先進安注箱熱工水力特性研究

茍軍利,單建強,胡宏偉,曹建華,沈永剛

(1.西安交通大學核科學與技術學院,710049,西安;2.中科華核電技術研究院有限公司,518035,廣東深圳)

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先進安注箱熱工水力特性研究

茍軍利1,單建強1,胡宏偉1,曹建華2,沈永剛2

(1.西安交通大學核科學與技術學院,710049,西安;2.中科華核電技術研究院有限公司,518035,廣東深圳)

為了研究先進安注箱的熱工水力特性,建立了其數學模型,包括基本守恒方程、傳熱模型、傳質模型和阻尼器模型。開發了先進安注箱計算模塊,并將其嵌入到RELAP5/MOD3.3程序中。通過與CFD模擬結果的比較分析,驗證了文中模型和求解方法的合理性。針對某先進安注箱,研究了其熱工水力特性,并開展了參數敏感性分析,結果表明:各參數的變化趨勢合理,先進安注箱能實現從大流量到小流量段的過渡;小流量階段的出口質量流量隨阻尼器直徑的增大而減小;整個階段的出口質量流量隨大流量水體積與氮氣體積比的增大而減小;當立管形阻系數在一定的變化范圍內時,大流量階段的出口質量流量隨立管形阻系數的減小而增大。該研究將為我國先進安注箱的設計和實驗研究提供理論依據。

先進安注箱;熱工水力特性;敏感性分析

當壓水堆核電廠發生大破口失水事故后,安注系統在噴放結束后分3個階段向堆芯注水,即再灌水、再淹沒和長期冷卻。對于二代壓水堆核電廠,依靠傳統安注箱滿足再灌水階段的大流量需求,并依靠低壓安注系統來滿足再淹沒和長期冷卻階段的小流量需求。能動的低壓安注系統需在安注箱注完之后立刻啟動,以提供所需的安注流量來保證堆芯再淹沒。若低壓安注系統不能及時啟動,將使堆芯不能被有效冷卻而導致堆芯熔化的嚴重事故發生。為此,日本三菱公司為其先進壓水堆設計了一種可改變注入流量的先進安注箱[1-2],即在安注箱內設置了阻尼器(見圖1)。由于阻尼器的存在,先進安注箱在大流量注入后過渡到小流量注入階段,其效果如傳統壓水堆的低壓安注泵投入初期的注射特性。因此,先進安注箱不僅可以代替傳統安注箱,還可以獲得較長的寬限時間以啟動低壓安注系統,更進一步,可能取消低壓安注系統而只保留一套能動的安注系統(即高壓安注系統),以完成高壓安注和低壓安注功能。這不僅減少了能動安全設施,使系統簡化,且避免了人為干預可能產生的誤操作,提高了安全性。Tadashi等通過大量實驗研究驗證了其先進性[3-7]。

圖1 傳統安注系統與先進安注系統對比圖

福島核事故引起了全世界對核電安全的廣泛關注。CPR1000作為中國商用壓水堆的主力堆型,屬于二代核電技術,其安全性與三代核電技術相比還有一定的差距。針對我國二代核電廠安全級冷卻鏈的薄弱點,國家提出了反應堆安全級冷卻鏈改進的方向和要求,研發具有自主知識產權的先進安注箱是其中的重要組成部分。為了開發用于先進安注箱熱工水力特性研究的快速分析工具,本文建立了其熱工水力模型,開發了計算模塊并將之嵌入到RELAP5/MOD3.3程序。利用該程序對先進安注箱的熱工水力特性進行了研究,通過參數敏感性分析,獲得了主要因素對安注流量的影響規律,為先進安注箱的設計和實驗研究提供了理論依據。

1 先進安注箱熱工水力模型

先進安注箱工作原理如圖2所示。位于安注箱底部中心位置的阻尼器有兩個入口,即小流量管和大流量管。小流量管沿阻尼器切線方向接入,大流量管與小流量管成一定夾角接入阻尼器,大流量管的另一端與立管相連。當安注箱水位高于立管高度時,立管和小管都有流量注入阻尼器,它們交混后直接流向阻尼器中心,流動阻力很小,可以實現傳統安注箱的大流量注入。當安注箱水位低于立管高度時,立管的流量變為0,僅小管有流量沿著阻尼器切線方向注入,形成了漩渦,產生很大的流動阻力,以小流量模式注人反應堆。根據先進安注箱的結構特點和運行原理,建立了其熱工水力模型。在建立該熱工水力模型時,將其分為氮氣區和水區,并作了如下假設:①壁面和水等溫;②氮氣為理想氣體且比熱容恒定;③忽略混合氣體中水蒸氣的分壓。

圖2 先進安注箱的工作原理圖

1.1 氮氣區模型

假設氮氣區的質量保持不變,即

(1)

