自然循環原理在能源動力行業的應用與發展*

張文超 肖 雯 金光遠 杜利鵬

(東北電力大學能源與動力工程學院)

隨著世界能源需求的增長，能源動力行業中流動換熱設備的效率已越來越為人們所關注，提高其效率的關鍵在于對流動和換熱特性機理的深入研究[1～4]，其中自然循環系統的流動與傳熱特性是研究熱點之一。

自然循環是指在閉合系統中僅依靠冷熱流體間的密度差和高度差形成的浮升力驅動流體而形成的循環流動[5]。自然循環系統不需要外部動力便可維持流動介質在設備或系統內的流動，具有安全性高、節省能源及系統運行噪音低等優點，在核動力反應堆及鍋爐、太陽能加熱[6～8]等領域得到了廣泛應用。因此對自然循環系統的設計與研究也得到了廣泛關注(主要包括對其流動及傳熱等機理的研究)。然而目前描述自然循環系統在能源動力行業中的應用與研究進展的文獻較少。

在此，筆者闡述了自然循環技術在能源動力行業中的應用和研究進展，總結了自然循環原理的研究熱點，討論了自然循環的研究趨勢，以期為其進一步研究提供參考。

1 自然循環在能源動力行業中的應用

1.1核電領域

核電對于改善環境壓力、緩解能源電力緊張具有重要作用，但如果發生核泄漏事故，其危害也較大，因此核電領域對于反應堆的安全性要求非常高。2011年日本發生的福島核電事故對包括中國在內的整個核能發電領域產生了巨大的負面影響，其中一個重要的原因是在事故過程中電站失去所有外部電源，無法利用泵等能動方法排出堆芯余熱，而非能動余熱排出系統排熱能力不足，導致熱量無法排出，最終造成事故的發生。

從核電的發展歷史來看，每次核事故雖然都產生了負面影響，但同時也極大地促進了核電安全標準的提高和核電技術的發展，在福島核電事故后，核電領域更加強調自然循環等非能動安全技術的應用。筆者以自然循環技術在核反應堆中的典型應用(包括一回路系統、余熱排出系統、AP1000非能動安全殼冷卻系統和瑞典PIUS堆中的自然循環密度鎖系統)為對象進行分析。

1.1.1一回路系統

核電站一回路(圖1)是一個自然循環系統，其中反應堆堆芯中流體被加熱，是回路熱源，放在比較低的位置，較高處的蒸汽發生器冷卻一回路流體是回路冷源，如此便在蒸汽發生器與反應堆之間高度差和冷熱段密度差的作用下產生自然循環流動，帶出堆芯中產生的熱量。

圖1 壓水反應堆一回路系統

在核反應堆中，除了核電站一回路外，核潛艇也充分利用了自然循環原理。外軍第五代核潛艇可實現自然循環巡航[9]，俄羅斯研制的新一代核潛艇甚至達到了100%的自然循環能力[10]，即在自然循環模式下，不需要開啟主泵就可以滿負荷運行，這極大地增強了潛艇的隱身能力。

目前，對于反應堆一回路自然循環系統的研究主要集中在對自然循環流量的相關研究上。郝承明等利用RELAP5軟件對一體化反應堆強迫循環轉自然循環過程的瞬態特性進行了分析，探討了反應堆功率、主泵阻力及主泵轉動慣量等因素對轉換過程瞬態特性的影響規律[11]。宮厚軍等同樣對一體化反應堆自然循環流量進行了實驗和數值分析，研究了不同傾斜角度下的單相自然循環流量特性，得出了不同傾斜角度與流量之間的關系[12]。盧川等分別利用CFD和RELAP5軟件對堆芯內的流量分布進行計算，發現反應堆堆芯采用閉式通道和設置提升筒可以提高堆芯內的安全性[13]。謝仁富等提出了一種基于16Nγ噪聲監測和相關分析的測量方法，不用插入管道即可實現性能穩定可靠的測量一回路自然循環流量的功能[14]。

1.1.2余熱排出系統

非能動余熱排出系統(圖2)是核反應堆在事故狀態下或正常停堆后排出堆芯熱量的重要手段，非能動余熱排出熱交換器放在安全殼內換料水儲存箱里，換料水箱作為冷源，其位置高于作為熱源的反應堆堆芯，當余熱排出系統運行時，堆芯內的水受熱密度降低，而換料水箱內的水通過熱交換器冷卻，通過熱交換器和堆芯的高度差和流體的密度差形成自然循環流動，從而帶出堆芯的熱量，確保反應堆的安全。

