非能動安全殼圍堰分配盒改進設計與試驗

王彥之， 魯仰輝， 王 妍

(國核華清(北京)核電技術研發中心有限公司，北京 102209)

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非能動安全殼圍堰分配盒改進設計與試驗

王彥之， 魯仰輝， 王 妍

(國核華清(北京)核電技術研發中心有限公司，北京 102209)

以冷卻水在分配盒中的流動為研究對象，建立了分配盒的水分配模型，提出了立管和浮球2種圍堰分配盒概念，通過計算確定了關鍵參數，并在水分配試驗臺架上完成了試驗驗證.結果表明:在特征雷諾數約220時，立管分配盒使水膜覆蓋率提高了4.9%，浮球分配盒使水膜覆蓋率提高了3.8%；在特征雷諾數約130時，立管分配盒使水膜覆蓋率提高了3.1%，浮球分配盒使水膜覆蓋率提高了5.3%;2種設計方案均能有效降低收集水箱液位的均方差，提高小體積流量下的覆蓋率.

非能動安全殼； 冷卻系統； 水分配試驗； 圍堰分配盒； 覆蓋率

分水斗和圍堰系統是先進非能動(AP/CAP)三代核電非能動安全殼冷卻系統的分水結構，對殼外水膜的分布及均勻性具有決定性的影響[1].由于薄液膜具有傳熱特性，水膜越薄、越均勻，就越有利于帶走堆芯衰變熱.如果非能動安全殼下降液膜分配失衡，就會導致液膜流動不穩定，出現斷裂、分叉等現象，進而影響非能動安全殼的載出熱量.

為研究安全殼直徑更大、焊縫位置和圍堰結構變化的CAP1400的水膜覆蓋規律以及水膜達到穩定的延遲時間，國家科技重大專項“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站專項”的二級課題“CAP1400非能動安全殼冷卻系統試驗”開展了水分配試驗及驗證工作[2].已完成的水分配試驗有效驗證了非能動安全殼及其分水結構設計的合理性和可行性，試驗測得的覆蓋率及延遲時間滿足設計要求.原型圍堰結構如圖1所示，冷卻水由左側入水口進入，經由底部小孔和上部V形槽流出，6個V形槽將水較均勻地分配到6個分配槽中，V形槽是圍堰分配系統的關鍵組成部分.

圖1 分配盒示意圖

結合試驗觀察和數據分析，原型結構分配盒在能滿足設計要求的前提下，在水膜分布均勻性和小流量下的覆蓋率方面有進一步提升的空間.筆者以冷卻水在分配盒中的流動為研究對象，建立了分配盒的水分配模型，提出了立管和浮球分配盒2種設計方案，這2種設計方案雖然增加了結構復雜性，降低了排水能力，但對提高小流量覆蓋率及水膜分布均勻性有明顯效果.

1 分配盒模型

分配盒流量控制方程為

S=qV，in-qV，up-qV，down

(1)

qV，up=f(h)

(2)

(3)

式(1)～式(3)假設冷卻水為理想流體，采用伯努利方程作近似計算[3].式中：h為分配盒內液位高度；S為分配盒底面積；qV，in為分配盒入口體積流量；qV，up為分配盒V形槽流出體積流量；qV，down為分配盒底孔流出體積流量；A為分配盒底孔面積；l為分配盒中的立管高度，在浮球分配盒中，沒有立管，l=0，在立管分配盒中，l為立管高度.當h≤l時，水無法從底孔流出，qV，down=0，當h>l時，可由式(3)計算出從分配盒底孔流出的體積流量.由式(4)可知，在分配盒液位達到V形槽最低高度前，沒有冷卻水從V形槽流出.

(4)

式中：h0為分配盒內V形槽最低處高度；g為重力加速度；α為V形槽半角；hmax為分配盒高度.

冷卻水進入分配盒后，若進入的冷卻水多于小孔流出的冷卻水，分配盒液位上升，液位超過h0后，當從小孔和V形槽流出的冷卻水體積流量與進入分配盒的冷卻水體積流量相等時，達到穩定平衡.在水分配試驗中，流入分配盒的冷卻水體積流量是由回路系統調節閥和變頻器控制的定量，即qV，in是輸入的已知量，同時為h預設一個初值h1，啟動迭代運算.迭代求解步驟如下：

qV，up1=f(h1)

(5)

qV，down1=g(h1,A,l)

(6)

(7)

將更新的h2代入式(5)和式(6)，重復此過程直至收斂.

2 概念設計及參數確定

由式(3)可知，降低分配盒底部小孔在小冷卻水體積流量下的流量有2種方法：一是減小壓頭(即增大立管高度)，可通過在小孔處加設一根豎直空心管的方法實現，該空心管的高度有待進一步確定；二是減小底孔面積，特別是減小較小冷卻水體積流量下的面積，可通過浮球控制改變底孔面積的方法實現.

