AP1000核電站蒸汽發(fā)生器主給水管道雙端斷裂事故下第一跨空間三維流動特性數(shù)值模擬

魏承君, 陳子佳, 龐思敏, 趙海琦, 張鈺浩*

(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 北京 100095； 2.華北電力大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 102206；3.非能動核能安全技術(shù)北京市重點實驗室, 北京 102206)

AP1000核電站常規(guī)島第一跨空間是其汽輪機廠房第一軸和第二軸之間的過渡空間,是連接核島和常規(guī)島的重要空間結(jié)構(gòu)。核電廠第一跨空間內(nèi)布置了設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(component cooling water system,CCS)驅(qū)動泵,能夠保證核電廠事故工況下設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)等關(guān)鍵安全系統(tǒng)的正常運行,從而保證核電廠安全。然而,蒸汽發(fā)生器主給水管道在第一跨空間內(nèi)發(fā)生雙端斷裂事故下,大量的水將直接泄放到第一跨空間內(nèi),而第一跨空間內(nèi)布置了一些重要設(shè)備,如柴油機、CCS泵等,泄放對第一跨空間內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備造成嚴重威脅。因此,非常有必要對該事故工況下第一跨空間內(nèi)的流動分布及淹沒水位進行預(yù)估。按照縱深防御的要求,在第一跨發(fā)生主給水管道雙端破裂的情況下,保證布置在第一跨的CCS泵組不會因為水淹事故而喪失其運行功能。為完成常規(guī)島主廠房第一跨防水淹設(shè)計研究,在前期二回路汽水系統(tǒng)建模分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,開展第一跨主給水管道破裂泄放漫流三維數(shù)值模擬,為AP1000及后續(xù)電廠的常規(guī)島主廠房第一跨防水淹途徑設(shè)計及相關(guān)泄洪措施提供重要參考。前期研究中,一些學(xué)者采用兩相流模型對核電廠內(nèi)的部分設(shè)備開展了數(shù)值模擬工作。孫海彤等[1]針對內(nèi)徑為80 mm的大型分離式熱管蒸發(fā)段的流動沸騰蒸發(fā)行為進行了數(shù)值模擬,基于兩相流流體體積模型(volume of fluid model,VOF),評價沸騰段管內(nèi)流體的流型以及各種因素對其傳熱的影響。張旭瑞[2]利用FLUENT軟件對AP1000核電站中汽輪機的壓進汽閥內(nèi)的流動特性進行了數(shù)值模擬,研究了在節(jié)流閥開度不斷變化的情況下,濕蒸汽的汽水兩相流在壓進氣閥內(nèi)的流場、壓力損失和氣動力矩的變化規(guī)律。Sheykhi等[3]研究由于一次回路和二次回路管道同時斷裂而引起的VVER1000密封室溫度和壓力的變化。

然而,目前針對與AP1000核電站汽輪機廠房第一跨空間內(nèi)漫流相關(guān)的數(shù)值模擬研究幾乎沒有。

在事故工況下,為防止汽輪機廠房內(nèi)主蒸汽管道和主給水管道破裂時造成的水淹,將對核島廠房內(nèi)的重要設(shè)施造成不可逆轉(zhuǎn)的危害,亟須對汽輪機廠房的第一跨空間防水淹情況進行計算評估。因此,基于FLUENT軟件,進行AP1000核電站第一跨空間在發(fā)生蒸汽發(fā)生器給水管道破裂工況下的防水淹數(shù)值計算,評價其流動特性、水位變化等對核電站的安全所造成的影響,進而分析通過在第一跨空間二層空間處開預(yù)留開孔進行泄洪方案的可行性。

