非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出蒸汽排放裝置實(shí)驗(yàn)研究

王佳卓，李麗娟，谷海峰，孫中寧

1. 中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840

2. 哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江省核動(dòng)力裝置性能與設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001

在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故中，保證安全殼的完整性是限制放射性外泄的重要措施。華龍一號(hào)采用了混凝土內(nèi)襯鋼襯里的安全殼，針對(duì)這種安全殼的非能動(dòng)冷卻，國(guó)際上提出了一些可行的非能動(dòng)安全殼冷卻的方案[1-5]。

“華龍一號(hào)”的非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)（passive containment heat removal system，PCS）是其三大非能動(dòng)系統(tǒng)之一，用于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下安全殼的排熱。在非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過非能動(dòng)換熱回路將安全殼內(nèi)熱量導(dǎo)入殼外換熱水箱，換熱水箱內(nèi)的水體被加熱后產(chǎn)生蒸汽，最終排向大氣。PCS 系統(tǒng)的自然循環(huán)特性和運(yùn)行穩(wěn)定性等經(jīng)過了大量的研究，以確保其可靠和安全[6-15]。

PCS 系統(tǒng)設(shè)置蒸汽排放裝置，基本要求包括：一是當(dāng)反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，PCS 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)，蒸汽排放裝置應(yīng)保證系統(tǒng)與外界環(huán)境間實(shí)現(xiàn)有效的隔離，并能應(yīng)對(duì)因安全殼內(nèi)溫度變化和環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的冷卻水箱內(nèi)壓力波動(dòng)；二是當(dāng)PCS 系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，蒸汽排放裝置能自動(dòng)、可靠開啟而不依賴于外部能源，且流動(dòng)阻力小，保證PCS 系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽能順暢、穩(wěn)定、可靠地排放。

1 蒸汽排放裝置的理論分析

能夠?qū)崿F(xiàn)PCS 系統(tǒng)排氣功能的蒸汽排放裝置整體結(jié)構(gòu)包括水封槽、U 形蒸汽排放管（簡(jiǎn)稱U 形管）、回流疏水管及兩管間的連接橋管等。

蒸汽排放裝置的主要特征參數(shù)包括U 形排放管內(nèi)初始液位、橋管阻力、水箱的升壓速率等。為保證蒸汽排放裝置能自動(dòng)、可靠開啟，這些參數(shù)之間必須滿足一定的條件。針對(duì)回流疏水管中安裝止回閥以及橋管中安裝限流閥的方案建立流動(dòng)分析模型，如圖1 所示。簡(jiǎn)化后模型主要由冷卻水箱、U 形蒸汽排放管、回流輸水管–橋管組成。其中U 形排放管回路與回流輸水管–橋管回路形成2 個(gè)并聯(lián)通道，分別用通道1 和通道2 表示，2 個(gè)通道的左端和右端分別交匯于圖1 中A點(diǎn)和B點(diǎn)。模型中各點(diǎn)與水平地面間的距離分別用H1~H5來表示，具體符號(hào)含義見表1。

表1 各點(diǎn)高度符號(hào)表

圖1 蒸汽排放裝置流動(dòng)分析模型

在初始狀態(tài)，水箱內(nèi)壓力與外界大氣壓力相同。水箱內(nèi)液位應(yīng)與U 形排放管內(nèi)液位相等，橋管內(nèi)沒有流量。此時(shí)，緩慢地向水箱氣空間內(nèi)通入空氣，水箱壓力相應(yīng)以某一速率上升。隨著水箱壓力的升高，U 形排放管下降段內(nèi)液位開始下降，U 形排放管上升段內(nèi)液位開始上升。由于水箱容積遠(yuǎn)大于U 形排放管容積，所以可視為水箱內(nèi)液位基本保持不變。從而在水箱與U 形排放管下降段之間形成液位差，在液位差的作用下，水箱內(nèi)的水經(jīng)通道2 以一定速率注入U(xiǎn) 形排放管。U 形排放管下降段內(nèi)液位的下降以及橋管的補(bǔ)水都將使U 形排放管上升段內(nèi)液位升高。U 形排放管上升段內(nèi)液位變化就如同水柱壓力計(jì)一樣，反映了水箱內(nèi)的壓力變化。