2.1 立管分配盒

若非能動安全殼表面水膜均勻分布，由質量守恒可知，從分配盒V形槽流出體積流量等于從圍堰流出的體積流量qV，up；從分配盒底孔流出體積流量為分配盒所在長度均勻流量的來源，由均勻分布可得：

qV，down/qV，up=Lbox/Lweir

(8)

式中：Lbox為分配盒的長度；Lweir為圍堰的長度.

計算不同特征雷諾數、不同立管高度(40 mm、80 mm、120 mm、141 mm)下的分配效果參數，即qV，down/qV，up，結果如圖2所示.圖中橫軸為不同特征雷諾數，縱軸代表分配均勻性的底孔出水體積流量與V形槽出水體積流量之比.黑色水平線為水膜均勻分布目標值.

從計算結果可知：(1)立管可有效降低小孔的體積流量；(2)立管高度越高，小孔體積流量降低越明顯；(3)冷卻水體積流量越小，立管高度對小孔體積流量的降低效果越明顯；(4)高立管、大體積流量下，出現了qV，down/qV，up低于設計值的情況.為盡量提高小體積流量的分水能力，立管分配盒采用高141 mm的立管.

圖2 不同高度立管分配盒水分配效果的對比

2.2 浮球分配盒

因考慮堵塞等原因，減小底孔面積的方案不能直接縮小底孔面積，應使用變面積方案，即底孔面積可隨分配盒內液位高度變化.此方案理論上可以達到最好的分配效果，但也大大提升了分配盒的復雜性，為分配盒設計和制造增加了難度.因此，設計了不同的變面積方案，包括如下線性關系：

A=Amin+(Amax-Amin)(h-h0)/(hmax-h0)

(9)

式中：Amin、Amax分別為分配盒最小線性底面積和最大線性底面積.

計算不同特征雷諾數、不同變面積方案的分配效果參數qV，down/qV，up，結果如圖3所示.

圖3 不同變面積分配盒水分配效果的對比

從計算結果可知：(1)變面積可以有效降低小孔體積流量；(2)因面積有最小值，小體積流量下仍無法達到設計目標；(3)體積流量較大時，3種變面積方案效果差異較小.復雜變面積方案采用浮球控制底孔面積，浮球分配盒結構如圖4所示，具體過程為：浮力球隨液位高低運動，帶動齒扇轉動，齒扇通過嚙合帶動錐體上浮，實現底部小孔的復雜面積變化.

圖4 浮球裝置示意圖

圖中浮球裝置包括滑輪組1件(Q235B 50 mm×50 mm×20 mm)、支撐板2件(Q235B 40 mm×40 mm×10 mm)、銷軸1件(圓鋼,d=12 mm,L=60 mm)、錐銷1件(d=8 mm或d=2 mm圓鋼，L=70 mm)、浮球及線繩索等附件.

3 試驗驗證

根據設計，制造加工了立管分配盒和浮球分配盒，安裝在水分配試驗臺架上，并完成了試驗[4].圖5展示了水分配臺架在試驗過程中圍堰進行水分配的情況.

圖5 水分配試驗的圍堰

3.1 試驗平臺

按與CAP1400安全殼1∶1比例設計了CAP1400非能動安全殼冷卻系統水分配試驗臺架.臺架取穹頂的1/8扇面、第二道圍堰下方部分為1/16的扇面以及3 m豎直壁面，總高近20 m，直徑40 m，由分水斗和圍堰裝置組成的分水結構系統位于試驗本體.試驗啟動后，冷卻水進入分水斗，并通過分水斗的開槽溢流至本體.在重力作用下，經過圍堰的再分配，在試驗本體表面流動并形成較均勻分布的半穩態水膜.豎直壁面下設有30個收集水箱，收集各部分的累積水量，用于評估水膜分布的均勻性.水膜是安全殼殼外重要的熱阱，其分布的均勻性對安全殼熱量載出的能力有重要影響.試驗裝置如圖6所示.

圖6 試驗裝置示意圖

3.2 試驗工況設計

為驗證不同體積流量下立管分配盒和浮球分配盒的水分配效果，并與原型分配盒進行對比，設置試驗矩陣如表1所示.試驗矩陣中的數字為試驗次數，為證明試驗的可重復性及標定試驗裝置的誤差，同一特征雷諾數原型分配盒進行了2次試驗.

表1 試驗矩陣

試驗采用由數字CCD相機、高速圖像采集系統、圖像處理系統等模塊構成的視頻系統測量水膜覆蓋率，即水膜覆蓋區域(濕區)占試驗本體總面積的比值，參考文獻[5]中介紹了設備、軟件及利用干濕區灰度差異得到水膜覆蓋率的方法.

在二道圍堰之下，采用30個收集水槽回收了不同位置的累積水量，用于分析不同分配盒對水膜覆蓋均勻度的影響.收集水箱大小相同、排列整齊，收集水槽水量的均勻性可以反映出水膜分布的均勻性.若水膜完全均勻分布，則收集水槽水量相等.

