非能動堆芯冷卻系統冷凝回流落水管改造分析

黃鏡宇，郭丹丹，劉 潔，潘新新，徐 進

(上海核工程研究設計院有限公司，上海200233)

在AP1000核電廠非能動堆芯冷卻系統(PXS)的設計中，利用安全殼內壁面冷凝回流的方式持續帶走事故后安全殼內的熱量。事故期間，非能動余熱排出熱交換器(PRHR HX)將堆芯的熱量傳遞至安全殼內換料水箱(IRWST)，IRWST內的水吸熱變成水蒸氣進入安全殼空間，在鋼制安全殼內壁面受冷凝結成水滴，同時熱量傳導至安全殼外部，通過安全殼外壁水膜冷卻和空氣冷卻，將熱量傳遞至環境大氣中。事故后安全殼冷卻示意圖如圖1所示。

蒸汽在鋼制安全殼內壁面冷凝成水滴后，沿著安全殼壁面匯集并向下流動，在環吊梁、內部加強筋、返回槽處被收集，然后通過落水管等方式匯入收集盒，收集盒疏水管將收集的冷凝水輸送至IRWST，繼續從PRHR HX吸收熱量，從而將堆芯熱量持續導入外界，保證事故工況下堆芯的安全。如果進入IRWST的冷凝水回流量小于蒸發量，IRWST的液位就會下降，一旦布置在IRWST內的PRHR HX裸露，就有可能出現堆芯冷卻不足的情況，導致嚴重后果。所以，回流至IRWST的冷凝水是否充足，對于事故后堆芯冷卻至關重要。而收集盒疏水管線的長度和排氣措施對最終疏水能力有很大影響，所以有必要開展相應的分析優化。

圖1 事故后冷卻示意圖Fig.1 Post accident cooling

1 冷凝回流系統設計描述

事故后，蒸汽排放到安全殼大氣中，在安全殼冷卻水的作用下，安全殼壁面對殼內蒸汽持續冷凝，在安全殼壁面形成冷凝水，冷凝水通過冷凝回流系統進行回收。

AP1000冷凝回流系統由安全殼垂直壁面上部的環吊梁、中間部位的加強筋、收集環吊梁、加強筋處積聚冷凝水的落水管、安全殼下部的返回槽和收集盒，以及其他連接管道和部件組成。事故工況期間，返回槽收集到的冷凝水通過收集盒的疏水管被排往IRWST。冷凝回流系統如圖2所示。

1.1 環吊梁和加強筋

冷凝水沿安全殼壁面下落至環吊梁和內部加強筋處，由于環吊梁有一圈環繞安全殼的擋水壩，加強筋內外兩側的圍板形成能存儲水的水槽。分別在環吊梁和加強筋底部設置落水管將冷凝水引到運行平臺標高處的冷凝水收集盒。環吊梁和加強筋示意圖如圖3所示。

圖3 環吊梁和加強筋示意圖Fig.3 Polar crane girder and internal stiffener

1.2 返回槽

返回槽位于運行平臺標高處以收集安全殼的冷凝水。返回槽在360°范圍內收集冷凝水，通常返回槽收集的冷凝水都排往安全殼地坑。事故工況期間，冷凝水排往IRWST。為了保證冷凝水中的碎片在到達IRWST濾網之前已經沉降，返回槽管線布置在盡可能遠離IRWST濾網的地方，從而使碎片遷移到濾網的可能性最小。

1.3 收集盒與疏水管

收集盒與疏水管應布置在盡可能遠離IRWST濾網的地方，以保證冷凝水中的碎片在到達IRWST濾網之前已經沉降。收集盒與疏水管的布置情況如圖4所示。

圖4 收集盒與疏水管布置Fig.4 Layout of collection box and draining line

在事故工況下，收集盒與疏水管的疏水能力必須滿足安全分析的要求。收集盒疏水管線的長度、排氣措施等對最終疏水能力有很大影響，主要表現為以下。

(1)由于收集盒的疏水管出口浸沒在IRWST內的水中，具有一定背壓，并且管道入口處標高與IRWST工作液位較為接近，因此管線驅動壓差小，可能導致流量不足。

(2)收集盒的疏水管具有很長的水平段，而且沒有設置排氣管線。收集盒在接收冷凝水之前處于排空狀態，事故工況下如果冷凝水和外界氣體從管道入口同時進入管道內，那么氣體很容易在管道水平段內某處集聚，并“堵塞”管道，也會導致流量不足。

