大空間內(nèi)混合氣體遷移及外部冷卻影響試驗(yàn)研究

薛　偉，李　穎，佟立麗，陳　松，潘　楠

大空間內(nèi)混合氣體遷移及外部冷卻影響試驗(yàn)研究

薛偉1，李穎1，佟立麗1，陳松2，潘楠2

（1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；2. 上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233）

核電廠嚴(yán)重事故條件下，外部冷卻對(duì)安全殼內(nèi)混合氣體行為的影響可能帶來額外的氫氣風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)大空間內(nèi)混合氣體遷移行為及外部冷卻的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中采用氦氣來替代氫氣，試驗(yàn)開始階段將一定體積份額的水蒸氣和氦氣混合物注入試驗(yàn)容器。混合氣體在初始動(dòng)量的作用下，向容器上部空間遷移，在空間內(nèi)形成上部氦氣體積濃度高、中下部氦氣體積濃度低的分層現(xiàn)象。當(dāng)混合噴放停止一段時(shí)間后開啟外部冷卻系統(tǒng)，由于外部冷卻帶走熱量使得空間內(nèi)蒸汽產(chǎn)生冷凝，隨著系統(tǒng)溫度和壓力的下降，氦氣體積濃度呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。結(jié)果表明，外部冷卻增強(qiáng)了對(duì)流換熱，使得容器內(nèi)溫度更加均勻，但蒸汽冷凝引起氦氣體積濃度大幅升高。

氫氣風(fēng)險(xiǎn)；外部冷卻；蒸汽冷凝；氣體遷移

氫氣安全是核工業(yè)界一直關(guān)注的重點(diǎn)研究問題，國(guó)際各大研究機(jī)構(gòu)針對(duì)嚴(yán)重事故條件下的氫氣遷移行為研究開展廣泛研究，如TOSQAN[1]、THAI[2]和MISTRA[3]等。福島核事故后，國(guó)家核安全局對(duì)嚴(yán)重事故下氫氣安全問題提出了更高的要求[4]。嚴(yán)重事故緩解措施對(duì)氫氣分布的影響研究值得進(jìn)一步關(guān)注。

外部冷卻是緩解事故后果和保持安全殼完整的有效方法之一[5]，其主要特點(diǎn)是來自高位水箱的水噴淋在鋼制安全殼外壁面形成水膜冷卻，安全殼內(nèi)壁面發(fā)生蒸汽冷凝。Erkan等在PANDA裝置中進(jìn)行了安全殼內(nèi)部噴淋試驗(yàn)，分析了安全殼內(nèi)部噴淋對(duì)系統(tǒng)減壓、氦氣層破裂的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明內(nèi)部噴淋對(duì)混合安全殼內(nèi)氣體環(huán)境和降低安全殼整體壓力非常有效[6]。德國(guó)GRS基于已退役的核電廠安全殼建立了HDR試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)針對(duì)較高和較低位置的破口事故進(jìn)行了模擬。試驗(yàn)結(jié)果表明在自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)力作用下，整個(gè)安全殼內(nèi)熱分層現(xiàn)象并不嚴(yán)重，在對(duì)安全殼進(jìn)行外部噴淋后可以減弱熱分層現(xiàn)象[7,8]。LI[9]等對(duì)外部冷卻對(duì)安全殼大空間內(nèi)混合氣體流動(dòng)的影響進(jìn)行了初步研究。國(guó)內(nèi)研究方面：蔡駿馳[10]進(jìn)行了大空間內(nèi)熱空氣混合與熱分層試驗(yàn)研究，開展了安全殼外包裹保溫層與空氣自然對(duì)流冷卻條件的影響試驗(yàn)。蘇曉煒[11]通過可視化試驗(yàn)臺(tái)架模擬破口噴射引起的安全殼內(nèi)的混合對(duì)流傳熱現(xiàn)象，將可視化裝置置于恒溫水中模擬外部冷卻條件。王曄云[12]以蒸汽為試驗(yàn)介質(zhì)，開展了安全殼內(nèi)熱分層現(xiàn)象和安全殼殼壁傳熱的影響試驗(yàn)。然而，由于噴射溫度不高，蒸汽進(jìn)入安全殼內(nèi)后被快速冷卻，影響了試驗(yàn)結(jié)果。可以看出，國(guó)內(nèi)對(duì)大空間混合氣體行為研究尚不深入，采用的試驗(yàn)介質(zhì)及冷卻方式與實(shí)際相差較大，特別是難以分析蒸汽冷凝和外部冷卻對(duì)混合和熱分層現(xiàn)象的影響。同時(shí)，試驗(yàn)初始噴射溫度偏低，沒有考慮氫氣影響，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)偏少，不能有效反映嚴(yán)重事故下實(shí)際安全殼大空間內(nèi)的混合氣體特性。

本論文采用實(shí)驗(yàn)手段，開展了嚴(yán)重事故工況下混合氣體在大空間內(nèi)的噴放和遷移行為，以及外部冷卻對(duì)氦氣分布影響特性的研究。

