AP1000穩壓器安全閥動態排放特性的CFD仿真分析

(中國核動力研究設計院 反應堆系統設計技術重點實驗室,四川 成都 610041)

AP1000核電廠的穩壓器頂部安裝兩臺彈簧式安全閥,提供反應堆冷卻劑系統的超壓保護,防止系統壓力超過設計值,確保反應堆冷卻劑壓力邊界的完整性。

穩壓器安全閥的排放能力在某些事故工況下直接影響核電廠的安全性。安全閥的動作時間、整定值壓力、回座壓力等參數,目前均由試驗進行測量并整定,但安全閥的排放能力及排放特性,一般是基于系統運行和工程設計經驗確定,但對安裝在電廠中的回路是否適用需進行詳細的論證和分析。同時,AP1000核電廠的穩壓器安全閥口徑非常大,一般工業試驗臺架不能滿足此安全閥的試驗條件,而CFD分析則很好地解決了這一難題。

AP1000穩壓器安全閥在排放的介質為水蒸氣,在排放過程,由于壓力的變化,水蒸氣部分冷凝為液態水,使得排放的介質從單相的水蒸氣變化復雜多變的兩相流。

國內外關于管閥CFD三維精確仿真分析的應用已經非常普遍也比較成熟,但大都還局限于管閥的定常、單相流仿真分析,關于管閥非定常CFD動態效應和多相流效應的研究還較少。

1 基本控制方程

穩壓器安全閥的排放介質初始為過熱蒸汽,隨著時間的推進,系統壓力的不斷變化,以及喉部流速的動蕩,導致后期排放過程中,介質由單相的蒸汽變為飽和蒸汽、汽液兩相等。排放的介質與系統初始壓力和壓力變化有關,本文假設排放介質為過熱蒸汽。

模型的基本控制方程為：

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

采用的求解方法為有限體積法,湍流模擬采用標準的k-ε兩方程模型。

2 動網格及其二次開發

2.1 靜態網格

首先對安全閥關閉時的靜態網格進行劃分。設置幾何模型的進出口邊界,并利用ICEM對幾何模型采用結構化網格劃分方式,對閥瓣和密封面處的網格進行局部加密處理,以得到排放過程中閥瓣處更加精確的動網格。安全閥的靜態網格劃分后,共得到321 418個節點和95 723個面,如圖1所示。圖2為縱截面的網格局部加密圖。

圖1 靜態網格的劃分Fig.1 Static mesh division

圖2 縱截面網格加密Fig.2 Mesh division on the cross section

2.2 動網格及其二次開發

安全閥在開啟過程中,閥瓣處的截面在不斷變化,該處的網格需要不斷重繪,因此,需要設置動網格。

本文的動網格技術通過以下方式實現：

1)當安全閥開啟到1%,2%,3%,4%,5%,6%,7%,8%,9%,10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%狀態時,計算自動中斷;

2)進行動網格的二次開發,編寫外部命令,提取前一狀態的所有數據點;

3)對數據進行分析,從事先準備的網格中選取合適的網格替換;

4)求解器加載定位置處的網格,繼續進行計算。

3 計算工況、邊界條件

模擬全廠失電工況(SBO)下,穩壓器安全閥開啟這一最惡劣的設計擴展工況。

穩壓器安全閥入口的壓力隨時間的變化示意圖如圖3所示,通過編寫自定義程序給出。

圖3 入口壓力隨時間變化的示意圖Fig.3 Inlet pressure variation versus time

設定安全閥排放的初始入口溫度為343 ℃,初始流速為0 m/s,初始含汽率為1,安全閥在入口壓力達到17.23 MPa時開啟。

4 計算結果分析

4.1 閥門內部壓力分布和速度分布

圖4 0.002 s時刻閥門內部壓力場合速度場Fig.4 Pressure and speed feed at 0.002 s

圖5 0.026 s時刻閥門內部壓力場合速度場Fig.5 Pressure and speed feed at 0.026 s

圖6 0.056 s時刻閥門內部壓力場合速度場Fig.6 Pressure and speed feed at 0.056 s

圖7 0.096 s時刻閥門內部壓力場合速度場Fig.7 Pressure and speed feed at 0.096 s

圖4、圖5、圖6和圖7給出了0.002 s、0.026 s、0.056 s和0.096 s的閥門內部壓力分布和速度分布。可以看出,當安全閥入口壓力達到開啟整定壓力。0.002 s時,閥門開啟角度較小,從速度分布來看,存在明顯的射流現象,即向四周急速的噴射,射流角度較小,隨著閥門開度不斷增大,射流角度逐漸增大,對閥座的沖擊力也逐漸增大;閥門的壓力在閥門開啟后迅速降低,而入口壓力隨著閥門排量的限制和蓄壓的原因,先減小,后增大,在0.096 s時,由于給定的入口壓力增大,導致閥門入口壓力增大。

4.2 閥位變化仿真結果

閥門隨時間的開啟高度的變化如圖8所示,由于沒有機械的阻尼機制,所以閥門動能的消耗只通過湍動能的耗散變成熱能。故其在跳起后呈現了出了圖8中所示的,先跳起一個比較大的高度,然后又回彈的運動過程。

圖8 閥門位移隨時間的變化Fig.8 Disposition change versus time

從圖8可以看出,閥門從開始開啟到完全開啟,由于閥門入口壓力大,閥門呈線性開啟,隨后,由于閥門入口壓力下降,閥門的逐漸關閉,并在之后出現了閥門的開啟和關閉的交替變化,說明AP1000彈簧式安全閥的入口壓力較小時,會出現頻跳現象,容易造成閥瓣的損壞。

4.3 閥瓣受力變化仿真結果

閥門受力主要為氣體對閥門的氣動力和彈簧給予閥門的力。圖9所示為這兩個力隨時間的變化。

圖9 閥門受力隨時間的變化Fig.9 Forces on the valve versus time

閥門開啟之初,氣動力和彈簧力線性升高至最大值,閥門線性全開。隨后,由于閥門的頻跳現象,導致氣動力和彈簧力出現了一定程度的動蕩。

5 結 論

本文在AP1000穩壓器安全閥內部的靜態CFX網格的基礎上,進行了動網格的二次開發,通過編寫外部命令,提取不同閥門開度時的靜態網格,實現了對AP1000穩壓器安全閥動態排放時閥門各個截面處的網格的模擬,通過CFD計算防震,得到了AP1000穩壓器安全閥在排放過程中的流動特性,一定程度上復現了安全閥開啟過程中壓力、流速、開啟高度、閥瓣受力的動態變化特性,可以為安全閥的性能評估以及安全閥及其下游管道的載荷計算提供一定的參考輸入。