圖2 非能動余熱排出系統

近年來，對非能動余熱排出系統的研究主要集中于運行特性分析和余熱排出系統中的換熱器數值模擬。陳薇等模擬了安全殼內置換料水箱中典型的氣液兩相自然循環特性，發現C型換熱器增加了管外流體流場分布的不均勻性，增加了大容積水池內的自然循環能力，但換熱器彎管和水平管的局部區域發生了氣泡聚集[15]。宋陽等以管內、外耦合的方法研究了水箱中心管束內和水箱內自然循環的流場和溫度場分布，發現水箱內的流體呈現為復雜的螺旋式運動，產生了多處漩渦，強化了換熱效果[16]。范書淳等對非能動余熱排出系統的瞬態熱工水力運行特性進行了分析，發現反應堆發生斷電事故后，系統自然循環可以很快建立[17]。Sun L等用C++編制代碼對橡樹嶺實驗室設計的10MW熔鹽實驗堆進行數值模擬，通過對自然循環和傳熱能力的研究，發現系統能夠排出反應堆產生的余熱[18]。Min B Y等用VISTA- ITL代碼分析了SMART反應堆的余熱排出系統在穩態狀態下不同尺度功率和自然循環流速的關系[19]。Nitin M等對含有重力驅動水池的非能動余熱排出系統建立的自然對流現象進行了三維數值分析，包括傳熱過程和溫度場分布[20]。

1.1.3AP1000非能動安全殼冷卻系統

AP1000壓水反應堆核電站的安全殼通過鋼殼內外的自然循環和自然對流排出堆芯的熱量，如圖3所示。非能動安全殼系統利用一個鋼制安全殼殼體作為傳熱表面，蒸汽在安全殼內表面冷凝并加熱內表面，然后通過導熱將熱量傳遞至鋼殼體。受熱的鋼殼體外表面通過對流、輻射及物質傳遞(水蒸發)等熱傳遞機理，由水和空氣冷卻。熱量以顯熱和水蒸氣的形式通過自然循環的空氣帶出，如此安全殼內部形成自然對流，安全殼外部形成自然循環，可實現至少3天內不需要操作員的干預。

圖3 非能動安全殼冷卻系統示意圖

由于大容器內容易形成熱分層，不利于自然循環流動的形成，因此目前的研究熱點主要集中在熱分層的研究上。Yu Y等基于熱分層理論，針對鋼制安全殼內、外的自然循環過程，建立一維計算模型，得到了安全殼內的溫度、壓力和組分的分布[21]。Cheng X等通過實驗和數值分析了嚴重事故以后復合材料安全殼的空氣自然對流和輻射換熱特點，發現熱輻射明顯地加強了熱量傳遞[22]。黃政采用RELAP5和MELCOR結合的方式，計算安全殼和非能動安全殼冷卻系統的瞬態響應特性，發現非能動安全殼冷卻系統能夠在一定時問內有效實現安全殼降溫、降壓，但長期階段仍需進行補水降溫[23]。黃代順等利用計算CFD的程序平臺CASTEM，開發非能動安全殼冷卻系統的冷凝、蒸發模型，模擬了系統在穩態下的傳熱傳質特性[24]。Zhao G Z等利用RELAP5對非能動安全殼外部冷卻系統的兩相自然循環流動不穩定性進行了分析，發現外部冷卻系統有很好的冷卻作用，并分析了壓力和過冷度對自然循環流量的影響[25]。

1.1.4瑞典PIUS堆中的自然循環密度鎖系統

PIUS反應堆中密度鎖技術是一種僅依靠密度差分別實現流體自發流動和流動截至的技術，其本質是對自然循環原理的利用，系統原理示意圖如圖4所示。反應堆正常運行時，由于主冷卻劑通道和事故回路通道內的流體密度不同，便會在密度鎖內形成一個穩定的分界面，它可以有效阻止兩通道內的流體相互攪混，同時能夠使高濃度含硼水池與主冷卻劑系統始終保持相連。在主泵停轉(停堆)時，高含硼水將靠自然循環從水池下部穿過下密度鎖，經入口管段進入堆芯，吸取堆芯熱量后經升液管達到上密度鎖，然后返回水池(圖4中虛線)，形成自然循環流動。

