一體化反應堆直流蒸汽發生器流動不穩定性研究

李常偉 馬云飛

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

一體化反應堆中通常采用套管式直流蒸汽發生器，傳熱管為套管結構，雙面傳熱，換熱效率高，產生過熱蒸汽，因此不需要汽水分離器；對汽輪機的要求也較低，可以采用常規汽輪機；同時采用套管式直流蒸汽發生器可以減小反應堆的尺寸，提高裝置機動性；但其傳熱情況復雜，二回路給水在套管中由過冷水，汽水兩相混合物，飽和蒸汽到過熱蒸汽，傳熱包括過冷沸騰，飽和泡核沸騰，強制對流蒸發，缺液區和過熱蒸汽等傳熱工況，傳熱情況復雜，因此對套管式直流蒸汽發生器傳熱特性的研究很重要，尤其是流動不穩定性的研究。本文將進行套管式直流蒸汽發生器兩相流動不穩定性的研究，本文采用某陸用試驗的一體化反應堆為研究的基本模型［1］，其整體結構如圖1所示。在此模型中，12臺套管式直流蒸汽發生器位于堆芯上方壓力容器內壁和堆芯吊籃之間的環形空間中，并且固定在壓力容器內壁的凸緣上，蒸汽發生器和堆芯頂部的高度差，減小了堆芯對蒸汽發生器的中子輻照，同時提高了裝置的自然循環能力。蒸汽發生器主要分為集水腔室、集汽腔室和套管區，上、下封頭直徑稍大，套管區直徑稍小。套管區分為雙管段和單管段。蒸汽發生器筒體將周圍的冷水與循環中的一次冷卻水分隔開。在蒸汽發生器筒體的底部和頂部通過一些開口的管束，使冷、熱腔室在水力學上聯通。二次側給水從蒸汽發生器底部流入，過熱蒸汽從蒸汽發生器頂部流出。本文中所用到的一體化反應堆的部分主要參數見表1。

圖1 一體化反應堆壓力容器內結構

表 1 一體化反應堆部分參數

兩相流動不穩定主要分為管間脈動、流量漂移不穩定性、密度波型不穩定性、壓力降型不穩定性、熱力型不穩定性。中國核動力研究設計院的卓文斌［2］等對平行通道管間脈動試驗過程中流動不穩定性進行了研究， 研究表明影響平行通道管間脈動的主要因素有給水量、蒸汽壓力、一次側平均溫度、一次側流量、給水溫度和蒸汽發生器入口節流系數等。清華大學的姜勝耀［3-4］等對自然循環流

量漂移及靜態流量漂移過程中出現的動態流量振蕩現象進行研究，研究表明在發生靜態流量漂移時系統循環流量下降進口溫度下降及出口溫度上升，隨著靜態流量漂移的發展，沸騰逐漸加強，伴隨著靜態流量漂移系統內同時發生具有密度波不穩定特點的動態流量振蕩［3］。在靜態流量漂移的發生、發展、并向動態振蕩轉變的過程中，先是欠熱沸騰和冷凝占主導地位，然后漸變為閃蒸占主導地位，最后表現為自持振蕩的形式［4］。西安交通大學的蘇光輝［5］等對垂直上升管內密度波不穩定性進行研究，研究表明密度波型不穩定發生的條件之一就是有能量輸入，功率較小時，在發生大的脈動過程中發生的小脈動，是大功率下高頻率脈動雛形，因為沒有足夠的能量使之發展為大脈動，只有能量儲備達到一定程度，才發生脈動。當功率足夠大時，滿足每個脈動所需要的能量，所以發展成短周期的振蕩。

1 仿真模型的建立

蒸汽發生器是連接一回路和二回路的樞紐設備。一回路冷卻劑流過蒸汽發生器，將堆芯產生的熱量傳遞給二回路水，加熱二回路的水產生過熱蒸汽，蒸汽進入汽輪機做功，所以對蒸汽發生器的仿真不僅與二回路有關，同樣涉及到一回路。二回路給水的流道是環形窄縫間隙，在間隙內被一回路的冷卻劑加熱，可以由環形部件來仿真。冷卻劑流過堆芯，帶走堆芯產生的熱量，傳遞給二回路。因此，一回路的仿真也是蒸汽發生器仿真的關鍵。

