AP1000冷卻劑回路主管道流場(chǎng)分析

夏 栓，徐 臻

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200235）

1 引言

1.1 AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)

AP1000反應(yīng)堆和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）設(shè)計(jì)采用成熟技術(shù)，但由于非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念的引入和屏蔽式冷卻劑泵的采用，使得其設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)又有很大的不同。

AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）有兩條環(huán)路，每條環(huán)路由一條熱段主管道和兩條冷段主管道、一臺(tái)蒸汽發(fā)生器以及與之直接相連的兩臺(tái)反應(yīng)堆冷卻劑屏蔽泵組成。RCS還包括一臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器、一臺(tái)穩(wěn)壓器、自動(dòng)卸壓系統(tǒng)和反應(yīng)堆壓力容器頂蓋放氣系統(tǒng)。RCS的所有設(shè)備都布置在反應(yīng)堆安全殼內(nèi)。

兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器對(duì)稱(chēng)布置，系統(tǒng)管路由兩個(gè)主冷卻劑環(huán)路構(gòu)成。每個(gè)環(huán)路的冷段完全相同，并采用了大半徑彎管使管路流動(dòng)阻力降低，并為調(diào)節(jié)冷熱管不同的膨脹率提供柔韌性。管子整體鍛造、消除焊縫，既降低成本，也減少在役檢查的工作量。管路結(jié)構(gòu)和材料的選擇顯著降低了管子的應(yīng)力。

主泵采用屏蔽式泵，電機(jī)與水泵共用一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其間沒(méi)有聯(lián)軸器，所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件均被包容在與主回路冷卻劑相連通的承壓殼中。由于屏蔽泵沒(méi)有軸封，使主回路成為一個(gè)“封閉的”系統(tǒng)，傳統(tǒng)壓水堆核電廠(chǎng)中的軸封LOCA事件在AP1000設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生。另外，主泵直接安裝在蒸汽發(fā)生器下封頭上，可使泵與蒸汽發(fā)生器采用同一個(gè)支撐，大大簡(jiǎn)化了支撐系統(tǒng)。

綜上所述，AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)采用了簡(jiǎn)化、安全和緊湊布置的設(shè)計(jì)，冷卻劑壓力邊界相對(duì)于傳統(tǒng)壓水堆核電廠(chǎng)有所簡(jiǎn)化，壓力邊界的完整性比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更加可靠。

圖1 AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)Fig.1 AP1000 reactor coolant system

1.2 主管道設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題及其分析方法

（1）主管道阻力

AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)計(jì)算書(shū)中給出的反應(yīng)堆冷卻劑主管道的阻力值，是在采用和AP600主管道相同阻力系數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)流量的平方比得到的。該計(jì)算方法明顯是錯(cuò)誤的，因?yàn)锳P600與AP1000的主管道無(wú)論是長(zhǎng)度還是彎管的角度都完全不同。后續(xù)又采用經(jīng)典流體力學(xué)公式和FLOWMASTER一維流體分析軟件計(jì)算了主管道的阻力，但由于主管道管徑很大，計(jì)算阻力值還應(yīng)采用其他方法核算。

對(duì)比可知，各種分析方法得到的結(jié)果有一定差距。另外，以上各種計(jì)算方法均未考慮主管道上各種接管嘴以及儀表測(cè)量元件的影響。因此，考慮采用三維流體分析軟件FLUENT對(duì)主管道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行分析，除了可以得到主管道的流動(dòng)阻力外，還可以觀察儀表測(cè)量元件、噴霧勺形件等的沖刷情況。

（2）彎管流量計(jì)放置位置

AP1000項(xiàng)目某設(shè)計(jì)變更單中描述：熱段管道彎管流量計(jì)上部?jī)蓚€(gè)管嘴的夾角原本為15°，但由于ADS第四級(jí)接管嘴和RNS接管嘴的影響，使得該角度下彎管流量計(jì)接管嘴處的湍流強(qiáng)度很高，影響彎管流量計(jì)的測(cè)量精度，將這兩個(gè)管嘴的夾角改為30°。具體修改如圖2所示。

為了驗(yàn)證該改單，考慮采用F L U E N T對(duì)AP1000熱段管道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖2 AP1000彎管流量計(jì)接管嘴修改Fig.2 Change of nozzle of AP1000 elbow flow rate instrument

2 計(jì)算分析

2.1 控制方程

控制方程包括質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，具體公式參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。

2.2 湍流模型

FLUENT中采用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)模型和RNG模型，具體公式參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。

3 AP1000主管道流場(chǎng)分析

3.1 邊界條件分析模型建立和邊界條件

以AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主管道設(shè)計(jì)圖紙為設(shè)計(jì)輸入，建立冷段和熱段幾何模型，包括管道和主要的管嘴以及儀表測(cè)量元件等。

模型建立完畢后，采用四面體和六面體網(wǎng)格對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并定義邊界條件，具體如下：

進(jìn)口：速度入口，冷段入口為20.27 m/s，熱段為23.15 m/s。

出口：壓力出口，假定為-500 Pa（假定環(huán)境壓力為0 Pa）。

噴霧管嘴出口：壓力出口，假定為-500 Pa。

固壁邊界條件：由于正常運(yùn)行狀態(tài)下ADS和RNS接管嘴無(wú)流量，因此將ADS接管嘴和RNS接管嘴出口處設(shè)為固體壁面。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

