非能動堆芯冷卻系統(tǒng)冷凝回流落水管改造分析

黃鏡宇，郭丹丹，劉 潔，潘新新，徐 進

(上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海200233)

在AP1000核電廠非能動堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)的設(shè)計中，利用安全殼內(nèi)壁面冷凝回流的方式持續(xù)帶走事故后安全殼內(nèi)的熱量。事故期間，非能動余熱排出熱交換器(PRHR HX)將堆芯的熱量傳遞至安全殼內(nèi)換料水箱(IRWST)，IRWST內(nèi)的水吸熱變成水蒸氣進入安全殼空間，在鋼制安全殼內(nèi)壁面受冷凝結(jié)成水滴，同時熱量傳導至安全殼外部，通過安全殼外壁水膜冷卻和空氣冷卻，將熱量傳遞至環(huán)境大氣中。事故后安全殼冷卻示意圖如圖1所示。

蒸汽在鋼制安全殼內(nèi)壁面冷凝成水滴后，沿著安全殼壁面匯集并向下流動，在環(huán)吊梁、內(nèi)部加強筋、返回槽處被收集，然后通過落水管等方式匯入收集盒，收集盒疏水管將收集的冷凝水輸送至IRWST，繼續(xù)從PRHR HX吸收熱量，從而將堆芯熱量持續(xù)導入外界，保證事故工況下堆芯的安全。如果進入IRWST的冷凝水回流量小于蒸發(fā)量，IRWST的液位就會下降，一旦布置在IRWST內(nèi)的PRHR HX裸露，就有可能出現(xiàn)堆芯冷卻不足的情況，導致嚴重后果。所以，回流至IRWST的冷凝水是否充足，對于事故后堆芯冷卻至關(guān)重要。而收集盒疏水管線的長度和排氣措施對最終疏水能力有很大影響，所以有必要開展相應的分析優(yōu)化。

圖1 事故后冷卻示意圖Fig.1 Post accident cooling

1 冷凝回流系統(tǒng)設(shè)計描述

事故后，蒸汽排放到安全殼大氣中，在安全殼冷卻水的作用下，安全殼壁面對殼內(nèi)蒸汽持續(xù)冷凝，在安全殼壁面形成冷凝水，冷凝水通過冷凝回流系統(tǒng)進行回收。

AP1000冷凝回流系統(tǒng)由安全殼垂直壁面上部的環(huán)吊梁、中間部位的加強筋、收集環(huán)吊梁、加強筋處積聚冷凝水的落水管、安全殼下部的返回槽和收集盒，以及其他連接管道和部件組成。事故工況期間，返回槽收集到的冷凝水通過收集盒的疏水管被排往IRWST。冷凝回流系統(tǒng)如圖2所示。

1.1 環(huán)吊梁和加強筋

冷凝水沿安全殼壁面下落至環(huán)吊梁和內(nèi)部加強筋處，由于環(huán)吊梁有一圈環(huán)繞安全殼的擋水壩，加強筋內(nèi)外兩側(cè)的圍板形成能存儲水的水槽。分別在環(huán)吊梁和加強筋底部設(shè)置落水管將冷凝水引到運行平臺標高處的冷凝水收集盒。環(huán)吊梁和加強筋示意圖如圖3所示。

圖3 環(huán)吊梁和加強筋示意圖Fig.3 Polar crane girder and internal stiffener

1.2 返回槽

返回槽位于運行平臺標高處以收集安全殼的冷凝水。返回槽在360°范圍內(nèi)收集冷凝水，通常返回槽收集的冷凝水都排往安全殼地坑。事故工況期間，冷凝水排往IRWST。為了保證冷凝水中的碎片在到達IRWST濾網(wǎng)之前已經(jīng)沉降，返回槽管線布置在盡可能遠離IRWST濾網(wǎng)的地方，從而使碎片遷移到濾網(wǎng)的可能性最小。

