基于CFD的安全殼局部隔間非能動(dòng)氫氣復(fù)合器布置方案研究

李精精，蔡盟利，林盛盛，王 輝

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

壓水堆核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故后，由于鋯水反應(yīng)產(chǎn)生大量氫氣，嚴(yán)重威脅反應(yīng)堆安全。目前，為了緩解事故后的氫氣風(fēng)險(xiǎn)，國際通用做法為在安全殼內(nèi)隔間不同位置布置非能動(dòng)氫氣復(fù)合器(PAR)。在安全殼內(nèi)消氫效果的研究中，多采用集總參數(shù)程序或理論計(jì)算方法開展[1-5]，然而集總參數(shù)程序很難給出氫氣分布的效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法在核電安全領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用[6-8]。國內(nèi)外有不少學(xué)者采用CFD方法對(duì)非能動(dòng)氫氣復(fù)合器進(jìn)行研究。Park等[9]采用CFD程序?qū)Ψ悄軇?dòng)氫氣復(fù)合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的復(fù)合效率。Gera等[10]和Orszulik等[11]對(duì)不同環(huán)境條件下非能動(dòng)氫氣復(fù)合器工作特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。吉宇等[12]針對(duì)現(xiàn)有非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的特點(diǎn)，依據(jù)其工作原理，在一定假設(shè)的條件下建立相應(yīng)的理論模型，開展CFD計(jì)算分析，并對(duì)現(xiàn)有的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的復(fù)合能力與復(fù)合效率。李霄璽[13]采用簡化方法對(duì)已有的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器反應(yīng)速率公式進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。已有研究表明，通過采用CFD方法對(duì)非能動(dòng)氫氣復(fù)合器進(jìn)行詳細(xì)建模是可行的。但對(duì)非能動(dòng)氫氣復(fù)合器模型進(jìn)行詳細(xì)建模需要采用較好的網(wǎng)格質(zhì)量，特別是參與化學(xué)反應(yīng)的表面，考慮到安全殼與非能動(dòng)氫氣復(fù)合器在尺度上存在較大差異，過細(xì)的網(wǎng)格質(zhì)量將帶來過大的計(jì)算負(fù)擔(dān)。安全殼內(nèi)安裝的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的供應(yīng)商均為對(duì)應(yīng)型號(hào)的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器提供了經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的消氫速率公式。

本文基于CFD方法對(duì)安全殼局部隔間非能動(dòng)氫氣復(fù)合器布置方案進(jìn)行研究，在研究方案中，不對(duì)非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的催化區(qū)進(jìn)行詳細(xì)建模，而是采用供應(yīng)商提供的消氫速率公式對(duì)非能動(dòng)復(fù)合器進(jìn)行簡化模擬。

1 研究對(duì)象與計(jì)算模型

1.1 研究對(duì)象

非能動(dòng)氫氣復(fù)合器如圖1所示，由位于非能動(dòng)氫氣復(fù)合器底部的催化區(qū)和上部的煙囪區(qū)組成。非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的消氫速率如式(1)所示，氫氧反應(yīng)的化學(xué)方程式如式(2)所示。

圖1 非能動(dòng)氫氣復(fù)合器Fig.1 Passive autocatalytic recombiner

mH2=ηV(k1p+k2)tanh(V-Vmin)

(1)

(2)

式中：mH2為消氫速率，g/s；V為計(jì)算消氫速率所采用的體積濃度，%，當(dāng)VH2≤1.2VO2時(shí)，V=VH2，當(dāng)VH2>1.2VO2時(shí)，V=2VO2，當(dāng)VH2≥8%時(shí)，V=8%；η為復(fù)合器效率，當(dāng)VH2≤1.2VO2時(shí)，η=1.0，當(dāng)VH2>1.2VO2時(shí)，η=0.6；p為絕對(duì)壓力，Pa；k1、k2為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的復(fù)合器消氫常數(shù)，不同復(fù)合器該常數(shù)取不同的值；Vmin為復(fù)合器停止的氫氣體積濃度，%。

(3)

(4)

式中：mΣ為通過非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的混合物氣體總流量，kg/s；ΔyH2為非能動(dòng)氫氣復(fù)合器進(jìn)出口處的氫氣質(zhì)量份額；α為非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的效率；MH2和MΣ為氫氣和混合氣體分子量；上標(biāo)out表示出口。

由式(2)和復(fù)合器入口參數(shù)(即混合氣體組分、溫度)根據(jù)能量守恒可計(jì)算出復(fù)合器出口的氣體組分及其溫度：

(5)

(cpT)out=(cpT)in+ΔyH2Q

(6)