圖4 自然循環密度鎖系統原理示意圖

目前，國外許多最新設計的反應堆都將密度鎖回路安裝在反應堆非能動余熱排出系統中。Stefan M在設計的防止堆芯熔化的降壓系統中采用了密度鎖裝置，以確保堆芯的安全[26]。Juhn P E等總結了IAEA對于非能動安全系統的活動，介紹了最新設計的反應堆中應用的密度鎖裝置[27]。

國內研究則主要集中在密度鎖啟動條件和分區上。谷海峰等分別對密度鎖的正向啟動和反向啟動特性進行了實驗研究，發現不論是何種啟動方式，流量均是影響密度鎖啟動過程的關鍵因素，并給出了成功實現啟動的條件[28,29]。王升飛等分析了流速對密度鎖內溫度場和分層的影響，并建立了分區模型，將密度鎖分為混合區、分層區和恒溫區[30]。

除上述系統外還有堆芯補水箱、乏燃料水池及反應堆二回路等設備與系統也應用了自然循環原理，這里不再贅述。

1.2自然循環鍋爐

自然循環鍋爐(圖5)中的流動介質依靠管道中水與水蒸氣的密度差在管道中循環，而無需其他動力。給水由省煤器進入汽包與爐水混合后，通過下降管和下聯箱進入水冷壁，在水冷壁中吸收爐膛火焰和煙氣的熱量以達到飽和溫度并產生部分蒸汽，而下降管為飽和或欠熱水。下聯箱左右兩側將產生壓力差，推動上升管中的汽水混合物向上流動，進入汽包，并在汽包內進行汽水分離，分離出來的蒸汽送往過熱器，分離出來的水繼續參加循環，從而形成自然循環。自然循環鍋爐具有給水泵電耗小的優點，與強制循環鍋爐相比是不需要在高溫條件下工作的循環泵，可靠性更高。

圖5 自然循環鍋爐回路示意圖

目前，對自然循環鍋爐的研究主要集中于對鍋爐水動力分析和汽包水位的研究方面。易凱對水動力不確定因素進行了分析，研究了鍋爐循環倍率與其他不確定因素(如受熱管受熱強度、上升管長度和回路復雜程度)之間的關系[31]。劉迎光依據前蘇聯水動力計算的標準方法建立了蒸發器單相流體和兩相流體的數學模型，繪制了立式自然循環余熱鍋爐各管屏和整體蒸發器的水動力特性曲線，計算出穩態工作點及其各種參數[32]。李曉燕論述了機組在大幅變工況和啟停過程中水位的變化起因及其相應的處理方法[33]。郭倍州針對DG- 2070/17.5- π6型亞臨界自然循環鍋爐汽包水位的偏差現象進行了闡述，分析了汽包水位偏差的原因并給出其調整方法[34]。Almir S等建立了單汽包自然循環蒸汽鍋爐蒸發器回路的非線性數值模型，該模型基于基本的物理定律，不依賴于經驗關系式，可用于分析不同外部干擾時的鍋爐動態行為[35]。

此外，自然循環鍋爐的研究還涉及到設計、安裝及運行優化等內容[36～38]。

1.3自然循環太陽能集熱系統

自然循環太陽能集熱系統(圖6)是一種不使用或部分使用循環泵的太陽能集熱系統，其基本原理就是利用低處的集熱板吸收太陽光的熱量加熱流經集熱板的冷水，促使集熱板內水溫升高，溫度高于較高處補水箱內的水溫，此時因水的密度差形成自然循環流動。自然循環太陽能集熱系統具有節省能源及降低噪音等優點。

圖6 自然循環太陽能集熱系統示意圖

浙江大學對自然循環槽式太陽能集熱系統做了大量相關研究。Zhang L等對自然循環熱管系統進行實驗研究，設計了U形自然循環熱管系統并進行了傳熱效率分析[39]。Hua M等對熱虹吸回路中的自然循環蒸汽發生器系統進行了實驗研究，分別討論了熱負荷對流型、熱效率和兩相傳熱系數的影響[40]。陳歡等對50kW的自然循環槽式太陽能高溫集熱系統在不同太陽輻照和排汽壓力工況下的傳熱特性和穩定性進行了實驗研究[41]。倪煜以納米流體為換熱工質，與水的換熱效果相比，發現可以強化換熱7%[42]。

