HTR-PM 堆芯出口熱氣混合結構兩支路模型實驗研究

周楊平，郝鵬飛，李 富，石 磊，何 楓

（1.清華大學 核能與新能源技術研究院 先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084；2.清華大學 航天航空學院，北京 100084）

2012年12月，作為國家科技重大專項的高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）在山東榮成正式開工建設。HTR-PM 是世界上首臺具備第4代核能系統安全特性的商用核電機組，具有熱效率高、固有安全性等特點。我國也在清華大學10MW高溫氣冷堆的基礎上，開展該示范工程的相關關鍵設備及技術的研發及驗證工作。

對于高溫氣冷堆，圓柱形堆芯活性區出口冷卻劑氦氣徑向溫度分布是不均勻的，存在溫度梯度，同時還存在旁流，與主流氦氣有更大的溫差。為保證蒸汽發生器部件技術上的可行性與安全，在冷卻劑氦氣進入蒸汽發生器之前，在堆芯底部出口設置輻射狀流道、環形連箱以及與其連接的熱氣導管，對冷卻劑進行充分的湍流混合。由于流道形狀的復雜性和雷諾數超過105的高度湍流，通常情況下難以用單純的數值計算方法準確可靠地計算冷卻劑在堆底流道中的熱混合效果，而通過相應的堆芯出口流道熱氣混合性能實驗裝置進行模型驗證實驗［1-3］，以及結合相應的模擬計算進行分析［4］。

本工作在所建立的模型實驗臺架上進行兩支路工況的系列實驗，并對實驗數據進行采集、整理及分析。

1 模型實驗系統主要參數

根據理論分析和相似性分析，分析確定了堆芯出口熱氣混合實驗系統的設計準則和主要參數［5-6］。模型實驗系統與HTR-PM 的混合結構的幾何比例為1∶2.5，模型實驗中采用空氣代替真實反應堆中的氦氣作為流體介質，因二者的Pr比較接近。模型實驗系統與HTRPM 實際混合結構的主要熱工流體參數對比列于表1［5］。模型實驗系統中內部混合結構材料采用鋁合金（ZL101A）加工而成，鋁合金的密度、比熱及熱傳導系數等重要物理參數均與石墨相近，而且鋁合金具有重量輕、易于加工等特點，所以鋁合金材料（ZL101A）是替代石墨材料的較為合理的選擇。

2 模型實驗系統組成

根據實驗場地條件、市場調研和設計分析計算結果，確定了實驗系統總體布局（圖1）。整個實驗系統按照區域可劃分為3部分：風機房、主實驗室、排氣室。

表1 模型實驗與HTR-PM 的相關參數對比Table 1 Comparison of parameters between model experiment and HTR-PM

圖1 實驗系統總體布局及組成Fig.1 Overall layout and composition of experiment system

2.1 風機房

風機房主要用來擺放風機和變頻柜，并起到隔聲和過濾的作用，風機房內壁加裝保溫吸聲材料。風機內擺放3臺離心式風機及3臺變頻器。其中兩臺大流量風機分別為熱氣支路和冷氣支路提供流量，小流量風機為漏流支路提供流量。風機底部有減震墊，風機出口與采用軟連接與管道相連，這些措施有利于衰減風機的振動。為了保證熱氣聯箱及熱氣導管上的測量傳感器的安全和測量精度，從風機出氣口流出的空氣不能含有較大的灰塵或其他固體顆粒，在風機入口及風機房的通風窗上均安裝了過濾網。

2.2 熱氣混合實驗臺架及管道系統

整個實驗臺架系統分為進氣管道系統、電加熱器、實驗臺架本體、熱氣導管、排氣管道系統和儀控系統6個部分（圖1）。除進氣管道系統及排氣管道系統部分設備，熱氣混合實驗臺架安裝在主實驗室廠房內。進氣管道系統包括風機、連接管道與閥門以及附屬設備（如電機、變頻器等）。進氣管道系統主要有熱氣支路和冷氣支路：熱氣支路中常溫空氣從風機出口經過管道進入大功率加熱器，加熱后經實驗臺架本體上部的中心孔道進入臺架本體；冷氣支路中常溫空氣從風機出口經過管道進入小功率加熱器，不加熱（兩支路實驗不進行加熱）并經實驗臺架本體上部的中心孔道進入臺架本體。冷熱支路空氣在實驗臺架本體混合后，從熱氣導管經排氣管道系統進入排氣室內管道，最后從煙囪排出室外。基于兩臺計算機的儀控系統包括主控臺、相關就地控制設備、傳感器及其布線，主要用于實驗臺架的運行控制以及相關實驗數據的測量和采集，計算機通過NI數據采集卡與相關探測器進行連接。