在本文研究中，曾經考慮過以下三種方案：

（1）采用RELAP5程序中的點堆動力學卡片，在這類卡片中，給出堆芯裂變產物裂變、衰變信息，緩發中子常數，反應性曲線及控制變量等參數，這種方法適用在研究余熱排出系統，研究的是反應堆停堆后二回路余熱排出系統的動作，結果比較理想。但在本文的研究中需要控制功率的變化，在調試程序的過程中發現用點堆模型很難準確控制功率的變化，但本文的研究中需要功率較為精確地變化，所以本文中沒有用到點堆模型。

（2）采用電加熱來代替堆芯加熱冷卻劑，這樣就省去了點堆模型，簡化了程序，降低了控制的難度。一、二回路節點圖如圖2所示。

圖2 一、二回路節點圖

圖中700為冷卻劑的流通通道，120、140為熱構件給冷卻劑加熱。在仿真的過程中這種方法可以有效控制功率的變化，但程序的調試較為麻煩，花費的時間較長。

（3）一回路全部用熱構件來代替，如圖3所示。這種方法使程序更加簡單，可以有效地控制傳遞給二回路的能量，相當于保持一回路的熱流密度恒定，系統易于達到穩定狀態。這種方法將功率平均分配到每一個控制體上，與實際的運行過程有些差距，但對于研究流動不穩定區間仍具有一定的可行性。

鑒于以上三種研究方法各有優缺點，在本文中用第三種方法研究兩相流動的流動不穩定性區間，粗略地確定出流動不穩定區間。

2 套管式直流蒸汽發生器節點劃分

本文采用集總參數的方法，將12臺蒸汽發生器分為4組，每3臺蒸汽發生器合并為1臺，927根套管擬合為1根套管，使用單根套管的結構參數，流通面積和換熱面積為所有之和。用電加熱來代替一回路冷卻劑動作，通過調節加在熱構件的功率來實現一回路功率的變化。套管式直流蒸汽發生器的節點劃分如圖3所示。100、200、300、400分別為二回路的流通通道，110、120、130、140、150、160、170、180分別為二回路的加熱熱構件，103、203、303、403分別為4臺蒸發器出口流量。二回路入口邊界條件由時間相關控制體TMDPVOL-501和時間相關接管TMDPJUN-502來給定。前者給定了給水的溫度，后者給定了二回路的入口流量；出口壓力由時間相關控制體TMDPVOL-508給定。通過改變入口接管和出口接管的正向能量損失系數來實現入口和出口節流。

圖3 蒸汽發生器節點劃分

3 流動不穩定性研究

由于在本部分反應堆釋熱用電加熱來模擬，所以采用固定入口流量，改變加熱功率的方法來確定套管式直流蒸汽發生器在給定流量下出現流動不穩定的最小熱負荷。在一定的結構參數下給定系統的進口過冷度和進口流量，在0～650 s的時間內逐漸緩慢改變加熱功率，控制功率在40 s內變化1 MW（功率變化率為0.025 MW/s），然后穩定50 s，我們把流量波動在穩定流量±30%定義為出現流動不穩定，從實驗結果可以看出，在功率較低時，蒸汽發生器出口流量是基本不變化的，當功率達到一定值時，出口流量會出現波動，說明出現了流動不穩定現象。在圖中條件下，系統發生流動不穩定性的極限熱負荷為21 MW（如圖4所示）。

圖4 出口流量/負荷隨時間變化

3.1 確定節點個數

根據D'Auria的觀點［6］，把一個復雜的熱工水力系統程序應用到任何熱工水力系統之前，需要實現一些前提條件，其中之一就是對節點劃分進行正確的評價，節點劃分會影響到仿真的精度。為了確定不同的節點個數對仿真結果的影響，對節點個數不同時套管式直流蒸汽發生器發生兩相流不穩定時的極限熱負荷進行比較，結果如圖5所示。

圖5 節點劃分比較

由圖中可已看出，隨著節點個數的增大，極限熱負荷有增大的趨勢。節點個數較小時，單個控制體的控制范圍較長，計算比較粗糙，控制體長度的變化對極限熱負荷的影響較大；當節點個數＞30時，極限熱負荷變化趨于平穩。因此根據節點分析，本部分確定的節點個數為30，即圖4在節點個數為30的情況下計算結果。

3.2 影響流動不穩定性的主要參數

在一定參數條件下，套管式直流蒸汽發生器的出口為過熱蒸汽，但在反應堆啟動過程或停止過程中，會使蒸汽發生器出口出現兩相不穩定流動的情況，影響運行的安全性。研究表明，影響不穩定性的因素主要有系統壓力、進口節流、入口過冷度等，下面將以建立的套管式直流蒸汽發生器模型為研究體，確定以上參數對不穩定極限熱負荷的影響。