(3)來自環吊梁、加強筋等處的冷凝水從高處流入收集盒中，高速運動的水流撞擊收集盒壁面后破碎為大量氣泡進入疏水管線，導致氣體被冷凝水流持續帶入管線內。

理論上，管道長度、管徑、入口形式、有無排氣措施等因素，都會對疏水管內氣體積聚造成影響，進而影響管線疏水性能。

2 冷凝回流系統流量試驗

冷凝回流系統流量試驗是AP1000核電廠預運行階段非能動堆芯冷卻系統需要開展的主要試驗之一。該試驗的目的是驗證事故后安全殼壁面上冷凝的凝結水，在流經環吊梁、加強筋、返回槽、落水管、收集盒時不會發生滿溢，所有冷凝水都能返回IRWST。

根據三門核電1號、2號機組的試驗結果，由于收集盒在未達到驗收準則要求的流量時已出現溢流，因此兩次試驗均未能滿足驗收準則要求。

工程經驗表明：對于收集盒疏水這一類壓力較低的重力疏水管線，很容易發生氣阻現象。所謂氣阻，是指液體輸送管路中由于氣體的存在，導致流量下降甚至斷流的現象。發生氣阻后，一般需要進行排氣處理。但是氣體在管道中往往處于一種游移狀態，停留點不穩定而難以確定，處理難度較大，應給予足夠的重視。

3 氣體積聚機理分析

氣體積聚會對核電廠安全穩定運行帶來許多危害。美國核管理委員會(NRC)在2008年1月發布了GL-08-01[2]，針對氣體來源、氣體積聚位置、氣體積聚量、氣體積聚的影響等問題給出了相關指導。

影響管道內氣體積聚的因素很多，最主要的因素是流量以及流量對應的弗洛德數Fr(Froude Number)。

(1)

式中：U——管道內流體流速，m/s；

D——管道內徑，m；

g——重力加速度，m2/s。

針對管道內氣體積聚問題，荷蘭代爾夫特理工大學[3]傾斜管內兩相流試驗裝置和壓水堆業主協會[4](PWROG)大管徑氣體遷移試驗臺架分別開展了有關試驗研究。結果表明：可以通過評估Fr數是否大于1，以確定動態排氣是否有效。評價準則如下：

若Fr>1，則動態排氣有效。

若Fr<1，則無法確定動態排氣是否有效，可能存在氣阻問題。

解決氣阻問題的重點在于預防。產生氣阻現象主要有兩個條件：第一，管道內存在氣體；第二，氣體積聚在一起。根據氣阻形成的機理，只要去除以上兩個條件或者其中的一個，就可以防止氣阻的形成。這是優化設計方案的基本依據。

圖5為收集盒疏水過程的數學模型。根據流體力學中的Bernoulli方程，建立如下關系式：

圖5 收集盒疏水過程的理論模型Fig.5 Theoretical model of collection box draining

(2)

式中：P0——大氣壓力，Pa；

Pb——疏水管線出口處壓力，Pa；

H——收集盒內液位與出口管線的高差，m；

ρ——冷凝水密度，kg/m3；

f——湍流阻力系數；

L——管線當量長度，m。

對公式(2)進行無量綱化處理后將公式(1)代入，可得無量綱化的Bernoulli方程如下：

(3)

根據收集盒疏水管線的實際布置情況，相關管道參數如表1所示。

表1 收集盒疏水管線參數

將上述參數代入公式(3)后，求得Fr=0.94<1。所以，收集盒疏水管線在排水過程中不能確定動態趕氣是否有效，必須設置排氣措施。

三門核電站1號、2號機組開展的流量試驗結果表明：試驗過程中，A、B兩個系列的收集盒均出現了溢流。這說明收集盒疏水管線內存在氣阻現象，導致了冷凝回流流量偏低，不滿足驗收準則。試驗結果與理論預測結果是一致的。

