非能动安全壳热量导出蒸汽排放装置实验研究

王佳卓，李丽娟，谷海峰，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. 哈尔滨工程大学 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

在超设计基准事故和严重事故中，保证安全壳的完整性是限制放射性外泄的重要措施。华龙一号采用了混凝土内衬钢衬里的安全壳，针对这种安全壳的非能动冷却，国际上提出了一些可行的非能动安全壳冷却的方案[1-5]。

“华龙一号”的非能动安全壳热量导出系统（passive containment heat removal system，PCS）是其三大非能动系统之一，用于超设计基准事故下安全壳的排热。在非能动安全壳热量导出系统运行时，通过非能动换热回路将安全壳内热量导入壳外换热水箱，换热水箱内的水体被加热后产生蒸汽，最终排向大气。PCS 系统的自然循环特性和运行稳定性等经过了大量的研究，以确保其可靠和安全[6-15]。

PCS 系统设置蒸汽排放装置，基本要求包括：一是当反应堆正常运行时，PCS 系统处于备用状态，蒸汽排放装置应保证系统与外界环境间实现有效的隔离，并能应对因安全壳内温度变化和环境温度变化导致的冷却水箱内压力波动；二是当PCS 系统投入运行时，蒸汽排放装置能自动、可靠开启而不依赖于外部能源，且流动阻力小，保证PCS 系统内产生的蒸汽能顺畅、稳定、可靠地排放。

1 蒸汽排放装置的理论分析

能够实现PCS 系统排气功能的蒸汽排放装置整体结构包括水封槽、U 形蒸汽排放管（简称U 形管）、回流疏水管及两管间的连接桥管等。

蒸汽排放装置的主要特征参数包括U 形排放管内初始液位、桥管阻力、水箱的升压速率等。为保证蒸汽排放装置能自动、可靠开启，这些参数之间必须满足一定的条件。针对回流疏水管中安装止回阀以及桥管中安装限流阀的方案建立流动分析模型，如图1 所示。简化后模型主要由冷却水箱、U 形蒸汽排放管、回流输水管–桥管组成。其中U 形排放管回路与回流输水管–桥管回路形成2 个并联通道，分别用通道1 和通道2 表示，2 个通道的左端和右端分别交汇于图1 中A点和B点。模型中各点与水平地面间的距离分别用H1~H5来表示，具体符号含义见表1。

表1 各点高度符号表

图1 蒸汽排放装置流动分析模型

在初始状态，水箱内压力与外界大气压力相同。水箱内液位应与U 形排放管内液位相等，桥管内没有流量。此时，缓慢地向水箱气空间内通入空气，水箱压力相应以某一速率上升。随着水箱压力的升高，U 形排放管下降段内液位开始下降，U 形排放管上升段内液位开始上升。由于水箱容积远大于U 形排放管容积，所以可视为水箱内液位基本保持不变。从而在水箱与U 形排放管下降段之间形成液位差，在液位差的作用下，水箱内的水经通道2 以一定速率注入U 形排放管。U 形排放管下降段内液位的下降以及桥管的补水都将使U 形排放管上升段内液位升高。U 形排放管上升段内液位变化就如同水柱压力计一样，反映了水箱内的压力变化。

在水箱升压过程中，随着U 形排放管下降段内液位的下降，其与水箱液位之间的差值在增大，桥管内工质的流量也在增加。直到桥管内流量增加到某一值时，通过其补水而造成的U 形排放管上升段内液位变化恰好与水箱内压力变化相平衡，U 形排放管下降段内的液位将不再下降。从而U 形排放管恰好无法开启。

对于通道1 而言，由于U 形排放管下降段内液位处于静止状态，因此其内流体可认为处于静止状态，根据静力学原理可得：

式中：PA为A点的压力，Pa；PB为B点的压力，Pa；ρ为冷却水的密度，kg/m3。

对于通道2 而言，假设：1）通道内工质的流动为一维、不可压缩流体的流动；2）由于回流输水管路横截面积远大于桥管，其内的流体流速低，因此可以忽略此段管路的流动阻力；3）忽略加速压降的影响。

