非能動安全殼熱量導出系統GOTHIC模擬方法

鄭云濤, 孫燕宇, 周藍宇, 黃樹亮

(中國核電工程有限公司, 北京 100840)

非能動安全殼熱量導出系統(passive containment heat removal system,PCS)[1-3]利用非能動的自然驅動力將安全殼內的熱量通過換熱器傳遞至安全殼外的水箱和大氣環境。PCS投入運行后將會影響安全殼內的熱工水力行為,如安全殼內大氣流動、大氣溫度、大氣壓力及非凝性氣體的分布等;同時,安全殼內的大氣環境條件又會影響PCS的運行和帶熱,PCS與安全殼之間存在強烈的動態耦合關系。因此,PCS模擬成為近年來的研究重點[4-5]。

諾貝貝等[6]自主編制了非能動安全殼熱量導出系統的熱工水力分析程序PCCS-C,該程序采用集總參數法,忽略了傳熱管徑向的溫度變化和水箱內的溫度分層,能夠趨勢性地估算非能動安全殼熱量導出系統的運行特性。黃政[7]針對非能動安全殼冷卻系統(passive containment cooling system,PCCS)建立了一維的均相流自然循環回路計算模型,并與單節點的安全殼計算模型通過牛頓迭代法計算了PCCS和安全殼之間的瞬態運行情況。Bang等[8]利用GOTHIC程序3D模型建立了閉式循環PCCS計算模型,計算結果表明GOTHIC模型對PCCS的模擬是合理的。Bang等[9]還利用GOTHIC程序3D模型建立了開式循環PCCS計算模型,并與閉式循環PCCS的運行特性進行了對比,GOTHIC程序能夠很好地模擬出PCCS的運行及與安全殼之間的動態響應。目前國內對非能動安全殼熱量導出系統的模擬研究大多采用保守假設或簡化模擬的自編程序,缺少對該系統與安全殼之間的熱工水力現象和運行特性的完整模擬研究。

因此,本文以“華龍一號”安全殼綜合試驗裝置為研究對象,采用GOTHIC 3D模型對非能動安全殼熱量導出系統的模擬進行了研究,獲得了PCS模擬方法,可為PCS的研究設計提供輔助分析方法。

1 分析方法與模型

本研究采用多節點的集總參數控制體模擬安全殼綜合試驗裝置的安全殼部分,采用3D控制體模擬3列PCS的系統回路,節點劃分示意如圖1所示。PCS計算模型主要包括下降段管道、換熱器母管、換熱器傳熱管、上升段管道、汽水分離器和換熱水箱。其中,下降段、上升段、換熱器母管和換熱器傳熱管均采用3D控制體的1D模式模擬;汽水分離器和換熱水箱均采用三維網格劃分。各控制體之間的連接采用流道模擬,并且對于上升段、汽水分離器和換熱水箱之間的流道開啟氣體可壓縮模型和液體閃蒸模型[10]。

圖1 PCS 3D模型節點劃分示意Fig.1 Nodalization of PCS based on 3D model

換熱器傳熱管采用熱構件模擬,通過傳熱管熱構件兩側的控制體將PCS計算模型與安全殼計算模型關聯成為安全殼綜合試驗計算模型。由于傳熱管管內沸騰和管外冷凝同時存在,本文選擇擴散層模型(diffusion layer model,DLM)中的DLM-FM模型[8-12]模擬傳熱管外冷凝現象。該冷凝模型包含了壁面邊界層內霧的形成和壁面處水膜湍流強化換熱等特性。傳熱管內選擇FILM模型[8-11]模擬沸騰現象。

2 計算模型的驗證

選擇安全殼綜合試驗冷卻劑喪失事故(loss of coolant accident,LOCA)試驗序列對PCS計算模型進行驗證。安全殼壓力溫度響應計算和試驗對比情況如圖2所示,主要參數計算值與試驗值的對比見表1。從比較結果可以看出,安全殼壓力峰值和大氣溫度峰值計算值均與試驗值非常接近,長期平衡階段安全殼壓力偏差均在±3%以內,其他參數偏差均在±10%以內,可以認為計算結果與試驗符合較好。

表1 主要參數計算值與試驗值對比Table 1 Comparison between calculated and experimental values of main parameters

圖2 安全殼壓力溫度響應Fig.2 Response of containment pressure and temperature

LOCA試驗序列前期階段,PCS換熱水箱的水溫較低,換熱器出入口溫度均低于飽和溫度,系統運行處于單相自然循環階段。隨著系統的運行,PCS換熱水箱出現比較穩定的溫度分層現象,如圖3所示。但受汽水分離器的攪混流動影響,PCS換熱水箱的溫度梯度逐漸減小至各高度溫度趨于一致,然后達到飽和狀態。

圖3 水箱溫度分層Fig.3 Temperature stratification of water tank

隨著PCS換熱器出口溫度的升高,當PCS上升段溫度達到當地壓力飽和溫度時,管內開始出現閃蒸現象(圖4),PCS進入兩相自然循環過渡階段。閃蒸瞬間相變使管內塌陷液位降低、空泡份額增加,從而導致換熱水箱和換熱器之間的壓差增加,系統自然循環流量隨之升高。由于自然循環流量的迅速升高,換熱水箱內溫度相對較低的水瞬間進入換熱器內,換熱器出口溫度降低,上升段內空泡份額也隨之降低,換熱水箱和換熱器之間的壓差則相應減小,從而使自然循環流量降低。同時,閃蒸使流體在上升段內迅速膨脹,從而在流道中產生壓降,流道有效損失系數增加,反過來將阻礙自然循環的流動。該過程在PCS運行過程中重復出現,即閃蒸引起PCS自然循環流量出現流動不穩定性[13](圖5),PCS換熱器出口溫度也隨之波動(圖6)。當換熱水箱溫度達到飽和溫度后,隨著進入安全殼內的蒸汽流量達到穩定值,安全殼及PCS的運行參數均平穩變化或周期性變化(圖5、6),PCS進入兩相自然循環穩定階段。整個PCS運行過程中,下降段和上升段壓降占比對比如圖7所示。單相自然循環階段,下降段壓降占比比上升段高,即下降段流動阻力更大;兩相自然循環階段,由于閃蒸作用,上升段壓降占比比下降段高。

