容控箱對(duì)一回路硼濃度調(diào)節(jié)的影響研究

董鵬飛 韓子琰 侯建飛

摘要：某三代壓水堆技術(shù)路線(xiàn)的化學(xué)和容積控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中僅有一部分下泄流體流經(jīng)容控箱。容控箱內(nèi)液體的攪混效果較差，會(huì)導(dǎo)致容控箱內(nèi)會(huì)截留一部分需要注入一回路的濃硼或除鹽水。在一回路硼化和稀釋過(guò)程中，容控箱的截留作用會(huì)對(duì)一回路硼濃度調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響。使用Fluent軟件模擬化學(xué)和容積控制系統(tǒng)對(duì)一回路硼濃度調(diào)節(jié)的過(guò)程，通過(guò)仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際電站的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可靠性。使用該仿真模型對(duì)影響一回路硼濃度調(diào)節(jié)過(guò)程的影響因素進(jìn)行了敏感性分析，提出了減小容控箱對(duì)一回路硼濃度調(diào)節(jié)過(guò)程產(chǎn)生影響的優(yōu)化改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：容控箱;硼濃度;硼化;稀釋

1 引言

目前國(guó)內(nèi)主流壓水堆核電廠(chǎng)中，在機(jī)組逼近臨界、負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中均涉及到對(duì)一回路硼濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不同的系統(tǒng)配置方式對(duì)一回路硼濃度調(diào)節(jié)過(guò)程有不同的影響。一回路硼濃度調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)是對(duì)一回路以及與一回路相連輔助系統(tǒng)中冷卻劑硼濃度的同時(shí)調(diào)節(jié)，然而整個(gè)需調(diào)節(jié)硼濃度的水體中若存在一部分水體的硼濃度改變的速率與其他水體的硼濃度改變速率不同，則會(huì)影響到一回路硼濃度調(diào)節(jié)的效果。

眾所周知，在一回路硼化或稀釋過(guò)程中，由于穩(wěn)壓器中流體的攪混效果與一回路強(qiáng)迫循環(huán)產(chǎn)生的攪混效果不同，導(dǎo)致在一回路硼濃度調(diào)節(jié)過(guò)程中穩(wěn)壓器與一回路之間會(huì)出現(xiàn)硼濃度偏差，穩(wěn)壓器的硼濃度偏差問(wèn)題國(guó)內(nèi)已經(jīng)有較多的研究成果[1][2]。一回路硼濃度調(diào)節(jié)過(guò)程中由于外圍輔助系統(tǒng)中流體攪混不均勻從而影響一回路硼濃度調(diào)節(jié)效果的研究較少，但穩(wěn)壓器與一回路硼濃度偏差的研究可以借鑒。

某三代壓水堆技術(shù)路線(xiàn)中，參與一回路硼濃度調(diào)節(jié)的化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的配置與以往二代壓水堆中的系統(tǒng)配置不同，系統(tǒng)中的容控箱對(duì)一回路硼濃度的跟蹤與二代電站完全不同，容控箱內(nèi)流體的攪混效果將有可能對(duì)一回路硼濃度調(diào)節(jié)產(chǎn)生不利影響。本文通過(guò)數(shù)學(xué)建模與縮比試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)容控箱在一回路硼濃度調(diào)節(jié)過(guò)程中所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究，并據(jù)此對(duì)系統(tǒng)配置方案提出了改進(jìn)建議。

2 模型介紹

在進(jìn)行一回路硼濃度調(diào)節(jié)時(shí)，濃硼酸或除鹽水注入化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的下泄管線(xiàn)，與下泄流匯合后分兩路分別進(jìn)入容控箱的液相和加氫單元（分配比例可調(diào)節(jié)），經(jīng)過(guò)容控箱和加氫單元后，兩股流體匯合再通過(guò)上充泵注入一回路。穩(wěn)壓器內(nèi)硼濃度調(diào)節(jié)通過(guò)頂部的噴淋?chē)娙胍换芈妨黧w，通過(guò)底部的波動(dòng)管與一回路相連交換流體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器內(nèi)硼濃度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)運(yùn)行的流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

c1～c9分別為一回路、硼化/稀釋注入、注入點(diǎn)下游、容控箱出口、上充、容控箱入口、穩(wěn)壓器噴淋入口、穩(wěn)壓器、下泄排往冷卻劑貯存單元的硼濃度;

f2，f5，f8，f9分別為硼化/稀釋注入、上充、從穩(wěn)壓器進(jìn)入一回路、下泄排往冷卻劑貯存單元的質(zhì)量流量;