则流动方程为

式中：L为桥管长度，m；d为桥管内径，m；λ为桥管内摩擦阻力系数；ξ为限流阀处局部阻力系数；uB为桥管内工质流速，m/s。

联立式（1）和式（2），可得：

式（3）进一步表明：由水箱与U 形排放管下降段内的液位差产生的驱动压头来提供通道2 内水流动的动力。当此液位差达到某一值后，仅通过桥管补水造成的液位变化便能平衡水箱内压力变化，因此，U 形排放管下降段内液位将停止下降，通过式（3）可得这一时刻U 形排放管下降段内液位为

当H2=H3时，即U 形排放管内的液位已经到达其水平段，则表示U 形排放管能够开启，因此U 形管内水封开启的必要条件是H2≤H3，即

在图1 所示的模型中，U 形排放管就如同水箱的压力计一样，当U 形排放管下降段内液位停止下降时，其上升段内液位的变化即反映了冷却水箱内的压力变化，因此需满足如下条件：

式（6）即表示：液位增加所造成的压力增加速率等于水箱内的升压速率。由于U 形排放管下降段内液位停止下降，因此U 形排放管上升段内液位的升高是由桥管来补充水的，桥管流入U 形排放管的水体积流量为Q，则式（4）可以转化为

式中：Q为通过桥管的水体积流量，m3/h；D为U 形排放管内径，m。

根据连续性方程可知：

联立式（3）、（5）和（6）可得：

式（7）即为U 形排放装置正常开启所需满足的基本条件。它反映了U 形排放管下降段内的初始液柱高度、U 形排放管直径、桥管长度、桥管直径、阻力系数以及水箱升压速率等参数对U 形排放装置开启特性的影响。结合图1 和式（7）可以看出：1） U 形排放装置的开启特性受到水箱内初始液位和U 形排放管水平段高度影响，两者的差值反映了下降段内的初始液位，降低水箱内的初始液位，提高U 形排放管水平段中心线高度都有利于U 形排放装置的开启。也就是说，在允许范围内尽可能降低U 形排放管下降段内的初始液位对U 形排放装置的开启是有利的。2） 增加U 形排放管内径、减小桥管内径、增加桥管的长度和阻力系数都有利于排放装置的可靠开启。因此，在进行蒸汽排放装置设计时，U 形排放管内径应远大于桥管直径，并尽量增加桥管回路阻力。3） 从水箱的升压速率方面，提高升压速率可以使式（7）中等号左端值减小，也更有利于达到开启条件。

2 蒸汽排放装置性能实验台架

根据理论分析，获取了蒸汽排放装置稳定开启时所需满足的结构参数与运行参数间的关系。以此为指导，设计并建造了蒸汽排放装置性能实验台，对蒸汽排放装置的开启特性和运行特性做进一步实验研究。进而掌握蒸汽排放装置运行的基本规律，为蒸汽排放装置的方案设计提供指导。

2.1 实验内容

在PCS 系统投入初期，水箱内压力缓慢升高至设定值后，蒸汽排放装置是否能够可靠开启是衡量其性能是否可靠的关键。蒸汽排放装置开启后，另一个主要指标就是要满足大流量排放时系统的稳定性。针对这2 个性能主要进行如下实验内容：

1）不同气体流量下蒸汽排放装置的开启特性研究；

2）桥管阻力特性对蒸汽排放装置开启及其稳定性的影响研究；

3）回流疏水管的阻力对开启性能的影响研究；

4）大流量排放阶段，蒸汽排放装置的运行稳定性研究。

2.2 实验台架

蒸汽排放装置性能研究实验系统如图2 所示。该实验系统由压缩空气供应系统、冷水供应系统、水箱及实验用蒸汽排放装置组成。在蒸汽排放装置的桥管和回流疏水管上均设有阀门用于研究不同管路配置和阻力特性的影响。水箱上端盖安装有压力传感器用于研究蒸汽排放装置开启、关闭及系统稳定运行时水箱内的压力响应特性。

图2 蒸汽排放装置实验系统流程

3 蒸汽排放装置性能实验结果与分析

结合式（7）所展示的影响因素，设计了典型的蒸汽排放装置性能的验证工况，如表2 所示。

表2 蒸汽排放装置性能验证工况表

上述工况1~8 研究了桥管阻力、升压速率、回流输水管阀门状态对U 形排放管开启特性的影响，实验中水箱内压力随时间的变化曲线如图3所示。

图3 工况1~8 水箱压力随时间变化关系

在工况1 中，水箱内升压趋势完全通过U 形排放管溢流的方式来释放，U 形蒸汽排放管无法打开。U 形排放管溢流出来的水进入水封槽内，最终会将水封槽注满。导致此种情况发生的主要原因是水箱升压速率较低，且桥管回路阀门全开，阻力较小，无法满足开启条件，冷却水箱内的水通过水封槽溢流，造成水箱内冷却水的大量丧失。