1.3 收集盒與疏水管

收集盒與疏水管應布置在盡可能遠離IRWST濾網(wǎng)的地方，以保證冷凝水中的碎片在到達IRWST濾網(wǎng)之前已經(jīng)沉降。收集盒與疏水管的布置情況如圖4所示。

圖4 收集盒與疏水管布置Fig.4 Layout of collection box and draining line

在事故工況下，收集盒與疏水管的疏水能力必須滿足安全分析的要求。收集盒疏水管線的長度、排氣措施等對最終疏水能力有很大影響，主要表現(xiàn)為以下。

(1)由于收集盒的疏水管出口浸沒在IRWST內(nèi)的水中，具有一定背壓，并且管道入口處標高與IRWST工作液位較為接近，因此管線驅(qū)動壓差小，可能導致流量不足。

(2)收集盒的疏水管具有很長的水平段，而且沒有設(shè)置排氣管線。收集盒在接收冷凝水之前處于排空狀態(tài)，事故工況下如果冷凝水和外界氣體從管道入口同時進入管道內(nèi)，那么氣體很容易在管道水平段內(nèi)某處集聚，并“堵塞”管道，也會導致流量不足。

(3)來自環(huán)吊梁、加強筋等處的冷凝水從高處流入收集盒中，高速運動的水流撞擊收集盒壁面后破碎為大量氣泡進入疏水管線，導致氣體被冷凝水流持續(xù)帶入管線內(nèi)。

理論上，管道長度、管徑、入口形式、有無排氣措施等因素，都會對疏水管內(nèi)氣體積聚造成影響，進而影響管線疏水性能。

2 冷凝回流系統(tǒng)流量試驗

冷凝回流系統(tǒng)流量試驗是AP1000核電廠預運行階段非能動堆芯冷卻系統(tǒng)需要開展的主要試驗之一。該試驗的目的是驗證事故后安全殼壁面上冷凝的凝結(jié)水，在流經(jīng)環(huán)吊梁、加強筋、返回槽、落水管、收集盒時不會發(fā)生滿溢，所有冷凝水都能返回IRWST。

根據(jù)三門核電1號、2號機組的試驗結(jié)果，由于收集盒在未達到驗收準則要求的流量時已出現(xiàn)溢流，因此兩次試驗均未能滿足驗收準則要求。

工程經(jīng)驗表明：對于收集盒疏水這一類壓力較低的重力疏水管線，很容易發(fā)生氣阻現(xiàn)象。所謂氣阻，是指液體輸送管路中由于氣體的存在，導致流量下降甚至斷流的現(xiàn)象。發(fā)生氣阻后，一般需要進行排氣處理。但是氣體在管道中往往處于一種游移狀態(tài)，停留點不穩(wěn)定而難以確定，處理難度較大，應給予足夠的重視。

3 氣體積聚機理分析

氣體積聚會對核電廠安全穩(wěn)定運行帶來許多危害。美國核管理委員會(NRC)在2008年1月發(fā)布了GL-08-01[2]，針對氣體來源、氣體積聚位置、氣體積聚量、氣體積聚的影響等問題給出了相關(guān)指導。

影響管道內(nèi)氣體積聚的因素很多，最主要的因素是流量以及流量對應的弗洛德數(shù)Fr(Froude Number)。

(1)

式中：U——管道內(nèi)流體流速，m/s；

D——管道內(nèi)徑，m；

g——重力加速度，m2/s。

針對管道內(nèi)氣體積聚問題，荷蘭代爾夫特理工大學[3]傾斜管內(nèi)兩相流試驗裝置和壓水堆業(yè)主協(xié)會[4](PWROG)大管徑氣體遷移試驗臺架分別開展了有關(guān)試驗研究。結(jié)果表明：可以通過評估Fr數(shù)是否大于1，以確定動態(tài)排氣是否有效。評價準則如下：

