PCS安全殼外水膜飛濺試驗(yàn)及工程應(yīng)用

劉 佳，黃鏡宇，潘新新

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海，200233)

非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)采用非能動(dòng)的設(shè)計(jì)理念，利用鋼制安全殼作為傳熱表面，通過空氣導(dǎo)流板將安全殼與其外側(cè)的屏蔽廠房分隔為外環(huán)腔(即下降段環(huán)腔)和內(nèi)環(huán)腔(即上升段環(huán)腔)，從而為PCS提供空氣流道。為了加強(qiáng)換熱，在安全殼外表面灑水以形成均勻的液膜(包括72 h非能動(dòng)疏水以及72 h之后能動(dòng)補(bǔ)水)，通過液膜的蒸發(fā)換熱帶走更多的殼內(nèi)熱量[1]。U型支撐安裝在安全殼的外表面，一般沿安全殼周向每6°設(shè)置一個(gè)，每個(gè)支撐有兩個(gè)腿，每排120個(gè)腿，沿高度方向設(shè)置8到9排，總數(shù)在1 000個(gè)左右，這些支撐起到固定空氣導(dǎo)流板的作用。

試驗(yàn)結(jié)果表明：70 h之前的流量均滿足安全分析要求，最后2 h的流量考慮儀表偏差后比安全分析要求稍小，最后西屋公司結(jié)合流量試驗(yàn)的結(jié)果，通過分析論證的方法解決了該問題。

除上述問題外，還發(fā)現(xiàn)西屋在設(shè)計(jì)中未考慮安全殼外水膜撞擊U型支撐飛濺出去所造成的水量損失，在試驗(yàn)中也未對(duì)這部分損失的水量進(jìn)行測量，然而這部分的水量損失會(huì)影響到72 h非能動(dòng)水源中可以用于安全殼冷卻的水量，進(jìn)而影響PCS流量。

針對(duì)上述問題，西屋根據(jù)水膜飛濺量的直觀感受與降雨大小進(jìn)行類比，估算損失水量，用相關(guān)損失量修正原模型的排水流量，通過進(jìn)一步挖安全殼內(nèi)熱阱的裕量得出現(xiàn)有設(shè)計(jì)仍能滿足安全分析要求。但上述解決方案并未對(duì)水膜飛濺的機(jī)理進(jìn)行研究，無法從根本上解決飛濺的問題。本文對(duì)該問題進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外關(guān)于水膜相關(guān)的研究主要集中在水膜分布、水膜蒸發(fā)換熱等方面[2-7]，而類似障礙物對(duì)水膜損失的影響，國內(nèi)外研究較少，可參考借鑒的僅有西屋做的安全殼內(nèi)部壁面附板常壓冷凝回流試驗(yàn)，但這部分試驗(yàn)并不完善，有待進(jìn)一步的研究。

本文針對(duì)U型支撐對(duì)水膜覆蓋率及水膜流量的影響，提出了三種優(yōu)化U型支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案，并對(duì)這些方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果可應(yīng)用到AP系列的后續(xù)項(xiàng)目機(jī)組中，對(duì)提高電廠的安全性具有很好的指導(dǎo)作用。

1 影響因素分析

經(jīng)分析認(rèn)為，影響安全殼水膜流動(dòng)的結(jié)構(gòu)方面的因素主要有以下四種：安全殼焊縫、表面不平整度、結(jié)構(gòu)凸起和U型支撐等。其中，對(duì)于頂封頭上的環(huán)狀焊縫，僅對(duì)最初的水膜覆蓋有一定影響，并造成水膜擾動(dòng)，而穩(wěn)定之后的水膜覆蓋率變化不大，水膜無損失；對(duì)于垂直壁面的環(huán)狀焊縫，對(duì)水膜覆蓋率影響不大，在低流量時(shí)水膜損失可忽略，高流量時(shí)水膜損失不超過1%。對(duì)于局部的小凸起，對(duì)水膜流動(dòng)特性基本無影響。安全殼的不平整度要求小于5 mm，在水膜冷態(tài)試驗(yàn)中已進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明其對(duì)水膜流動(dòng)特性基本無影響。

針對(duì)現(xiàn)有U型支撐的水膜損失試驗(yàn)表明：單U型支撐最大損失率為8%，雙U型支撐最大損失率分別為11%(上部支撐)和8%(下部支撐)，可見U型支撐對(duì)水膜分布的影響較大。影響的機(jī)理是：當(dāng)冷卻水膜撞擊到U型支撐時(shí)會(huì)發(fā)生飛濺現(xiàn)象，在支撐件的正后方形成干涸區(qū)；同時(shí)，在垂直于安全殼壁面的方向上，U型支撐又具有引流作用，部分水膜沿支撐件垂直板面方向流動(dòng)，脫離了安全殼壁面，造成沿壁面流動(dòng)的水膜質(zhì)量減少。所以有必要開展U型支撐的設(shè)計(jì)優(yōu)化，使由支撐件引流作用損失的水膜質(zhì)量盡可能少。

