冷凝水收集裝置對非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)影響試驗研究

李 偉，孫中寧，高 力，堵樹宏，宿吉強，孟兆明，張 楠，丁 銘

(1.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國核電工程有限公司，北京 100840)

在我國研制的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第3代某先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)中，安全系統(tǒng)的設(shè)計采用了能動與非能動相結(jié)合的技術(shù)路線，其中非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)(PCS)作為重要的非能動安全系統(tǒng)，對確保安全殼在事故工況下仍能得到有效的冷卻，防止安全殼超溫、超壓，對事故后安全殼完整性的保持以及放射性物質(zhì)的包容具有重要意義[1-2]。

安全殼內(nèi)PCS的運行，可能會對事故工況下殼內(nèi)的熱工水力行為產(chǎn)生影響，如安全殼大空間內(nèi)工質(zhì)的流動情況、溫度分層以及不凝性氣體的分布情況等。與此同時，安全殼內(nèi)熱工水力行為又會反過來影響PCS的排熱能力和動態(tài)特性，如安全殼內(nèi)大空間中可能存在的溫度、氣體濃度不均勻性等都可能造成不同系列PCS的運行特性出現(xiàn)差異。這種安全殼內(nèi)熱工水力特性與PCS的耦合行為直接影響到事故工況下安全殼是否會發(fā)生超溫、超壓[3-10]。此外，在工程實際中，PCS附近可能還會布置一些附屬系統(tǒng)及設(shè)備，如用于冷凝水收集的凝水盤、防止飛射物及氫氣爆炸造成換熱管破裂的防護(hù)裝置等。這些設(shè)備的存在是否會對PCS換熱器附近流場、溫度場、濃度場產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響PCS的排熱能力，都需要進(jìn)一步研究確認(rèn)。

目前我國已對AP系列壓水堆核電技術(shù)的研發(fā)建立了一系列驗證性試驗裝置，這些試驗裝置對系統(tǒng)驗證、程序開發(fā)和安全評審發(fā)揮了重要的支撐作用[11-15]。本文以我國研制的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第3代某先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)中建立的安全殼綜合試驗裝置為研究對象，通過試驗考察PCS換熱器下方安裝的冷凝水收集裝置對系統(tǒng)換熱能力的影響。

1 安全殼綜合試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置

安全殼綜合試驗裝置主要包括安全殼模擬體、蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、PCS回路、試驗測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及其他附屬設(shè)施。

安全殼模擬體為一總體積為1 010 m3的全鋼制壓力容器，相關(guān)參數(shù)列于表1。安全殼模擬體自下而上分別由下封頭、隔間區(qū)、直段空間以及上封頭4部分組成，如圖1a所示，分別模擬原型安全殼0 m以下空間、0 m至操作平臺之間的隔間空間、操作平臺以上直段空間和穹頂空間。隔間按六面體簡化布置、噴口布置于不同隔間的不同區(qū)域，如圖1b所示。

表1 安全殼主要模擬參數(shù)Table 1 Main simulated scale parameter of containment

圖1 安全殼模擬體設(shè)計Fig.1 Containment simulator design

蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)主要包括1臺電鍋爐和2臺燃?xì)忮仩t，額定最大供汽流量為9.5 t/h，壓力為1.0 MPa，用來給安全殼模擬體內(nèi)提供試驗需要的飽和蒸汽，模擬事故工況下進(jìn)入安全殼內(nèi)的氣相質(zhì)能釋放源項。PCS回路由換熱器、水箱以及連接兩者的冷熱管路組成。

安全殼模擬體內(nèi)混合氣體空間、PCS水箱和PCS自然循環(huán)回路的各溫度測量點均采用Ⅰ級K型熱電偶進(jìn)行測量，其測量的相對誤差為0.4%。模擬體內(nèi)氣體壓力、水箱氣空間壓力和自然循環(huán)回路測點壓力等參數(shù)均采用相對誤差為0.1%的羅斯蒙特壓力傳感器進(jìn)行測量。自然循環(huán)流量采用0.2級的電磁流量計進(jìn)行測量，其儀表測量的相對誤差為0.2%。

