非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)自然循環(huán)特性研究

李鵬拯 李勇全 朱東保 劉少有 朱智強(qiáng) 孔夏明 王建軍

摘要：非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)是海洋核動(dòng)力平臺(tái)重要的非能動(dòng)安全系統(tǒng)之一，為研究其非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)瞬態(tài)自然循環(huán)特性，搭建了功率比為1：50的實(shí)驗(yàn)裝置，分析了投運(yùn)壓力、搖擺周期和搖擺幅度對(duì)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)瞬態(tài)自然循環(huán)特性影響。研究結(jié)果表明：非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)運(yùn)行前期，系統(tǒng)投運(yùn)壓力越大，回水質(zhì)量流量和蒸汽質(zhì)量流量就越大;隨著系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，換熱水箱水溫逐漸升高，豎直方向出現(xiàn)溫度分層;搖擺條件下非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)凝水流量周期性波動(dòng)，波動(dòng)周期與搖擺周期一致;在本實(shí)驗(yàn)研究中，搖擺條件下系統(tǒng)可以建立穩(wěn)定的自然循環(huán)。本文可為海洋核動(dòng)力平臺(tái)非能動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：自然循環(huán);非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng);熱分層;搖擺;海洋核動(dòng)力平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TL33 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research of Natural Circulation Characteristics of Passive Residual Heat Removal System

Li Pengzheng1， Li Yongquan1， Zhu Dongbao1， Liu Shaoyou1， Zhu Zhiqiang1， Kong Xiaming1， Wang Jianjun2

（1. Wuhan Second Ship Design & Research Institute， Wuhan， Hubei Province， 4302002 China; College of Nuclear Science and Technology， Harbin Engineering University， Harbin， Heilongjiang Province， 150001 China）

Abstract： The passive residual heat removal system is one of the important systems for the safety of floating nuclear power plant reactors. In order to study its natural circulation characteristics of different operation pressures and rolling motions， the natural circulation characteristics of passive residual heat removal system was analyzed by building up a 1：50 proportional test device. The results show that the higher the system pressure， the greater the return water mass flow and steam mass flow in the early stage of operation of the passive residual heat removal system. The water temperature rises gradually which leads to a thermal stratification phenomenon in the tank. The stable natural circulation is established during the experiments under rolling motions. This paper can provide a reference for the design of floating nuclear power plant reactor safety system.

Key Words：Natural circulation; Passive residual heat removal system; Rolling;Floating nuclear power plants

福島事故后，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)（PRHR）由于其固有安全性，被廣泛地應(yīng)用于第三代反應(yīng)堆安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中[1-5]。我國(guó)核安全局核安全法規(guī)《核動(dòng)力廠(chǎng)設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF102-2004）規(guī)定：“必須充分考慮事故條件下喪失廠(chǎng)外電源情況下的堆芯余熱導(dǎo)出能力，以便緩解事故的后果”。海洋核動(dòng)力平臺(tái)由于遠(yuǎn)離陸地，發(fā)生全船斷電及能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)失效時(shí)，難以及時(shí)獲得陸地資源支持，屬于事實(shí)上的“孤島”。因此，我國(guó)海洋核動(dòng)力平臺(tái)設(shè)計(jì)采用PRHR將停堆后的反應(yīng)堆余熱輸送到最終熱阱，以防止燃料包殼燒毀和堆芯熔化[6-7]。由于海洋核動(dòng)力平臺(tái)和大型核動(dòng)力船舶受海洋自身?xiàng)l件限制和環(huán)境影響，其蒸汽發(fā)生器液位高于海面，無(wú)法利用舷外側(cè)海水冷卻，因此其采用換熱器浸沒(méi)在水箱中的二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)方案。