2 U型支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合以上的理論分析，在雙U型支撐試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，初步設(shè)計(jì)了三種優(yōu)化方案[8，9]，如圖1所示。其中：方案一是在支撐件上端插入一塊垂直擋板，以阻擋水膜向離板方向發(fā)展，并迫使部分水膜回板；方案二是在支撐件上端插入一塊傾斜擋板，在阻擋水膜離板流動(dòng)的同時(shí)，還通過斜面將水膜引回板面，同時(shí)在擋板外緣向上設(shè)計(jì)突起段，形成有效的導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)；方案三是將支撐件上端改為倒角結(jié)構(gòu)，減弱支撐件的水膜引流作用。

圖1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)Fig.1 Design of test piece

3 優(yōu)化方案評(píng)價(jià)

方案一、方案二與方案三相比需要額外預(yù)制擋板，并增加擋板與U型支撐之間的焊接，而擋板數(shù)量龐大(約1 200個(gè)左右)，增加很多的施工量。方案三只需在現(xiàn)有的U型支撐頂部切割倒角，增加的施工量相對(duì)較小。定性上分析，三種方案的支撐件都能降低水膜損失率，而定量的損失率需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 The test device

對(duì)優(yōu)化后的試驗(yàn)件進(jìn)一步開展水膜損失試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2和圖3所示。在豎直壁面的上部位置安裝好支撐件，向位于支撐件正上方的V型槽內(nèi)注水，以相對(duì)較小的水膜入口線質(zhì)量流率流經(jīng)支撐件，通過長時(shí)間收集脫離豎直壁面的水滴并稱重，得到經(jīng)過支撐件后損失的水膜質(zhì)量數(shù)據(jù)。用激光尺測量支撐區(qū)域的水膜覆蓋寬度，用流量計(jì)測量入口流量，從而計(jì)算出入口線質(zhì)量流率[10]。雙U型支撐的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

圖3 支撐件試驗(yàn)臺(tái)架Fig.3 Test bench of supports

從方案一和方案二的測試結(jié)果可見：在不采取任何改進(jìn)措施的情況下，雙U型支撐的水膜損失率在10%左右，而采用方案一可將水膜損失率降為6.9%，采用方案二可將水膜損失率進(jìn)一步降低至4.2%，以上兩種方法都能有效降低U型支撐的水膜損失率。出于施工方便的考慮所采用的方案三，其試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化效果與方案二基本相當(dāng)。

另外，試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)：沿安全殼外壁面高度方向的每排U型支撐(分層情況見圖4)，損失率各不相同(見圖5)，對(duì)應(yīng)的安全殼各分層的冷卻水局部流量也不同。保守考慮，第1排單個(gè)支撐按5%損失率計(jì)算，第2排及以下單個(gè)支撐均按照1.5%損失率計(jì)算。按照8排U型支撐的實(shí)際分布情況，對(duì)引起水膜飛濺的障礙物沿周向的長度進(jìn)行累加，算出其占安全殼周長的比例，并最終計(jì)算出總水膜損失率(安全殼各層支撐累加值)小于5%。

圖4 安全殼分層示意圖Fig.4 Different zones of containment vessel

圖5 安全殼各層水膜損失率Fig.5 Water film loss rate at different levels

安全分析表明：對(duì)于LOCA事故，水膜損失率引起的溫度變化較小。5%水膜損失率條件下的安全殼峰值壓力不超過設(shè)計(jì)壓力，但設(shè)計(jì)裕量變小。但是安全分析模型直接在PCCWST排水流量上扣減了5%的水膜損失量，建議分層考慮流量和損失率，以優(yōu)化分析程序。

4 結(jié)論

(1)空氣導(dǎo)流板U型支撐因緊貼安全殼壁面，在安全殼壁面灑水過程中會(huì)造成水膜飛濺，導(dǎo)致總的冷卻水量有一定損失。依托項(xiàng)目經(jīng)分析可以滿足要求，盡管裕量不大，但考慮到現(xiàn)場的實(shí)際狀態(tài)，不考慮對(duì)U型支撐進(jìn)行優(yōu)化。

(2)在當(dāng)前的安全分析中，水膜損失是直接從總流量中扣除的，過于保守，沒有考慮水膜逐級(jí)損失的特點(diǎn)。建議按照安全殼高度方向分層的方式建模分析，每一層設(shè)置不同的局部冷卻水流量和損失率，提高設(shè)計(jì)裕量。

(3)本文在U型支撐上端增設(shè)傾斜擋板或者改為倒角結(jié)構(gòu)后，基于試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)總水膜損失率降低到5%以內(nèi)，優(yōu)化效果顯著。考慮到設(shè)備改進(jìn)新增的施工量，建議優(yōu)先采用倒角結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果和安全分析均證明優(yōu)化方案可行，可以應(yīng)用于AP系列后續(xù)項(xiàng)目的U型支撐的設(shè)計(jì)中。