工况2 在工况1 的基础上增大桥管阻力后，满足理论分析中所给出的开启条件。从工况2 的曲线中可以看出，排气后，冷却水箱内的压力并未降低至0 kPa 而是继续升高，但压力升高速率明显减小，表明此时通入水箱内的气体大部分已经通过U 形排放管排出，会有少部分滞留在水箱中使水箱内的压力继续增加。同时，水箱内的水会通过桥管流入到U 形排放管中，使其上升段内的液位增加，由此产生的水柱压力增加与水箱内压力增加相平衡。当上升段内液位涨到出口发生溢流时，U 形排放管内的水柱压头停止增加，无法继续平衡冷却水箱内的压力。这时U 形排放管内的水会瞬间被气流喷出，冷却水箱内气体完全释放，冷却水箱内压力瞬间降低至0 kPa。喷发后，U 形排放管内呈现出短时间的单相气体流动，通入冷却水箱内的气体全部通过U 形排放管排出。但随着冷却水箱内的水通过桥管流入到U 形排放管中，将再次形成水封，然后水箱压力升高、溢流，形成二次喷发，周而复始，呈现出周期性喷放开启的运行特点。其中喷出的水在重力的作用下回落到水封槽内，由于回流输水管阀门处于关闭状态，这部分水会留在水封槽内而无法回流到冷却水箱中，水封槽最终会被注满并发生溢流。

为克服工况2 中水封槽内的水无法回流水箱的不足，在工况3 中开启了回流输水管路阀门。在充气过程中，U 形排放管下降段内液位缓慢下降，U 形排放管上升段内液位则缓慢上升，水箱压力缓慢升高。在U 形排放管下降段内液位降至水平段前，水封槽内的水已经淹没U 形排放管上升段出口，并将U 形排放管注满。此后水封槽内液位继续上升，水箱压力也不断升高，U 形蒸汽排放管无法打开。出现这种情况的主要原因是回流输水管路上的阀门处于开启状态，阻力较小，冷却水箱内的水很容易通过回流疏水管路流入水封槽中。从而增加了水箱压力的泄放途径，减小了冷却水箱的升压速率，导致式（7）中的开启条件不能满足，使得冷却水箱内的水通过水封槽向外溢流，造成冷却水的大量丧失。因此，增加回流疏水管的阻力能够有利于U 形排放装置的开启，但又会抑制回流疏水管的回流功能，应考虑采用回流输水管路增加止回阀的方法。这样既能阻止冷却水箱的水向水封槽内流动，又保证了回流疏水管的回流功能。

在保持桥管和回路疏水管阀门全开的条件下，以1 m3/h 的流量向水箱内注入空气，得到工况4 的水箱内压力变化曲线。由图3 (d)可以看到，随着水箱压力的缓慢升高，U 形排放管下降段内液位缓慢下降，U 形排放管上升段内液位缓慢升高，水封槽内液位也相应升高，且水封槽内液位高于U 形排放管上升段内的液位，并最终淹没U 形排放管上升段管口，然后同时上升，U 形蒸汽排放装置无法打开。当水封槽内液位超过出口时，将造成冷却水的大量丧失。

保持工况4 的阀门开启状态，将通入水箱的空气流量由1 m3/h 增加至2 m3/h，以此提高水箱的升压速率，即工况5。由图3 (e)曲线可以看出，在压力释放到0 kPa 后300 s 左右，U 形排放装置在二次水封的作用下再一次关闭，水箱压力再一次升高，之后又重新打开，如此反复，呈现出周期性运行特点。在周期性排放过程中，对于水封槽内的水而言，只要水封槽内的水能在二次水封形成之前完全回流至水箱中，排放装置便可以可靠地工作。

