同步CFD技術(shù)在模塊式小型堆非隔離管道熱分層分析中的應(yīng)用

趙 禹，曾 暢，任 云，賴建永，何 迅，余小權(quán)

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213)

流體在重力場(chǎng)的作用下，垂直方向的溫度分布不均勻引起的密度差會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)中的熱分層(thermal stratification)或自然對(duì)流現(xiàn)象。熱分層現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)在化工、能源等工業(yè)過程，以及大氣、海洋等自然現(xiàn)象中。

在核電廠中存在著一端連接反應(yīng)堆一回路高溫高壓流體系統(tǒng)，一端連接相對(duì)低溫的輔助系統(tǒng)，在正常運(yùn)行是與一回路系統(tǒng)隔離，而當(dāng)輔助系統(tǒng)投運(yùn)后與一回路系統(tǒng)相連通，存在著典型的熱分層現(xiàn)象：這些非隔離管道管中存在熱分層流型。這種流型的兩種不同溫度層之間缺少充分混合，在水平(或準(zhǔn)水平)管道的橫截面上產(chǎn)生不均勻的溫度分布。這種溫度分布的重復(fù)出現(xiàn)增加了設(shè)備和管嘴處出現(xiàn)疲勞失效(貫穿管壁裂紋)的可能性。

從我國(guó)在役電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，與一回路連接的非隔離管道普遍存在熱分層現(xiàn)象。在已經(jīng)運(yùn)行二十余年的大亞灣核電站和秦山核電站中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于管道熱分層導(dǎo)致的不同程度的熱腐蝕現(xiàn)象。從世界范圍來看，相關(guān)研究表明：在近30年的世界范圍內(nèi)的核電廠中，管道的熱分層、熱循環(huán)、熱震蕩現(xiàn)象導(dǎo)致了大量管道破裂事故。美國(guó)核管會(huì)(NRC)發(fā)布的88-08公告和88-11公告，要求所有在役或在建核電廠必須對(duì)穩(wěn)壓器波動(dòng)管等非隔離管道熱分層進(jìn)行分析論證，確保其結(jié)構(gòu)完整性。

通過核電廠的定期維修和在役檢查，可以發(fā)現(xiàn)部分重要的核級(jí)管道的熱分層現(xiàn)象，然而核電廠存在大量可能存在隱患的管道，核電廠在役檢查工作受到窗口期時(shí)間的限制不可能做到全部檢查，目前我國(guó)核電廠普遍在論證延長(zhǎng)換料周期，致使在役檢查工作量增加而時(shí)限進(jìn)一步縮短。迫使目前我國(guó)新建核電廠(包括“華龍一號(hào)”等堆型)采取理論分析與在役疲勞監(jiān)測(cè)等手段完善核電廠的運(yùn)行管理。對(duì)非隔離管道采用CFD技術(shù)在不同運(yùn)行工況下進(jìn)行流場(chǎng)分析可以直觀的判斷熱分層現(xiàn)象的嚴(yán)重程度，以及量化處理各工況下的溫度分布數(shù)據(jù)，是在核電廠大量管道中甄別出需要在役檢查關(guān)注的部分管道的有效途徑，并且可以量化處理溫度分布數(shù)據(jù)作為管道應(yīng)力與疲勞分析的基礎(chǔ)。

本文以模塊式小型堆作為研究對(duì)象。與其他核電機(jī)組一樣，模塊式小型堆同樣存在與高溫一回路相連的輔助系統(tǒng)管道，因此同樣不可避免管道熱分層問題。

1 模型建立、網(wǎng)格劃分及計(jì)算工況

1.1 分析模型建立

首先利用三維管道設(shè)計(jì)平臺(tái)PDMS，調(diào)出需要進(jìn)行CFD分析的管路系統(tǒng)(以非能動(dòng)余排返回管線為例，如圖1所示)，查詢所需的三維坐標(biāo)。