2.3 實驗臺架本體

臺架本體是實驗系統的主體部分，它由上端蓋、外套筒、中間套筒、鋁塊通道和熱氣聯箱組成（圖2a）。上端蓋中間有1個大進氣孔，熱氣支路的空氣由此進入臺架本體，上端蓋四周有4個小氣孔，冷氣支路的空氣分4路進入臺架本體，中間套筒的作用是將中間的熱氣和四周的冷氣隔開，外套筒外面包有保溫材料，并有測壓孔和測溫孔用來測量本體內部的壓力和溫度分布。套筒和熱氣聯箱外壁采用不銹鋼板卷制和焊接制成。上端蓋和外套筒及外套筒和熱氣聯箱之間均采用法蘭連接。外套筒和內部鋁合金構件之間的縫隙采用耐高溫密封膠條進行密封，防止低溫氣體從縫隙直接進入熱氣聯箱。

圖2 實驗臺架本體Fig.2 Main body of experiment installation

鋁合金通道處于外套筒內，由4層中間開槽的鋁合金組成，如圖2b所示。在通道的下面為呈花瓣狀分布的鋁合金混合組件，如圖2c所示。混合組件置于熱氣聯箱內，通過下面的鋁板與熱氣聯箱的底部連接。

2.4 熱氣導管

圖3為熱氣導管的三維設計圖，熱氣導管采用不銹鋼管道，兩端通過法蘭盤分別與熱氣聯箱出口和下游管道相連。在入口處安裝4支相互垂直的熱電偶組件，每只組件結構主體為不銹鋼中空管，用來測量熱氣導管入口的溫度分布，在出口處安裝8支熱電偶組件用來測量熱氣導管出口的溫度分布，同時安裝在熱氣導管出口的皮托管（圖3右圖中管道上深灰色部分）用來測量出口處的速度分布。每個熱電偶支桿（外徑6mm）內裝有5個T 型熱電偶，后面的導線直接與數據采集卡連接，可測量5個不同徑向位置的溫度。壓力傳感器與焊接在管道上的底座進行螺紋連接并固定，用來測量管道及套筒內的氣流靜壓。

圖3 熱氣導管Fig.3 Hot gas duct

2.5 測量系統

熱氣混合模型實驗中需要測量的熱工流體參數包括空氣流量、空氣溫度和壁面溫度、空氣壓力和空氣速度。表2列出了本實驗研究所用的各種傳感器的具體參數和數量。

在本實驗中對各種傳感器信號的測量有兩個特點：一是測量通道數多，總數超過160個，因此需將多個數據模塊組合起來應用；另外本實驗對測量精度要求較高，特別是溫度測量，因此需選擇測量精度高的A／D 轉換模塊，本研究采用美國NI（National Instrument）公司的數據采集模塊及LabVIEW 軟件系統。

3 實驗及其結果

利用所設計和建立的HTR-PM 堆芯出口熱氣混合結構模型實驗臺架，進行了兩支路模型實驗，利用相應測量系統進行了熱工流體參數的數據測量和采集。

3.1 定流量變溫差實驗

該組實驗中熱氣支路流量和冷氣支路流量保持一定且大致相同，改變熱氣支路和冷氣支路的溫差（溫差為30～100℃，每次實驗的溫度變化間隔為10℃）。表3列出了在不同溫差條件下的實驗結果。

表2 實驗中所用的傳感器參數Table 2 Parameter of various sensors used in experiment

表3 定流量變溫差實驗結果Table 3 Experiment result with constant flow and variable temperature differences

