非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)阻力特性對(duì)換熱能力影響研究

王廣飛，于沛，李麗娟，丁銘，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. 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

“華龍一號(hào)”非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)（passive containment heat removal system，PCS）用于在設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況下導(dǎo)出安全殼內(nèi)的熱量，將安全殼壓力和溫度降低至可接受的水平，以保持安全殼的完整性。系統(tǒng)采用非能動(dòng)技術(shù)，在沒有操縱員干預(yù)的情況下，根據(jù)安全殼內(nèi)的溫度及壓力信號(hào)自動(dòng)投入運(yùn)行，利用自然循環(huán)實(shí)現(xiàn)安全殼的長(zhǎng)期排熱[1-3]。

在發(fā)生反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)破口類事故時(shí)，安全殼內(nèi)的溫度和壓力升高，殼內(nèi)高溫環(huán)境加熱換熱器內(nèi)的流體，由于換熱水箱布置于安全殼外相對(duì)較高位置，并且換熱器和換熱水箱內(nèi)的流體存在溫度差，實(shí)現(xiàn)了換熱回路內(nèi)流體在重力驅(qū)動(dòng)作用下的循環(huán)流動(dòng)，從而持續(xù)導(dǎo)出安全殼內(nèi)的熱量[4-6]。

由于PCS 采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)，自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力要克服系統(tǒng)流動(dòng)阻力，因此實(shí)際換熱水箱與換熱器之間的高度差、上升及下降管道布置走向?qū)τ谙到y(tǒng)排熱能力尤為關(guān)鍵。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，PCS工程布置設(shè)計(jì)方案可能會(huì)由于各種因素如根據(jù)管道力學(xué)計(jì)算、與其他物項(xiàng)碰撞等而發(fā)生調(diào)整，由此將導(dǎo)致回路局部或整體阻力改變，進(jìn)而影響系統(tǒng)排熱能力[7-9]。本研究基于“華龍一號(hào)”PCS 工程設(shè)計(jì)原型，通過模理論化分析方法，建立了按全壓、全高度比例PCS 綜合性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，通過改變模化試驗(yàn)回路中閥門開度的方法，研究PCS 回路中阻力系數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)排熱能力和系統(tǒng)循環(huán)流量的影響，并評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的適用范圍[10]，為PCS 的工程設(shè)計(jì)及施工建造提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)回路

PCS 系統(tǒng)設(shè)置3 個(gè)系列，每個(gè)系列中包含了殼外換熱水箱、殼內(nèi)換熱器、汽水分離器、連接上述設(shè)備的上升管道和下降管道以及隔離閥等，具體系統(tǒng)流程如圖1 所示。

圖1 PCS 系統(tǒng)工程方案流程（單列）

圖2給出了PCS 性能綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)回路流程和管路中參數(shù)測(cè)點(diǎn)的分布情況。

該裝置主要由冷凝罐組件、冷卻水箱組件、自然循環(huán)回路、汽-氣供應(yīng)系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5 部分組成[11-15]。冷凝罐組件包括冷凝罐本體及其附屬部件和內(nèi)部換熱器實(shí)驗(yàn)體。冷凝罐本體為圓柱形容器，設(shè)計(jì)壓力為1 MPa，自由容積為127 m3；內(nèi)部換熱器與工程原型尺寸一致。冷卻水箱組件主要包括冷卻水箱本體及其附屬部件、汽水分離器實(shí)驗(yàn)體和蒸汽排放裝置實(shí)驗(yàn)體。自然循環(huán)回路是根據(jù)PCS 工程布置方案，對(duì)其進(jìn)行模糊理論分析和數(shù)值分析確定。汽-氣供應(yīng)系統(tǒng)包括蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)和氦氣供應(yīng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括實(shí)驗(yàn)回路不同位置溫度、壓力以及液位等參數(shù)的測(cè)量及測(cè)量數(shù)據(jù)的采集。