圖1 PDMS管路系統(tǒng)模型Fig.1 Piping system model of PDMS

進(jìn)而，在UG NX中建立管路系統(tǒng)的三維模型，同步CFD軟件自動(dòng)提取的流體域(見圖2)，管路CAD模型即為固體域。

圖2 FloEFD自動(dòng)提取流體域Fig.2 Extraction of fluid domain by FloEFD

使用傳統(tǒng)CFD分析工具時(shí)，首先需要提取流體域和固體域。但是在同步CFD軟件使用過程中，用戶只要建立真實(shí)的管路CAD模型，同步CFD軟件會(huì)自動(dòng)提取流體域和固體域，大大節(jié)省了建模時(shí)間。

1.2 網(wǎng)格劃分

同步CFD技術(shù)采用笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)，即計(jì)算單元的邊界是正交于笛卡爾坐標(biāo)系軸，任何CFD計(jì)算都是在一個(gè)立方體的計(jì)算區(qū)域里面進(jìn)行的。

基本網(wǎng)格設(shè)置和加密網(wǎng)格設(shè)置后生成的網(wǎng)格數(shù)量為499 924，其中流體域的網(wǎng)格數(shù)量為184 958，固體域的網(wǎng)格數(shù)量為135 372，部分網(wǎng)格(網(wǎng)格內(nèi)既有流體又有固體)數(shù)量為179 594。

圖3分別給出了不同截面的流體、固體及部分網(wǎng)格，從圖中可以看出，笛卡爾網(wǎng)格在管路內(nèi)和管壁上分布適當(dāng)。

圖3 不同截面網(wǎng)格分布Fig.3 Grid distribution of sections

1.3 計(jì)算工況

本文針對(duì)模塊式小型堆的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)(PRS)返回管道，通過分析這些非能動(dòng)系統(tǒng)投運(yùn)工況，并考慮處于隔離狀態(tài)出現(xiàn)微小泄漏的情況，本文采用CFD分析分析的典型工況如表1所示。

表1 非能動(dòng)余排返回管線CFD分析工況

1.4 邊界條件

依據(jù)模塊式小型堆工程設(shè)計(jì)參數(shù)，并經(jīng)過對(duì)上述非能動(dòng)系統(tǒng)管道的各分析工況，給出上述非能動(dòng)余熱排除返回管道CFD分析工況對(duì)應(yīng)的邊界條件如下。

對(duì)于工況1：反應(yīng)堆壓力容器接口為靜壓邊界條件(壓力15 MPa，溫度323.4 ℃)，其余端口封閉；保溫段外壁面對(duì)流換熱系數(shù)0.3 W/m2k，非保溫段外壁面對(duì)流換熱系數(shù)17 W/m2k，環(huán)境溫度27 ℃。

對(duì)于工況2：反應(yīng)堆壓力容器接口為靜壓邊界條件(壓力2 MPa，溫度180 ℃)；余排泵入口處為體積流量邊界條件(余排泵額定流量為93 m3/h)，其他邊界與工況1一致。

對(duì)于工況3：端口4處壓力2 MPa，溫度180 ℃；端口1處的流量分別為186 m3/h，其余端口封閉；保溫段外壁面對(duì)流換熱系數(shù)0.3 W/m2k，非保溫段外壁面對(duì)流換熱系數(shù)17 W/m2k，環(huán)境溫度27 ℃。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 工況1結(jié)果

對(duì)于工況1初始流體和固體溫度均設(shè)置為282.6 ℃，隨著與管路外環(huán)境發(fā)生熱交換，管路及內(nèi)部流體溫度逐漸降低，管路系統(tǒng)內(nèi)的流體和環(huán)腔內(nèi)的流體發(fā)生摻混和熱交換；當(dāng)管路與環(huán)境換熱量達(dá)到穩(wěn)定，管路系統(tǒng)內(nèi)各處的溫度也保持不變，此時(shí)管路系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作，停止計(jì)算。

整個(gè)PRS返回管路系統(tǒng)管路外壁面的溫度分布如圖4所示，從圖中可以看出，管路溫度從入口280 ℃到第一個(gè)水平彎管前下降到265 ℃，溫度梯度約15 ℃；到端口1、2分別下降到240 ℃和232 ℃。溫度在這些地方急劇下降，表明了這些地方有明顯熱分層，需要考慮熱應(yīng)力及循環(huán)熱沖擊對(duì)管路壽命的影響。