M1為除穩(wěn)壓器和容控箱之外一回路及化學(xué)和容積控制系統(tǒng)中冷卻劑的總質(zhì)量。

根據(jù)不同部分?jǐn)嚮煨Ч牟町悾瑢⒄麄€(gè)系統(tǒng)分為穩(wěn)壓器、容控箱和一回路三個(gè)水體，按照各自的攪混模型進(jìn)行分析。

一回路數(shù)學(xué)模型

一回路強(qiáng)迫循環(huán)的流量較大，可以認(rèn)為一回路始終處于均勻狀態(tài)。一回路硼濃度隨時(shí)間（t）的變化關(guān)系式如下：

b）穩(wěn)壓器數(shù)學(xué)模型

冷卻劑從穩(wěn)壓器頂部通過(guò)噴淋進(jìn)入穩(wěn)壓器，然后底部的波動(dòng)管排出。在一回路硼濃度調(diào)節(jié)過(guò)程中，穩(wěn)壓器內(nèi)流體單向從上向下流動(dòng)，因此穩(wěn)壓器作為隊(duì)列考慮：將穩(wěn)壓器由上至下劃分為n層，在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，每一層均流出部分流體進(jìn)入下一層，并接收上一層流入的流體，每i層硼濃度表示為。第i層的硼酸溶液濃度在dt時(shí)間內(nèi)的變化表示為：

c）容控箱模型

混合了濃硼酸或除鹽水的一部分下泄流直接進(jìn)入容控箱液相，這部分流體的動(dòng)能對(duì)箱內(nèi)液體有攪混作用，且箱內(nèi)為三維流場(chǎng)的攪混，攪混效果直接影響到容控箱出口的硼濃度。因此在本研究中利用容器CFD建模分析計(jì)算的方法[3]，通過(guò)用Fluent軟件開(kāi)展容控箱的仿真計(jì)算，并利用UDF編制相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)學(xué)模型的串聯(lián)迭代計(jì)算。將進(jìn)入容控箱流體的硼濃度作為CFD模型的輸入條件，通過(guò)三維仿真運(yùn)算后輸出容控箱出口硼濃度，再參與下一步系統(tǒng)整體模型的迭代運(yùn)算。

容控箱裝有一定體積的硼酸溶液，其他部分充滿(mǎn)氣體，在計(jì)算過(guò)程中只考慮硼酸溶液部分，自由液面采用自由滑移界面邊界條件。對(duì)于分子級(jí)的溶液混合擴(kuò)散問(wèn)題，采用組分輸運(yùn)模型，單相流體包含兩種組分：7700mg/kg硼酸溶液和純水。并在模型參數(shù)設(shè)置中考慮不同濃度硼酸溶液的密度、粘度以及質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)的變化。

3 模型驗(yàn)證分析

開(kāi)展容控箱CFD仿真計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，入口流體與容控箱內(nèi)流體密度的差異對(duì)容控箱內(nèi)的攪混效果影響較大。當(dāng)入口為濃硼酸時(shí)，密度大于容控箱內(nèi)的流體密度，新進(jìn)入的流體在容控箱內(nèi)呈偏轉(zhuǎn)向下的趨勢(shì)，存在部分高濃度硼酸未經(jīng)混合直接流出容控箱的現(xiàn)象，容控箱內(nèi)硼酸溶液從底部向上濃度逐步降低。當(dāng)入口為除鹽水時(shí)，其密度小于容控箱內(nèi)的硼酸溶液，新進(jìn)入流體呈偏轉(zhuǎn)向上趨勢(shì)，容控箱內(nèi)硼酸溶液從頂部向下濃度逐步升高，即原硼酸溶液先流出容控箱，新進(jìn)入的除鹽水會(huì)滯留一段時(shí)間后才會(huì)流出容控箱。

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，分別開(kāi)展了容控箱CFD仿真模型計(jì)算結(jié)果與容控箱縮比試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，以及全系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果與電廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證。

3.1容控箱模型單獨(dú)驗(yàn)證

容控箱縮比試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果與CFD仿真的容控箱出口濃度變化趨勢(shì)一致（圖2），CFD仿真計(jì)算出的由于密度原因?qū)е鲁}水在容控箱中滯留的現(xiàn)象與試驗(yàn)結(jié)果相符。