在水箱升壓過程中，隨著U 形排放管下降段內(nèi)液位的下降，其與水箱液位之間的差值在增大，橋管內(nèi)工質(zhì)的流量也在增加。直到橋管內(nèi)流量增加到某一值時(shí)，通過其補(bǔ)水而造成的U 形排放管上升段內(nèi)液位變化恰好與水箱內(nèi)壓力變化相平衡，U 形排放管下降段內(nèi)的液位將不再下降。從而U 形排放管恰好無法開啟。

對(duì)于通道1 而言，由于U 形排放管下降段內(nèi)液位處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此其內(nèi)流體可認(rèn)為處于靜止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)靜力學(xué)原理可得：

式中：PA為A點(diǎn)的壓力，Pa；PB為B點(diǎn)的壓力，Pa；ρ為冷卻水的密度，kg/m3。

對(duì)于通道2 而言，假設(shè)：1）通道內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)為一維、不可壓縮流體的流動(dòng)；2）由于回流輸水管路橫截面積遠(yuǎn)大于橋管，其內(nèi)的流體流速低，因此可以忽略此段管路的流動(dòng)阻力；3）忽略加速壓降的影響。

則流動(dòng)方程為

式中：L為橋管長(zhǎng)度，m；d為橋管內(nèi)徑，m；λ為橋管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)；ξ為限流閥處局部阻力系數(shù)；uB為橋管內(nèi)工質(zhì)流速，m/s。

聯(lián)立式（1）和式（2），可得：

式（3）進(jìn)一步表明：由水箱與U 形排放管下降段內(nèi)的液位差產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)壓頭來提供通道2 內(nèi)水流動(dòng)的動(dòng)力。當(dāng)此液位差達(dá)到某一值后，僅通過橋管補(bǔ)水造成的液位變化便能平衡水箱內(nèi)壓力變化，因此，U 形排放管下降段內(nèi)液位將停止下降，通過式（3）可得這一時(shí)刻U 形排放管下降段內(nèi)液位為

當(dāng)H2=H3時(shí)，即U 形排放管內(nèi)的液位已經(jīng)到達(dá)其水平段，則表示U 形排放管能夠開啟，因此U 形管內(nèi)水封開啟的必要條件是H2≤H3，即

在圖1 所示的模型中，U 形排放管就如同水箱的壓力計(jì)一樣，當(dāng)U 形排放管下降段內(nèi)液位停止下降時(shí)，其上升段內(nèi)液位的變化即反映了冷卻水箱內(nèi)的壓力變化，因此需滿足如下條件：

式（6）即表示：液位增加所造成的壓力增加速率等于水箱內(nèi)的升壓速率。由于U 形排放管下降段內(nèi)液位停止下降，因此U 形排放管上升段內(nèi)液位的升高是由橋管來補(bǔ)充水的，橋管流入U(xiǎn) 形排放管的水體積流量為Q，則式（4）可以轉(zhuǎn)化為

式中：Q為通過橋管的水體積流量，m3/h；D為U 形排放管內(nèi)徑，m。

根據(jù)連續(xù)性方程可知：

聯(lián)立式（3）、（5）和（6）可得：

式（7）即為U 形排放裝置正常開啟所需滿足的基本條件。它反映了U 形排放管下降段內(nèi)的初始液柱高度、U 形排放管直徑、橋管長(zhǎng)度、橋管直徑、阻力系數(shù)以及水箱升壓速率等參數(shù)對(duì)U 形排放裝置開啟特性的影響。結(jié)合圖1 和式（7）可以看出：1） U 形排放裝置的開啟特性受到水箱內(nèi)初始液位和U 形排放管水平段高度影響，兩者的差值反映了下降段內(nèi)的初始液位，降低水箱內(nèi)的初始液位，提高U 形排放管水平段中心線高度都有利于U 形排放裝置的開啟。也就是說，在允許范圍內(nèi)盡可能降低U 形排放管下降段內(nèi)的初始液位對(duì)U 形排放裝置的開啟是有利的。2） 增加U 形排放管內(nèi)徑、減小橋管內(nèi)徑、增加橋管的長(zhǎng)度和阻力系數(shù)都有利于排放裝置的可靠開啟。因此，在進(jìn)行蒸汽排放裝置設(shè)計(jì)時(shí)，U 形排放管內(nèi)徑應(yīng)遠(yuǎn)大于橋管直徑，并盡量增加橋管回路阻力。3） 從水箱的升壓速率方面，提高升壓速率可以使式（7）中等號(hào)左端值減小，也更有利于達(dá)到開啟條件。