4 冷凝回流系統CFD分析

由于氣體積聚機理分析采用了簡化模型，為了研究氣體在疏水管線內的積聚和分布情況，支撐改造方案設計，因此有必要進一步開展詳細的CFD分析。本節通過CFD軟件STAR-CCM+對AP1000冷凝回流系統的收集盒及其疏水管進行建模及仿真計算，研究氣體在管線內的積聚情況，預測管道排水能力。

4.1 解析模型

本節以B系列收集盒(包含內部組件)及其下游疏水管線為研究對象進行全尺寸建模。返回槽中的冷凝水從頂部進入收集盒中，然后沿收集盒的疏水管線流出。疏水管線規格為DN100，從收集盒側面引出，在連接至一個貫穿件后進入IRWST內。由于收集盒內的冷凝水液位不會超過溢流液位(返回槽以下部分)，因此對收集盒的建模只需包含其溢流以下的部分即可，以簡化分析模型、減小計算量。解析模型示意圖如圖6所示。

圖6 解析模型Fig.6 Analysis model

4.2 計算設置

4.2.1 物理模型

針對冷凝回流問題，計算所采用的物理模型如下：

(1)三維計算(Three Dimensional)

(2)非定常流動(Unsteady)

(3)分離式求解(Segregated Flow)

(4)不可壓縮流體(Constant Density)

(5)重力流(Gravity)

(6)可實現k-ε湍流模型(Realizable K-Epsilon Turbulence)

(7)雙層壁面函數(Two-Layer All y+ Wall Treatment)

(8)VOF模型(Volume of Fluid)

VOF模型[6]是求解設置的關鍵，可以求解多相之間有明顯界面不考慮相間分子擴散的問題，適用于收集盒疏水管內冷凝水和空氣兩相混合流動過程。VOF模型的控制方程如下所示：

(4)

(5)

(6)

式中：ρi——不同相的密度；

u——速度；

S——質量源項；

m——蒸發、沸騰等相變引起的質量流量，冷態分析時不考慮；

p——壓力；

F——重力之外的體積力；

Sh——能量源項；

αi——體積分率，采用可精確捕捉相間界面的HRIC差分格式進行求解。

由于可實現k-ε湍流模型具有較高的求解效率，因此本文采用可實現k-ε湍流模型與VOF模型進行耦合計算。

4.2.2 網格劃分

在網格劃分方面，采用適用于復雜幾何的多面體網格(Polyhedral Mesh)和棱柱層網格(Prism Layer Mesh)對分析模型進行網格劃分操作。其中，全局網格劃分尺寸為10 mm，最小網格劃分尺寸為2.5 mm，以便捕捉疏水管內的氣液交界面變化。此外，為了提高計算效率，本次計算采用3層邊界層網格，總厚度為3 mm，增長率設置為1.5。對于可實現k-ε湍流模型(Realizable K-Epsilon Turbulence)和雙層壁面函數(Two-Layer All y+ Wall Treatment)，在設置邊界層厚度時需要考慮y+值，一般來說壁面的y+值不大于30。

整個模型共劃分為75萬體網格。

4.2.3 初邊值條件

因為初始時刻收集盒內沒有冷凝水，所以其液相份額為0，氣相份額為1。對于疏水管，初始時刻其立管浸沒在IRWST中，其液相份額和氣相份額如下：

液相份額：1(溢流液位以下)，0(溢流液位以上)；

氣相份額：0(溢流液位以下)，1(溢流液位以上)。

收集盒頂部與環境大氣聯通，故壓力設置為0.0 Pa(表壓)。由于疏水管立管浸沒在IRWST中，因此疏水管背壓等于IRWST溢流液位與疏水管出口的標高差對應的水柱壓力。兩者的標高差為7.32 m，對應壓力為71 587 Pa(表壓)。疏水管內水柱壓力與液位高差成正比。

4.3 結果分析

本節旨在預測AP1000冷凝回流系統的收集盒疏水管的排水能力。對于收集盒疏水管這一類壓力較低的重力疏水管線，管道布置、管道內氣體含量和排氣措施的設置都會對其排水能力產生較大的的影響。從計算結果得到速度分布和氣液分布，可以反映整個模型的流場情況，分析管道內氣體含量變化引起的排水流量變化。