式中:Mn為氮氣的質量;C為常數;ρn為氮氣的密度;Vn為氮氣的體積。

氮氣的能量守恒方程為

Mn(dUn/dt)=-pn(dVn/dt)+Qn

(2)

式中:Un為氮氣內能;Qn為氮氣的吸熱量;右邊第1項為體積變化所作的功。氮氣的吸熱量由下式表示

Qn=h1A1(Tw-Tg)+h2A2(Tf-Tg)+

(3)

式中:右邊第1項為壁面對氮氣的對流換熱;第2項為水面對氮氣的對流換熱;第3項為水蒸發帶給氮氣的熱量;第4項為氮氣中水蒸氣冷凝帶走的熱量。換熱系數h1、h2,蒸發率Mvap和冷凝率mc的計算方法可參考文獻[8]。

1.2 水區模型

假設安注箱內水是不可壓縮的,沿流線進行積分,可得大流量時立管動量方程為

(4)

同理,可得小管內流體的動量方程

(5)

出口管內流體的動量方程可表示為

(6)

式中:Δpf為摩擦壓降;Δpz為重力壓降;pe為出口的壓力;pn為氮氣的壓力;vl為立管的流速;vs為小管的流速。交混壓降Δpj和漩渦壓降Δpv分別由式(7)和式(8)計算[8]

(b/B′)2(m(B/b)+1)2/Cc]

(7)

(8)

式中:m=vl/vs;其他參數如圖3所示。

圖3 阻尼器參數圖

2 模型求解及驗證

為了開發適合于RELAP5/MOD3.3程序的先進安注箱模塊,需采用合適的數值方法對上述模型進行求解。本文基于半隱方法對上述模型進行離散,獲得了便于數值計算的離散形式,采用高斯賽德爾迭代求解獲得氮氣壓力、溫度,立管水位、流速、壓力和安注箱出口質量流量等主要參數[8],并將開發的計算模塊嵌入RELAP5/MOD3.3程序,改進后的程序與先進安注箱模塊間的調用關系如圖4所示。

圖4 RELAP5/MOD3.3中先進安注箱解法流程圖

由于我國先進安注箱的實驗研究正處于準備階段,而國外的實驗數據沒有公開,為了初步驗證模型及其求解方法的合理性,本文將模型計算結果與中科華核電技術研究院提供的先進安注箱縮比模型(1/2模型)的CFD計算結果進行了比較[9]。如圖5所示,RELAP5和CFD模擬的出口體積流量Q基本一致,從定性上驗證了本文建立的模型及其求解方法的正確性和合理性。

圖5 CFD模型和RELAP5模型的對比

3 先進安注箱熱工水力特性研究

表1給出了某先進安注箱初步設計參數。先進安注箱內初始壓力為4.4 MPa、初始溫度為313.15 K、出口壓力設為0.1 MPa。基于此參數,開展了先進安注箱的熱工水力特性分析。

表1 先進安注箱的幾何參數

圖6 先進安注箱出口質量流量和阻尼器壓降特性

圖7 阻尼器壓降流量特性曲線

如圖8所示,當安注箱啟動后,由于初始氮氣體積較小,隨著安注箱內流體的快速流出,氮氣體積迅速擴大,從而導致氮氣壓力迅速降低,壓力下降的同時導致出口流量減小,尤其是阻尼器啟動后流量更小。這又使得氮氣體積變化率減小,壓力開始緩慢下降,其中36 s后有一個壓力上升的趨勢,原因是氮氣溫度回升所致。

由于初始階段壓力變化很大,氮氣體積擴大對外做功大于由于傳熱而吸收的熱量,從而導致氮氣內能減小,氮氣溫度Tn下降,而隨著流量的減小,氮氣的壓力變化率減小,壁面和水面對氮氣的傳熱可以彌補氮氣體積擴大對外做的功,此時氮氣的溫度將會上升,最后接近壁面和水面的溫度。

在大流量階段,安注箱水位高于立管高度,所以立管水位Hlw一直是6 m。當水位降到立管高度時,大管內的水由于慣性會導致水位急劇下降,但是安注箱內氮氣的壓力與阻尼器中交混點的壓力差值會使立管水位回升,最終達到一個平衡狀態。

圖8 先進安注箱內氮氣壓力、溫度和立管水位變化

4 參數敏感性分析

4.1 阻尼器直徑對安注箱特性的影響

如圖9所示,在大流量階段不同阻尼器直徑下先進安注箱的出口質量流量基本不變,但小流量階段的流量隨著阻尼器直徑的增大而減小。其原因主要在于:整個階段氮氣的壓力變化情況基本一樣,在大流量階段不同阻尼器直徑下交混壓降基本相同,漩渦壓降都為0,所以該階段的流量一樣;在小流量階段,不同阻尼器直徑下的漩渦壓降差別很大,從而導致該階段的流量差別也很大。