PCS 實(shí)驗(yàn)工況主要考慮冷凝罐內(nèi)蒸汽-空氣和蒸汽-空氣-氦氣混合氣體在不同溫度、壓力和不同冷管段入口溫度的變化情況：冷凝罐內(nèi)混合氣體的溫度變化范圍為56～139 ℃，混合氣體壓力變化范圍為0.166～0.534 MPa，氦氣體積分?jǐn)?shù)變化范圍為0～0.2，冷管段入口溫度變化范圍為18～99 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/h2>

PCS 回路局部阻力性能實(shí)驗(yàn)的主要目的是通過實(shí)驗(yàn)得到不同回路阻力特性下系統(tǒng)的排熱能力，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)換熱性能對(duì)管路或阻力局部變化的敏感程度，為PCS 在工程實(shí)施階段可能面臨的布置及其結(jié)構(gòu)的局部調(diào)整提供指導(dǎo)依據(jù)。

根據(jù)循環(huán)回路局部阻力特性實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，選取了冷凝罐內(nèi)壓力0.43 和0.53 MPa 這2 個(gè)壓力工況點(diǎn)，每個(gè)壓力工況下分別進(jìn)行了蒸汽-空氣和蒸汽-空氣-氦氣實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)回路中冷管段和熱管段上冷凝罐隔離閥（圖2 中的V303M 和V304M）開度，改變回路阻力，在自然循環(huán)回路中引入不同程度的額外局部阻力，進(jìn)而研究PCS 阻力變化對(duì)其排熱功率和自然循環(huán)特性的影響規(guī)律。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 局部阻力變化情況

圖3給出了混合氣體總壓分別為0.43 和0.53 MPa 工況下電動(dòng)球閥V304M 局部壓降隨其開度變化的曲線。其中，每組壓力下分別進(jìn)行了蒸汽-空氣和蒸汽-空氣-氦氣實(shí)驗(yàn)。由圖3 中的曲線可知，當(dāng)閥門開度β從100%減小至45%時(shí)，在混合氣體壓力為0.43 MPa 條件下，流體流過閥門處的壓降最大為6 kPa；且隨著閥門開度的減小，壓降以二次函數(shù)的規(guī)律增加。在混合氣體壓力為0.53 MPa 工況下，壓降最大為18 kPa，其變化規(guī)律與0.43 MPa 壓力工況相似。

圖3 閥門V304M 的壓降隨閥門開度變化曲線

在相同的閥門開度下，隨著混合氣體壓力的增加，流體通過閥門時(shí)的局部阻力迅速增加，其主要是由于混合氣體壓力增加時(shí)，PCS 自然循環(huán)能力增強(qiáng)、排熱功率和循環(huán)流量均有所增加所致。例如，在0.43 MPa 下，自然循環(huán)流量在50～70 t/h；而在0.53 MPa 下自然循環(huán)流量在100～120 t/h。在相同的混合壓力和閥門開度下，蒸汽-空氣與蒸汽-空氣-氦氣工況的參數(shù)基本重合。這表明在閥門開度從100%減小至45%時(shí)，當(dāng)混合氣體中不凝氣體的體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，不凝氣體的種類（如氦氣或空氣）對(duì)內(nèi)部換熱器管外側(cè)的傳熱過程影響較小（2 組壓力工況下存在個(gè)別實(shí)驗(yàn)點(diǎn)未能重合的工況，是由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中混合氣體壓力波動(dòng)所導(dǎo)致）。

3.2 自然循環(huán)特性的變化

隨著閥門開度的減小和系統(tǒng)局部阻力的增加，PCS 自然循環(huán)流量特性亦隨之發(fā)生了較明顯的變化。如圖4 所示，在混合氣體總壓0.43 MPa工況下，當(dāng)閥門V304M 的開度從100%減小至45%時(shí)，即其局部阻力系數(shù)ζ增大至42，PCS 的平均自然循環(huán)流量M從67.4 t/h 下降至51.1 t/h，流量減小幅度為24%。在此過程中，內(nèi)部換熱器入口溫度因冷卻水箱水溫保持在飽和狀態(tài)下而并未發(fā)生變化，而其出口溫度從110.8 ℃上升至113.3 ℃，因而換熱器進(jìn)出口溫差ΔTIHX增加了19%。

