原因之一，目前大型核電站的凝汽器已經(jīng)通過管束排列的優(yōu)化等方式使汽阻大大降低，對凝結(jié)水過冷的影響幾乎可以忽略，因此本文暫不考慮汽阻對凝結(jié)水過冷的影響。

由圖4可以看出，隨著凝汽器內(nèi)漏入不凝結(jié)氣體含量的增加，凝結(jié)水的過冷度逐漸上升，二者近似呈線性關(guān)系。

2.3 不凝結(jié)氣體對凝汽器換熱量的影響

能夠反映凝汽器運(yùn)行特性的其他參數(shù)還包括凝汽器的換熱量、冷卻水的溫升和傳熱端差。在凝汽器水側(cè)和汽側(cè)輸入?yún)?shù)不變的情況下，僅改變不凝結(jié)氣體的含量會(huì)直接影響凝汽器的換熱量。當(dāng)蒸汽中含有不凝結(jié)氣體時(shí)，蒸汽需克服不凝結(jié)氣體空氣膜層的阻力才能與凝汽器的傳熱管發(fā)生換熱，由于該阻力的存在，蒸汽沿不凝結(jié)氣體存在方向的溫度梯度不斷降低，由此形成擴(kuò)散熱阻。與不存在不凝結(jié)氣體的蒸汽凝結(jié)換熱相比，擴(kuò)散熱阻會(huì)影響凝汽器的換熱，且往往是含有不凝結(jié)氣體的蒸汽凝結(jié)換熱的主要熱阻。

由圖5可以看出凝汽器的換熱量會(huì)隨著不凝結(jié)氣體的增加而逐漸降低。在不凝結(jié)氣體的含量為0.1%～0.2%的范圍內(nèi)，換熱量的下降略為緩慢；當(dāng)不凝結(jié)氣體的含量超過0.2%后，凝汽器的換熱量下降較快且與不凝結(jié)氣體的含量近似為一條直線。

由于凝汽器的換熱量不斷降低，凝汽器管側(cè)冷卻水的出口溫度逐漸降低，冷卻水的溫升也不斷下降。該過程可由圖6看出，凝汽器冷卻水的溫升與不凝結(jié)氣體的含量也存在一個(gè)先緩慢下降，再近似為一條直線的規(guī)律。

圖7為凝汽器傳熱端差的變化曲線。傳熱端差在不凝結(jié)氣體的含量為0.1%至0.3%的范圍內(nèi)變化較為緩慢，在0.3%至1%的范圍內(nèi)變化較快且呈線性變化。

圖5～7的變化曲線說明，凝汽器內(nèi)不凝結(jié)氣體的含量對換熱量、傳熱端差及冷卻水的溫升的影響存在一個(gè)臨界點(diǎn)，當(dāng)凝汽器內(nèi)不凝結(jié)氣體的含量小于該臨界點(diǎn)時(shí)，不凝結(jié)氣體的含量增加對換熱量、傳熱端差及冷卻水的溫升影響較?。划?dāng)凝汽器內(nèi)不凝結(jié)氣體的含量超過該臨界點(diǎn)時(shí)，不凝結(jié)氣體的存在影響了凝汽器的對流換熱系數(shù)，使凝汽器的換熱能力降低，對換熱量、傳熱端差及冷卻水的溫升影響較大。這與文獻(xiàn)[1]的結(jié)論基本符合。

3 結(jié)論

本文采用RELAP5計(jì)算程序建立了適用于浮動(dòng)式核電的凝汽器模型，在該模型的蒸汽側(cè)加入不凝結(jié)氣體以研究不凝結(jié)氣體的含量對凝汽器壓力、凝結(jié)水過冷度、凝汽器的換熱量、冷卻水的溫升及傳熱端差的影響。從計(jì)算結(jié)果可以看出，凝汽器的壓力、凝結(jié)水的過冷度與不凝結(jié)氣體的含量近似呈線性關(guān)系，二者均隨著不凝結(jié)氣體含量的升高而升高。不凝結(jié)氣體的含量對凝汽器的換熱量、冷卻水的溫升和傳熱端差的影響則存在一個(gè)臨界點(diǎn)，當(dāng)不凝結(jié)氣體的含量低于該臨界點(diǎn)時(shí)，凝汽器的換熱量、冷卻水的溫升和傳熱端差的變化幅度較?。划?dāng)不凝結(jié)氣體的含量高于該臨界點(diǎn)時(shí)，凝汽器的換熱量、冷卻水的溫升和傳熱端差的變化幅度較大且近似為直線。結(jié)果表明，該模型能夠模擬凝汽器由于不凝結(jié)氣體導(dǎo)致的凝結(jié)水過冷現(xiàn)象，且能夠揭示隨著不凝結(jié)氣體含量變化而導(dǎo)致的凝汽器傳熱特性變化的規(guī)律，具有較高的仿真度。

【參考文獻(xiàn)】

[1]種道彤，劉繼平，嚴(yán)俊杰，周志杰.漏空氣對凝汽器傳熱性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005（04）：154-159.

[2]Anderson N A， Mesina G L. Improvement of the RELAP5-3D Model of Condensation in the Presence of Noncondensables[C].ASME 2017 Nuclear Forum Collocated with the ASME 2017 Power Conference Joint with Icope-17，the ASME 2017，International Conference on Energy Sustainability， and the ASME 2017， International Conference on Fuel Cell Science， Engineering and Technology. 2017：V009T03A002.

[3]Hassan Y A， Raja L L.Analysis of Experiments for Steam Condensation in the Presence of Non-condensable Gases Using the RELAP5/MOD3 Code[J].Nuclear Technology，1993，104（1）：76-88.

[4]康松，楊建明，胥建群.汽輪機(jī)原理[M].中國電力出版社， 2000.

[5]The RELAP5 Code Development Team. RELAP5/MOD3.3 CODE MANUAL VOLUME Ⅰ：CODE STRUCTURE，SYSTEM MODELS，AND SOLUTION METHODS[R].Idaho National Engineering Laboratory， 2001.