(a)質量流量和氮氣壓力

(b)交混壓降和漩渦壓降圖9 阻尼器直徑對安注箱特性的影響

4.2 大流量水體積與氮氣體積比對安注箱特性的影響

如圖10所示,整個階段的出口質量流量隨著初始體積比Vr的減小而增大,其中對大流量階段的影響較大,而對小流量階段的影響較小。其原因在于:初始體積比越小,氮氣的體積變化率越小,氮氣壓力變化率越小,則壓頭越大;在大流量階段,漩渦壓降為0,交混壓降的影響遠小于壓頭的影響,所以該階段出口質量流量都較大,且初始體積比越小流量越大;在小流量階段,交混壓降為0,氮氣壓力的下降壓頭減小,且壓頭越大時漩渦壓降也越大,所以體積比對小流量階段的影響較小。

(a)質量流量和氮氣壓力

(b)交混壓降和漩渦壓降圖10 大流量水體積與氮氣體積比對安注箱特性的影響

4.3 立管形阻系數對安注箱特性的影響

如圖11所示,當立管形阻系數Kl在一定的變化范圍內時,大流量階段先進安注箱的出口質量流量隨著立管形阻系數的減小而增大,小流量階段先進安注箱的出口質量流量基本一致。其原因在于:整個階段氮氣的壓力變化情況基本一樣,

在小流量

(a)質量流量和氮氣壓力

(b)交混壓降和漩渦壓降圖11 立管形阻系數對安注箱特性的影響

階段,不同立管形阻系數下漩渦壓降基本相同,交混壓降都為0,所以這個階段的質量流量一樣;在大流量階段,立管形阻系數越小,交混后的流體速度方向更加接近阻尼器中心,所以產生的漩渦壓降越小,同時交混壓降差別不大,從而導致大流量階段的質量流量越大。當立管形阻系數為1.2時,交混后的流體速度方向直接指向阻尼器中心,漩渦壓降為0,大流量階段的質量流量也達到最大。

5 結 論

本文建立了先進安注箱的熱工水力模型,開發了相應的計算模塊,并將其嵌入到RELAP5/MOD3.3程序中。通過與中科華核電技術研究院的CFD模擬結果的分析比較,驗證了該模型和求解方法的正確性與合理性。其次,采用修改后的RELAP5/MOD3.3程序對先進安注箱的熱工水力特性進行了分析研究,獲得了安注箱壓力、溫度,立管水位,出口質量流量等參數的變化特性,以及大流量到小流量的轉換過程。最后,開展了參數敏感性分析,獲得了影響先進安注箱流量大小的主要因素,所得結論如下。

(1)小流量階段出口質量流量隨阻尼器直徑的增大而減小。

(2)整個階段的出口質量流量隨大流量水體積與氮氣體積比的增大而減小。

(3)立管形阻系數在一定的變化范圍內時,大流量階段出口質量流量隨立管形阻系數的減小而增大。

本研究開發了用于我國先進安注箱熱工水力特性研究的快速分析工具,研究成果將為我國先進安注箱的設計和實驗研究提供理論依據。

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(編輯 荊樹蓉)

Investigation on the Thermalhydraulic Characteristics of Advanced Accumulation Tank

GOU Junli1,SHAN Jianqiang1,HU Hongwei1,CAO Jianhua2,SHEN Yonggang2

(1. School of Nuclear Science and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen, Guangdong 518035, China)

To investigate the thermalhydraulic characteristics of advanced accumulation tank, the mathematical models, including the conservation equations, heat transfer model, mass transfer model and the damper model, are established. The calculation module of advanced accumulation tank is developed and embedded into the RELAP5/MOD3.3 code. By comparing the simulation results of the modified RELAP5 with those of a CFD analysis, the rationality of the models and solution methods is validated. The thermalhydraulic characteristics and the parameter sensitivity analyses of an advanced accumulation tank are performed with the modified code. It is found that the parameter variation trends are reasonable and the transition from large flow phase to small flow phase can be achieved by the advanced accumulation tank; large damper diameter leads to a small exit mass flow rate in the small flow phase; a small initial volume ratio of water to nitrogen leads to a large exit mass flow rate; and a large form loss coefficient of the stand pipe may result in a small exit mass flow rate in the large flow phase when the form loss coefficient varies in a certain range. The present study could provide a theoretical basis for the design and experimental investigation on the advanced accumulation tank.

advanced accumulation tank; thermalhydraulic characteristics; sensitivity analysis

時間:2015-08-25

10.7652/xjtuxb201511019

TL33

A

0253-987X(2015)11-0116-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150825.1753.008.html