余熱排出系統入口圓柱形渦流破壞結構的分析

侯建飛，　夏愈卓，　劉喜超

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳 518026)

?

余熱排出系統入口圓柱形渦流破壞結構的分析

侯建飛，夏愈卓，劉喜超

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳 518026)

摘要：針對CPR1000核電廠余熱排出系統吸入管線，采用CFD方法對CPR1000原結構及增加了圓柱形渦流破壞結構的余熱排出系統吸入管線進行了數值模擬，在主管道中心水位及多個一回路水位下，對比分析了2種結構的管內流場及空氣卷入量的差異，并研究了2種結構下的臨界水位.結果表明：圓柱形渦流破壞結構可以明顯抑制余熱排出系統吸入管線內的渦流，減少空氣的卷入量，同時顯著降低一回路的臨界水位，提高了余熱排出泵的安全運行裕量.

關鍵詞：余熱排出系統； 渦流破壞結構； 空氣卷入； 半管水位

在核電廠中，余熱排出系統是一個重要的系統，其主要功能為：在電廠正常停堆冷卻的第二階段，余熱排出系統將反應堆冷卻劑系統的熱量傳輸到設備冷卻水系統，使反應堆冷卻劑的溫度以可控速率降低到冷停堆溫度，并且維持此溫度直到電廠重新啟動為止.在CPR1000項目中，余熱排出系統簡稱為RRA系統[1].

在CPR1000核電廠中，余熱排出系統的吸入管線直接與一回路熱管段相連，布置在主管道的下方.當反應堆冷卻劑系統處于低水位運行期間，余熱排出系統吸入管線可能出現渦流，卷入空氣，導致下游余熱排出泵產生空蝕，造成泵的損壞，從而影響一回路的冷卻[2].在余熱排出系統吸入管線與一回路熱管段的連接處，通過增加一個渦流破壞結構，可以有效地減弱或消除余熱排出系統吸入管線內的渦流，從而減少空氣的卷入量[3]，增加半管水位運行時余熱排出泵的安全裕量.

筆者基于寧德3號機的管道布置情況，對CPR1000中余熱排出系統的吸入管線進行建模，在此結構的基礎上，在吸入管線與一回路熱管段連接處增加圓柱形渦流破壞結構，針對這2種結構，分別在半管水位下模擬余熱排出系統吸入管線內的流場，對比分析得出圓柱形渦流破壞結構的作用.同時，不斷改變一回路水位，通過每個水位下的模擬計算，得出余熱排出泵入口空氣體積分數不超過限值所對應的臨界水位，為泵的安全運行提供參考.

1數值模擬方法

1.1物理模型與網格劃分

圖1為寧德3號機RRA系統與一回路連接圖及吸入管線流程簡圖.RRA系統吸入管線直接與主管道相連，之后分成2列，反應堆冷卻劑流經第1列與第2列之后，在母管RRA0002中匯集，在RRA0002的出口又分為2列，分別流向2臺余熱排出泵RRA001PO和RRA002PO.在半管水位期間，RRA系統采取單泵運行的方式，筆者選取RRA002PO.

圖1　寧德3號機RRA系統流程簡圖

Fig.1Flow diagram of the RRA system in unit 3 of Ningde Power Plant

以寧德3號機的管道布置為基礎，采用Solidworks進行三維建模，模型如圖2所示.在圖2模型基礎上，在RRA吸入管線與主管道連接處(見圖2中方框處)，增加圓柱形渦流破壞結構后的局部模型見圖3.

圖2　寧德3號機余熱排出泵前吸入管線模型圖

Fig.2Model of the RRA suction line before RRA pump of Ningde unit 3

圖3　含圓柱形渦流破壞結構局部管線模型圖

Fig.3Partial model of RRA suction line with cylindrical vortex mitigator

采用Ansys ICEM軟件對三維模型進行結構化網格劃分，并在管壁附近進行加密.對于含圓柱形渦流破壞結構的模型，需要進行2次O型剖分.

1.2數值模型

半管水位下的流動為氣液兩相流，氣體與液體有明顯的分界線，因此多相流模型采用均相模型[4]，兩相分別設為連續的水和空氣.兩相之間考慮表面張力，表面張力系數設為0.072 N/m，相間無質量傳輸.湍流模型選取RNGk-ε模型[5].由于流體是在重力場下的流動，因此還需考慮浮力模型的設置.