圖4 自然循環(huán)流量、溫度與V304M 阻力系數(shù)關(guān)系(0.43 MPa)

隨著內(nèi)部換熱器出口溫度的上升，閃蒸段長(zhǎng)度加長(zhǎng)，系統(tǒng)自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力也隨之增大，從而也減緩了自然循環(huán)排熱功率的降低幅度。如圖5 所示，當(dāng)局部阻力系數(shù)由閥門全開時(shí)的0.06增大至42 時(shí)，自然循環(huán)流量?jī)H降低了24%，再結(jié)合換熱器出口溫度Tg的升高，自然循環(huán)的排熱功率Q僅下降了12%。通過分析可知：排熱功率的下降一方面是由于回路阻力增加導(dǎo)致自然循環(huán)流量下降，從而引起的管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)k的降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，在閥門阻力系數(shù)由全開時(shí)的0.06 增大至45%開度的42 時(shí)，總傳熱系數(shù)降低了8.7%；另一方面是由于內(nèi)部換熱器出口溫度的升高，而混合氣體的溫度又基本保持不變，換熱器傳熱溫差的升高對(duì)于排熱功率有一定提升。兩方面因素綜合作用導(dǎo)致排熱功率僅小幅降低。

圖5 排熱功率與閥門V304M 阻力系數(shù)關(guān)系(0.43 MPa)

圖6和圖7 分別為在0.53 MPa 工況下，PCS的自然循環(huán)流量、內(nèi)部換熱器的進(jìn)出口溫度及溫差以及排熱功率隨閥門阻力系數(shù)的變化曲線。由圖7 可知，在閥門阻力系數(shù)增加時(shí)，系統(tǒng)排熱功率與0.43 MPa 工況下的變化規(guī)律基本相同。在該工況下，自然循環(huán)流量下降了4.8%，內(nèi)部換熱器進(jìn)出口溫度增加2 ℃，而系統(tǒng)排熱功率和總傳熱系數(shù)分別下降了3.3%和3.6%。與0.43 MPa 的工況相比，PCS 在0.53 MPa 工況下對(duì)系統(tǒng)局部阻力的增加更不敏感。

圖6 自然循環(huán)流量、溫度與V304M 阻力系數(shù)關(guān)系(0.53 MPa)

圖7 排熱功率與閥門V304M 阻力系數(shù)關(guān)系(0.53 MPa)

由于閥門V303M 開度變化對(duì)PCS 自然循環(huán)的影響規(guī)律與閥門V304M 基本相同，本文對(duì)其不再贅述?？傊?，PCS 回路上局部阻力的增加引起自然循環(huán)流量降低，但同時(shí)會(huì)引起內(nèi)部換熱器進(jìn)出口溫差的增加，綜合兩方面變化的影響，局部阻力增加對(duì)系統(tǒng)排熱功率的降低影響很小。

4 結(jié)論

本文基于“華龍一號(hào)”PCS 工程設(shè)計(jì)原型，建立了PCS 綜合性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置，通過改變?；囼?yàn)回路中閥門開度的方法，選取0.43 和0.53 MPa這2 個(gè)壓力工況，研究回路局部阻力系數(shù)變化對(duì)于系統(tǒng)排熱能力和系統(tǒng)循環(huán)流量的影響，主要結(jié)論如下：

1）PCS 內(nèi)局部阻力的增加將引起自然循環(huán)流量的降低，但同時(shí)也會(huì)引起內(nèi)部換熱器進(jìn)出口溫差的增加，因而緩解了局部阻力增加對(duì)系統(tǒng)排熱功率的不利影響。

2）在局部阻力系數(shù)從0.06 增加至42 時(shí)，系統(tǒng)的排熱功率在0.43 和0.53 MPa 壓力工況下分別下降了12%和3.3%，可以認(rèn)為PCS 換熱能力對(duì)局部阻力系數(shù)的變化并不敏感。

根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)回路局部阻力系數(shù)在0.06～42 變化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的排熱能力影響較小，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的阻力系數(shù)變化范圍之內(nèi)，可以指導(dǎo)PCS 系統(tǒng)工程布置設(shè)計(jì)。