以溫度為指標的熱混合效率ηt 定義為：

式中：Δto為熱氣導管出口橫截面上各點空氣溫差，℃；Δti為實驗臺架本體入口熱氣支路與冷氣支路的溫差，℃。

圖4 熱混合效率隨入口溫差的變化Fig.4 Mixing efficiency vs inlet temperature difference

圖4為入口溫差與熱混合效率之間的關系。可看出，隨入流冷熱氣體溫差的增加，出口截面的空氣最大溫差增加，但熱混合效率變化并不明顯，基本保持在98%左右，說明冷熱流體經過實驗臺架本體及熱氣導管后得到了很好的熱混合。

3.2 定溫差變流量實驗

在本組實驗中，保持熱氣支路空氣和冷氣支路空氣的溫差一定（100 ℃），通過調節風機轉速同時改變熱氣支路和冷氣支路的氣體流量，并保持冷熱氣支路的流量大致相等，每次流量變化約為額定流量的10%。表4 列出在不同流量條件下的實驗結果。圖5為熱混合效率與熱氣導管雷諾數的關系。熱混合效率隨雷諾數的變化并不明顯，基本保持在98%左右，說明冷氣流和熱氣流經過實驗臺架本體及熱氣導管后得到了較好的熱混合。

表4 定溫差變流量實驗結果Table 4 Experiment result with constant temperature difference and variable flows

圖5 熱混合效率隨熱氣導管中空氣流量的變化Fig.5 Mixing efficiency vs air flow in hot gas duct

3.3 定溫差與總流量變流量比實驗

在本組實驗中，保持熱氣和冷氣的溫差一定（100 ℃），通過調節風機轉速同時改變熱氣和冷氣的流量比，并保持熱氣和冷氣的總流量一定（3.1kg／s）。表5列出在不同熱冷流量比條件下的實驗結果。圖6為熱混合效率與入口熱冷氣體流量比之間的關系。當熱氣流量與冷氣流量的比值較小（0.25）時，最大溫差較高，其他工況最大溫差都在1.5℃左右。熱混合率基本保持在98%左右，說明冷氣流和熱氣流經過實驗臺架及熱氣導管后得到了較好的熱混合。

3.4 實驗結果討論

從兩支路（熱氣支路及冷氣支路）的3個系列工況的實驗結果來看，包括定流量變溫差實驗、定溫差變流量實驗、定溫差與總流量變流量比實驗，全部實驗的熱混合效率均在98%左右，熱混合效率最低的為定流量變溫差實驗的第1個工況，熱混合效率為97.53%。根據目前HTR-PM 堆芯出口橫截面上最大溫差約為150 ℃，蒸汽發生器要求的入口橫截面的溫差在±15℃以內，此時要求的熱混合效率為80%以上，因此，HTR-PM堆芯出口熱氣混合結構的混合效率滿足熱混合的要求。

表5 定溫差與總流量變流量比實驗結果Table 5 Experiment result with constant temperature difference and total flow and variable flow ratios

圖6 混合效率隨流量比的變化Fig.6 Mixing efficiency vs flow ratio

如果考慮HTR-PM 有一定流量的堆芯旁流的漏流，并作保守的假設，假設完全未經堆芯加熱的冷卻劑直接漏流到堆芯出口，此時的出口冷卻劑的最大溫差約為550 ℃，而蒸汽發生器要求的入口橫截面的溫差在±15 ℃以內，此時要求的熱混合效率為94.5%，HTR-PM 的熱氣混合結構也滿足要求。

同時，由于從熱氣導管出口到蒸汽發生器入口還有一段管道和部分腔室，冷卻劑會進一步混合，這就說明，即使進行保守的假設，從模型實驗的兩支路工況來看，HTR-PM 堆芯出口熱氣混合結構的熱混合效率滿足要求。

4 結論

利用所設計和建立的HTR-PM 堆芯出口熱氣混合結構模型實驗臺架，進行了相應的兩支路模型實驗，利用測量系統進行了熱工流體參數的數據測量和采集。研究包括3個系列工況的實驗：定流量變溫差實驗、定溫差變流量實驗和定溫差與總流量變流量比實驗。利用采集的數據，并根據蒸汽發生器入口橫截面溫差的要求研究，結果表明：由于其模型實驗臺架在所有工況下的混合效率均在98%左右，兩支路工況下，HTR-PM 堆芯出口熱氣混合結構的混合效率滿足混合要求。

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