蒸汽發生器主給水管道不同位置斷裂后設備冷卻水系統泵廠房漫流特性分析

陳子佳，陸道綱，趙海琦，梁江濤，張鈺浩,*

蒸汽發生器主給水管道不同位置斷裂后設備冷卻水系統泵廠房漫流特性分析

陳子佳1,2，陸道綱1,2，趙海琦1,2，梁江濤1,2，張鈺浩1,2,*

（1. 華北電力大學核科學與工程學院，北京 102206；2. 非能動核能安全技術北京市重點實驗室，北京 102206）

核電廠蒸汽發生器主給水管道橫跨設備冷卻水系統（CCS）泵廠房，其中布置有柴油機、泵等重要設備。在CCS泵廠房發生蒸汽發生器主給水管道雙端破裂事故工況下，需保證布置在CCS泵廠房內的CCS泵組不會因為水淹而造成失效，因此，需要對該漫流特性進行評價分析。已有研究大多關注管道破裂后流體高速噴射行為，而較少研究噴射流體在CCS泵廠房中漫流積淀情況，同時由于設備冷卻水系統泵廠房空間尺寸巨大、結構復雜，很難開展原型尺寸實驗研究。因此分別對破管位置位于CCS泵廠房5.334 m層空間和CCS泵廠房11墻與近核島側防甩墻之間的壓力隔間兩類事故場景分別進行三維數值計算。模擬結果表明：在蒸汽發生器雙端斷裂觸發跳泵事故下，泄放水流量在11 s內即迅速下降，破口位置處于5.334 m層空間和壓力隔間兩類條件下均不會淹沒CCS泵防水臺，不影響CCS泵的正常運行。破口位于5.334 m層空間位置時設計預留開孔能有效排出漫流的泄放水；破口位于壓力隔間內時設計的鋼格柵也能有效排出漫流的泄放水。本研究為CCS泵廠房空間設備冷卻水系統泵廠房防水淹策略優化設計提供重要數值參考。

AP1000；VOF模型；漫流特性；防水淹；數值模擬

AP1000核電廠的常規島汽輪機廠房中的第一軸和第二軸間的結構稱為常規島CCS泵廠房，CCS泵廠房緊緊挨著核電廠核島部分的輔助廠房、附屬廠房和汽輪機廠房大廳，是連接核島和常規島的重要廠房。其中布置的設備冷卻水系統（CCS）驅動泵[1]能夠確保在事故工況下為安全系統提供冷卻水以防止堆芯燒毀。然而蒸汽發生器主給水管道在CCS泵廠房區域空間（以下簡稱“5.334 m層空間”）或CCS泵廠房11墻與近核島側防甩墻間的壓力隔間（以下簡稱“壓力隔間”）發生雙端斷裂情況下，噴放的冷卻水大量在CCS泵廠房內累積，造成水位升高并可能超過設備防水臺高度，可能對CCS泵廠房內設備冷卻水系統泵廠房中的關鍵設備CCS泵等造成損壞，因此需要對事故工況下泄放水漫流積淀過程進行研究。由于該空間體積巨大、且結構十分復雜，幾乎無法開展實驗研究，所以十分必要開展該泄放漫流過程三維數值模擬研究，從而為CCS泵廠房防水淹設計提供參考。因此，本文基于FLUENT軟件，采用VOF模型[2,3]對AP1000核電廠CCS泵廠房在蒸汽發生器給水管道不同位置處發生雙端斷裂的情況下進行漫流及防水淹數值計算。

VOF（Volume of Fluid）模型是Hirt等[4]提出的適合于2種或多種互不穿透流體間界面追蹤的計算方法，張光碧等[5]運用VOF模型對大渡河與楠椏河交匯處的護堤工程區及其影響范圍進行了計算分析；薛承文等[6]利用FLUENT軟件VOF模型求解了帶自由液面二維水流流動問題；關大瑋等[7]曾用RNG數學模型與VOF模型相結合的方法，對溢流壩泄流流場進行數值模擬。柯炳正等[8]利用FLUNET開展泄放水噴放數值計算，并對其進行驗證。但是目前對AP1000核電廠設備CCS泵廠房內泄洪的相關數值模擬研究幾乎沒有。