1　試驗(yàn)條件

試驗(yàn)裝置本體為一個(gè)鋼制壓力容器，該容器按1:10的幾何比例縮放CAP1400的設(shè)計(jì)。容器的穹頂上方設(shè)有冷卻水源和水分布器，容器周圍有一個(gè)鋼制圓筒，從而形成一個(gè)冷卻環(huán)腔。容器內(nèi)部共設(shè)有80個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，50個(gè)濃度測(cè)點(diǎn)，3個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)裝置和測(cè)點(diǎn)位置具體見文獻(xiàn)[9]。

本文試驗(yàn)?zāi)M了噴口處蒸汽氫氣共同注入的假想嚴(yán)重事故工況條件[13]。通過預(yù)處理獲得試驗(yàn)初始?xì)怏w成分、體積濃度、壓力和溫度條件。首先，注入純蒸汽以加熱整個(gè)容器；然后通過熱空氣吹掃蒸汽直到蒸汽體積濃度達(dá)到一定份額，將容器減壓至常壓；最后，將容器靜置一段時(shí)間使氣體穩(wěn)定。試驗(yàn)工況初始參數(shù)如表1所示。

表1　試驗(yàn)主要參數(shù)

試驗(yàn)過程分為三個(gè)階段：第一階段，以4 g/s的質(zhì)量流量注入蒸汽，以0.5 g/s的質(zhì)量流量注入氦氣，共注入2 400 s，此階段，氦氣預(yù)計(jì)會(huì)遷移至容器上部并形成分層。第二階段，將試驗(yàn)容器靜置5 200 s，以達(dá)到穩(wěn)定的氣體分層狀態(tài)。第三階段，以流量為2 m3/h的冷卻水進(jìn)行外部冷卻，持續(xù)3 600 s。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　熱工水力現(xiàn)象

容器內(nèi)溫度變化如圖1所示，在第一階段開始時(shí)，容器內(nèi)有6 ℃左右的溫度梯度。在第一階段開始時(shí)，由于氦氣和蒸汽注入，溫度稍有上升，然后緩慢下降。在第二階段，由于停止注入，溫度下降明顯，但始終高于飽和溫度。

圖1　容器中心線溫度瞬變

當(dāng)外部冷卻從7 600 s開始時(shí)，內(nèi)部氣體溫度并沒有立即迅速下降，而是略有滯后。這種滯后可以用外部冷卻的過程來解釋。噴淋到穹頂?shù)睦鋮s水沿外壁面形成下落液膜。因此，穹頂和壁面由于其較大的熱容量而形成第一個(gè)熱沉，從而引起內(nèi)部氣體溫度響應(yīng)的滯后。溫度在3 600 s內(nèi)迅速下降了40 ℃左右，溫度分層被外部冷卻引起的對(duì)流和換熱打破，整體上空間內(nèi)的溫度趨于均勻。在第三階段的前600 s，容器內(nèi)部中心線處溫度梯度迅速下降，位于容器上部的IN0201（內(nèi)部第二層第一列測(cè)點(diǎn)）、IN0501的降溫速度遠(yuǎn)快于IN0801。說明在外部冷卻的情況下，由于冷卻水的流動(dòng)方式，容器上部的蒸汽冷凝現(xiàn)象更加劇烈。

容器中部壓力結(jié)果如圖2所示，初始?jí)毫s為100 kPa（a），隨著注入的開始，壓力升高，第一階段結(jié)束時(shí)達(dá)到140 kPa（a）左右。第二階段，容器處于靜置階段，壓力相對(duì)穩(wěn)定。第三階段，由于外部冷卻的投入，容器內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的蒸汽冷凝。3 600 s內(nèi)容器的壓力降低了40 kPa（a），由于降壓機(jī)理主要為蒸汽冷凝，容器內(nèi)的蒸汽濃度是決定壓力瞬變的重要因素。在第三階段結(jié)束時(shí)，容器內(nèi)壓力在100 kPa（a）左右。

圖2　容器中部壓力瞬變

2.2　混合氣體體積濃度

通過氣體濃度測(cè)量系統(tǒng)研究了外部冷卻對(duì)容器內(nèi)氣體分布的影響，容器第一列相對(duì)氦氣和蒸汽的體積濃度如圖3和圖4所示。在注入階段，由于容器上部氦氣體積濃度增長(zhǎng)速率更高，容器內(nèi)建立起了上部氦氣體積濃度較高，中下部氦氣體積濃度較低，水蒸氣體積濃度整體相對(duì)均勻分布。從圖3中可以看出，容器上部富氦區(qū)中氦氣體積濃度約為16%，氦氣濃度梯度主要分為三層，上部（＞4.5 m）、中部（1.5 m＜＜4.5 m）和噴口以下區(qū)域（＜1.5 m）。氦氣分層對(duì)蒸汽體積濃度影響較小。