1 模型建立及網(wǎng)格劃分

1.1 模型簡化方案

汽輪機廠房第一跨位于汽輪機廠房與核島的結(jié)構(gòu)連接處[4],核島的輔助廠房位于第一跨的北側(cè),南側(cè)連接汽機房主體鋼結(jié)構(gòu)。核電站常規(guī)島第一跨寬約12.3 m,長約60 m,第一跨與核島輔助廠房、附屬廠房和汽輪機廠房大廳相鄰。第一跨空間自下而上包括:① -3.8 m層，主要布置安全殼底坑等；② 0 m層，布置CCS泵和蒸汽發(fā)生器廢排污系統(tǒng)(steam generator blowdown sysrem,BDS)熱交換器等；③ 5.334 m層，主要布置主蒸汽管道與主給水管道。

可見,第一跨原型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,且第一跨空間內(nèi)布置較多的設(shè)備、排水口、管道、閥門、隔間等[5],因此在進行建模、網(wǎng)格劃分的時候,需對第一跨整體結(jié)構(gòu)進行合理的簡化。在考慮兼顧整體網(wǎng)格質(zhì)量和保證計算精度的情況下,保留第一跨主要特征邊界,模擬其主要隔間及空間位置分布,模擬關(guān)鍵設(shè)備的外形尺寸及布置位置[6],建模過程中對局部細節(jié)進行了適當保守的簡化。簡化后第一跨空間整體模型如圖1所示。

圖1 簡化第一跨模型Fig.1 Simplified first span model

1.2 網(wǎng)格劃分與敏感性分析

根據(jù)圖1中建立的整體模型結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,在整體網(wǎng)格劃分完成之后生成網(wǎng)格并對其質(zhì)量進行調(diào)整,改變其節(jié)點數(shù)或調(diào)整網(wǎng)格形狀以滿足質(zhì)量的要求,最終網(wǎng)格質(zhì)量大于0.3。

基于常規(guī)島主廠房第一跨空間三維計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行網(wǎng)格敏感性分析,適當調(diào)節(jié)節(jié)點數(shù)量,分別生成網(wǎng)格數(shù)為300萬、600萬、1 200萬數(shù)量的網(wǎng)格,其中600萬網(wǎng)格如圖2所示。

基于上述3種網(wǎng)格,分別給定相同的邊界條件及求解方法進行試算。選取2.5 s時刻第一跨空間內(nèi)噴放出口處關(guān)鍵監(jiān)測線處水的體積份額對比曲線如圖3所示。由圖3可見,600萬網(wǎng)格計算結(jié)果與1 200萬網(wǎng)格計算結(jié)果基本相同,300萬網(wǎng)格計算結(jié)果誤差相對較大。因此考慮到保證計算精度、提高計算速度,選用600萬網(wǎng)格進行后續(xù)泄放瞬態(tài)計算。

圖2 600萬網(wǎng)格示意圖Fig.2 6 million grid diagram

圖3 敏感性分析結(jié)果(t=2.5 s， x=19. 150 m,y=0.6～7. 818 m,z=0. 544 m位置處水體積份額)Fig.3 Sensitivity analysis results (t=2.5 s，x=19. 150 m,y=0.6，7. 818 m,z=0. 544 m water volume fraction)

2 數(shù)值模擬方法

2.1 邊界條件

基于上述第一跨模型,設(shè)置關(guān)鍵邊界條件如下。

(1)模型入口:模擬蒸汽發(fā)生器主給水管道雙端斷裂,模型入口位置即斷裂破口處,且破口位于第一跨大空間內(nèi),入口流量與泄放流量一致,為原型正常運行工況下的給水流量980 kg/s。

(2)模型出口:如圖1所示,在5.334 m層,隔間右側(cè)開設(shè)4組開孔,用于排出泄放水；此外,在第一跨空間頂部,開設(shè)排氣孔,用于排出第一跨空間內(nèi)的空氣。

(3)擋水沿:在5.334 m層處,設(shè)置兩組擋水沿。在圖1所示主給水管道右側(cè)設(shè)置高度為0.4 m的擋水沿,防止泄放水向左側(cè)漫流；另外,在第一跨空間與壓力隔間之間的門洞處,設(shè)置高為0.4 m的擋水沿,防止泄放水直接流入0層。