PCS回路主要包括冷卻水箱、安全殼內(nèi)置換熱器以及連接二者的冷熱管段。該系統(tǒng)由冷熱管段內(nèi)的冷卻水密度差提供驅(qū)動力。冷水由冷管段進(jìn)入換熱器后受熱，密度降低，受系統(tǒng)自然循環(huán)驅(qū)動力的作用，流回冷卻水箱。該系統(tǒng)能在無外部提供能源的情況下，將熱量帶出安全殼，使安全殼的壓力和溫度維持在可接受范圍內(nèi)，保障了安全殼的完整性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 PCS簡圖Fig.2 PCS sketch

1.2 數(shù)據(jù)處理

由于PCS內(nèi)部換熱器內(nèi)流體始終為單相水，因此PCS的排熱功率Q可根據(jù)內(nèi)部換熱器進(jìn)出口處流體的焓差進(jìn)行計算：

Q=M(hout-hin)

(1)

式中：Q為PCS排熱功率，kW；M為PCS回路循環(huán)流量，kg/s，直接由PCS回路冷管段的電磁流量計測得；hout、hin分別為內(nèi)部換熱器出口水與進(jìn)口水的比焓，kJ/kg。

PCS內(nèi)部換熱器下方設(shè)置有冷凝水收集裝置，用于收集PCS換熱器的凝水。冷凝水收集率r是衡量冷凝水收集裝置性能的一個重要指標(biāo)，其定義如下：

(2)

式中：W為試驗測得的冷凝水收集量，kg/s；hfg為汽化潛熱，kJ/kg；Q由換熱器進(jìn)出口溫差計算得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷凝水收集裝置影響試驗

冷凝水收集裝置是一中間有縫隙的長方形鐵盤，位于PCS換熱器下方，水蒸氣在換熱器管壁冷凝成水后落入冷凝水收集裝置，匯流入收集口并最終儲存在凝液罐中，如圖3所示。

圖3 PCS回路與凝水盤的相對位置Fig.3 Relative position of PCS circuit and condensate pan

本試驗主要目的是考察冷凝水收集裝置對殼內(nèi)汽流流動的阻擋作用是否會對PCS排熱產(chǎn)生明顯影響。試驗選擇中心噴口進(jìn)行噴放，以便排除噴口位置不均勻性對PCS排熱功率的影響。同時考慮1#、2#、3#PCS換熱器圍繞中心噴口呈均勻布置，并只在1#PCS換熱器下方配置凝水盤，通過對比1#和3#PCS換熱器的排熱功率來考察凝水盤對PCS排熱功率的影響。

殼初始溫度約45 ℃，3列PCS水箱的初始水溫為21 ℃、初始水位為2.23 m。試驗中在殼內(nèi)不同高度、不同周向方向均布有溫度測點，圖4為大殼熱電偶徑向測點分布，圖中的溫度均由大殼同一高度處的熱電偶測得。

圖4 大殼熱電偶徑向測點分布Fig.4 Distribution of radial measuring points of large-shell thermocouple

圖5 2列PCS換熱器周邊的溫度分布Fig.5 Temperature distribution around 2 PCS heat exchangers

安裝凝水盤后換熱器周圍的溫度分布如圖5所示。其中，T1GF3H304、T1GB3H304和T1GJ3H304分別為圖4中1#、2#以及3#PCS換熱器處的溫度。由圖5可見，試驗中1#和3#PCS換熱器周圍的溫度隨時間的變化進(jìn)程基本一致，表明凝水盤的安裝并未對換熱器周圍的溫度分布產(chǎn)生明顯影響，且事故后安全殼空間內(nèi)各處的溫度與蒸汽和其他氣體組分相關(guān)，因此可推測安裝凝水盤對換熱器附近氣體的流動和組分分布幾乎不產(chǎn)生影響，進(jìn)而可得出PCS換熱器換熱功率亦不受明顯影響的結(jié)論。

圖6為1#PCS換熱器和3#PCS換熱器排熱功率的變化情況?？煽闯?，2列PCS換熱器排熱功率的變化進(jìn)程基本一致，且兩者總排熱量相差僅約為3%。這說明冷凝水收集裝置的設(shè)置未對PCS換熱器排熱能力產(chǎn)生明顯影響。