式中：Q為氫氣燃燒熱，約為1.2×108J/kg；cp為混合氣體的比定壓熱容，J/(kg·K)；T為混合氣體溫度，K。

因此，在計(jì)算過程中可將催化區(qū)作為“黑盒子”處理，即將催化區(qū)的入口作為計(jì)算域的出口邊界，而催化區(qū)的出口作為計(jì)算域的入口邊界處理。催化區(qū)入口的氣體組分即為邊界網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)內(nèi)的氣體組分，催化區(qū)出口的氣體組分和溫度可根據(jù)質(zhì)量守恒通過式(1)～(6)計(jì)算求得。

1.2 控制方程

計(jì)算過程中采用的流動(dòng)、傳熱及組分傳輸方程如下。

1) 連續(xù)性方程

(7)

式中：x、y、z為坐標(biāo)軸方向；ρ為密度；u、v、w為x、y、z方向的速度。

2) 動(dòng)量方程

(8)

(9)

(10)

式中，μ為動(dòng)力黏度，N·s/m2。

3) 能量方程

(11)

式中：k為熱導(dǎo)率，W/(m·K)；T為混合物溫度，K；ST為源項(xiàng)。

4) 組分(氫氣、氧氣、水蒸氣)傳輸方程

(12)

式中：Yi為第i項(xiàng)組分的質(zhì)量份額；D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；SYi為第i項(xiàng)組分的源項(xiàng)。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 氫氣復(fù)合器模型驗(yàn)證

在中國核電工程有限公司開展的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器設(shè)備鑒定實(shí)驗(yàn)中采用某小型試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行消氫速率驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證氫氣復(fù)合器簡化方案的合理性，對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 非能動(dòng)氫氣復(fù)合器入口氫氣濃度Fig.2 H2 concentration of PAR inlet

實(shí)驗(yàn)罐內(nèi)的初始?jí)毫?.15 MPa，初始?xì)錃鉂舛葹?%，空氣濕度為100%。由于該容器同時(shí)承載了噴淋、氣溶膠、毒物等相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究，罐體內(nèi)底部空間放置較多的設(shè)備，在建模過程中，模型容積取25 m3。由圖2可知，復(fù)合器布置位置對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，在計(jì)算前期，不同布置高度計(jì)算結(jié)果較為接近，隨氫氣消除的進(jìn)行，不同布置高度的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)差異，將復(fù)合器布置在較低位置時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近。實(shí)驗(yàn)中容器內(nèi)復(fù)合器的布置位置與下部位置情況更為接近。氫氣復(fù)合器不同布置位置時(shí)容器內(nèi)的平均氫氣濃度以及最終穩(wěn)定狀態(tài)下容器內(nèi)氫氣濃度的分布如圖3、4所示。

圖3 不同復(fù)合器布置高度下容器內(nèi)平均氫氣濃度分布Fig.3 Average H2 concentration distribution under different PAR heights

由圖3、4可知，氫氣復(fù)合器布置在不同高度情況下，容器內(nèi)氫氣分布出現(xiàn)較大差異。以復(fù)合器的布置高度為界，容器內(nèi)形成了明顯的氫氣濃度分層現(xiàn)象，復(fù)合器上部氫氣濃度迅速降低，而復(fù)合器下部一定高度處氫氣濃度基本維持不變。這是由于當(dāng)復(fù)合器處于較高位置處時(shí)，由于復(fù)合器的消氫效應(yīng)并沒有使氣體在整個(gè)容器內(nèi)形成一個(gè)很好的循環(huán)流動(dòng)，因此，復(fù)合器下部一定高度處的氫氣不能得到很好的消除，而復(fù)合器布置于較低位置處時(shí)，受水蒸氣上升效應(yīng)的影響，氫氣被迫向容器底部流動(dòng)，使空間內(nèi)較大范圍內(nèi)氫氣濃度得到較好消除效果。因此，復(fù)合器布置在容器中間高度位置時(shí)，消氫結(jié)束，容器內(nèi)具有較高的平均氫氣濃度，而布置在較低位置時(shí)，容器內(nèi)平均氫氣濃度較低。

圖4 不同復(fù)合器布置高度下容器內(nèi)氫氣濃度分布Fig.4 H2 concentration distribution under different PAR heights

