AP1000冷却剂回路主管道流场分析

夏 栓，徐 臻

（上海核工程研究设计院，上海 200235）

1 引言

1.1 AP1000反应堆冷却剂系统

AP1000反应堆和反应堆冷却剂系统（RCS）设计采用成熟技术，但由于非能动设计理念的引入和屏蔽式冷却剂泵的采用，使得其设计与传统反应堆冷却剂系统的设计又有很大的不同。

AP1000反应堆冷却剂系统（见图1）有两条环路，每条环路由一条热段主管道和两条冷段主管道、一台蒸汽发生器以及与之直接相连的两台反应堆冷却剂屏蔽泵组成。RCS还包括一台反应堆压力容器、一台稳压器、自动卸压系统和反应堆压力容器顶盖放气系统。RCS的所有设备都布置在反应堆安全壳内。

两台蒸汽发生器对称布置，系统管路由两个主冷却剂环路构成。每个环路的冷段完全相同，并采用了大半径弯管使管路流动阻力降低，并为调节冷热管不同的膨胀率提供柔韧性。管子整体锻造、消除焊缝，既降低成本，也减少在役检查的工作量。管路结构和材料的选择显著降低了管子的应力。

主泵采用屏蔽式泵，电机与水泵共用一根转动轴，其间没有联轴器，所有转动部件均被包容在与主回路冷却剂相连通的承压壳中。由于屏蔽泵没有轴封，使主回路成为一个“封闭的”系统，传统压水堆核电厂中的轴封LOCA事件在AP1000设计中不会发生。另外，主泵直接安装在蒸汽发生器下封头上，可使泵与蒸汽发生器采用同一个支撑，大大简化了支撑系统。

综上所述，AP1000反应堆冷却剂系统采用了简化、安全和紧凑布置的设计，冷却剂压力边界相对于传统压水堆核电厂有所简化，压力边界的完整性比传统设计更加可靠。

图1 AP1000反应堆冷却剂系统Fig.1 AP1000 reactor coolant system

1.2 主管道设计相关问题及其分析方法

（1）主管道阻力

AP1000反应堆冷却剂系统计算书中给出的反应堆冷却剂主管道的阻力值，是在采用和AP600主管道相同阻力系数的基础上，根据流量的平方比得到的。该计算方法明显是错误的，因为AP600与AP1000的主管道无论是长度还是弯管的角度都完全不同。后续又采用经典流体力学公式和FLOWMASTER一维流体分析软件计算了主管道的阻力，但由于主管道管径很大，计算阻力值还应采用其他方法核算。

对比可知，各种分析方法得到的结果有一定差距。另外，以上各种计算方法均未考虑主管道上各种接管嘴以及仪表测量元件的影响。因此，考虑采用三维流体分析软件FLUENT对主管道内的流场进行分析，除了可以得到主管道的流动阻力外，还可以观察仪表测量元件、喷雾勺形件等的冲刷情况。

（2）弯管流量计放置位置

AP1000项目某设计变更单中描述：热段管道弯管流量计上部两个管嘴的夹角原本为15°，但由于ADS第四级接管嘴和RNS接管嘴的影响，使得该角度下弯管流量计接管嘴处的湍流强度很高，影响弯管流量计的测量精度，将这两个管嘴的夹角改为30°。具体修改如图2所示。