2 蒸汽排放裝置性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

根據(jù)理論分析，獲取了蒸汽排放裝置穩(wěn)定開啟時(shí)所需滿足的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)間的關(guān)系。以此為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)并建造了蒸汽排放裝置性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)蒸汽排放裝置的開啟特性和運(yùn)行特性做進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。進(jìn)而掌握蒸汽排放裝置運(yùn)行的基本規(guī)律，為蒸汽排放裝置的方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在PCS 系統(tǒng)投入初期，水箱內(nèi)壓力緩慢升高至設(shè)定值后，蒸汽排放裝置是否能夠可靠開啟是衡量其性能是否可靠的關(guān)鍵。蒸汽排放裝置開啟后，另一個(gè)主要指標(biāo)就是要滿足大流量排放時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對(duì)這2 個(gè)性能主要進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1）不同氣體流量下蒸汽排放裝置的開啟特性研究；

2）橋管阻力特性對(duì)蒸汽排放裝置開啟及其穩(wěn)定性的影響研究；

3）回流疏水管的阻力對(duì)開啟性能的影響研究；

4）大流量排放階段，蒸汽排放裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性研究。

2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

蒸汽排放裝置性能研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)、冷水供應(yīng)系統(tǒng)、水箱及實(shí)驗(yàn)用蒸汽排放裝置組成。在蒸汽排放裝置的橋管和回流疏水管上均設(shè)有閥門用于研究不同管路配置和阻力特性的影響。水箱上端蓋安裝有壓力傳感器用于研究蒸汽排放裝置開啟、關(guān)閉及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)水箱內(nèi)的壓力響應(yīng)特性。

圖2 蒸汽排放裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程

3 蒸汽排放裝置性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)合式（7）所展示的影響因素，設(shè)計(jì)了典型的蒸汽排放裝置性能的驗(yàn)證工況，如表2 所示。

表2 蒸汽排放裝置性能驗(yàn)證工況表

上述工況1~8 研究了橋管阻力、升壓速率、回流輸水管閥門狀態(tài)對(duì)U 形排放管開啟特性的影響，實(shí)驗(yàn)中水箱內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

圖3 工況1~8 水箱壓力隨時(shí)間變化關(guān)系

在工況1 中，水箱內(nèi)升壓趨勢(shì)完全通過U 形排放管溢流的方式來釋放，U 形蒸汽排放管無法打開。U 形排放管溢流出來的水進(jìn)入水封槽內(nèi)，最終會(huì)將水封槽注滿。導(dǎo)致此種情況發(fā)生的主要原因是水箱升壓速率較低，且橋管回路閥門全開，阻力較小，無法滿足開啟條件，冷卻水箱內(nèi)的水通過水封槽溢流，造成水箱內(nèi)冷卻水的大量喪失。

工況2 在工況1 的基礎(chǔ)上增大橋管阻力后，滿足理論分析中所給出的開啟條件。從工況2 的曲線中可以看出，排氣后，冷卻水箱內(nèi)的壓力并未降低至0 kPa 而是繼續(xù)升高，但壓力升高速率明顯減小，表明此時(shí)通入水箱內(nèi)的氣體大部分已經(jīng)通過U 形排放管排出，會(huì)有少部分滯留在水箱中使水箱內(nèi)的壓力繼續(xù)增加。同時(shí)，水箱內(nèi)的水會(huì)通過橋管流入到U 形排放管中，使其上升段內(nèi)的液位增加，由此產(chǎn)生的水柱壓力增加與水箱內(nèi)壓力增加相平衡。當(dāng)上升段內(nèi)液位漲到出口發(fā)生溢流時(shí)，U 形排放管內(nèi)的水柱壓頭停止增加，無法繼續(xù)平衡冷卻水箱內(nèi)的壓力。這時(shí)U 形排放管內(nèi)的水會(huì)瞬間被氣流噴出，冷卻水箱內(nèi)氣體完全釋放，冷卻水箱內(nèi)壓力瞬間降低至0 kPa。噴發(fā)后，U 形排放管內(nèi)呈現(xiàn)出短時(shí)間的單相氣體流動(dòng)，通入冷卻水箱內(nèi)的氣體全部通過U 形排放管排出。但隨著冷卻水箱內(nèi)的水通過橋管流入到U 形排放管中，將再次形成水封，然后水箱壓力升高、溢流，形成二次噴發(fā)，周而復(fù)始，呈現(xiàn)出周期性噴放開啟的運(yùn)行特點(diǎn)。其中噴出的水在重力的作用下回落到水封槽內(nèi)，由于回流輸水管閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，這部分水會(huì)留在水封槽內(nèi)而無法回流到冷卻水箱中，水封槽最終會(huì)被注滿并發(fā)生溢流。