與陸上堆不同，海洋核動(dòng)力平臺(tái)受風(fēng)、浪、涌等海洋環(huán)境影響，會(huì)使其處于傾斜、起伏和搖擺等一系列的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，造成反應(yīng)堆各系統(tǒng)和設(shè)備熱工水力特性發(fā)生變化，可能影響海洋核動(dòng)力平臺(tái)PRHR運(yùn)行能力[8-9]。因此有必要對(duì)海洋條件下海洋核動(dòng)力平臺(tái)的PRHR的自然循環(huán)特性進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)陸上堆的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究[10-13]。陳炳德等[10]對(duì)AC600二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明采用液柱啟動(dòng)的二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)可以導(dǎo)出堆芯余熱。Park等[11]對(duì)韓國(guó)SMART反應(yīng)堆的二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要分析了閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間、初始水裝量對(duì)其非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)運(yùn)行特性影響。李亮國(guó)等[12-13]針對(duì)國(guó)內(nèi)二代加型百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆電廠(chǎng)改進(jìn)項(xiàng)的二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明低壓低功率下系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定性。熊萬(wàn)玉等[14]使用RELAP/MOD3.3對(duì)二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的啟動(dòng)特性及其影響因素進(jìn)行了分析研究。針對(duì)海洋核動(dòng)力平臺(tái)，黃甫幼明[15]提出了3種非能動(dòng)余熱排出方案，使用RELAP5系統(tǒng)分析程序，比較分析了海洋條件下3種方案性能特點(diǎn)。622F521B-F5D9-411B-9446-06BFD1B6AB4D

可以看出目前關(guān)于非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的主要的研究方法是實(shí)驗(yàn)研究和系統(tǒng)分析程序仿真計(jì)算，研究對(duì)象主要為陸上三代和二代加反應(yīng)堆，對(duì)于海洋核動(dòng)力平臺(tái)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)研究較少，尤其是缺少海洋條件下的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究支持。因此，對(duì)海洋核動(dòng)力平臺(tái)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究是有必要的。

為了分析實(shí)際運(yùn)行工況下海洋核動(dòng)力平臺(tái)PRHR自然循環(huán)特性，評(píng)估海洋條件對(duì)海洋核動(dòng)力平臺(tái)非能動(dòng)安全系統(tǒng)運(yùn)行的影響。本文采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，通過(guò)?；治龊蟠罱ǖ墓β时?：50的實(shí)驗(yàn)裝置分析了海洋核動(dòng)力平臺(tái)PRHR自然循環(huán)特性，探究了PRHR投運(yùn)壓力和搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)海洋核動(dòng)力平臺(tái)PRHR壓力變化速率、流量波動(dòng)特性、回水溫度和熱阱熱分層的影響。為進(jìn)一步研究海洋核動(dòng)力平臺(tái)非能動(dòng)安全系統(tǒng)提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)裝置主要由補(bǔ)水箱、補(bǔ)水泵、實(shí)驗(yàn)水箱、U型電加熱器、蒸汽發(fā)生器、非能動(dòng)余熱排出換熱器、測(cè)量?jī)x器和采集系統(tǒng)等組成。測(cè)量?jī)x表有K型熱電偶、功率表、液位計(jì)、渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、壓力變送器、壓差傳感器等，測(cè)量系統(tǒng)為NI采集系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置如表1所示。

海洋核動(dòng)力平臺(tái)非能動(dòng)余熱排出換熱器傳熱管采用經(jīng)磨光并拋光的304不銹鋼管，蒸汽發(fā)生器模擬海洋核動(dòng)力平臺(tái)立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，其尺寸和功率由模化分析確定。第三代反應(yīng)堆中PRHR HX放置在專(zhuān)設(shè)的水箱之中，由于海洋核動(dòng)力平臺(tái)和大型核動(dòng)力艦船空間緊湊，故其PRHR HX放置在低壓安注箱中，本文使用帶有可視化窗口的實(shí)驗(yàn)水箱代替低壓安注箱。實(shí)驗(yàn)水箱內(nèi)裝有常壓下冷卻水，其液位遠(yuǎn)高于非能動(dòng)余熱排出換熱器上部管段。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置均使用硅酸鋁保溫棉包裹，以減少裝置散熱對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)工況如表2所示

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量

本文中的非能動(dòng)余熱排出換熱器外壁測(cè)溫點(diǎn)布置如圖1所示，在于其等高的位置均勻布置水箱冷卻水溫度測(cè)點(diǎn)。通過(guò)兩個(gè)鎧裝熱電偶測(cè)量換熱器入口處蒸汽溫度和回水管段凝水溫度。同時(shí)，在蒸汽管路和回水管路布置渦街流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量和凝水流量，在蒸汽發(fā)生器上腔室開(kāi)孔安裝壓力變送器測(cè)量蒸汽發(fā)生器內(nèi)部壓力。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)入非能動(dòng)余熱排出換熱器，飽和蒸氣在非能動(dòng)余熱排出換熱器內(nèi)被水箱中冷卻水冷卻冷凝為單相水，然后經(jīng)換熱器管外單相自然對(duì)流或池沸騰換熱將電加熱器產(chǎn)生的熱量（模擬一回路輸入能量）傳遞至熱阱（即本文中的實(shí)驗(yàn)水箱），依靠PRHR冷、熱段密度差形成的自然循環(huán)持續(xù)的排出反應(yīng)堆余熱，防止海洋核動(dòng)力平臺(tái)燃料包殼損壞和堆芯熔化。

