華龍一號RPV支承結構傳熱優化研究

牛昊軒 甘斌 殷琪 鄧朝俊 陳訓剛

摘 要

本文通過CFX仿真計算，分析了華龍一號RPV支承冷卻結構在不同冷卻空氣流量下的傳熱情況，校核了底板表面溫度是否滿足65℃的設計要求。在此基礎上提出了結構優化方案，經計算，相同條件下，優化方案的最小冷卻空氣流量下降約30%。

關鍵詞

RPV支承;傳熱計算;結構優化

中圖分類號： TG115.57;TM623? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.008

1 概述

RPV支承結構是反應堆的重要部件之一，其主要功能包括：

（1）固定反應堆壓力容器，限制其平動和轉動;

（2）承受反應堆本體及其相關設備和介質的重量載荷，并將這些載荷傳遞給混凝土基座等。支承結構的設計中，需進行支承結構冷卻的計算分析，以期驗證其是否能滿足支承結構的冷卻要求，即使底板的溫度不超過65℃。

本文基于CFX仿真計算法，對支承結構的傳熱情況進行了計算，并給出了優化改進意見。

2 對象

華龍一號RPV支承結構為一個類環型對稱結構，主要由支承環、通風接口、止擋塊、安裝調整件等組成，模型如圖1所示。

3 原方案傳熱分析

利用CFX對RPV支承冷卻結構整體和底板（下蓋板）上表面的溫度分布進行仿真分析，分析了熱源溫度為125℃，冷卻空氣溫度為15℃時，不同空氣流量下（900m3/h、1000m3/h、1200m3/h）的傳熱狀況。云圖如圖2至圖4所示。

由圖2可以看出，RPV支承結構壁面的最高溫度為125℃（即熱源面溫度），高溫區主要位于支座區域，支座結構的溫度不低于84℃，下蓋板溫度最高不超過70℃。下蓋板上表面的溫度呈現中間低、兩側高的分布，最高溫度不超過70℃，主要集中在出口內側，即薄擋板與厚擋板之間的區域，主要由于氣流很難到達該小空間內，到達出口的氣流都從主流道流出了支承結構腔體，相應的混凝土的溫度應當高于65℃，即不滿足溫度不超過65℃的要求。

由圖3及圖4可以看出，隨著空氣流量的增大，溫度分布特性具有類似規律，支承結構溫度、下蓋板溫度、下蓋板上表面溫度逐漸降低，當空氣流量增大至1200m3/h時，下蓋板上表面的溫度最高溫度不超過63.18℃，相應的混凝土的溫度應當低于65℃，滿足溫度不超過65℃的要求。

4 優化方案傳熱分析

根據以上分析結論可知，現有結構布置下溫度較高的區域出現在出風口區域，其主要原因是來自于兩側的流體匯合后，在其匯合區域氣流流速較小，而且存在漩渦。另一方面，兩側的導流板（長度較長，而且不與底面接觸的）因為下底面不與下蓋板接觸，使得氣流偏向外側流向出口;而且長度較短的支承板（也有導流作用）與中間導流板間隙較小，氣流流過的阻力較大，這樣導致只有很少一部分氣流流過。

因此，在優化方案設計中，主要將長度較長的導流板和中間導流板向下延長，使其與下蓋板上表面接觸;另一方面，長度較短的支承板長度減小，并增大與中間導流板的間隙。根據優化后的結構，對相同條件下的支承冷卻結構底板溫度進行了傳熱分析。

優化后支承冷卻結構底板的溫度分布規律與原結構類似，底板最高溫度隨空氣流量的增大而減小，當空氣流量為850m3/h時，底板最高為64.2℃，已滿混凝土溫度低于65℃的要求，當空氣流量為1200m3/h時，底板最高僅為56.7℃。可以看出優化方案的冷卻效果明顯高于原方案。

5 結論

基于CFX仿真分析，開展了熱源溫度125℃，冷卻空氣進口溫度15℃的條件下，華龍一號RPV支承結構的傳熱優化研究，得出以下結論：

（1）原結構為了滿足混凝土溫度使用限值（65℃），單個出風口最小冷卻空氣流量約為1200m3/h。

（2）采用優化方案后，相同條件及要求下，單個出風口最小冷卻空氣流量約為850m3/h，下降30%，冷卻效果明顯提升。