為克服工況2 中水封槽內(nèi)的水無法回流水箱的不足，在工況3 中開啟了回流輸水管路閥門。在充氣過程中，U 形排放管下降段內(nèi)液位緩慢下降，U 形排放管上升段內(nèi)液位則緩慢上升，水箱壓力緩慢升高。在U 形排放管下降段內(nèi)液位降至水平段前，水封槽內(nèi)的水已經(jīng)淹沒U 形排放管上升段出口，并將U 形排放管注滿。此后水封槽內(nèi)液位繼續(xù)上升，水箱壓力也不斷升高，U 形蒸汽排放管無法打開。出現(xiàn)這種情況的主要原因是回流輸水管路上的閥門處于開啟狀態(tài)，阻力較小，冷卻水箱內(nèi)的水很容易通過回流疏水管路流入水封槽中。從而增加了水箱壓力的泄放途徑，減小了冷卻水箱的升壓速率，導(dǎo)致式（7）中的開啟條件不能滿足，使得冷卻水箱內(nèi)的水通過水封槽向外溢流，造成冷卻水的大量喪失。因此，增加回流疏水管的阻力能夠有利于U 形排放裝置的開啟，但又會(huì)抑制回流疏水管的回流功能，應(yīng)考慮采用回流輸水管路增加止回閥的方法。這樣既能阻止冷卻水箱的水向水封槽內(nèi)流動(dòng)，又保證了回流疏水管的回流功能。

在保持橋管和回路疏水管閥門全開的條件下，以1 m3/h 的流量向水箱內(nèi)注入空氣，得到工況4 的水箱內(nèi)壓力變化曲線。由圖3 (d)可以看到，隨著水箱壓力的緩慢升高，U 形排放管下降段內(nèi)液位緩慢下降，U 形排放管上升段內(nèi)液位緩慢升高，水封槽內(nèi)液位也相應(yīng)升高，且水封槽內(nèi)液位高于U 形排放管上升段內(nèi)的液位，并最終淹沒U 形排放管上升段管口，然后同時(shí)上升，U 形蒸汽排放裝置無法打開。當(dāng)水封槽內(nèi)液位超過出口時(shí)，將造成冷卻水的大量喪失。

保持工況4 的閥門開啟狀態(tài)，將通入水箱的空氣流量由1 m3/h 增加至2 m3/h，以此提高水箱的升壓速率，即工況5。由圖3 (e)曲線可以看出，在壓力釋放到0 kPa 后300 s 左右，U 形排放裝置在二次水封的作用下再一次關(guān)閉，水箱壓力再一次升高，之后又重新打開，如此反復(fù)，呈現(xiàn)出周期性運(yùn)行特點(diǎn)。在周期性排放過程中，對(duì)于水封槽內(nèi)的水而言，只要水封槽內(nèi)的水能在二次水封形成之前完全回流至水箱中，排放裝置便可以可靠地工作。

以上5 個(gè)工況研究了橋管阻力、升壓速率、回流輸水管閥門狀態(tài)對(duì)U 形排放管開啟特性的影響，結(jié)果表明：增大回流疏水管路阻力有利于U 形排放裝置的開啟，但會(huì)影響水封槽內(nèi)的水回流水箱的功能，因此可采用回流疏水管路安裝止回閥的方案來解決這一問題。此外，隨著U 形排放管上升段出口高度的增加，冷卻水箱排氣壓力升高。這將導(dǎo)致U 形排放管開啟時(shí)，在其出口處出現(xiàn)較強(qiáng)烈的液體噴發(fā)狀態(tài)。因此，進(jìn)行工況6~7 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行U 形排放裝置的開啟特性研究，即采用止回閥并降低U 形排放管上升段出口高度。