1.4 ?實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置完成排氣后，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

（1）向蒸汽發(fā)生器注水至預(yù)定液位，打開(kāi)電加熱器，功率設(shè)定為預(yù)定值，隔離非能動(dòng)余熱排出換熱器上下游閥門(mén)（模擬正常運(yùn)行時(shí)隔離PRHR），控制回路溫度上升速率小于2 ℃/min。

（2）向?qū)嶒?yàn)水箱注水至預(yù)定液位。

（3）當(dāng)壓力到達(dá)設(shè)定值后，調(diào)節(jié)輔助換熱器上下游閥門(mén)開(kāi)度，控制冷卻水流量，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行30min（模擬船上二回路運(yùn)行）。

（4）打開(kāi)液壓搖擺臺(tái)控制系統(tǒng)，設(shè)定搖擺角度和搖擺幅度，啟動(dòng)搖擺臺(tái)（模擬海洋核動(dòng)力平臺(tái)搖擺環(huán)境）。

（5）關(guān)閉輔助換熱器上下游閥門(mén)（模擬隔離二回路側(cè)），打開(kāi)非能動(dòng)余熱排出換熱器上下游閥門(mén)（模擬投運(yùn)PRHR），打開(kāi)采集系統(tǒng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（6）當(dāng)水箱溫度全部達(dá)到飽和溫度，系統(tǒng)壓力長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器電加熱器，打開(kāi)排氣閥，對(duì)回路降溫降壓。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文為直接復(fù)現(xiàn)研究海洋核動(dòng)力平臺(tái)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)中的兩相流動(dòng)的現(xiàn)象及其變化規(guī)律，為避免復(fù)雜的物性變化帶來(lái)的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)采用等溫、等壓模擬原則，研究其瞬態(tài)自然循環(huán)特性。

2.1 投運(yùn)壓力對(duì)運(yùn)行特性影響

圖2所示不同投運(yùn)壓力下蒸汽發(fā)生器壓力變化規(guī)律。在不同投運(yùn)壓力下，蒸汽發(fā)生器壓力均一直下降，說(shuō)明海洋核動(dòng)力平臺(tái)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)可以正常運(yùn)行;非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)投運(yùn)壓力越大，蒸汽發(fā)生器壓力下降速率越快;系統(tǒng)投運(yùn)后，蒸汽發(fā)生器壓力逐漸降低，壓力下降速率也逐漸降低，直至系統(tǒng)壓力穩(wěn)定;大約1000s后，蒸汽發(fā)生器壓力降至1.5 MPa左右并保持穩(wěn)定。

圖3和圖4所示為不同投運(yùn)壓力下非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)蒸汽流量和凝水流量。系統(tǒng)投運(yùn)后，凝水流量和蒸汽流量達(dá)到峰值;由于啟動(dòng)方式為液柱啟動(dòng)，因此凝水流量峰值遠(yuǎn)大于蒸汽流量峰值，系統(tǒng)啟動(dòng)初期，凝水為原換熱器內(nèi)部液柱存水;非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)投運(yùn)壓力越大，回水質(zhì)量流量和蒸汽質(zhì)量流量就越大，原因是系統(tǒng)壓力越大，蒸汽冷凝換熱系數(shù)越大，非能動(dòng)余熱排出換熱器排熱功率越大，因此蒸汽流量和凝水流量就越大;隨著蒸汽發(fā)生器壓力下降，蒸汽冷凝換熱系數(shù)逐漸降低，凝水質(zhì)量流量越來(lái)越低，同時(shí)凝水質(zhì)量流量也略大于蒸汽質(zhì)量流量。

圖5所示為不同投運(yùn)壓力下非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)凝水水溫。投運(yùn)壓力越大，相同投運(yùn)時(shí)間凝水溫度越高，根據(jù)換熱器出口水溫變化趨勢(shì)，可以將凝水溫度變化分成以下5個(gè)區(qū)。

（1）回水水溫下降區(qū)，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)啟動(dòng)方式為液柱啟動(dòng)，啟動(dòng)前液柱水溫高于換熱水箱水溫，系統(tǒng)投運(yùn)后，傳熱管內(nèi)液柱流入蒸汽發(fā)生器，傳熱管液柱與管壁對(duì)流傳熱系數(shù)大于投運(yùn)前與管壁的傳熱系數(shù)，故啟動(dòng)后換熱管出口溫度會(huì)迅速下降，此時(shí)回水并不是蒸汽凝水，回水流量為虛假凝水流量。