圖5給出了管路和環(huán)腔內(nèi)的溫度及流場(chǎng)分布情況，圖中可以明顯看出，由于溫差影響造成水的物性不同，進(jìn)而引起管道內(nèi)浮力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)，并形成明顯漩渦；這些微弱的渦流管路入口一定距離內(nèi)會(huì)促進(jìn)反應(yīng)堆壓力容器與非能動(dòng)余排返回管線的熱量交換。

圖4 PRS返回管線溫度分布(工況1)Fig.4 Temperature distribution ofPRS return pipe(Condition 1)

圖5 PRS返回管線流場(chǎng)分布(工況1)Fig.5 Flow field of PRS return pipe(Condition 1)

2.2 工況2結(jié)果

初始流體和固體溫度均設(shè)置為282.6 ℃，隨著端口1、2處60 ℃的低溫水的流入，管路系統(tǒng)內(nèi)的流體和環(huán)腔內(nèi)的流體發(fā)生摻混和熱交換，同時(shí)與管路外環(huán)境發(fā)生熱交換，管路及內(nèi)部流體溫度逐漸降低；當(dāng)管路與環(huán)境換熱量達(dá)到穩(wěn)定，管路系統(tǒng)內(nèi)各處的溫度也保持不變，此時(shí)管路系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作，停止計(jì)算。

圖6給出了管路及環(huán)腔內(nèi)流體溫度分布，從圖中可以看出，60 ℃的低溫水從端口1、2,流入環(huán)腔后，與高溫水摻混，在接口附近形成低溫區(qū)，溫度約180 ℃。從管路和環(huán)腔外壁面溫度分布情況，可以看出，在管路與環(huán)腔接口附件，溫度從60 ℃變化到274 ℃，溫度梯度非常大，需要考慮熱應(yīng)力及循環(huán)熱沖擊對(duì)環(huán)腔接口處結(jié)構(gòu)的影響。

圖6 PRS返回管線溫度分布(工況2)Fig.6 Temperature distribution ofPRS return pipe(Condition 2)

2.3 工況3結(jié)果

初始流體和固體溫度均設(shè)置為282.6 ℃，隨著與管路外環(huán)境發(fā)生熱交換，考慮端口閥門有流量為0.227 m3/h(1 gpm)的泄漏，當(dāng)管路與環(huán)境換熱量達(dá)到穩(wěn)定，管路各處的溫度也保持不變，此時(shí)管路系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作，停止計(jì)算。

整個(gè)管路系統(tǒng)管路外壁面的溫度分布如圖7所示，從圖中可以看出，達(dá)到穩(wěn)定后管路溫度升高至282.6 ℃，基本沒有熱分層現(xiàn)象。

圖7 PRS返回管線溫度分布(工況3)Fig.7 Temperature distribution ofPRS return pipe(Condition 3)

4 結(jié)論

通過將同步CFD技術(shù)應(yīng)用于模塊式小型堆的非能動(dòng)系統(tǒng)連接管道進(jìn)行流場(chǎng)分析，可以得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)管道內(nèi)流體無強(qiáng)制流動(dòng)或者只有微弱流動(dòng)時(shí)，熱流體的浮升力占據(jù)主導(dǎo)，容易在水平管段上產(chǎn)生熱分層現(xiàn)象。

2)為削弱流體浮升力在重力方向的作用，增加水平管道布置的坡度有利于緩解熱分層現(xiàn)象。此外，在熱管道入口增加布置豎直管道有利于緩解管道熱分層現(xiàn)象。

3)在管道接管嘴處，特別是冷、熱流體交匯的情況，容易產(chǎn)生熱沖擊，需要考慮熱應(yīng)力及循環(huán)熱沖擊對(duì)管路壽命的影響。在管道的保溫段與非保溫段的分界面上溫度梯度較大，需要在電廠運(yùn)行及在役檢查中給予關(guān)注。同時(shí)，應(yīng)考慮減少過多溫度偏差、流體沖擊、運(yùn)行介質(zhì)控制等措施。

4)采用同步CFD技術(shù)兩周內(nèi)完成了小堆非能動(dòng)系統(tǒng)管道的流場(chǎng)分析工作(傳統(tǒng)CFD軟件1～2個(gè)月的工作量)，充分證明了同步CFD軟件可以高效的分析熱流體管道中熱分層現(xiàn)象，因此在核電工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，并成為將來工程設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。