安全殼地坑過濾器的碎渣層壓損計算研究

黃若琳，龔　釗，張　衛，宋祉霖

安全殼地坑過濾器的碎渣層壓損計算研究

黃若琳，龔釗，張衛，宋祉霖

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

NUREG/CR-6224公式廣泛應用于安全殼地坑過濾器的碎渣層壓損計算。本文首先研究了碎渣層壓損的具體迭代計算方法，其次重點分析了最小纖維層厚度、極限壓縮比、過壓縮、薄層效應、未壓縮等特殊工況及計算解決方法。根據計算值與試驗結果的對比，指出應當考慮濾網有效面積隨碎渣量的變化，并針對折彎板式濾網提出了1.3的壓損修正系數。

地坑過濾器；碎渣層；壓損；壓縮比；濾網有效面積

核電廠發生冷卻劑喪失事故（LOCA）或高能管道破裂事故（HELB）后，大量的碎渣被水流傳遞至地坑濾網，濾網碎渣層引起的壓損可能導致安注泵、安全殼噴淋泵的汽蝕，進而威脅到核電廠的安全[1]。自1992年瑞典Barseb?ck核電廠發生地坑過濾器堵塞事故后，核電廠地坑濾網設計和事故后長期冷卻循環水源的性能評價成為核安全審評的重點關注問題[2]。美國完成了大部分核電廠的過濾器改造工作，在大量工程經驗和試驗分析研究的基礎上，美國核管會（NRC）于2012年發布了RG 1.82第4版[3]，作為堆芯長期冷卻設計的指導原則。中國國家核安全局在2012年發布國核安發〔2012〕52號文件明確運行核電廠需要進行地坑過濾器改造，并進行相關性能評價工作。

過濾器壓損計算是地坑過濾器設備設計的重要內容，其計算結果可用于初步確定地坑過濾器的濾網面積，并進一步作為性能試驗的輸入，確定試驗樣機比例、試驗碎渣量與流量等重要參數。其中匯流槽的壓損可通過經驗公式或CFD數值模擬獲得較為準確的結果。濾網碎渣層的壓損則一般根據NUREG/CR-6224：Parametric study of the potential for BWR ECCS strainer blockage due to LOCA generated debris[7]附錄B中推薦的公式進行計算，但計算結果最終需要通過試驗進行驗證。如李石磊、謝洪虎等[4,5]采用Fluent對某核電廠過濾器的匯流槽流道與壓損進行了模擬計算，濾筒碎渣層的壓損則采用了試驗測量；龔釗[6]等采用流體力學經驗公式對某“華龍一號”核電廠內置換料水箱過濾器匯流槽壓損進行了計算，采用NUREG/ CR-6224公式計算濾網碎渣層壓損并進行試驗驗證。

多個核電廠的工程經驗表明，碎渣層壓損在地坑過濾器的總壓損中占據主導地位[4-6]。因此準確計算碎渣層壓損，有助于選擇合適的濾網面積，可顯著降低地坑過濾器樣機型式試驗的風險。本研究主要是對NUREG/CR-6224公式的具體應用方法及應用時需關注的要點進行分析。

1　NUREG/CR-6224計算公式

安全殼內發生高能管道破口事故后，纖維類碎渣首先匯聚在濾網上形成纖維層，顆粒類碎渣被纖維層進一步捕集并壓實，導致顯著的壓力損失。在NUREG/CR-6224的研究工作中，對碎渣層壓損進行了一系列試驗研究，試驗數據如下：

（1）試驗濾網：平板濾網；

（2）試驗碎渣：NukonTM纖維與顆粒碎渣（硅酸鈣、砂礫等）；

（3）試驗水溫范圍：24～52 ℃；

（4）碎渣層厚度范圍：3.2～102 mm；

（5）流速：50～500 mm/s；

（6）顆粒與纖維碎渣質量比：0～60。

在分析中進行了以下簡化假設：

（1）假設濾網上形成厚度均勻的纖維層，沒有局部穿孔；

（2）假設碎渣層是單層的，顆粒被纖維層捕集后平均地混合在纖維層的空隙中；

（3）假設纖維層受水流作用后發生均勻的壓縮；

分析獲得碎渣層壓損的半理論計算公式如下所示：

V——碎渣的比面積；

——水流在碎渣層內的平均流速；

公式（1）中的3.5、57、0.66和公式（5）中的1.3、0.38等常系數，來自NUREG/CR-6224試驗擬合的經驗系數。

根據式（4）、式（5），碎渣層壓縮公式可轉化為式（6）：

此時以壓縮比為橫坐標，為縱坐標，繪制碎渣層壓損公式（1）與碎渣層壓縮公式（6），其交點即為迭代計算的收斂結果，如圖1所示。

2　計算應考慮的特殊工況

2.1　最小纖維層厚度

2.2　極限壓縮比

圖2　纖維層的局部孔洞

圖3　碎渣層壓損計算-未壓縮工況示例

Fig.3　The example of debris bed head loss calculation under non-compression condition

2.3　未壓縮工況

2.4　過壓縮工況與薄層效應

2.5　濾網有效面積的變化

NUREG/CR-6224試驗采用了平板式濾網。核電廠中地坑過濾器的濾網一般具有特定的形狀尺寸以盡量增大濾網表面積，隨著碎渣對空間的填充，碎渣層的平均厚度不斷變大，濾網有效面積會逐漸縮小，在計算時應當考慮不同碎渣體積下的濾網有效面積。

某核電廠的地坑過濾器采用了等腰三角形折彎型濾網，如圖5所示。當碎渣體積較小，碎渣層很薄時，濾網有效面積約等于濾網表面積；當碎渣體積增大，碎渣層逐漸加厚，濾網有效面積逐漸趨近于濾網表面積的1/2，如圖6所示。