2.2 不同布置方案對(duì)比

對(duì)卸壓箱隔間氫氣復(fù)合器進(jìn)行不同的布置方案設(shè)計(jì)，如圖5所示。其中，方案1的布置中，兩臺(tái)氫氣復(fù)合器均采用地裝方式，復(fù)合器底部標(biāo)高距地面約0.5 m；在方案2的布置方案中，抬高了兩臺(tái)復(fù)合器的布置，其中1臺(tái)氫氣復(fù)合器布置在卸壓箱隔間與卸壓箱上部隔間的流通通道中，另1臺(tái)復(fù)合器布置在距地約1.6 m標(biāo)高位置。計(jì)算過程中作如下假設(shè)：隔間初始條件為：壓力0.1 MPa，氫氣體積份額0.1，空氣濕度0%，房間溫度300 K；房間為封閉隔間，且不考慮卸壓箱爆破閥的質(zhì)能釋放。

a——方案1；b——方案2圖5 非能動(dòng)氫氣復(fù)合器布置方案Fig.5 Layout scheme of PAR

1) 復(fù)合器消氫速率對(duì)比

卸壓箱隔間不同氫氣復(fù)合器布置方案下，復(fù)合器消氫速率及隔間氫氣濃度對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，在消氫開始時(shí)，由于兩種布置方案具有相同的環(huán)境條件，因此，不同方案消氫速率相當(dāng)，隨著消氫的進(jìn)行，當(dāng)復(fù)合器入口的氫氣濃度低于8%時(shí)，復(fù)合器消氫效率隨氫氣濃度的降低而降低。在方案2的布置中，PAR1位于卸壓箱隔間與卸壓箱上部隔間的流通通道中，該通道作為氣體的唯一流通通道，底部復(fù)合器產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)伴隨著氫氣和空氣流過該通道，因此，此位置處的氫氣復(fù)合器消氫效率會(huì)有所降低,而PAR2由于抬高了布置高度，隨著消氫作用的進(jìn)行，較低位置處的氫氣會(huì)補(bǔ)充到氫氣復(fù)合器的入口處，從而維持氫氣復(fù)合器具有較高的消氫效率。方案1中復(fù)合器布置位置較低時(shí)，隨著消氫作用的進(jìn)行，較低位置處的氫氣濃度急劇減少，周圍氣體不能得到及時(shí)補(bǔ)充，造成復(fù)合器效率降低。

2) 卸壓箱隔間氫氣濃度分布對(duì)比

卸壓箱隔間內(nèi)不同高度處氫氣濃度如圖7所示。由圖7可知，兩種布置方案出現(xiàn)了不同的氫氣分布情況。方案1氫氣濃度分布相對(duì)均勻，但是整體氫氣濃度相對(duì)較高。由于隔間為封閉隔間，且不存在氣流擾動(dòng)，復(fù)合器只可以帶動(dòng)小范圍內(nèi)的氣體循環(huán)流動(dòng)，方案2出現(xiàn)了較為明顯的氣體濃度分層現(xiàn)象。局部隔間內(nèi)氣體濃度分布及氫氣風(fēng)險(xiǎn)除受氫氣復(fù)合器影響外，還與破口位置、質(zhì)能釋放源項(xiàng)以及隔間之間的流通情況均有較為密切的關(guān)系，后續(xù)將根據(jù)實(shí)際事故序列開展更多工況的研究。

圖6 不同布置方案下消氫速率及隔間氫氣濃度對(duì)比Fig.6 H2 depletion rate and hydrogen concentration comparison of different PAR layouts

a——方案1，t=400 s；b——方案2，t=400 s；c——方案1，t=600 s；d——方案2，t=600 s圖7 卸壓箱隔間內(nèi)的氫氣濃度Fig.7 H2 concentration in relief tank room

3 結(jié)論

采用CFD程序及經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的復(fù)合器消氫效率公式對(duì)復(fù)合器進(jìn)行簡化模擬，分析了卸壓箱隔間內(nèi)不同氫氣復(fù)合器布置方案下，隔間內(nèi)氫氣濃度及復(fù)合器消氫效率，最終得出結(jié)論如下。

1) 根據(jù)消氫公式計(jì)算氫氣復(fù)合器進(jìn)出口的氣體流量和氣體組分，并作為氫氣復(fù)合器的邊界條件，將氫氣復(fù)合器內(nèi)部作為黑盒子的處理方法，可以很好地模擬復(fù)合器的消氫效果，其計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值符合良好。

2) 封閉容器內(nèi)氫氣復(fù)合器布置高度對(duì)氫氣分布影響較大，以復(fù)合器的布置高度為界，容器內(nèi)形成了明顯的氫氣濃度分層現(xiàn)象。

3) 考慮卸壓箱隔間為封閉隔間，在同等環(huán)境條件下，將復(fù)合器布置在較高位置與布置在較低位置相比，復(fù)合器布置在較高位置時(shí)具有更高的消氫速率，但是將復(fù)合器布置在較高位置時(shí)，會(huì)造成明顯的氣體分層現(xiàn)象。

4) 局部隔間內(nèi)布置氫氣復(fù)合器時(shí)，建議兼顧隔間底部布置，以防局部氫氣聚集現(xiàn)象的發(fā)生。