为了验证该改单，考虑采用F L U E N T对AP1000热段管道内的流场进行分析。

图2 AP1000弯管流量计接管嘴修改Fig.2 Change of nozzle of AP1000 elbow flow rate instrument

2 计算分析

2.1 控制方程

控制方程包括质量守恒方程和动量守恒方程，具体公式参见相关文献。

2.2 湍流模型

FLUENT中采用的湍流模型为标准模型和RNG模型，具体公式参见相关文献。

3 AP1000主管道流场分析

3.1 边界条件分析模型建立和边界条件

以AP1000反应堆冷却剂系统主管道设计图纸为设计输入，建立冷段和热段几何模型，包括管道和主要的管嘴以及仪表测量元件等。

模型建立完毕后，采用四面体和六面体网格对整个模型进行网格划分，并定义边界条件，具体如下：

进口：速度入口，冷段入口为20.27 m/s，热段为23.15 m/s。

出口：压力出口，假定为-500 Pa（假定环境压力为0 Pa）。

喷雾管嘴出口：压力出口，假定为-500 Pa。

固壁边界条件：由于正常运行状态下ADS和RNS接管嘴无流量，因此将ADS接管嘴和RNS接管嘴出口处设为固体壁面。

3.2 计算结果及分析

（1）主管道阻力

通过计算主管道进出口表面总压的平均值的差，可以获得AP1000主管道CFD计算阻力值。

由于环路1和环路2主管道的管嘴配置和测量元件有所不同，且模型网格划分时由于模型不同导致网格也有所不同。因此，对于冷段和热段的压降，可取两个环路的平均值作为整个系统压力损失的计算值。该值与前述AP1000计算书中给出的值相差不大，但由于AP1000计算书中的计算方法明显错误，因此只是巧合。我们在技术转让过程中已经向西屋公司反映了该问题，并得到了西屋公司的认同。

（2）管道内流场及弯管流量计位置分析

通过观察4个模型的流场情况可知：

1）稳压器喷雾接管和CMT入口管接管对管道内流场的影响主要在直管段部分，且影响不大。

图3 热段流量计截面静压云图Fig.3 Flow measuring instrument cross section static pressure contours of the hot leg

2）热段插入式测温元件虽然很多，但对流场影响不大。

3）接管嘴处均存在着漩涡，流场复杂。

4）大口径管嘴对管道的流场影响较大。

由于弯管流量计未插入管道内流场，因此仅需要考虑壁面附近的湍流强度的影响。通过观察可知，环路1热段弯管流量计所在截面的湍流强度是均一的，有利于弯管流量计的测量。对于环路2热段弯管流量计所在截面的壁面处，竖直中心线附近15°处的值比30°处的值要大。

通过读取数据，15°处壁面的湍流强度值为1.49 m2/s2，而30°处壁面的湍流强度值为1.06 m2/s2。将弯管流量计相对中心线的夹角由15°改为30°可以使湍流强度减小30%，这对弯管流量计的测量是很有好处的。该分析结果与改单的描述是一致的，因此该改进是可行的且有利于提高弯管流量计的测量精度。

另外，由于弯管流量计需要依靠管道顶部和底部管嘴间的净压差作为计算流量的输入，因此顶部流量计位置的压力应该尽量低。弯管流量计所在位置截面的静压云图分布如图3所示。

由图3可知，若顶部的流量计管嘴位于偏离竖直中心线30°位置，其静压相对偏离中心线15°位置差别不大，是可以接受的。

4 结论

通过采用FLUENT对AP1000反应堆冷却剂主管道的流场进行分析，得到了主管道内部的速度、压力和湍流强度分布，可以为工艺设计、仪表设计以及力学设计提供设计输入和支持。本文对于AP1000主管道设计的指导意义如下。

4.1 主管道的流动阻力

将CFD计算的阻力结果与各种计算方法的结果进行比较，结果如表1所示。

表1 AP1000主管道阻力计算值对比Table 1 Comparison of AP1000 reactor coolant pipe flow resistance calculation values

通过对比可知，CFD计算相对其他计算方法的计算结果偏小，原因是CFD计算较为精确，而其他计算方法（如公式计算）考虑了大量的经验公式和保守假设。因此，在要求精确主管道阻力值的情况下，推荐采用CFD计算得到的结果，而在需要进行保守计算的场合，推荐采用流体力学公式计算得到的值。

4.2 弯管流量计接管嘴方位

根据上文分析，将AP1000热段弯管流量计管道上部的管嘴设置在偏离竖直方向30°处，可以有效减少管嘴处的湍流强度，提高流量测量的准确性。而且根据截面的压力变化情况可知，该处的压力相对15°处的压力变化不大，是可以接受的位置。因此，在审查改单的过程中，我们接受了该改动。在AP1000后续项目中，主管道的外形尺寸有可能改变，将采用同样的方法来确定弯管流量计接管嘴的位置。

[1] 孙汉虹. 第三代核电技术AP1000[M]. 北京：中国电力出版社，2010.（SUN Han-hong. The Third Generation Nuclear Power Technology AP1000 [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010.）