3.2與實(shí)際電廠(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證

為驗(yàn)證一回路硼濃度調(diào)節(jié)整體系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性，本文對(duì)電廠(chǎng)實(shí)際執(zhí)行的硼化工況進(jìn)行了仿真計(jì)算，模型計(jì)算結(jié)果與電廠(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比見(jiàn)圖3。

由于電廠(chǎng)實(shí)際執(zhí)行硼化時(shí)，硼酸補(bǔ)給系統(tǒng)與一回路之間有較長(zhǎng)的系統(tǒng)管線(xiàn)，流體流動(dòng)需要一定時(shí)間，且一回路硼濃度測(cè)量的取樣系統(tǒng)取出樣品通過(guò)在線(xiàn)硼表測(cè)量也有一定的延時(shí)，因此電廠(chǎng)實(shí)際測(cè)量到一回路硼濃度開(kāi)始變化的時(shí)間存在滯后。模型計(jì)算中未考慮這些滯后因素。通過(guò)將電廠(chǎng)實(shí)測(cè)硼濃度曲線(xiàn)進(jìn)平移，電廠(chǎng)實(shí)測(cè)硼濃度曲線(xiàn)與模型計(jì)算結(jié)果吻合度較高，平均偏差小于1%。可用于系統(tǒng)各種硼濃度調(diào)節(jié)工況的評(píng)價(jià)計(jì)算。

4 容控箱對(duì)一回路硼濃度調(diào)節(jié)的影響分析

由于容控箱內(nèi)攪混不均勻，當(dāng)進(jìn)行一回路硼濃度調(diào)節(jié)時(shí)，容控箱攪混不均勻問(wèn)題會(huì)造成一部分硼酸或除鹽水被截留在容控箱內(nèi)，被截留的硼酸或除鹽水進(jìn)入一回路的時(shí)間被延遲，進(jìn)而會(huì)造成一回路實(shí)際硼濃度與目標(biāo)硼濃度出現(xiàn)偏差。當(dāng)機(jī)組處于Mode G模式進(jìn)行12-3-6-3日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)一回路硼濃度進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)，一回路所需目標(biāo)硼濃度見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，當(dāng)下泄流有10%進(jìn)入容控箱時(shí)，整個(gè)硼濃度調(diào)節(jié)過(guò)程中一回路實(shí)際硼濃度將產(chǎn)生-2.2mg/kg～+1.0mg/kg的硼濃度偏差。當(dāng)下泄流進(jìn)入容控箱的比例調(diào)整為3%時(shí)，一回路硼濃度與目標(biāo)值的偏差范圍可縮減至-1.1mg/kg～+1.2mg/kg。通過(guò)優(yōu)化下泄流進(jìn)入容控箱的比例，可以明顯改善一回路硼濃度調(diào)節(jié)偏差。

5 結(jié)論

本文使用CFD三維仿真與系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型耦合迭代計(jì)算的方式，實(shí)現(xiàn)了一回路硼濃度調(diào)節(jié)過(guò)程的建模計(jì)算，并通過(guò)局部縮比試驗(yàn)以及與實(shí)際電廠(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比的方式驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)所建立的模型以及容控箱的縮比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入容控箱內(nèi)流體與容控箱內(nèi)原溶液的密度差對(duì)容控箱內(nèi)的攪混效果有較大影響。通過(guò)全系統(tǒng)仿真計(jì)算，得到了容控箱對(duì)一回路硼濃度調(diào)節(jié)過(guò)程的定量影響，并通過(guò)改變不同邊界條件的方式，獲得了一種能夠提高一回路硼濃度調(diào)節(jié)精度的可行方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜夏嵐，李輝，秦治國(guó).ACPR1000主回路與穩(wěn)壓器硼濃度差仿真分析[J].核動(dòng)力工程，2020，41（5），110-115

[2]石宇善，石志彬，李若鯤，劉明權(quán).堆芯稀釋后一回路與穩(wěn)壓器濃度差分析[J].科技視界，2016，（15），28-29.

[3]李捷，李峰，冉旭.基于全壓力容器 CFD 分析的硼輸運(yùn)模擬方法研究[C].第十四屆全國(guó)反應(yīng)堆熱工流體學(xué)術(shù)會(huì)議暨中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2015 年度學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2015.