若Fr>1，則動態(tài)排氣有效。

若Fr<1，則無法確定動態(tài)排氣是否有效，可能存在氣阻問題。

解決氣阻問題的重點在于預防。產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象主要有兩個條件：第一，管道內(nèi)存在氣體；第二，氣體積聚在一起。根據(jù)氣阻形成的機理，只要去除以上兩個條件或者其中的一個，就可以防止氣阻的形成。這是優(yōu)化設(shè)計方案的基本依據(jù)。

圖5為收集盒疏水過程的數(shù)學模型。根據(jù)流體力學中的Bernoulli方程，建立如下關(guān)系式：

圖5 收集盒疏水過程的理論模型Fig.5 Theoretical model of collection box draining

(2)

式中：P0——大氣壓力，Pa；

Pb——疏水管線出口處壓力，Pa；

H——收集盒內(nèi)液位與出口管線的高差，m；

ρ——冷凝水密度，kg/m3；

f——湍流阻力系數(shù)；

L——管線當量長度，m。

對公式(2)進行無量綱化處理后將公式(1)代入，可得無量綱化的Bernoulli方程如下：

(3)

根據(jù)收集盒疏水管線的實際布置情況，相關(guān)管道參數(shù)如表1所示。

表1 收集盒疏水管線參數(shù)

將上述參數(shù)代入公式(3)后，求得Fr=0.94<1。所以，收集盒疏水管線在排水過程中不能確定動態(tài)趕氣是否有效，必須設(shè)置排氣措施。

三門核電站1號、2號機組開展的流量試驗結(jié)果表明：試驗過程中，A、B兩個系列的收集盒均出現(xiàn)了溢流。這說明收集盒疏水管線內(nèi)存在氣阻現(xiàn)象，導致了冷凝回流流量偏低，不滿足驗收準則。試驗結(jié)果與理論預測結(jié)果是一致的。

4 冷凝回流系統(tǒng)CFD分析

由于氣體積聚機理分析采用了簡化模型，為了研究氣體在疏水管線內(nèi)的積聚和分布情況，支撐改造方案設(shè)計，因此有必要進一步開展詳細的CFD分析。本節(jié)通過CFD軟件STAR-CCM+對AP1000冷凝回流系統(tǒng)的收集盒及其疏水管進行建模及仿真計算，研究氣體在管線內(nèi)的積聚情況，預測管道排水能力。

4.1 解析模型

本節(jié)以B系列收集盒(包含內(nèi)部組件)及其下游疏水管線為研究對象進行全尺寸建模。返回槽中的冷凝水從頂部進入收集盒中，然后沿收集盒的疏水管線流出。疏水管線規(guī)格為DN100，從收集盒側(cè)面引出，在連接至一個貫穿件后進入IRWST內(nèi)。由于收集盒內(nèi)的冷凝水液位不會超過溢流液位(返回槽以下部分)，因此對收集盒的建模只需包含其溢流以下的部分即可，以簡化分析模型、減小計算量。解析模型示意圖如圖6所示。

圖6 解析模型Fig.6 Analysis model

4.2 計算設(shè)置

4.2.1 物理模型

針對冷凝回流問題，計算所采用的物理模型如下：

(1)三維計算(Three Dimensional)

(2)非定常流動(Unsteady)

(3)分離式求解(Segregated Flow)

(4)不可壓縮流體(Constant Density)

(5)重力流(Gravity)

(6)可實現(xiàn)k-ε湍流模型(Realizable K-Epsilon Turbulence)

(7)雙層壁面函數(shù)(Two-Layer All y+ Wall Treatment)

(8)VOF模型(Volume of Fluid)

VOF模型[6]是求解設(shè)置的關(guān)鍵，可以求解多相之間有明顯界面不考慮相間分子擴散的問題，適用于收集盒疏水管內(nèi)冷凝水和空氣兩相混合流動過程。VOF模型的控制方程如下所示：

(4)

(5)

(6)

