反應(yīng)堆壓力容器筒體保溫層結(jié)構(gòu)間隙對(duì)保溫效果的影響分析

張亞斌 邱天 羅英 李玉光 周高斌

摘 要

評(píng)價(jià)金屬保溫層熱性能的經(jīng)驗(yàn)公式方法，對(duì)于保溫層支承結(jié)構(gòu)和保溫層間隙超差問題難以實(shí)現(xiàn)有效評(píng)價(jià)。使用ANSYS Fluent軟件對(duì)華龍一號(hào)筒體保溫結(jié)構(gòu)開展仿真分析，分析存在一定熱態(tài)間隙情況下的漏流情況，間隙越大，漏流量占入口風(fēng)量的比例就越大;基于間隙漏流量計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步分析間隙尺寸和入口風(fēng)量等泄熱敏感參數(shù)對(duì)筒體保溫結(jié)構(gòu)的傳熱影響，提出保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中降低間隙泄熱影響的措施。

關(guān)鍵詞

壓力容器;筒體保溫層;結(jié)構(gòu)間隙;保溫效果

中圖分類號(hào)： TL351.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.036

Abstract

The empirical formula method was used to evaluate the thermal properties of the insulation，but it is difficult to evaluate the support structure and the overmuch gap on the insulation.ANSYS Fluent is used to simulate the barrel insulation structure of HPR1000.The wider the structure gap is，the more the proportion of flow leakage rate caused by certain hot gaps is in inlet air volume.Furthermore，based on the calculation results of flow leakage，the influence of heat leakage sensitive parameters such as gap size and inlet air volume on heat transfer performance of barrel insulation structure is analyzed.In the design of the barrel insulation structure，measures to reduce the effect of heat leakage caused by gaps are discussed.

Key Words

Reactor pressure vessel;Barrel insulation structure;Structure gap;Heat insulation effect

0 前言

華龍一號(hào)具備能動(dòng)與非能動(dòng)相結(jié)合安全特征的三代核電技術(shù)，反應(yīng)堆壓力容器（RPV）采用金屬反射型保溫層，包覆整個(gè)RPV。在應(yīng)對(duì)堆芯熔化的嚴(yán)重事故方面，設(shè)置了堆腔注水冷卻系統(tǒng)（CIS），保溫層與RPV外表面共同形成一個(gè)特定的環(huán)腔，冷卻水從位于保溫層底部的注水管進(jìn)入該環(huán)腔并冷卻壓力容器，避免RPV熔穿。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)對(duì)保溫層熱性能帶來(lái)極大的影響。保溫層除考慮自身的熱損失不能超出設(shè)計(jì)要求外，還要考慮保溫層支承與預(yù)埋件連接后，混凝土溫度也不能超出限值。此外，結(jié)構(gòu)改進(jìn)和安裝工序調(diào)整也帶來(lái)現(xiàn)場(chǎng)安裝難度的大幅增加，易出現(xiàn)尺寸超差或冷態(tài)間隙超差。在工程上，出現(xiàn)過(guò)保溫層間隙過(guò)大導(dǎo)致堆坑出口風(fēng)量降低、堆坑通風(fēng)溫度報(bào)警等問題。

以往未設(shè)置CIS的堆型，通常用傳熱試驗(yàn)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)保溫層熱損失進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)驗(yàn)公式法評(píng)價(jià)模型單一，對(duì)保溫層支承及其穿出保溫層的接縫等局部重要結(jié)構(gòu)，只能做大量簡(jiǎn)化處理以及保守分析，而遇到保溫層間隙超差、間隙漏流之類的現(xiàn)場(chǎng)安裝問題時(shí)，則難以有效的評(píng)價(jià)。

本文同樣采用傳熱試驗(yàn)獲取保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，針對(duì)華龍一號(hào)筒體保溫結(jié)構(gòu)使用ANSYS Fluent軟件開展仿真分析，分析存在一定熱態(tài)間隙情況下的間隙漏流情況和間隙泄熱情況，以分析華龍一號(hào)筒體保溫結(jié)構(gòu)的性能，為后續(xù)設(shè)計(jì)和工程問題處理提供借鑒。

1 保溫層傳熱機(jī)理及傳熱試驗(yàn)

1.1 傳熱機(jī)理

RPV用金屬反射型保溫層是在不銹鋼殼體內(nèi)放置若干層不銹鋼箔片。不銹鋼箔片表面光潔具備較高的反射率，可以將大部分RPV的熱輻射反射回去，從而大幅削弱輻射換熱;同時(shí)箔片在殼體內(nèi)的布置應(yīng)盡量降低熱傳導(dǎo)面積，并抑制箔片間夾層的對(duì)流換熱。

筒體保溫結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的RPV筒體和下封頭部分外徑均大于1000mm，可將保溫層自身的傳熱簡(jiǎn)化成平壁導(dǎo)熱模型[1]。根據(jù)ASTM C680[2]，對(duì)于平壁導(dǎo)熱模型，有：

式中，Qi為各保溫層組件熱損失，qi為各保溫層組件熱流密度，Ai為各保溫層組件冷面換熱面積，Ti為保溫層熱面溫度，To為保溫層冷面溫度，δ為保溫層厚度，λs為保溫層平均導(dǎo)熱系數(shù)。無(wú)論采用經(jīng)驗(yàn)公式法還是軟件仿真分析，λs都是開展保溫層傳熱分析的關(guān)鍵參數(shù)[3][4]，通常采用傳熱試驗(yàn)測(cè)量該系數(shù)[5]。

1.2 傳熱試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)樣件及裝置

傳熱試驗(yàn)按照ASTM C1061[6]進(jìn)行，測(cè)定保溫層樣件在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。試驗(yàn)樣件型式為T型接頭，由2件900mm×900mm和1件1800mm×900mm拼接組成長(zhǎng)1800mm×寬1800mm的樣件。樣件分別有不同厚度，包括85mm、100mm、115mm、155mm、180mm、200mm、215mm和240mm。