圖4 上升段出口處蒸汽體積份額Fig.4 Outlet steam volume fraction of riser

圖5 PCS自然循環流量Fig.5 Natural circulation flow rate of PCS

圖6 PCS換熱器出口溫度Fig.6 Outlet temperature of heat exchanger

圖7 下降段和上升段壓降占比Fig.7 Proportion of pressure drop in downcomer and riser

從圖5和圖6中還可以看出,進入兩相自然循環穩定階段,雖然3列PCS的自然循環流量和換熱器出口溫度均出現周期性波動,但1號PCS的自然循環流量比另外2列低,波動幅度更大;1號PCS換熱器出口溫度也比另外2列高,波動幅度也更大。這是由于LOCA試驗序列中蒸汽源項由靠近1號PCS側的隔間噴入,并且1號PCS的管路布置與2號和3號不同,從而導致3列PCS的運行情況均存在一定差異。

3 關鍵參數影響分析

根據安全殼綜合試驗計算模型與試驗的對比結果發現：由于質能釋放位置和管路布置的影響,1號PCS流量波動幅度較大,運行穩定性低于2號和3號PCS;PCS下降段管道阻力較大,不利于系統的自然循環;汽水分離器與換熱水箱之間的流動模擬不夠精確,影響換熱水箱溫度分層的穩定性等。針對這些關鍵部件參數,本文通過改變質能釋放位置、增加下降段管徑和取消汽水分離器進一步分析了這些參數的影響情況。

3.1 質能釋放位置

LOCA試驗序列中質能釋放位置更靠近1號PCS,為了評價質能釋放位置對PCS運行的影響,假設質能釋放由安全殼中間位置進入,計算結果對比如圖8所示。安全殼壓力、大氣溫度與LOCA試驗序列驗證計算的幾乎一致,各列PCS自然循環流量和換熱器出口溫度的波動情況也與LOCA試驗序列驗證計算的一致。計算結果表明,質能釋放位置對各列PCS的運行影響很小,各列PCS的運行特性更多與其管路幾何布置相關,GOTHIC 3D模型能夠正確反映出幾何布置對管道的流動影響。

圖8 關鍵參數對安全殼壓力溫度的影響Fig.8 Influence of key parameters on containment pressure and temperature

3.2 下降段管徑

試驗裝置中PCS下降段管徑比上升段管徑小,為了評價下降段管徑對PCS運行的影響,增加下降段管徑且大于上升段,計算結果對比如圖8、9所示。安全殼壓力和大氣溫度的峰值及長期階段平衡值均降低,PCS自然循環流量明顯提高。各列PCS自然循環流量和換熱器出口溫度因閃蒸導致的波動幅度均比LOCA試驗序列對比計算的(圖5)更大,下降段管徑對各列PCS的運行影響顯著。整個PCS運行過程中,無論是單相自然循環階段還是兩相自然循環階段,下降段壓降占比均比上升段低。與LOCA試驗序列對比計算結果(圖7)相比,下降段管徑增加后,下降段流動阻力明顯降低,GOTHIC 3D模型能夠合理地模擬出管徑變化后的壓降和因閃蒸引起的流道有效損失系數變化。

圖9 下降段管徑增加后關鍵參數變化Fig.9 The changes of key parameter with the increase of riser diameter

3.3 汽水分離器

汽水分離器與換熱水箱之間的流動會影響到水箱溫度分層和溫度梯度變化,假設PCS無汽水分離器,上升段直接與換熱水箱連通,計算結果對比如圖8、10所示。安全殼壓力和大氣溫度的峰值及長期階段平衡值均升高,換熱水箱的溫度梯度減小。各列PCS自然循環流量和換熱器出口溫度的波動幅度也比LOCA試驗序列對比計算的(圖5、6)更小。特別是進入長期平衡階段后,換熱器出口溫度波動非常小,系統運行更穩定,雖然安全殼壓力和大氣溫度有所升高,但變化幅度不大。由此可以看出,汽水分離器對安全殼壓力溫度響應分析的影響有限。因此,GOTHIC 3D模型對汽水分離器的簡化模擬對于安全分析是適用的。

圖10 無汽水分離器時關鍵參數變化Fig.10 The changes of key parameter without steam separator

4 結論

1)采用3D控制體、流道、熱構件以及傳熱模型等能夠偏真實地模擬出PCS的系統回路,其計算結果與試驗符合較好,安全殼壓力偏差均在±3%以內,其他參數均在±10%以內,滿足安全分析要求。

2)基于GOTHIC 3D模型的PCS模擬方法能夠準確模擬出PCS的重要熱工水力現象、運行特性以及安全殼與PCS之間的耦合動態響應過程,如水箱溫度分層、閃蒸現象、自然循環流動不穩定性等。

3)該方法能夠合理、正確反映出各關鍵部件參數的影響情況,如質能釋放位置對PCS的運行影響很小,PCS下降段管徑對系統的運行影響明顯,汽水分離器的模擬對安全殼壓力溫度響應分析的影響有限。

本文方法可用于PCS的模擬和分析工作。但該方法對更廣范圍設計參數內的適用性、敏感性和不確定性仍需開展進一步研究。