式中：ρi——不同相的密度；

u——速度；

S——質(zhì)量源項；

m——蒸發(fā)、沸騰等相變引起的質(zhì)量流量，冷態(tài)分析時不考慮；

p——壓力；

F——重力之外的體積力；

Sh——能量源項；

αi——體積分率，采用可精確捕捉相間界面的HRIC差分格式進行求解。

由于可實現(xiàn)k-ε湍流模型具有較高的求解效率，因此本文采用可實現(xiàn)k-ε湍流模型與VOF模型進行耦合計算。

4.2.2 網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格劃分方面，采用適用于復雜幾何的多面體網(wǎng)格(Polyhedral Mesh)和棱柱層網(wǎng)格(Prism Layer Mesh)對分析模型進行網(wǎng)格劃分操作。其中，全局網(wǎng)格劃分尺寸為10 mm，最小網(wǎng)格劃分尺寸為2.5 mm，以便捕捉疏水管內(nèi)的氣液交界面變化。此外，為了提高計算效率，本次計算采用3層邊界層網(wǎng)格，總厚度為3 mm，增長率設(shè)置為1.5。對于可實現(xiàn)k-ε湍流模型(Realizable K-Epsilon Turbulence)和雙層壁面函數(shù)(Two-Layer All y+ Wall Treatment)，在設(shè)置邊界層厚度時需要考慮y+值，一般來說壁面的y+值不大于30。

整個模型共劃分為75萬體網(wǎng)格。

4.2.3 初邊值條件

因為初始時刻收集盒內(nèi)沒有冷凝水，所以其液相份額為0，氣相份額為1。對于疏水管，初始時刻其立管浸沒在IRWST中，其液相份額和氣相份額如下：

液相份額：1(溢流液位以下)，0(溢流液位以上)；

氣相份額：0(溢流液位以下)，1(溢流液位以上)。

收集盒頂部與環(huán)境大氣聯(lián)通，故壓力設(shè)置為0.0 Pa(表壓)。由于疏水管立管浸沒在IRWST中，因此疏水管背壓等于IRWST溢流液位與疏水管出口的標高差對應的水柱壓力。兩者的標高差為7.32 m，對應壓力為71 587 Pa(表壓)。疏水管內(nèi)水柱壓力與液位高差成正比。

4.3 結(jié)果分析

本節(jié)旨在預測AP1000冷凝回流系統(tǒng)的收集盒疏水管的排水能力。對于收集盒疏水管這一類壓力較低的重力疏水管線，管道布置、管道內(nèi)氣體含量和排氣措施的設(shè)置都會對其排水能力產(chǎn)生較大的的影響。從計算結(jié)果得到速度分布和氣液分布，可以反映整個模型的流場情況，分析管道內(nèi)氣體含量變化引起的排水流量變化。

通過修改疏水管管徑、修改疏水管出口處背壓和在疏水管上增加排氣管，對收集盒的疏水管排水能力分別進行數(shù)值模擬。計算結(jié)果如表2所示。

表2 疏水管排水能力

各方案下管道內(nèi)的氣體積聚情況如圖7所示。

通過對不同方案的CFD分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)工況1模擬了三門核電2號機組的試驗過程，結(jié)果顯示在水平管線內(nèi)集聚了大量氣體，減小了管道流通面積，影響了疏水效果。

(2)工況2增大管徑至DN150后，能達到要求的排放流量。

(3)工況3模擬了三門核電1號機組的試驗過程，結(jié)果顯示收集盒不會滿溢，與1號機組的試驗結(jié)果一致。此工況中雖然也有氣體積存，但是因為疏水驅(qū)動壓頭很可觀，并且氣體持續(xù)地從管線出口排出，所以不影響試驗結(jié)果。