（1）主管道阻力

通過(guò)計(jì)算主管道進(jìn)出口表面總壓的平均值的差，可以獲得AP1000主管道CFD計(jì)算阻力值。

由于環(huán)路1和環(huán)路2主管道的管嘴配置和測(cè)量元件有所不同，且模型網(wǎng)格劃分時(shí)由于模型不同導(dǎo)致網(wǎng)格也有所不同。因此，對(duì)于冷段和熱段的壓降，可取兩個(gè)環(huán)路的平均值作為整個(gè)系統(tǒng)壓力損失的計(jì)算值。該值與前述AP1000計(jì)算書(shū)中給出的值相差不大，但由于AP1000計(jì)算書(shū)中的計(jì)算方法明顯錯(cuò)誤，因此只是巧合。我們?cè)诩夹g(shù)轉(zhuǎn)讓過(guò)程中已經(jīng)向西屋公司反映了該問(wèn)題，并得到了西屋公司的認(rèn)同。

（2）管道內(nèi)流場(chǎng)及彎管流量計(jì)位置分析

通過(guò)觀察4個(gè)模型的流場(chǎng)情況可知：

1）穩(wěn)壓器噴霧接管和CMT入口管接管對(duì)管道內(nèi)流場(chǎng)的影響主要在直管段部分，且影響不大。

圖3 熱段流量計(jì)截面靜壓云圖Fig.3 Flow measuring instrument cross section static pressure contours of the hot leg

2）熱段插入式測(cè)溫元件雖然很多，但對(duì)流場(chǎng)影響不大。

3）接管嘴處均存在著漩渦，流場(chǎng)復(fù)雜。

4）大口徑管嘴對(duì)管道的流場(chǎng)影響較大。

由于彎管流量計(jì)未插入管道內(nèi)流場(chǎng)，因此僅需要考慮壁面附近的湍流強(qiáng)度的影響。通過(guò)觀察可知，環(huán)路1熱段彎管流量計(jì)所在截面的湍流強(qiáng)度是均一的，有利于彎管流量計(jì)的測(cè)量。對(duì)于環(huán)路2熱段彎管流量計(jì)所在截面的壁面處，豎直中心線(xiàn)附近15°處的值比30°處的值要大。

通過(guò)讀取數(shù)據(jù)，15°處壁面的湍流強(qiáng)度值為1.49 m2/s2，而30°處壁面的湍流強(qiáng)度值為1.06 m2/s2。將彎管流量計(jì)相對(duì)中心線(xiàn)的夾角由15°改為30°可以使湍流強(qiáng)度減小30%，這對(duì)彎管流量計(jì)的測(cè)量是很有好處的。該分析結(jié)果與改單的描述是一致的，因此該改進(jìn)是可行的且有利于提高彎管流量計(jì)的測(cè)量精度。

另外，由于彎管流量計(jì)需要依靠管道頂部和底部管嘴間的凈壓差作為計(jì)算流量的輸入，因此頂部流量計(jì)位置的壓力應(yīng)該盡量低。彎管流量計(jì)所在位置截面的靜壓云圖分布如圖3所示。

由圖3可知，若頂部的流量計(jì)管嘴位于偏離豎直中心線(xiàn)30°位置，其靜壓相對(duì)偏離中心線(xiàn)15°位置差別不大，是可以接受的。

4 結(jié)論

通過(guò)采用FLUENT對(duì)AP1000反應(yīng)堆冷卻劑主管道的流場(chǎng)進(jìn)行分析，得到了主管道內(nèi)部的速度、壓力和湍流強(qiáng)度分布，可以為工藝設(shè)計(jì)、儀表設(shè)計(jì)以及力學(xué)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)輸入和支持。本文對(duì)于AP1000主管道設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義如下。

4.1 主管道的流動(dòng)阻力

將CFD計(jì)算的阻力結(jié)果與各種計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 AP1000主管道阻力計(jì)算值對(duì)比Table 1 Comparison of AP1000 reactor coolant pipe flow resistance calculation values

通過(guò)對(duì)比可知，CFD計(jì)算相對(duì)其他計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果偏小，原因是CFD計(jì)算較為精確，而其他計(jì)算方法（如公式計(jì)算）考慮了大量的經(jīng)驗(yàn)公式和保守假設(shè)。因此，在要求精確主管道阻力值的情況下，推薦采用CFD計(jì)算得到的結(jié)果，而在需要進(jìn)行保守計(jì)算的場(chǎng)合，推薦采用流體力學(xué)公式計(jì)算得到的值。

4.2 彎管流量計(jì)接管嘴方位

根據(jù)上文分析，將AP1000熱段彎管流量計(jì)管道上部的管嘴設(shè)置在偏離豎直方向30°處，可以有效減少管嘴處的湍流強(qiáng)度，提高流量測(cè)量的準(zhǔn)確性。而且根據(jù)截面的壓力變化情況可知，該處的壓力相對(duì)15°處的壓力變化不大，是可以接受的位置。因此，在審查改單的過(guò)程中，我們接受了該改動(dòng)。在AP1000后續(xù)項(xiàng)目中，主管道的外形尺寸有可能改變，將采用同樣的方法來(lái)確定彎管流量計(jì)接管嘴的位置。

[1] 孫漢虹. 第三代核電技術(shù)AP1000[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2010.（SUN Han-hong. The Third Generation Nuclear Power Technology AP1000 [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010.）