以上5 个工况研究了桥管阻力、升压速率、回流输水管阀门状态对U 形排放管开启特性的影响，结果表明：增大回流疏水管路阻力有利于U 形排放装置的开启，但会影响水封槽内的水回流水箱的功能，因此可采用回流疏水管路安装止回阀的方案来解决这一问题。此外，随着U 形排放管上升段出口高度的增加，冷却水箱排气压力升高。这将导致U 形排放管开启时，在其出口处出现较强烈的液体喷发状态。因此，进行工况6~7 实验进行U 形排放装置的开启特性研究，即采用止回阀并降低U 形排放管上升段出口高度。

由图3 的工况6 和工况7 可以看出，以0.4 m3/h的流量向水箱内充气时，水箱内的压力缓慢升高，U 形排放管内液位也相应发生变化。由于U 形排放管上升段出口较低，因此在U 形排放管下降段内液位降低的过程中，U 形排放管上升段出口便开始溢流。溢流后的水流量无法满足冷却水箱的泄压要求，水箱压力继续升高，U 形排放管下降段内液位会继续降低至水平管处，并在U 形排放管内形成两相流动，然后将U 形排放管内液体喷发出去，水箱压力迅速降低为0 kPa。U 形排放管内的液体被气流带出后，在重力的作用下回落到水封槽，并经回流输水管回流到冷却水箱。由于U 形排放管上升段出口降低，因此排气时对应的冷却水箱内最高压力也降低为8.1 kPa，也未出现类似上述工况的剧烈喷放状态。根据工况7 条件下的压力变化曲线，可以看出当充气流量由0.4 m3/h 增加至1 m3/h 时，水箱升压速率变高，更有利于U 形蒸汽排放装置的开启。从开始通气至U 形蒸汽排放装置开启泄压，仅需50 s 左右的时间。水封开启后，由于桥管回路阀门处于半开状态，桥管回路阻力较大，因而通过桥管向U 形蒸汽排放管的补水速率较低，进而需要更长的时间才能再次形成水封。从图3 (g)中可以看出，在实验条件下需要10 min 左右的时间才能再次形成水封。此段时间内，尽管通气流量保持1 m3/h 恒定，但是冷却水箱内的压力却始终等于大气压。这表明冷却水箱内的气体能够通过U 形排放管顺利排放，且阻力很小。此外，在此时间内水封槽内的冷却水完全可以通过回流输水管返回到冷却水箱中。

图3 (h)的工况8 曲线给出了U 形蒸汽排放装置在大流量稳定排放工况下的性能研究结果。实验时以700 m3/h 的空气流量向水箱内注入空气，可以观察到U 形蒸汽排放管下降段内液位快速下降，冷却水箱内压力迅速上升，并很快达到开启压力，将U 形排放管内的液体喷出。在较大的升压速率下，仅用几秒的时间水箱压力便从0 kPa 上升至开启压力16 kPa，U 形蒸汽排放装置迅速打开，压力降低至0 kPa 附近。U 形排放装置打开后，桥管两端仍然存在压差，冷却水箱内的水会一直向U 形排放管内流动，但由于气流流速很快，通过桥管注入U 形管内的水会立刻被雾化成液滴，并随气流一起流出U 形排放管。因此，在大流量排放阶段水封一旦被打开便不会再次形成水封，且管内流动阻力不大，不存在周期性运行工况。随着排放流量的增加，排放管内的阻力会增加，从而使得冷却水箱内的压力会有所增加，但对应某一排放流量，压力会维持恒定。

4 结论

本文结合PCS 系统运行特点，进行了蒸汽排放装置的初步设计，研究了影响因素和趋势。在此基础上通过理论分析，设计了蒸汽排放装置的试验台架和实验方案。通过分析和实验，提出对蒸汽排放装置的设计建议：

1）在回流疏水管路增加止回阀可有效地增加了该回路上的单向阻力，既能保证U 形排放装置的顺利开启，又可实现水封槽内冷却水的顺利回流。

2）增加桥管的流动阻力能够改善U 形排放装置的开启条件、延缓再次水封的形成、减小稳定排放阶段内被气流带出系统的冷却水量。在保证桥管提供水封功能的前提下，桥管的开孔面积要尽可能减小，以增加其流动阻力。

3）在保证提供U 形排放管上升段出口高于水箱初始液位的前提下，应尽量降低U 形排放管上升段的出口高度。

本文可以为华龙系列后续工程中蒸汽排放装置的研究和设计提供指导和支持。