(4)工況4在疏水管線的水平段上增設(shè)了排氣管后，該水平段內(nèi)的氣體顯著減少，管線疏水能力得到了一定提升。

圖7 疏水管內(nèi)氣體及積聚情況Fig.7 Gas accumulation in the draining line

5 冷凝回流系統(tǒng)優(yōu)化改造

5.1 方案設(shè)計

基于氣體積聚理論分析和CFD分析，對收集盒疏水過程進行了評價，認為需要開展設(shè)計改進。

圖8 改造方案Fig.8 Design change proposals

由于收集盒接受從高處流下的冷凝水時勢必伴有大量的氣液夾帶，因此難以從源頭上減少空氣與水的混合。必須在氣體可能積聚的位置設(shè)置排氣管線，利用管道內(nèi)外壓差將氣體排出管外。此外，增加疏水管線截面積可以減小管線總阻力，也能提高收集盒的疏水能力。

表3 改造方案可行性分析

根據(jù)以上分析，本節(jié)提出3種不同的改造方案，并分別對可行性進行分析如表3所示。

從消除氣阻和現(xiàn)場施工可行性的角度分析，增加排氣管的方案是最可行的。

綜合考慮CFD分析和現(xiàn)場施工可行性評價的結(jié)果，可以在不改變已有管線設(shè)計的情況下，在各水平管段處增設(shè)3根的排氣管，即可有效提高疏水流量，滿足試驗驗收準則的要求。最終優(yōu)化改造方案如圖9所示。

圖9 最終優(yōu)化方案Fig.9 Final optimization proposal

5.2 試驗驗證

三門核電1號機組按照試驗臨時運行指令文件進行了改造后的流量試驗。試驗流量范圍與事故分析流量范圍一致，均為70～120 gpm(15.89～27.25 m3/h)。試驗目的是為了驗證收集盒排水能力是否有增強，并確定改造后的收集盒疏水水能力大小。

優(yōu)化后的試驗結(jié)果表明：增加3根排氣管的措施消除氣阻的效果很明顯，收集盒疏水管的排水能力有顯著提高，滿足設(shè)計要求。針對冷凝回流系統(tǒng)的優(yōu)化改造是成功的。

圖10 現(xiàn)場試驗驗證Fig.10 Site test verification

6 結(jié)論

本文首先介紹了AP1000核電廠非能動堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)冷凝回流系統(tǒng)的設(shè)計現(xiàn)狀和流量試驗情況，然后針對試驗缺陷進行了氣體積聚機理分析，得出了導致流量不足的原因是疏水管內(nèi)產(chǎn)生氣阻的結(jié)論。在機理分析的基礎(chǔ)上，進一步開展了CFD分析，研究了不同的疏水管管徑、疏水管出口處背壓和在疏水管排氣管數(shù)量對排水能力的影響。最后基于氣體積聚理論分析和CFD分析結(jié)果，提出了增加3根排氣管的改造方案?，F(xiàn)場試驗驗證結(jié)果表明：實施改造后，收集盒疏水管的排水能力得到顯著提高，流量滿足驗收準則。改造方案獲得成功。

本文的主要結(jié)論如下：

(1)對改造前收集盒疏水管線布置的潛在問題進行了氣體積聚機理分析。結(jié)果表明：外界氣體持續(xù)帶入和集聚，會在管線內(nèi)形成氣阻現(xiàn)象，導致疏水能力不滿足設(shè)計要求。理論分析結(jié)果成功地預測了后續(xù)試驗中的氣阻問題，為優(yōu)化改造提供了方向。

(2)根據(jù)氣阻產(chǎn)生的必要條件(管道內(nèi)存在氣體、管道內(nèi)氣體集聚)提出了3種不同的改造方案。結(jié)合CFD分析結(jié)果和施工可行性評價結(jié)論，增設(shè)3根排氣管的方案可以有效消除氣阻，疏水流量滿足設(shè)計要求；該方案的現(xiàn)場施工量也較小，便于改造。改造后的試驗結(jié)果證明了改造方案是可行的，同時也驗證了CFD分析方法，可以應用于后續(xù)項目冷凝回流系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中。