圖6 凝水盤對PCS排熱的影響Fig.6 Effect of condensate tray on heat removal of PCS

分析產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因主要是由于PCS換熱器布置于安全殼上部大空間靠近殼壁的位置，而其附近區(qū)域的大氣環(huán)流主流為自上而下的流動方向，且流速相對較低，基本無強迫對流，如圖7所示。因此，在PCS換熱器下方安裝冷凝水收集裝置對換熱器附近區(qū)域(無論是內(nèi)側(cè)還是外側(cè))的大氣流動尤其是蒸汽在換熱器表面的冷凝作用影響較小，從而對PCS的換熱影響較小。

2.2 凝水收集率試驗

第1次和第2次凝水收集率試驗結(jié)果列于表2。由表2可知，1#、2#與3#凝水盤的凝水收集率分別為65.2%、69.8%和70.2%。

基于試驗觀察和分析，推測凝水盤的實際凝水收集率應(yīng)在90%以上，導(dǎo)致測量值偏低的原因可能如下：1) PCS回路所處的殼內(nèi)主管道上也會有蒸汽凝結(jié)，所產(chǎn)生的凝水只有位于凝水盤上方的部分能落入盤中，還有很大一部分落到凝水盤的外部。2) 由于空氣會在傳熱表面聚集、濃縮，導(dǎo)致PCS換熱器及殼內(nèi)主管道上產(chǎn)生的凝水的溫度會明顯低于大空間主流溫度，存在很大的過冷度。這些凝水在下落和流動過程中會被大空間中的蒸汽再次加熱至接近飽和狀態(tài)，使得相應(yīng)產(chǎn)生的凝水以質(zhì)量較小的小霧滴形式彌散在空間中，大部分都沒有由于重力作用落入位于換熱器正下方的凝水盤中。3) 殼內(nèi)空間存在大量空氣，蒸汽通過冷凝對空氣加熱，這些空氣再以對流的方式將熱量傳遞給PCS換熱器和其他構(gòu)件。在此過程中，所產(chǎn)生的大量小霧滴大部分分散在空間中而未被凝水盤收集。4) 蒸汽并非熱輻射透明體，其與PCS換熱器之間存在輻射換熱，由此會使部分蒸汽凝結(jié)成小霧滴，散落在空間中而沒有被凝水盤所收集。5) 由于存在流動與溫差，空氣和水蒸氣混合氣體也會與換熱器通過對流方式換熱。

以上5項換熱效應(yīng)產(chǎn)生的凝水均未被凝水盤所收集，在計算凝水收集率時，式(1)中的換熱量是PCS的排熱功率，它不僅包含PCS換熱器傳熱管上凝結(jié)蒸汽所釋放出的汽化潛熱，而且包括以上5項的換熱量，這可能是導(dǎo)致凝水收集率測量值偏小的主要原因。

圖7 安全殼內(nèi)大氣流動情況Fig.7 Atmospheric flow in containment

表2 第1、2次凝水收集試驗結(jié)果Table 2 The first and second condensate collection test results

3 結(jié)論

本文利用大型安全殼綜合試驗裝置開展了PCS換熱器冷凝水收集裝置對PCS排熱影響及收集率試驗。結(jié)果表明：在本文的研究工況范圍內(nèi)，換熱器下方安裝冷凝水收集裝置的情況下，1#PCS和3#PCS換熱器排熱功率的變化進(jìn)程基本一致，冷凝水收集裝置對PCS換熱器的換熱能力沒有明顯的不利影響，且兩者總排熱量相差僅約3%。各冷凝水收集裝置的凝水收集率近乎相等，約為70%，考慮到PCS運行過程中無法有效收集的冷凝水量，修正后的實際冷凝水收集裝置凝水收集率可達(dá)90%以上。在PCS下方設(shè)置合理形式的冷凝水收集裝置，不僅不會影響PCS排熱功能，而且還能有效地利用PCS運行過程中換熱器表面產(chǎn)生的冷凝水，通過收集管路送至其他非能動系統(tǒng)，從而提高三代先進(jìn)核電廠的非能動自治時間。