鄭土逢等對自然循環平板式太陽能熱水器的放置高度進行了研究，發現對于水箱容積為120L的太陽能熱水器，其放置高度應為最大熱效率時的高度[43]。王帥對自然循環式光伏光熱一體化太陽能平板集熱器的結構進行了設計，并用Fluent軟件對集熱器在自然循環狀態下的溫度分布進行了數值模擬[44]。Ahmed R等設計了一種新的太陽能對流蒸發器實驗裝置，使得空氣在矩形自然循環回路內流動，發現蒸發器內的空氣對流增強了換熱效果并得到了對流傳熱系數[45]。

1.4其他應用

自然循環原理在其他領域也有廣泛應用，如自然循環制冷系統及熱水采暖系統等領域。

2 研究熱點

2.1自然循環技術存在的問題

由于具有安全及節能等優點，自然循環技術在能源動力行業有著廣泛的應用。然而自然循環系統本身也存在一些缺點，比如驅動壓頭較小、系統體積龐大、流動穩定性較差、可能出現熱分層及物理失效等問題，這些問題限制著自然循環技術的進一步應用。為了克服存在的問題，擴大自然循環技術的應用，需要深入研究自然循環流動的機理。

2.2自然循環流動不穩定性機理研究

在系統運行過程中，當流動在一定條件下發生發散，或過渡到另一穩定的運行工況，或發生持續等幅脈動時，系統便發生了流動不穩定性。與強迫循環相比，自然循環的驅動力不是恒定的，它與系統的運行狀態有關，即自然循環系統存在傳熱-流動的耦合現象，因此自然循環系統更容易發生流動不穩定性現象，流動不穩定性也成為目前自然循環原理研究的焦點之一。張文超等發現搖擺條件下自然循環系統中存在混沌脈動，分析了系統流動不穩定性的非線性演化機理，成功實現了對復雜流量脈動的混沌預測[46～49]。Vikas J等通過實驗對低壓下四通道自然循環回路的流動不穩定性行為進行了研究，發現系統在低功率下會發生第一類流動不穩定性，在高功率下會發生第二類流動不穩定性，在功率介于兩者之間時出現穩定區域[50]。Zhou T等研究了自然循環狀態下窄矩形通道中的流量偏移機理，發現系統在發生流量偏移之前流量總會出現周期性脈動，經分析得出流量偏移的發生與氣泡和流型的變化有關[51]。Yu J Y等通過實驗研究和建立數值模型計算發現，在超臨界壓力下自然循環系統不會發生Ledinegg流動不穩定性[52]。Prasad G V D和Pandey M分別在自然循環沸水堆和具有核耦合的雙通道自然循環回路中發現，在某些特定運行狀態下，系統流量會出現周期性波動和混沌脈動[53]。Paul S和Singh S通過對時間序列分析發現，在高壓自然循環管道中兩相流動存在超臨界和次臨界Hope分岔[54]。

國內外學者就不同自然循環系統中的流動不穩定性進行了研究。Swapnalee B T等以超臨界水堆為背景，分別用超臨界水和超臨界CO2進行實驗，分析自然循環系統中的靜態不穩定，得到了不穩定的邊界圖并基于無量綱密度和無量綱熵得出了穩態流動的驗證關聯式[55]。Lisowski D D等對頂部含有水箱的多通道自然循環系統進行了實驗研究，分析了蒸發、汽化對兩相自然循環回路的影響，討論了水箱水位與單相流動、過渡泡核沸騰、靜壓力波動、穩定兩相流動及噴涌等流動狀態的關系[56]。Tan S C等對搖擺條件下兩相自然循環流動不穩定性進行了實驗研究，對搖擺條件下的流動狀態進行了分類，包括波谷型脈動、規則復合型脈動、不規則復合型脈動及高含氣率小振幅脈動等[57]。