2.2 計算方法

采用CFD商用軟件FLUENT進行數(shù)值計算。由于模型中涉及空氣相與水相,因此采用VOF兩相模型隱式算法[7-9],暫不考慮溫度變化,選用湍流標準k-ε模型，其中k代表了紊流脈動動能,ε為其耗散率。求解方法采用壓力速度耦合SIMPLE算法。瞬態(tài)計算時間項采用一階隱式格式[10]。設(shè)置合理的普朗特數(shù)范圍在2～10,在后續(xù)計算中根據(jù)模型中流速情況合理微調(diào)普朗特數(shù)范圍。

3 結(jié)果分析

數(shù)值模擬是針對第一跨空間內(nèi)一根蒸汽發(fā)生器主給水管道雙端斷裂情況下,主給水管道下的冷卻水噴放在大空間區(qū)域內(nèi),根據(jù)縱深防御要求,在第一跨發(fā)生主給水管道雙端破裂的情況下,保證布置在第一跨的CCS泵組功能不會因為水淹工況而喪失。

總體計算結(jié)果表明,給水管道破裂后冷卻劑在原給水流量與重力的作用下繼續(xù)向前流動一段距離后沖擊到5.334 m層空間壁面上,然后向兩側(cè)流動。泄放水首先在5.334 m層內(nèi)累積到一定程度后通過5.334 m層右側(cè)的預(yù)留開孔排出噴放水。由于在5.334 m層中設(shè)計了擋水沿,因此噴防水需要累積到一定程度后才有可能漫過擋水沿從而進入左部空間、0層與右側(cè)部分。選取部分時刻(以40 s為例)流速分布如圖4所示,并分析2、10、15、40 s關(guān)鍵時刻的泄放水流分布,如圖5、圖6所示。

當雙端斷裂事故發(fā)生2 s時,由于給水管道剛發(fā)生斷裂,給水泵未能及時關(guān)閉,而是繼續(xù)運行,使得大量泄放水通過給水管道破裂出口流出,由于速度較快撞擊到二層空間墻壁上,并迅速在5.334 m層內(nèi)漫流,但是由于泄放時間較短,還未在該層累積。

10 s時刻,噴放水在大空間內(nèi)發(fā)生明顯流動,且水位開始逐漸積累、上升,但是由于5.334 m層擋水沿的阻擋作用,噴放水僅在給水管道下方空間內(nèi)進行小范圍累積,此時還未有泄洪水通過預(yù)留開孔流出第一跨空間。

圖4 40 s時大空間噴放流速分布Fig.4 Spraying velocity distribution in large space at 40 s

圖5 不同時刻噴放水體積分數(shù)Fig.5 Volume fraction of sprayed water at different times

圖6 2 s與40 s時大空間噴放水體積分數(shù)側(cè)視圖對比Fig.6 Side view comparison of large volume sprayed water volume fraction at 2 s and 40 s

15 s時刻,開始有部分泄洪水通過預(yù)留開孔流出第一跨空間,但是排放流量較小,在給水泵的持續(xù)運行作用下,泄放水仍在第一跨二層主給水管道下方區(qū)域內(nèi)繼續(xù)累積,但積累水位仍未超過擋水沿高度。

隨著給水泵的持續(xù)進行,使得泄放水在第一跨空間內(nèi)持續(xù)積累,但是另一方面,泄放水開始通過5.334 m層的預(yù)留開孔,流出第一跨空間,且流量逐漸增大,使得第一跨空間內(nèi)5.334 m層水位升高速度越來越慢,噴放水通過預(yù)留開孔流出第一跨空間而未流入0層。

40 s后,由于流量泄放引起給水泵跳泵、停止,通過斷裂的給水管道流出的水量迅速減小,而已積累的泄放水仍持續(xù)通過5.334 m預(yù)留開孔向外部泄放,使得5.334 m層水位開始逐漸下降。

圖7 40 s擋水沿1水體積分數(shù)云圖Fig.7 Cloud volume fraction cloud diagram along water retaining baffle at 40 s