在靜置過程中，由于氦氣體積濃度擴(kuò)散的影響，容器上部和中部的氦氣體積濃度緩慢降低，而容器噴口以下區(qū)域的氦氣體積濃度相應(yīng)上升，豎直方向的濃度梯度略有降低。隨著外部冷卻開始，在外部冷卻的作用下，容器內(nèi)的蒸汽冷凝，蒸汽體積濃度迅速降低，而氦氣體積濃度受蒸汽體積濃度變化影響而整體升高。為了更好地顯示混合氣體的遷移行為，利用相對(duì)氦氣體積濃度等高線圖來顯示氦氣在容器空間的遷移過程，如圖5所示。

圖3　01列相對(duì)氦氣體積濃度

圖4　01列相對(duì)水蒸氣體積濃度

第一階段，在動(dòng)量和浮力的作用下，氦氣在容器上部積聚。蒸汽體積濃度較均勻，自上而下濃度梯度較小。在=1 000 s，也就是注入的早期，可以觀察到氦氣在容器的上部積聚并沿壁向下擴(kuò)散，如圖5（a）所示。擴(kuò)散發(fā)生在容器上部的富氦層（4.5 m＜），而噴口下部氦氣體積濃度較低。當(dāng)2 400 s注入結(jié)束時(shí)，形成了明顯的氦氣濃度分層，如圖5（b）所示。容器中部有明顯的分層邊界（≈4.5 m）。

圖5　不同時(shí)刻相對(duì)氦氣體積濃度等高線

第三階段，外部冷卻措施投入之后，由于冷卻水溫度較低，其在容器外壁通過對(duì)流換熱和蒸發(fā)不停地導(dǎo)出熱量，使得容器內(nèi)壁溫度低于容器內(nèi)水蒸氣的飽和溫度。水蒸氣在內(nèi)壁發(fā)生冷凝，容器內(nèi)溫度、壓力持續(xù)下降，由于冷凝的發(fā)生水蒸氣體積濃度降低，而氦氣體積濃度則相應(yīng)的升高，如圖5（d）～圖5（e）所示。當(dāng)=9 000 s，即外部冷卻開始后1 400 s，上部氦氣體積濃度增加到20%，中下部氦氣體積濃度趨于均勻，也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

3　結(jié)論

本文開展了大空間內(nèi)混合氣體遷移行為及外部冷卻影響的實(shí)驗(yàn)研究。將氦氣和蒸汽的混合氣體注入一定初始條件的大型試驗(yàn)容器中，模擬事故情景下蒸汽和氫氣的排放。得到如下研究結(jié)論：

（1） 混合氣體在初始動(dòng)量的作用下，向容器上部空間遷移，在空間內(nèi)形成上部氦氣體積濃度高、中下部氦氣體積濃度低的分層現(xiàn)象。

（2） 外部冷卻可以有效地降低安全殼內(nèi)的壓力，增強(qiáng)對(duì)流換熱，但蒸汽冷凝引起氫氣體積濃度整體大幅升高，可能會(huì)增加安全殼內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)。

致謝

本項(xiàng)工作得到了國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2017ZX06002003-002-002），國(guó)家自然科學(xué)基金（11675104）的資助。

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［10］蔡駿馳．大空間內(nèi)混合與熱分層試驗(yàn)研究［D］．華北電力大學(xué)，2015．

［11］蘇曉煒．大空間內(nèi)流體混合與分層現(xiàn)象的模擬實(shí)驗(yàn)及模型計(jì)算［D］．華北電力大學(xué)（北京），2016．

［12］王曄云．小型堆非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究［D］．華北電力大學(xué)（北京），2017．

［13］李京喜，佟立麗，曹學(xué)武．AP1000嚴(yán)重事故下的氫氣源項(xiàng)及消氫措施分析［J］．科技導(dǎo)報(bào)，2012，30（21）：30-33．

Experimental Research on Transport of Mixed Gas in Large Space and Influence of External Cooling

XUE Wei1，LI Ying1，TONG Lili1，CHEN Song2，PAN Nan2

（1. School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2. Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Insitute Co.，Ltd．Shanghai 200233，China）

Under severe accident conditions in nuclear power plants，the influence of external cooling on the behavior of mixed gas in the containment may bring additional hydrogen risks．This paper conducts an experimental study on the transport behavior of mixed gas in a large space and the influence of external cooling．In the test，helium is used to replace hydrogen，and a certain volume fraction of steam and helium mixture is injected into the test vessel at the beginning．Under the effect of the initial momentum，the mixed gas transports to the upper space of the large space，resulting in the stratification of high helium volume concentration in the upper part and low helium volume concentration in the middle and lower parts．When the mixed gas injection stops，the external cooling system is opened after standing for a period of time．With the heat removal by the external cooling system，the steam in the space is condensed．As the decrease of the system temperature and pressure，the helium volume concentration increases rapidly．The results show that the external cooling enhances convective heat transfer，makes the temperature in the space more uniform，but the helium concentration increases greatly due to steam condensation．

Hydrogen risk；External cooling；Steam condensation；Gas transport

TL364

A

0258-0918（2021）06-0657-05

2020-08-14

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2017ZX06002003-002-002），國(guó)家自然科學(xué)基金（11675104）

薛偉（1995—），男，河北館陶縣人，碩士研究生，現(xiàn)主要從事核設(shè)施退役方面研究