非能動壓水堆試驗臺架兩相流分離測量研究

石 洋 郝博濤

(國核華清〈北京〉核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司 非能動堆芯技術(shù)研究室，中國 北京 102209)

0 前言

非能動核電站及其試驗臺架破口發(fā)生時系統(tǒng)會噴放大量的汽液兩相流。由于事故工況下系統(tǒng)的狀態(tài)跨度較大，使得破口噴放流量的變化范圍很大，已大大超出了一般流量計的設(shè)計量程比。本文針對上述問題，給出了通過汽水分離系統(tǒng)進行大量程比流量測量的研究與設(shè)計說明，給出了利用汽水分離裝置進行超大量程比的蒸汽測量的技術(shù)要點，為大量程比的兩相流測量提供一定的參考借鑒。

1 管線工藝設(shè)計

1.1 量程全覆蓋

汽水分離器的蒸汽管線設(shè)計需嚴格保證整個流量范圍的精確測量。確切的說即確定需精確測量的最小蒸汽流量和最大蒸汽流量。

1.2 管線并聯(lián)阻力系數(shù)計算

管線的布置通常由單根管線或多根管線并聯(lián)而成。

對于單根管線的阻力系數(shù)的計算，根據(jù)將要選取管線的粗糙度和閥門、彎頭、三通、大小頭等局部管件的參數(shù)、數(shù)量等，可參考以下經(jīng)典阻力計算公式并通過阻力系數(shù)計算圖表即可進行單根管線的阻力計算。

對于并聯(lián)管線(如A、B、C三根管線首尾分別相接的并聯(lián)形式)的阻力系數(shù)計算，首先需根據(jù)單根管線的阻力計算方法，分別計算出A管、B管、C管單根管的阻力系數(shù)SA、SB、SC。然后通過如下關(guān)系進行推導(dǎo)：

并聯(lián)管線總流量等于各分支流量之和：

并聯(lián)管線首尾端的壓差相等：

則可以推出，并聯(lián)管線的阻力系數(shù)：

1.3 管線全開時流量分配比

在考慮不同管線的流量分配時，可以假設(shè)分離器后的所有蒸汽管線全開時，根據(jù)不同管線的阻力關(guān)系，計算獲得管線全開時不同管線的流量分配比。以便快速計算出切換后的管線中的流量值。

1.4 蒸汽與水封管線設(shè)計匹配

如果蒸汽管線的阻力系數(shù)過大，因管線壓降過大，從而推高分離器容器內(nèi)的壓力，會使水封排水管線的水被排出，若排水管線中的水封水被排光的話，蒸汽會從水封管線排走，這樣對于蒸汽流量的測量是不可接受的，因此蒸汽管線的設(shè)計中，需驗證保證測量過程中分離器的水封不被大量排走。

1.5 管線切換邏輯

在管線切換邏輯設(shè)計時，需關(guān)注以下幾點：管線切換前后的管線流量值均應(yīng)在所在管線流量計的精確測量范圍內(nèi)；在保證上條的情況下，需通過設(shè)計使得允許管線切換的流量范圍較寬，即給試驗者留出充足的操作時間和余度；管線切換應(yīng)選取在流量變化較平緩的范圍內(nèi)進行，避免選擇在流量有著較大反復(fù)波動的范圍內(nèi)，以免造成部分試驗數(shù)據(jù)的精度下降甚至缺失。

2 工程設(shè)計

為了保證破口蒸汽的精確測量，在工程設(shè)計中主要有以下幾點需要重點關(guān)注：

2.1 空間布置要求

蒸汽管線的布置要求：蒸汽管線設(shè)計不僅需要滿足工藝測量的要求，還需考慮現(xiàn)場實際的空間布置要求。

2.2 伴熱帶的設(shè)計

為了使得蒸汽不冷凝，需要通過在管道或容器壁面上纏繞電伴熱帶的方式維持壁面的溫度。電伴熱后的壁面溫度應(yīng)不低于測量過程中的蒸汽溫度。同時伴熱帶的設(shè)計中，還要重點關(guān)注伴熱帶的升溫速率，伴熱帶升至理想溫度的時間應(yīng)與試驗前預(yù)留的時間相匹配。

2.3 管線的低點排水設(shè)計

試驗后由于水蒸汽的冷凝，蒸汽管線中會存在一定量的冷凝水，而這些冷凝水如果在下次試驗前不加以排出，會對蒸汽的測量造成較大影響。在管線設(shè)計時，因注意管線傾斜角及其低點排水的設(shè)置，避免積水問題。

2.4 管線的支吊設(shè)計

管線震動對于測量精度有著很大的影響，甚至?xí)沟昧髁坑嬍АＰ枰侠碓O(shè)置管線的支吊架，給予管線足夠有效的支撐，保證管線的震動在流量計要求范圍內(nèi)。

2.5 管線的應(yīng)力計算

如果蒸汽管線較長，因試驗過程中的溫度變化較大，存在因管線的冷熱伸縮，造成局部應(yīng)力過大而失效的風(fēng)險。因此在管線設(shè)計時要加以注意，通過進行應(yīng)力校核、設(shè)置彎曲管吸收管線應(yīng)力、合理設(shè)置管線支吊架等方式加以解決。

2.6 管線的內(nèi)徑復(fù)核

流量測量與流體流速與管道橫截面積密切相關(guān)。若想得到精確的實際流量，必須首先獲得真實的管道橫截面積。

3 試驗驗證

對于管線的實際阻力及流量分配比，只有通過預(yù)實驗或正式試驗才能獲得真實可信的數(shù)據(jù)，通過這些試驗數(shù)據(jù)可以去修正流量切換邏輯，甚至去修正管線的設(shè)計。

4 結(jié)語

本文介紹了如何通過汽水分離測量系統(tǒng)精確測量大量程比蒸汽流量的設(shè)計思路，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)問題進行了闡述說明。這些對大量程比兩相流分離測量的設(shè)計及研究有著一定的指導(dǎo)意義。通過汽水分離系統(tǒng)進行兩相流的精確測量是一個切實可行但又非常復(fù)雜的技術(shù)，其中的耦合設(shè)計較多，如測量方式的選取與工藝設(shè)計的耦合，工藝設(shè)計與工程設(shè)計的耦合，蒸汽管線設(shè)計與水封管線設(shè)計的耦合等，這些均需要在以后的設(shè)計及研究中進一步的豐富與發(fā)展，最終使得汽水分離測量技術(shù)趨于完善，更好的應(yīng)用于兩相流的測量與研究。

[1]張福君，國金蓮.汽水分離器性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計特點[J].2012.3，33(1).

[2]景思睿，張鳴遠.流體力學(xué)[M].西安交通大學(xué)出版社，2001.