2.3自然循環集熱特性研究

理解和掌握自然循環集熱系統的流動沸騰傳熱特性，對于深刻理解自然循環機理具有重要意義，因此當前的研究熱點主要集中于系統內部的沸騰和冷凝傳熱機理研究。周媛和王玉林以CARR堆芯熱組件為對象，用CFD軟件模擬了以強迫循環計算結果為初始場的自然循環傳熱特性，得到了溫度場分布并找到了熱點位置[58]。Chung Y J等對冷卻水池內自然循環管束的傳熱特性進行了實驗研究，發現池內水溫和管束徑向分布對換熱系數有較大影響，管束之間的湍流作用使得換熱系數明顯大于單管[59]。Wang J Y等建立了自然循環回路的3D模型，發現回路在彎管處出現二次流現象，水平管內出現了熱分層，系統導熱能力與流速存在很大關系[60]。Yu S等對U形自然循環回路中的液態氦氣的傳熱特點進行了分析，發現隨著熱流量增加系統依次出現單相對流、部分泡核沸騰、完全泡核沸騰和膜態沸騰，并得到了泡核沸騰的傳熱系數[61]。Wang C等對搖擺條件下自然循環系統的傳熱特性進行了分析，與靜止狀態相比，搖擺條件下的系統流量出現波動，平均流量降低，但平均傳熱系數增加，Nu數隨著Re數的增加而呈線性增加的趨勢[62]。Cao Y H和Zhang X R通過建立2D模型對自然循環回路內的超臨界CO2傳熱特性進行了分析，發現散熱器溫度對對流和傳熱存在較大影響，回路傾斜會降低傳熱性能，隨著溫度差的增大，對流和傳熱性能先增加后減小[63]。

3 研究趨勢

自然循環系統是一個復雜的非線性系統，系統在一定工況下會出現復雜的流動行為，如混沌脈動及分岔現象等，目前復雜流動現象的機理分析尚不明確，是一個研究熱點。系統內流動、汽泡行為、傳熱、核反饋、外力作用及部分重力等因素對系統的影響，以及各因素之間的耦合機理；系統流動特性的演化機理，特別是非線性演化機理，都是研究熱點。為了減小自然循環系統的體積，系統內的強化換熱問題對于自然循環技術的應用也有較大的研究價值。

在研究對象上，在擴大自然循環技術應用范圍的過程中，許多裝置中的自然循環具體行為也不斷得到拓展，如窄矩形通道、微型通道及U形管道等裝置中的自然循環流動-傳熱特性。

在研究方法上，最為常見的自然循環研究方式為實驗研究和建立數值模型。首先，在自然循環的實驗研究方面主要存在的問題是實驗回路與實際工業裝備差別較大，實驗結果可擴展性不強，未來實驗研究應更加強調擴展實驗的參數范圍，如系統壓力及加熱功率等運行參數，調整回路尺寸以符合實際應用，同時需要開發新的參數數據采集方法，以提高采集實驗數據的數據量和精確度，如利用激光探測回路特定區域溫度場等技術。其次，隨著計算機技術的發展，數值計算能力越來越強，用數值方法分析系統行為越來越普遍，由于自然循環是系統行為，因此要對整個系統的流動-傳熱狀態進行數值分析研究，通常的方法是根據實際系統建立整體模型以模擬系統行為。數值分析方面比較好的研究方案是以現有的大型軟件為平臺，進行二次開發。除傳統的實驗和數值分析方法外，隨著一些新的理論和技術的出現，發展出了一些新的方法，如利用非線性動力學和混沌理論分析復雜兩相流動現象，利用高速攝影儀和圖像處理技術分析系統中的氣泡行為，以及利用復雜網絡或神經網絡技術建立自然循環模型等。

4 結論

4.1對自然循環技術在能源動力行業中的主要應用進行了總結梳理，包括核反應堆中的一回路系統、余熱排出系統、非能動安全殼系統、密度鎖系統、自然循環鍋爐和自然循環太陽能集熱系統，介紹了其基本結構和運行原理，并對相應系統的國內外研究現狀進行了歸納總結。

4.2指出自然循環系統存在的問題，并對自然循環機理研究熱點的現狀進行了歸納總結，包括自然循環系統流動不穩定性和傳熱特性。

4.3基于自然循環的應用和研究現狀，分別從研究內容、研究對象和研究方法上對自然循環下一步的研究趨勢提出了個人看法。

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