王广飞,于沛,李丽娟,丁铭,孙中宁
1. 中国核电工程有限公司,北京 100840
2. 哈尔滨工程大学 核科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨 150001
3. 黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001
“华龙一号”非能动安全壳热量导出系统(passive containment heat removal system,PCS)用于在设计扩展工况下导出安全壳内的热量,将安全壳压力和温度降低至可接受的水平,以保持安全壳的完整性。系统采用非能动技术,在没有操纵员干预的情况下,根据安全壳内的温度及压力信号自动投入运行,利用自然循环实现安全壳的长期排热[1-3]。
在发生反应堆冷却剂系统破口类事故时,安全壳内的温度和压力升高,壳内高温环境加热换热器内的流体,由于换热水箱布置于安全壳外相对较高位置,并且换热器和换热水箱内的流体存在温度差,实现了换热回路内流体在重力驱动作用下的循环流动,从而持续导出安全壳内的热量[4-6]。
由于PCS 采用非能动设计,自然循环驱动力要克服系统流动阻力,因此实际换热水箱与换热器之间的高度差、上升及下降管道布置走向对于系统排热能力尤为关键。在实际工程设计中,PCS工程布置设计方案可能会由于各种因素如根据管道力学计算、与其他物项碰撞等而发生调整,由此将导致回路局部或整体阻力改变,进而影响系统排热能力[7-9]。本研究基于“华龙一号”PCS 工程设计原型,通过模理论化分析方法,建立了按全压、全高度比例PCS 综合性能验证实验台架,通过改变模化试验回路中阀门开度的方法,研究PCS 回路中阻力系数变化对系统排热能力和系统循环流量的影响,并评价实验结果的适用范围[10],为PCS 的工程设计及施工建造提供指导。
PCS 系统设置3 个系列,每个系列中包含了壳外换热水箱、壳内换热器、汽水分离器、连接上述设备的上升管道和下降管道以及隔离阀等,具体系统流程如图1 所示。
图1 PCS 系统工程方案流程(单列)
图2给出了PCS 性能综合验证实验装置的系统实验回路流程和管路中参数测点的分布情况。
该装置主要由冷凝罐组件、冷却水箱组件、自然循环回路、汽-气供应系统以及实验测量与数据采集系统5 部分组成[11-15]。冷凝罐组件包括冷凝罐本体及其附属部件和内部换热器实验体。冷凝罐本体为圆柱形容器,设计压力为1 MPa,自由容积为127 m3;内部换热器与工程原型尺寸一致。冷却水箱组件主要包括冷却水箱本体及其附属部件、汽水分离器实验体和蒸汽排放装置实验体。自然循环回路是根据PCS 工程布置方案,对其进行模糊理论分析和数值分析确定。汽-气供应系统包括蒸汽供应系统、压缩空气供应系统和氦气供应系统。实验测量和数据采集系统主要包括实验回路不同位置温度、压力以及液位等参数的测量及测量数据的采集。
PCS 实验工况主要考虑冷凝罐内蒸汽-空气和蒸汽-空气-氦气混合气体在不同温度、压力和不同冷管段入口温度的变化情况:冷凝罐内混合气体的温度变化范围为56~139 ℃,混合气体压力变化范围为0.166~0.534 MPa,氦气体积分数变化范围为0~0.2,冷管段入口温度变化范围为18~99 ℃。
PCS 回路局部阻力性能实验的主要目的是通过实验得到不同回路阻力特性下系统的排热能力,并根据实验数据分析系统换热性能对管路或阻力局部变化的敏感程度,为PCS 在工程实施阶段可能面临的布置及其结构的局部调整提供指导依据。
根据循环回路局部阻力特性实验目的,选取了冷凝罐内压力0.43 和0.53 MPa 这2 个压力工况点,每个压力工况下分别进行了蒸汽-空气和蒸汽-空气-氦气实验,通过调整实验回路中冷管段和热管段上冷凝罐隔离阀(图2 中的V303M 和V304M)开度,改变回路阻力,在自然循环回路中引入不同程度的额外局部阻力,进而研究PCS 阻力变化对其排热功率和自然循环特性的影响规律。
图3给出了混合气体总压分别为0.43 和0.53 MPa 工况下电动球阀V304M 局部压降随其开度变化的曲线。其中,每组压力下分别进行了蒸汽-空气和蒸汽-空气-氦气实验。由图3 中的曲线可知,当阀门开度β从100%减小至45%时,在混合气体压力为0.43 MPa 条件下,流体流过阀门处的压降最大为6 kPa;且随着阀门开度的减小,压降以二次函数的规律增加。在混合气体压力为0.53 MPa 工况下,压降最大为18 kPa,其变化规律与0.43 MPa 压力工况相似。