3.3 覆蓋率分析

水膜在試驗本體展開時，其覆蓋率不斷上升，直至達到半穩定狀態的覆蓋率.圖7給出了不同形式分配盒、不同特征雷諾數下的覆蓋率.由圖7可以看出，改進分配盒形式在小體積流量下對提高覆蓋率有明顯作用.在特征雷諾數約為220時，立管分配盒使覆蓋率提高了4.9%,浮球分配盒使覆蓋率提高了3.8%；在特征雷諾數約為130時，立管分配盒使覆蓋率提高了3.1%,浮球分配盒使覆蓋率提高了5.3%；在中大特征雷諾數下，改變分配盒形式對覆蓋率沒有明顯影響.

圖7 不同形式分配盒、不同特征雷諾數下覆蓋率的對比

Fig.7 Comparison of coverage rates with different Reynolds numbers for different distribution boxes

3.4 小體積流量對比

圖8比較了立管分配盒、浮球分配盒和原型分配盒在特征雷諾數約為220時，收集水箱在試驗時間內累積水的質量分數.由圖8可以看出,立管分配盒和浮球分配盒使得分配盒對應的百分比明顯下降，水膜在試驗本體表面分布更加均勻.

圖8 不同形式分配盒在特征雷諾數為220時收集水箱累積水的 質量分數

Fig.8 Mass fraction of water accumulated in water collection tanks at Reynolds number of 220 for different distribution boxes

3.5 冷卻水分布分析

由圖9可知，立管分配盒和浮球分配盒相對于原型分配盒均有效降低了收集水箱均方差，使液膜在試驗本體表面分布得更均勻.

圖9 不同形式分配盒、不同特征雷諾數下收集水箱均方差的對比

Fig.9 Mean square deviation of water collection tanks at different Reynolds numbers for different distribution boxes

4 結 論

利用減小壓頭或減小面積等非能動原理，設計了立管分配盒和浮球分配盒，給出了具體的設計結果，對2種設計方案進行了流體力學分析.2種設計方案相對于原型分配盒均有效降低了收集水箱的均方差，在小體積流量下使覆蓋率提高了3%以上，具有讓液膜分布更加均勻的作用.相對于原型分配盒，立管分配盒增加了分配盒積水的問題，浮球分配盒增加了分配盒結構的復雜性，降低了裝置的可靠性.2種設計方案豐富了分配盒的設計選型，是進一步提高非能動安全殼水膜覆蓋率及傳熱傳質特性的基礎.

[1] 林誠格，郁祖盛，歐陽予.非能動安全先進壓水堆核電技術[M].北京：原子能出版社，2010: 11-27.

[2] 林誠格，趙瑞昌，劉志弢.安全殼在事故下的完整性分析[J].核科學與工程，2010，30(2)：181-192.

LIN Chengge, ZHAO Ruichang, LIU Zhitao. Containment integrity analysis under accidents [J]. Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering, 2010, 30(2):181-192.

[3] 吳望一.流體力學[M]. 北京：北京大學出版社，2000: 52-63.

[4] 鄭紅亮，李聰，顧國興，等.核電工程試驗的過程控制[J].動力工程學報，2015，35(4)：336-340.

ZHENG Hongliang， LI Cong， GU Guoxing， et al. Process control of nuclear power engineering tests [J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2015, 35(4):336-340.

[5] 張子楊，魯仰輝，王彥之，等.基于視頻技術的大空間內液膜覆蓋率的測量方法研究[J].中國科技成果，2013(9)：56-59.

ZHANG Ziyang，LU Yanghui，WANG Yanzhi，et al. Measurement research of falling film coverage on large space by video technology [J]. China Science and Technology Achievements, 2013(9):56-59.

Design Improvement and Testing of a Weir Distribution Box for Passive Containments

WANG Yanzhi, LU Yanghui, WANG Yan

(Guohe Huaqing (Beijing) Nuclear Power Technology R&D Center Co., Ltd., Beijing 102209, China)

Taking the cooling water flow in a weir distribution box as an object of study, a water distribution model was set up for two kinds of weir distribution box, namely riser box and float box, of which the key parameters were determined through necessary calculations, and subsequently verification experiments were conducted on a water distribution test bench. Results show that when the Reynolds number is around 220, the coverage rate of water film would be increased by 4.9% and 3.8% respectively via riser box and float box, and when the Reynolds number is around 130, the coverage rate would be increased by 3.1% and 5.3% accordingly. Both the design schemes can reduce the mean square error of the collection levels and improve the coverage rate of the containment under small flow rates.

passive containment; cooling system; water distribution test; weir distribution box;coverage rate

2016-05-26

2016-07-22

國家重大科技專項資助項目(2011ZX06002-005-003)

王彥之(1984-)，男，四川巴中人，工程師，博士，主要從事反應堆安全分析及試驗技術方面的研究.電話(Tel.)：010-56681699； E-mail：wangyanzhi@snptc.com.cn．

1674-7607(2017)06-0508-05

TL42

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