1.3邊界條件

入口邊界位于主管道兩側的截面，考慮到流動過程中，氣體和水有可能流進或流出入口邊界處，因此設為開放式邊界.入口邊界給定壓力和兩相體積分數，這2個參數均與一回路主管道液位H相關，如式(1)~式(3)中所示.出口設為速度邊界，數值為單泵運行下RRA吸入管線平均速度3.77 m/s.初始條件設全場的速度為0，壓力為p，如式(3)所示.

(1)

(2)

(3)

式中：φa為空氣體積分數；step為階躍函數；z為垂直高度，m；H為主管道液位，m；φw為水的體積分數；p為壓力，Pa；p0為主管道液位上氣體的壓力，數值為101 325 Pa；ρw為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2.

2數值模擬結果與分析

2.1半管水位下流場對比分析

對于CPR1000的結構，在主管道中心液位下，余熱排出系統吸入管線內的空氣體積分數分布見圖4(a).由圖4(a)可見，第2列的空氣體積分數遠遠大于第1列，計算結果表明，三通出口位置處第1列的空氣體積分數為4.4%，第2列的空氣體積分數則高達53.9%，2列在下一個三通處混合后繼續向下流動，到達泵前時，平均體積分數為9.1%.對于應用于壓水堆的單級離心泵，為了保證泵的揚程不出現明顯減小，同時保證泵的機械不受到損壞，當泵在40%~120%額定體積流量范圍內穩態運行時，流體中不凝結氣體的最大體積分數不能超過2%[6].這表明對于目前的CPR1000機組，當一回路水位位于主管道中心線時，余熱排出泵不能安全運行，即泵的安全運行臨界水位必須高于主管道中心液位.

增加圓柱形渦流破壞結構后的RRA系統吸入管線內空氣體積分數分布見圖4(b).由圖4(b)可見，由于圓柱形渦流破壞結構的采用，余熱排出系統吸入管線的空氣體積分數有了明顯的降低，在與主管道連接處，由于增加的圓柱形渦流破壞結構的最高點高于主管道中心線，因此上方有一定的空氣分布.

(a) CPR1000 RRA系統吸入管線

(b) 增加圓柱形渦流破壞結構后RRA系統吸入管線

Fig.4Air volume fraction contour of two different RRA suction lines at mid-loop operation

為了進一步對比2種結構下的流場，從與主管道連接處開始，在RRA系統吸入管線內截取一系列橫截面，如圖5所示.2種結構下RRA系統吸入管線內的沿程空氣體積分數分布見圖6，其中各個數據點的橫坐標對應位置見圖5.通過對比可見，采用圓柱形渦流破壞結構后，整個管道內空氣體積分數只有0.4%左右，遠遠小于CPR1000無渦流破壞結構下，同時余熱排出泵入口的空氣體積分數只有0.38%，遠小于泵入口所允許不凝結氣體的最高體積分數2%，大大提高了余熱排出泵的安全運行裕量.

圖5　圓柱形渦流破壞結構附近部分截面示意圖

Fig.5Schematic diagram of the cross-sections near cylindrical vortex mitigator

圖6　有無圓柱形渦流破壞結構的空氣體積分數沿流向的對比圖

Fig.6Comparison of streamwise air volume fraction distribution in the RRA suction line with and without cylindrical vortex mitigator

圖7給出了有無圓柱形渦流破壞結構下游某處的管道截面流線圖.由圖7可見，2種結構形式下管道內均存在2個旋向相反的渦，采取圓柱形渦流破壞結構后，2個渦更為對稱，且強度明顯降低.

2.2不同水位下2種結構的對比分析

為了進一步分析圓柱形渦流破壞結構的作用，不斷改變一回路的水位，對比2種結構下的空氣卷入情況，結果如圖8所示.整體來看，當余熱排出泵入口空氣體積分數大于2%后，隨著一回路水位的降低，余熱排出泵入口空氣體積分數會迅速增大.2種結構下，空氣體積分數隨水位的增加速率較為接近.對于CPR1000的原有結構，當余熱排出泵入口空氣體積分數達到2%時，對應的一回路水位為主管道直徑52%位置處，即一回路水位臨界值為主管道直徑52%位置處.采用了圓柱形渦流破壞結構后，這一臨界值降低至43%，對應的一回路水位絕對值降低了60 mm，這對于泵的安全運行及操作員的操作是非常有益的.