图3 阀门V304M 的压降随阀门开度变化曲线
在相同的阀门开度下,随着混合气体压力的增加,流体通过阀门时的局部阻力迅速增加,其主要是由于混合气体压力增加时,PCS 自然循环能力增强、排热功率和循环流量均有所增加所致。例如,在0.43 MPa 下,自然循环流量在50~70 t/h;而在0.53 MPa 下自然循环流量在100~120 t/h。在相同的混合压力和阀门开度下,蒸汽-空气与蒸汽-空气-氦气工况的参数基本重合。这表明在阀门开度从100%减小至45%时,当混合气体中不凝气体的体积分数相同时,不凝气体的种类(如氦气或空气)对内部换热器管外侧的传热过程影响较小(2 组压力工况下存在个别实验点未能重合的工况,是由于实际实验过程中混合气体压力波动所导致)。
随着阀门开度的减小和系统局部阻力的增加,PCS 自然循环流量特性亦随之发生了较明显的变化。如图4 所示,在混合气体总压0.43 MPa工况下,当阀门V304M 的开度从100%减小至45%时,即其局部阻力系数ζ增大至42,PCS 的平均自然循环流量M从67.4 t/h 下降至51.1 t/h,流量减小幅度为24%。在此过程中,内部换热器入口温度因冷却水箱水温保持在饱和状态下而并未发生变化,而其出口温度从110.8 ℃上升至113.3 ℃,因而换热器进出口温差ΔTIHX增加了19%。
图4 自然循环流量、温度与V304M 阻力系数关系(0.43 MPa)
随着内部换热器出口温度的上升,闪蒸段长度加长,系统自然循环的驱动力也随之增大,从而也减缓了自然循环排热功率的降低幅度。如图5 所示,当局部阻力系数由阀门全开时的0.06增大至42 时,自然循环流量仅降低了24%,再结合换热器出口温度Tg的升高,自然循环的排热功率Q仅下降了12%。通过分析可知:排热功率的下降一方面是由于回路阻力增加导致自然循环流量下降,从而引起的管内对流传热系数k的降低。根据实验数据计算,在阀门阻力系数由全开时的0.06 增大至45%开度的42 时,总传热系数降低了8.7%;另一方面是由于内部换热器出口温度的升高,而混合气体的温度又基本保持不变,换热器传热温差的升高对于排热功率有一定提升。两方面因素综合作用导致排热功率仅小幅降低。
图5 排热功率与阀门V304M 阻力系数关系(0.43 MPa)
图6和图7 分别为在0.53 MPa 工况下,PCS的自然循环流量、内部换热器的进出口温度及温差以及排热功率随阀门阻力系数的变化曲线。由图7 可知,在阀门阻力系数增加时,系统排热功率与0.43 MPa 工况下的变化规律基本相同。在该工况下,自然循环流量下降了4.8%,内部换热器进出口温度增加2 ℃,而系统排热功率和总传热系数分别下降了3.3%和3.6%。与0.43 MPa 的工况相比,PCS 在0.53 MPa 工况下对系统局部阻力的增加更不敏感。
图6 自然循环流量、温度与V304M 阻力系数关系(0.53 MPa)
图7 排热功率与阀门V304M 阻力系数关系(0.53 MPa)
由于阀门V303M 开度变化对PCS 自然循环的影响规律与阀门V304M 基本相同,本文对其不再赘述。总之,PCS 回路上局部阻力的增加引起自然循环流量降低,但同时会引起内部换热器进出口温差的增加,综合两方面变化的影响,局部阻力增加对系统排热功率的降低影响很小。
本文基于“华龙一号”PCS 工程设计原型,建立了PCS 综合性能验证实验装置,通过改变模化试验回路中阀门开度的方法,选取0.43 和0.53 MPa这2 个压力工况,研究回路局部阻力系数变化对于系统排热能力和系统循环流量的影响,主要结论如下:
1)PCS 内局部阻力的增加将引起自然循环流量的降低,但同时也会引起内部换热器进出口温差的增加,因而缓解了局部阻力增加对系统排热功率的不利影响。
2)在局部阻力系数从0.06 增加至42 时,系统的排热功率在0.43 和0.53 MPa 压力工况下分别下降了12%和3.3%,可以认为PCS 换热能力对局部阻力系数的变化并不敏感。
根据本文实验结果可知,当回路局部阻力系数在0.06~42 变化时,对系统的排热能力影响较小,在实验验证的阻力系数变化范围之内,可以指导PCS 系统工程布置设计。