非能動壓水堆試驗臺架兩相流分離測量研究

石 洋 郝博濤

(國核華清〈北京〉核電技術研發中心有限公司 非能動堆芯技術研究室，中國 北京 102209)

0 前言

非能動核電站及其試驗臺架破口發生時系統會噴放大量的汽液兩相流。由于事故工況下系統的狀態跨度較大，使得破口噴放流量的變化范圍很大，已大大超出了一般流量計的設計量程比。本文針對上述問題，給出了通過汽水分離系統進行大量程比流量測量的研究與設計說明，給出了利用汽水分離裝置進行超大量程比的蒸汽測量的技術要點，為大量程比的兩相流測量提供一定的參考借鑒。

1 管線工藝設計

1.1 量程全覆蓋

汽水分離器的蒸汽管線設計需嚴格保證整個流量范圍的精確測量。確切的說即確定需精確測量的最小蒸汽流量和最大蒸汽流量。

1.2 管線并聯阻力系數計算

管線的布置通常由單根管線或多根管線并聯而成。

對于單根管線的阻力系數的計算，根據將要選取管線的粗糙度和閥門、彎頭、三通、大小頭等局部管件的參數、數量等，可參考以下經典阻力計算公式并通過阻力系數計算圖表即可進行單根管線的阻力計算。

對于并聯管線(如A、B、C三根管線首尾分別相接的并聯形式)的阻力系數計算，首先需根據單根管線的阻力計算方法，分別計算出A管、B管、C管單根管的阻力系數SA、SB、SC。然后通過如下關系進行推導：

并聯管線總流量等于各分支流量之和：

并聯管線首尾端的壓差相等：

則可以推出，并聯管線的阻力系數：

1.3 管線全開時流量分配比

在考慮不同管線的流量分配時，可以假設分離器后的所有蒸汽管線全開時，根據不同管線的阻力關系，計算獲得管線全開時不同管線的流量分配比。以便快速計算出切換后的管線中的流量值。

1.4 蒸汽與水封管線設計匹配

如果蒸汽管線的阻力系數過大，因管線壓降過大，從而推高分離器容器內的壓力，會使水封排水管線的水被排出，若排水管線中的水封水被排光的話，蒸汽會從水封管線排走，這樣對于蒸汽流量的測量是不可接受的，因此蒸汽管線的設計中，需驗證保證測量過程中分離器的水封不被大量排走。

1.5 管線切換邏輯

在管線切換邏輯設計時，需關注以下幾點：管線切換前后的管線流量值均應在所在管線流量計的精確測量范圍內；在保證上條的情況下，需通過設計使得允許管線切換的流量范圍較寬，即給試驗者留出充足的操作時間和余度；管線切換應選取在流量變化較平緩的范圍內進行，避免選擇在流量有著較大反復波動的范圍內，以免造成部分試驗數據的精度下降甚至缺失。

2 工程設計

為了保證破口蒸汽的精確測量，在工程設計中主要有以下幾點需要重點關注：

2.1 空間布置要求

蒸汽管線的布置要求：蒸汽管線設計不僅需要滿足工藝測量的要求，還需考慮現場實際的空間布置要求。

2.2 伴熱帶的設計

為了使得蒸汽不冷凝，需要通過在管道或容器壁面上纏繞電伴熱帶的方式維持壁面的溫度。電伴熱后的壁面溫度應不低于測量過程中的蒸汽溫度。同時伴熱帶的設計中，還要重點關注伴熱帶的升溫速率，伴熱帶升至理想溫度的時間應與試驗前預留的時間相匹配。

2.3 管線的低點排水設計

試驗后由于水蒸汽的冷凝，蒸汽管線中會存在一定量的冷凝水，而這些冷凝水如果在下次試驗前不加以排出，會對蒸汽的測量造成較大影響。在管線設計時，因注意管線傾斜角及其低點排水的設置，避免積水問題。

2.4 管線的支吊設計

管線震動對于測量精度有著很大的影響，甚至會使得流量計失效。需要合理設置管線的支吊架，給予管線足夠有效的支撐，保證管線的震動在流量計要求范圍內。

2.5 管線的應力計算

如果蒸汽管線較長，因試驗過程中的溫度變化較大，存在因管線的冷熱伸縮，造成局部應力過大而失效的風險。因此在管線設計時要加以注意，通過進行應力校核、設置彎曲管吸收管線應力、合理設置管線支吊架等方式加以解決。

2.6 管線的內徑復核

流量測量與流體流速與管道橫截面積密切相關。若想得到精確的實際流量，必須首先獲得真實的管道橫截面積。

3 試驗驗證

對于管線的實際阻力及流量分配比，只有通過預實驗或正式試驗才能獲得真實可信的數據，通過這些試驗數據可以去修正流量切換邏輯，甚至去修正管線的設計。

4 結語

本文介紹了如何通過汽水分離測量系統精確測量大量程比蒸汽流量的設計思路，并對其中的關鍵技術問題進行了闡述說明。這些對大量程比兩相流分離測量的設計及研究有著一定的指導意義。通過汽水分離系統進行兩相流的精確測量是一個切實可行但又非常復雜的技術，其中的耦合設計較多，如測量方式的選取與工藝設計的耦合，工藝設計與工程設計的耦合，蒸汽管線設計與水封管線設計的耦合等，這些均需要在以后的設計及研究中進一步的豐富與發展，最終使得汽水分離測量技術趨于完善，更好的應用于兩相流的測量與研究。

[1]張福君，國金蓮.汽水分離器性能和結構設計特點[J].2012.3，33(1).

[2]景思睿，張鳴遠.流體力學[M].西安交通大學出版社，2001.