圖4　碎渣層壓損計算-薄層效應示例

圖5　核電廠使用的地坑過濾器濾網

圖6　濾網有效面積隨碎渣體積變化示意圖

3　與試驗結果對比

某核電廠中單列地坑過濾器的濾網表面積為223 m2，安全殼內破口事故后到達濾網的最大碎渣載荷包括2 078 kg的纖維與710.8 kg的顆粒，具體特性參數如表1所示。按5.15%的比例制造了濾網樣機，并按比例投入碎渣進行試驗，測量了不同流量下的壓損。

表1　某核電廠地坑過濾器相關數據

將試驗碎渣相關參數代入式（1）～式（7），如按濾網有效面積Eff=計算碎渣層壓損，計算值1遠小于試驗測量結果，誤差約76%～77%。

由圖7可見，此時濾網上形成厚度約80 mm的碎渣層，碎渣層完全覆蓋濾網的折彎區域且外表面已接近平面，此時濾網有效面積Eff≈/2，代入后碎渣層壓損結果計算值2接近試驗測量值，誤差減小至18%～23%。因此在碎渣層壓損的計算過程中，根據碎渣體積確定準確的濾網有效面積，顯著有利于減小計算誤差。

在對濾網有效面積進行修正后，壓損計算值相對試驗結果仍然偏小，導致誤差的原因包括：

（1）折彎型濾網與NUREG/CR-6224試驗采用的平板濾網結構不同；

（2）國內核電廠的保溫棉與NUREG/CR- 6224采用的NukonTM保溫棉特性不完全一致；

（3）核電廠濾網平均流速（2.71 mm/s）較小，偏離NUREG/CR-6224的試驗流速范圍（50～500 mm/s）；

（4）試驗裝置、測量儀表等導致的誤差。

綜上，NUREG/CR-6224試驗條件與國內核電廠不同，其擬合的公式（1）和公式（5）的常系數不完全適用。根據本試驗結果，如果在NUREG/CR-6224壓損計算公式基礎上乘以1.3的簡化修正系數，修正后壓損如表2計算值3所示，相對試驗結果的誤差進一步降低至10%以內。

表2　碎渣層壓損試驗與計算結果對比

備注：樣機濾網表面積=11.48 m2

在地坑過濾器設計時，該修正系數可用于濾網面積的初步選取與壓損的簡化計算；但碎渣層壓損最終應通過型式試驗進行驗證，以完成地坑過濾器的性能鑒定。NUREG/CR-6224公式中各項常系數，后續需要開展一系列的對比試驗的數據支撐，才能逐個進行準確的修正。

4　結論

本文針對NUREG/CR-6224公式在地坑過濾器碎渣層壓損計算中的實際應用展開了研究，結果表明：

（1）碎渣層壓損的迭代計算中應當關注最小纖維層厚度、極限壓縮比、過壓縮、薄層效應、未壓縮等特殊工況；

（2）計算時應考慮碎渣體積填充后濾網有效面積隨碎渣量的變化；

（3）根據與試驗測量結果的對比，折彎板式濾網設計計算時可在NUREG/CR-6224壓損公式基礎上考慮1.3的簡化修正系數。

［1］ US. NRC.NEI 04-07. Pressurized Water Reactor Sump Performance Evaluation Methodology［R］. Washington D.C.：U.S.NRC，2004.

［2］ 張衛，龔釗，朱京梅，等. 秦山核電二期擴建工程安全殼地坑過濾器設計改進及遺留問題分析［J］. 核動力工程，2013，34（6）：128-131.

［3］ USNRC. Water Sources for Long-Term Recirculation Cooling Following a Loss-of-Coolant Accident［R］，Regulatory Guide 1.82，Rev.4，March 2012.

［4］ 謝洪虎，李石磊，張峰，等. 核電廠安全殼內置換料水箱過濾系統過濾性能及阻力特性研究［J］. 核動力工程，2019，40（6）：130-134.

［5］ 李石磊，謝洪虎，何英勇，等. 安全殼地坑過濾器壓損數值模擬與試驗研究［J］. 核科學與工程，2019，39（06）：867-871.

［6］ 龔釗，朱京梅，張衛，等. 基于單變量求解方法的“華龍一號”內置換料水箱過濾器的設計和研究［J］. 核動力工程，2021，42（6）：167-173.

［7］ US. NRC. NUREG/CR-6224：Parametric study of the potential for BWR ECCS strainer blockage due to LOCA generated debris［R］. Washington D.C.：USNRC，1995.

Study on Debris Bed Head Loss Calculation of the Containment Sump Strainer

HUANG Ruolin，GONG Zhao，ZHANG Wei，SONG Zhilin

（China Nuclear Power Engineering Co.Ltd，Beijing 100840，China）

The NUREG/CR-6224 formula is widely used to calculate the debris bed head loss of the containment sump strainer. Firstly, the specific iterative calculation method of debris bed head loss is studied. Secondly, the special conditions such as the minimum fiber layer thickness, ultimate compression ratio, over compression, thin-bed effect and uncompressed condition are analyzed and their calculation solutions are provided. According to the comparison between calculation and test results, it is pointed out that the change of the effective screen area with the debris amount shall be considered, and a correction coefficient of 1.3 is proposed for the bent plate strainer screen head loss.

Sump strainer; Debris bed; Head loss; Compression ratio; Effective screen area

TL48

A

0258-0918（2023）03-0613-07

2022-07-04

黃若琳（1991—），男，浙江溫州人，工程師，碩士研究生，現主要從事核電廠核島設備設計相關研究