由圖3 的工況6 和工況7 可以看出，以0.4 m3/h的流量向水箱內(nèi)充氣時(shí)，水箱內(nèi)的壓力緩慢升高，U 形排放管內(nèi)液位也相應(yīng)發(fā)生變化。由于U 形排放管上升段出口較低，因此在U 形排放管下降段內(nèi)液位降低的過程中，U 形排放管上升段出口便開始溢流。溢流后的水流量無法滿足冷卻水箱的泄壓要求，水箱壓力繼續(xù)升高，U 形排放管下降段內(nèi)液位會(huì)繼續(xù)降低至水平管處，并在U 形排放管內(nèi)形成兩相流動(dòng)，然后將U 形排放管內(nèi)液體噴發(fā)出去，水箱壓力迅速降低為0 kPa。U 形排放管內(nèi)的液體被氣流帶出后，在重力的作用下回落到水封槽，并經(jīng)回流輸水管回流到冷卻水箱。由于U 形排放管上升段出口降低，因此排氣時(shí)對(duì)應(yīng)的冷卻水箱內(nèi)最高壓力也降低為8.1 kPa，也未出現(xiàn)類似上述工況的劇烈噴放狀態(tài)。根據(jù)工況7 條件下的壓力變化曲線，可以看出當(dāng)充氣流量由0.4 m3/h 增加至1 m3/h 時(shí)，水箱升壓速率變高，更有利于U 形蒸汽排放裝置的開啟。從開始通氣至U 形蒸汽排放裝置開啟泄壓，僅需50 s 左右的時(shí)間。水封開啟后，由于橋管回路閥門處于半開狀態(tài)，橋管回路阻力較大，因而通過橋管向U 形蒸汽排放管的補(bǔ)水速率較低，進(jìn)而需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能再次形成水封。從圖3 (g)中可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下需要10 min 左右的時(shí)間才能再次形成水封。此段時(shí)間內(nèi)，盡管通氣流量保持1 m3/h 恒定，但是冷卻水箱內(nèi)的壓力卻始終等于大氣壓。這表明冷卻水箱內(nèi)的氣體能夠通過U 形排放管順利排放，且阻力很小。此外，在此時(shí)間內(nèi)水封槽內(nèi)的冷卻水完全可以通過回流輸水管返回到冷卻水箱中。

圖3 (h)的工況8 曲線給出了U 形蒸汽排放裝置在大流量穩(wěn)定排放工況下的性能研究結(jié)果。實(shí)驗(yàn)時(shí)以700 m3/h 的空氣流量向水箱內(nèi)注入空氣，可以觀察到U 形蒸汽排放管下降段內(nèi)液位快速下降，冷卻水箱內(nèi)壓力迅速上升，并很快達(dá)到開啟壓力，將U 形排放管內(nèi)的液體噴出。在較大的升壓速率下，僅用幾秒的時(shí)間水箱壓力便從0 kPa 上升至開啟壓力16 kPa，U 形蒸汽排放裝置迅速打開，壓力降低至0 kPa 附近。U 形排放裝置打開后，橋管兩端仍然存在壓差，冷卻水箱內(nèi)的水會(huì)一直向U 形排放管內(nèi)流動(dòng)，但由于氣流流速很快，通過橋管注入U(xiǎn) 形管內(nèi)的水會(huì)立刻被霧化成液滴，并隨氣流一起流出U 形排放管。因此，在大流量排放階段水封一旦被打開便不會(huì)再次形成水封，且管內(nèi)流動(dòng)阻力不大，不存在周期性運(yùn)行工況。隨著排放流量的增加，排放管內(nèi)的阻力會(huì)增加，從而使得冷卻水箱內(nèi)的壓力會(huì)有所增加，但對(duì)應(yīng)某一排放流量，壓力會(huì)維持恒定。

4 結(jié)論

本文結(jié)合PCS 系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，進(jìn)行了蒸汽排放裝置的初步設(shè)計(jì)，研究了影響因素和趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上通過理論分析，設(shè)計(jì)了蒸汽排放裝置的試驗(yàn)臺(tái)架和實(shí)驗(yàn)方案。通過分析和實(shí)驗(yàn)，提出對(duì)蒸汽排放裝置的設(shè)計(jì)建議：

1）在回流疏水管路增加止回閥可有效地增加了該回路上的單向阻力，既能保證U 形排放裝置的順利開啟，又可實(shí)現(xiàn)水封槽內(nèi)冷卻水的順利回流。

2）增加橋管的流動(dòng)阻力能夠改善U 形排放裝置的開啟條件、延緩再次水封的形成、減小穩(wěn)定排放階段內(nèi)被氣流帶出系統(tǒng)的冷卻水量。在保證橋管提供水封功能的前提下，橋管的開孔面積要盡可能減小，以增加其流動(dòng)阻力。

3）在保證提供U 形排放管上升段出口高于水箱初始液位的前提下，應(yīng)盡量降低U 形排放管上升段的出口高度。

本文可以為華龍系列后續(xù)工程中蒸汽排放裝置的研究和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和支持。