（2）凝水水溫上升區(qū)，傳熱管啟動(dòng)液柱全部流出換熱器后，蒸汽在傳熱管內(nèi)冷凝后的凝水流至換熱器出口，所以出口水溫迅速增大。

（3）凝水水溫第一穩(wěn)定區(qū)，此區(qū)域內(nèi)凝水溫度基本穩(wěn)定，根據(jù)圖3可知，此區(qū)內(nèi)凝水流量基本穩(wěn)定，入口蒸汽溫度逐漸降低，水箱水溫逐漸上升，但傳熱管下部管段周?chē)鷧^(qū)域水溫仍然處于室溫。622F521B-F5D9-411B-9446-06BFD1B6AB4D

（4）凝水水溫逐漸上升區(qū)，此區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)凝水流量和系統(tǒng)壓力基本穩(wěn)定，傳熱管下部管段周?chē)鷧^(qū)域水溫隨著系統(tǒng)運(yùn)行逐漸升高，如圖6所示，隨著C型傳熱管下水平管附近水溫逐漸升高，對(duì)傳熱管內(nèi)凝水冷卻能力大幅下降，導(dǎo)致?lián)Q熱管出口凝水溫度升高。

（5）凝水水溫第二穩(wěn)定區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)壓力、入口蒸汽溫度和凝水質(zhì)量流量基本穩(wěn)定，水箱水溫接近飽和溫度，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

圖6所示為水箱內(nèi)冷卻水溫度分布規(guī)律。系統(tǒng)投運(yùn)后，非能動(dòng)余熱排出換熱器逐漸將熱量排至水箱，水箱水溫逐漸升高，水箱在垂直方向出現(xiàn)了明顯的溫度分層現(xiàn)象，隨著水箱水溫逐漸升高，垂直高度上水溫逐漸趨向飽和溫度，水箱溫度分層逐漸消失。

2.2 搖擺對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性影響

圖7所示為搖擺條件下蒸汽發(fā)生器壓力變化規(guī)律。搖擺條件下，蒸汽發(fā)生器壓力下降速率明顯大于靜止工況，原因是前期換熱器通過(guò)管壁與水箱內(nèi)冷卻水自然對(duì)流導(dǎo)出熱量，搖擺運(yùn)動(dòng)加劇了水箱內(nèi)冷卻水?dāng)嚮斐潭?，增?qiáng)了管壁水箱冷卻水換熱能力，同時(shí)搖擺運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了換熱器內(nèi)蒸汽冷凝換熱系數(shù)，提高了換熱器排熱能力。

圖8所示為搖擺條件下非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)凝水流量變化規(guī)律。搖擺條件下非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)回水流量變化趨勢(shì)與水平靜止時(shí)相同;由于搖擺附加力的作用，搖擺條件下系統(tǒng)回水流量發(fā)生周期性波動(dòng)，其波動(dòng)周期與搖擺周期一致，搖擺幅值越大，流量波動(dòng)幅度越大。

圖9所示為搖擺條件下非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)凝水溫度變化規(guī)律。搖擺條件下回水溫度變化趨勢(shì)與水平靜止條件時(shí)相同;搖擺條件下回水溫度低于水平靜止條件下回水溫度，原因是相同投運(yùn)時(shí)間時(shí)搖擺條件下蒸汽發(fā)生器壓力低于靜止工況，搖擺運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)換熱器換熱能力，使凝水得到了更好的冷卻，所以搖擺條件下非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)凝水溫度低于靜止工況。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)海洋核動(dòng)力平臺(tái)，對(duì)其非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得到如下結(jié)論：（1）非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)投運(yùn)壓力越高，運(yùn)行前期回水質(zhì)量流量和蒸汽質(zhì)量流量越大，蒸汽發(fā)生器壓力下降速率越大;（2）非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)投運(yùn)后，換熱水箱內(nèi)會(huì)出現(xiàn)明顯的熱分層現(xiàn)象;（3）搖擺條件下系統(tǒng)回水流量出現(xiàn)周期性波動(dòng)，搖擺幅值越大，回水流量波動(dòng)越劇烈。（4）本實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)裝置在搖擺條件下非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)均建立了穩(wěn)定的自然循環(huán)。

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