(a) CPR1000 RRA系統吸入管線

(b) 增加圓柱形渦流破壞結構后RRA系統吸入管線

Fig.7Comparison of flow field in the RRA suction line with and without cylindrical vortex mitigator

圖8　RRA泵入口空氣體積分數隨一回路水位的變化

Fig.8Inlet air volume fraction of RRA pump at different primary water levels

對于CPR1000電站，工程上的半管水位通常指主管道的3/4水位.計算表明，此水位下CPR1000余熱排出泵前空氣體積分數為0.02%，遠小于泵前空氣體積分數的最大限值2%，這表明對于目前CPR1000的設計，在半管水位下余熱排出泵的運行是安全的.

3結論

(1) 在工程上的半管水位(即主管道3/4水位)下，CPR1000電站余熱排出泵前的空氣體積分數僅為0.02%，遠小于泵入口所允許的最大空氣體積分數2%，這表明目前CPR1000的設計可以保證余熱排出泵在半管水位下安全運行.

(2) 當水位降低至主管道中心液位時，CPR1000電站余熱排出泵前的空氣體積分數增加至9.1%，這時泵無法安全運行.采用了圓柱形渦流破壞結構后，泵前的空氣體積分數降至0.4%，效果明顯.

(3) 采用圓柱形渦流破壞結構后，吸入管線內的渦強度明顯降低，且流動也更為對稱，這對于減少空氣卷入量有一定的作用.

(4) 由于圓柱形渦流破壞結構的引入，一回路的臨界水位明顯降低，降幅達60 mm，大大增大了泵的安全運行裕量.

(5) 通過本文的研究可以提高余熱排出系統對一回路低水位的適應能力，為在建項目優化提供參考方案，為研發堆型解決余熱排出泵前渦流問題提供解決方案.

參考文獻：

[1]蘇林森. 900 MW壓水堆核電站系統與設備[M]. 北京：原子能出版社, 2005.

[2]EZEKOYE L I, TURKOWSKI W M, FERRARACCIO F P,etal. Challenges in the management of gas voids in safety related systems[C]//Proceedings of the 24th KAIF/KNS Annual Conference on Nuclear Engineering. Korea: Korea Atomic Industrial Forum,2009: 527-532.

[3]LAU L K S. Pressurized water nuclear reactor system with hot leg vortex mitigator: U.S, 4,957,693[P]. 1990-09-18.

[4]閆訓海, 于文華, 姚雨晨. 水平進水口自由表面旋渦數值模擬研究[J]. 紅水河, 2012,31(4): 34-38.

YAN Xunhai, YU Wenhua, YAO Yuchen. Numerical simulation of free-surface vortex at horizontal hydraulic intakes[J]. Hong Shui River, 2012,31(4): 34-38.

[5]楊帆, 施徐明, 戴韌, 等. 自由表面旋渦數值模擬與渦、匯模型理論分析[J]. 排灌機械工程學報, 2013, 31(4): 325-330.

YANG Fan, SHI Xuming, DAI Ren,etal. Numerical simulation of free-surface vortex and theoretical analysis on vortex/sink model[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2013, 31(4): 325-330.

[6]EZEKOYE L I, TURKOWSKI W M. Snapshot review of the regulation of gas voids in nuclear steam supply systems in the United States[C]// Proceedings of the 18th International Conference on Nuclear Engineering. Xi'an, China: American Society of Mechanical Engineers, 2010: 335-343.

Functional Analysis of Cylindrical Vortex Mitigator Added at Inlet of the Residual Heat Removal System

HOUJianfei,XIAYuzhuo,LIUXichao

(China Nuclear Power Design Co., Ltd. (Shenzhen), Shenzhen 518026, Guangdong Province, China)

Abstract：Based on the suction line of residual heat removal (RRA) system in CPR1000 power plant, numerical simulation and analysis were carried out by CFD technique on the original RRA suction line and the one added with cylindrical vortex mitigator, during which the difference of flow field and air entrainment was respectively compared at mid-loop level and several water levels of primary loop between the two structures. Results show that the cylindrical vortex mitigator can obviously suppress the vortex in the RRA suction line, reduce the air entrainment, and descend the critical water level of primary loop significantly, which can improve the margin of safe operation of RRA pump.

Key words：residual heat removal system; vortex mitigator; air entrainment; mid-loop level

文章編號：1674-7607(2016)02-0157-05

中圖分類號：TL334

文獻標志碼：A學科分類號：490.50

作者簡介：侯建飛(1988-)，女，山西大同人，工程師，碩士，主要從事核電站核島主系統工藝設計.電話(Tel.)：15989414571；E-mail: houjianfei@cgnpc.com.cn.

收稿日期：2015-04-21