3.2.1 系統壓力

系統的壓力對流動不穩定性有重要的影響。中國核動力研究院的黃軍［7］等在研究平行通道流動不穩定性時得出結論：高壓下引起的壓差擾動小于低壓下引起的壓差擾動，隨著壓力的增大，二回路給水的飽和溫度增大，從而使汽液兩相的密度差減小，流道內的平均含汽率減小，流道內單相液區間增大，提高系統的穩定性。但系統壓力的增加僅僅減少了空泡存在引起的脈動幅值，并不會影響脈動的頻率。由圖6可以看出：隨著系統壓力的增大，發生流動不穩定性的極限熱負荷增大，說明隨著系統壓力增大，系統趨于穩定。由圖7可以看出：隨著壓力增大，脈動振幅先呈現減小趨勢，然后又急劇上升，這與黃軍等的結論有些差別，應該是集中參數法的影響。將3臺蒸汽發生器的流量、流通面積等參數集中在1臺上，隨著套管承受壓力的增大，當出現擾動時，同樣會引起出口流量的變化。因此，增大系統壓力可以提高系統的穩定性，但同時也對二回路各設備的材料提出了更高要求，故選擇系統壓力的時候應綜合考慮各因素的影響。

圖6 極限熱負荷隨壓力的變化

圖7 振幅隨壓力的變化

3.2.2 入口節流

在程序中，我們采取改變接管正向能量損失系數的方法來實現入口的節流，本文研究的為均勻節流。研究表明，入口節流對套管式直流蒸汽發生器的流動不穩定性有著重要的影響。入口節流的增加提高了流道內單相區的單相壓降，對流動不穩定性有減震或緩沖的作用，從而提高了系統的穩定性［7］。由圖8可以看出，隨著節流系數的增大，極限熱負荷增大，有利于系統的穩定。這與西安交通大學的吳鴿平等對套管式直流蒸汽發生器流動不穩定性的研究結果相符。

圖8 極限熱負荷隨節流系數的變化

3.2.3 入口過冷度

隨著入口過冷度的增大，極限熱負荷增大，系統的穩定性增加。這是因為入口過冷度的增加導致兩相流截面含汽率降低，增加了單相區的長度，使系統趨于穩定。同時入口過冷度的增加使汽液兩相混合物的密度增加，在相同的質量流速條件下，汽液兩相的平均流速減小，有利于系統穩定。入口過冷度對流動不穩定性的影響比較復雜，主要表現在以下兩個方面：

（1）入口過冷度增大，單相區長度增加，增加了入口壓力，有利于系統的穩定。

（2）入口過冷度增加，在相同的熱流密度下，平均含汽率下降，氣泡形成周期變長，蒸發時間增長，入口流量對壓差變化的響應時間減少，有助于不穩定性的發生。上面兩方面疊加，形成了入口過冷度的非單值影響［3］。

由圖9可以看出，隨著入口過冷度的增加，極限熱負荷增加，系統的穩定性增加。圖10是采用無量綱過冷度數和無量綱相變數表示的入口過冷度對流動不穩定性的影響。結果表明：對于本文所研究的特定直流蒸汽發生器，在計算范圍內，增大系統的進口過冷度有利于提高系統穩定性。

圖9 極限熱負荷隨入口過冷度變化

圖10 進口過冷度對不穩定性的影響

4 結 語

通過對套管式直流蒸汽發生器的研究，詳細了解其結構，它采用直流式雙面傳熱的結構，產生過熱蒸汽，但當堆芯功率較低時，蒸汽發生器出口會產生汽水兩相，引起系統的不穩定，這是套管式直流蒸汽發生器的一個缺點。本文確定套管式直流蒸汽發生器的模型，建立節點圖，根據節點圖編寫程序，首先確定節點個數對流動不穩定性的影響，進而選定最佳節點數，即30個節點，然后通過改變系統壓力，給水過冷度和接管正向能量損失系數來確定各種參數對流動不穩定性的影響，并得出結論。結果表明：系統壓力增大，汽液兩相密度差減小，流道內平均含汽率減小使單相段長度增加，提高了系統的穩定性；入口節流的增加提高了流道內單相區的單相壓降，對流動不穩定性有緩沖作用，有利于系統的穩定；而入口過冷度對流動不穩定性的影響呈現非單值性，在一定范圍內增加入口過冷度有助于系統的穩定。