通過修改疏水管管徑、修改疏水管出口處背壓和在疏水管上增加排氣管，對收集盒的疏水管排水能力分別進行數值模擬。計算結果如表2所示。

表2 疏水管排水能力

各方案下管道內的氣體積聚情況如圖7所示。

通過對不同方案的CFD分析，可以得出以下結論：

(1)工況1模擬了三門核電2號機組的試驗過程，結果顯示在水平管線內集聚了大量氣體，減小了管道流通面積，影響了疏水效果。

(2)工況2增大管徑至DN150后，能達到要求的排放流量。

(3)工況3模擬了三門核電1號機組的試驗過程，結果顯示收集盒不會滿溢，與1號機組的試驗結果一致。此工況中雖然也有氣體積存，但是因為疏水驅動壓頭很可觀，并且氣體持續地從管線出口排出，所以不影響試驗結果。

(4)工況4在疏水管線的水平段上增設了排氣管后，該水平段內的氣體顯著減少，管線疏水能力得到了一定提升。

圖7 疏水管內氣體及積聚情況Fig.7 Gas accumulation in the draining line

5 冷凝回流系統優化改造

5.1 方案設計

基于氣體積聚理論分析和CFD分析，對收集盒疏水過程進行了評價，認為需要開展設計改進。

圖8 改造方案Fig.8 Design change proposals

由于收集盒接受從高處流下的冷凝水時勢必伴有大量的氣液夾帶，因此難以從源頭上減少空氣與水的混合。必須在氣體可能積聚的位置設置排氣管線，利用管道內外壓差將氣體排出管外。此外，增加疏水管線截面積可以減小管線總阻力，也能提高收集盒的疏水能力。

表3 改造方案可行性分析

根據以上分析，本節提出3種不同的改造方案，并分別對可行性進行分析如表3所示。

從消除氣阻和現場施工可行性的角度分析，增加排氣管的方案是最可行的。

綜合考慮CFD分析和現場施工可行性評價的結果，可以在不改變已有管線設計的情況下，在各水平管段處增設3根的排氣管，即可有效提高疏水流量，滿足試驗驗收準則的要求。最終優化改造方案如圖9所示。

圖9 最終優化方案Fig.9 Final optimization proposal

5.2 試驗驗證

三門核電1號機組按照試驗臨時運行指令文件進行了改造后的流量試驗。試驗流量范圍與事故分析流量范圍一致，均為70～120 gpm(15.89～27.25 m3/h)。試驗目的是為了驗證收集盒排水能力是否有增強，并確定改造后的收集盒疏水水能力大小。

優化后的試驗結果表明：增加3根排氣管的措施消除氣阻的效果很明顯，收集盒疏水管的排水能力有顯著提高，滿足設計要求。針對冷凝回流系統的優化改造是成功的。

圖10 現場試驗驗證Fig.10 Site test verification

6 結論

本文首先介紹了AP1000核電廠非能動堆芯冷卻系統(PXS)冷凝回流系統的設計現狀和流量試驗情況，然后針對試驗缺陷進行了氣體積聚機理分析，得出了導致流量不足的原因是疏水管內產生氣阻的結論。在機理分析的基礎上，進一步開展了CFD分析，研究了不同的疏水管管徑、疏水管出口處背壓和在疏水管排氣管數量對排水能力的影響。最后基于氣體積聚理論分析和CFD分析結果，提出了增加3根排氣管的改造方案。現場試驗驗證結果表明：實施改造后，收集盒疏水管的排水能力得到顯著提高，流量滿足驗收準則。改造方案獲得成功。

本文的主要結論如下：

(1)對改造前收集盒疏水管線布置的潛在問題進行了氣體積聚機理分析。結果表明：外界氣體持續帶入和集聚，會在管線內形成氣阻現象，導致疏水能力不滿足設計要求。理論分析結果成功地預測了后續試驗中的氣阻問題，為優化改造提供了方向。

(2)根據氣阻產生的必要條件(管道內存在氣體、管道內氣體集聚)提出了3種不同的改造方案。結合CFD分析結果和施工可行性評價結論，增設3根排氣管的方案可以有效消除氣阻，疏水流量滿足設計要求；該方案的現場施工量也較小，便于改造。改造后的試驗結果證明了改造方案是可行的，同時也驗證了CFD分析方法，可以應用于后續項目冷凝回流系統的優化設計中。