圖8 40 s內(nèi)擋水沿1、2水體積分數(shù)隨時間變化Fig.8 Variation of water volume fraction near water retaining baffle 1 and 2 within 5～40 s

圖7、圖8進一步對比了擋水沿附近水體積分數(shù)隨時間變化云圖及曲線。計算結(jié)果表明,噴放水從主給水管道破裂口進入大空間后主要在5.334 m層內(nèi)流動并累積,主要通過預(yù)留開孔流出第一跨空間。在第一跨空間左側(cè)設(shè)置擋水沿1,在5.334 m與小隔間之間的門洞處設(shè)置擋水沿2,能夠有效阻擋泄放水直接流入0層設(shè)備間。

5 s時,擋水沿1距離噴放位置較遠,水的體積份額僅0.3左右,且隨著高度的降低,水的體積份額迅速下降；而擋水沿2距離噴放位置較近,很快達到0.7左右,但在0.2 m內(nèi)迅速降低。隨著時間的增加,噴放水量逐步增多,擋水沿1周圍水體積分數(shù)在5.384 m處達到最高,遠沒有達到最高高度；擋水沿2在5 s之后且在40 s之內(nèi)同樣最高水位并未達到5.734 m,水體積分數(shù)達到1的高度僅為5.424 m。出口流量變化如圖9所示,可見由于通向0層的入口處設(shè)計有高為0.4 m的擋水沿,噴放水在5.334 m層積累,同時通過預(yù)留開孔不斷流出,且流量逐漸增加,水位高度還未積累到0.4 m時已經(jīng)流出空間且保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 5.334 m層預(yù)留開孔出口流量Fig.9 Flowrate variation of the opening exit in 5.334 m floor

隨著噴放進程的推進,主給水泵持續(xù)噴放進而觸發(fā)跳泵,因此在40 s后入口噴放水流量會迅速降低,因此噴放水由于擋水沿的作用不會繼續(xù)流向0 m層造成淹沒重要設(shè)備。

通過上述分析可知,在主給水管道發(fā)生雙端斷裂事故后滿功率給水的短時瞬態(tài)內(nèi),雖然在一段時間內(nèi),泄放流在第一跨空間5.334 m層積累,但是由于該層設(shè)置了擋水沿和預(yù)留開孔,使得泄放流被擋住而不漫過擋水沿,進而進入0層。且噴放觸發(fā)給水泵跳泵后,已積累的流量將進一步從預(yù)留開口流出。因此,在第一跨現(xiàn)有設(shè)計中,通過在5.334 m設(shè)計擋水沿并層開預(yù)留孔以排出泄洪水的方法能夠有效防止蒸汽發(fā)生器主給水管道雙端斷裂事故泄放至第一跨大空間事故下,泄放水淹沒0層的關(guān)鍵設(shè)備。

4 結(jié)論

對AP1000核電站蒸汽發(fā)生器一根主給水管道在第一跨大空間區(qū)域雙端斷裂事故下第一跨空間內(nèi)泄放水三維流動特性及現(xiàn)有防水淹設(shè)計進行了數(shù)值模擬研究,主要結(jié)論如下。

(1)蒸汽發(fā)生器主給水管道雙端斷裂事故下,水直接噴放進入第一跨空間內(nèi),泄放水在5.334 m層迅速漫流,但是受到5.334 m層設(shè)置的兩組擋水沿的阻礙,在40 s內(nèi)并未漫流進入其他區(qū)域；40 s后,由于主給水管道大流量的泄放,觸發(fā)給水泵跳泵停止,泄放流量迅速降低,因此,后續(xù)第一跨空間內(nèi)水位將逐漸下降。

(2)計算結(jié)果表明,在蒸汽發(fā)生器主給水管道雙端斷裂事故發(fā)生最為嚴重的前40 s內(nèi),現(xiàn)有第一跨防水淹設(shè)計能夠有效防止泄放水漫流至0層,能夠保證該事故工況下CCS泵不被淹沒,進而確保第一跨內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的安全,為現(xiàn)有核電廠第一跨防水淹設(shè)計提供了數(shù)值參考。