因此本文運用FLUENT軟件對蒸汽發生器主給水管道CCS泵廠房5.334 m層空間及壓力隔間發生雙端斷裂情況下進行數值模擬計算，模擬其漫流積淀情況，分析在0 m層設計鋼格柵將漫流水引出的泄洪途經的合理性，并與蒸汽發生器主給水管道在5.334 m層空間內發生雙端斷裂情況進行對比研究，進而對CCS泵廠房防水淹策略進行評價及優化。

1　三維模型建立與網格劃分

AP1000核電廠CCS泵廠房[9]寬約12.3 m，長約 60 m，自下而上分別為：-3.8 m層接中轉地坑；0 m層，布置CCS泵和熱交換器；5.334 m層，蒸汽發生器主蒸汽管道與主給水管道從該層通過。模型按照1:1原型尺寸進行建模，由于局部結構復雜，在建模過程中對局部結構進行了適當保守的簡化，其簡化原則為：模型能夠準確獲取第一跨空間內泄放水關鍵動態漫流過程，且漫流計算受到局部細節結構的影響盡量小。例如：

（1）兩臺CCS泵的外形結構復雜，其精準模擬對于研究水在泵廠房大空間內的泄放漫流過程影響很小，而局部詳細反而會大量增加網格劃分數量。因此建模時將其外形結構簡化為長方體，保留其大致外形尺寸結構及下部防水臺。

（2）CCS泵廠房中無流體流經的設施僅保留其外部特征，而對其內部進行簡化。

其他細節的簡化均按上述原則進行，對水動態漫流過程影響很小。

CCS泵廠房整體模型簡化圖如圖1所示。

圖1　CCS泵廠房整體模型圖

采用ICEM軟件劃分結構網格，選取約300萬、600萬、1 200萬網格在關鍵位置處水體積份額進行敏感性分析。選取5 s時刻CCS泵廠房中噴放出口處關鍵監測線處水的體積份額作對比曲線，其監測位置為=19.15 m，=7.618 m，=5.334～10.74 m，其結果如圖2（a）～（b）。根據三種不同數量網格計算結果的比較，以1 200萬網格為基準做定量分析圖（b）可以發現，600萬網格與1 200萬網格的絕對誤差要小于300萬網格與1 200萬網格的絕對誤差，考慮計算精度與計算效率因素，最終選用600萬網格開展后續瞬態數值計算，600萬網格示意圖如圖2（c）所示。

圖2　網格劃分及敏感性分析

2　CCS泵廠房三維數值計算模型

2.1　VOF模型

VOF方法通常用來求解帶有自由液面的復雜三維流動計算問題[10,11]，該方法通過求解動量方程和連續性方程模擬兩種及以上不相混雜的流體運動并追蹤每種流體所占體積份額，并設置一種流體為主流態，其余流體流動設為輔流態[12,13]。模型對每一種流體引入其體積分數，并根據其每一控制單元的體積分數確定相同截面。

式中：——時間；

2.2　湍流模型

連續方程：

動量方程：

式中：——壓力；

——界面曲率。

式中：——壓力；

——界面曲率。

式中：——壓力；

——界面曲率。

2.3　邊界條件

根據在CCS泵廠房中不同破口位置使用Flownex軟件建立二回路汽水系統模型，基于系統動態分析結果，給出本三維數值計算入口邊界條件：

（1） 5.334 m層空間內持續泄放分析（工況一）：模型入口位于蒸汽發生器主給水管道橫穿5.334 m層空間處，模擬在5.334 m層空間中蒸汽發生器主給水管道雙端斷裂，保守假設泄放水在40 s內持續以正常運行工況下主給水流量943.7 kg/s流入[18]；模型出口在5.334 m層的位于隔間右側的四組預留開孔用于泄放水排出，氣體出口位于CCS泵廠房頂部空間，其詳細位置如圖3所示。

（2）壓力隔間內持續泄放分析（工況二）：模型入口位于5.334 m層CCS泵廠房11墻與近核島側防甩墻間，泄放水直接流入壓力隔間內。保守假設泄放水在40 s內以正常運行工況下的額定給水流量943.7 kg/s持續泄放進入壓力隔間內；模型出口位于-3.8 m層套管直排出口，最終排入地坑內，氣體從5.334 m層頂部排氣孔排出。

圖3　邊界條件示意圖

（3）壓力隔間跳泵工況分析（工況三）：該工況在工況二的基礎上更為真實地模擬實際流動情況。由于主給水管道斷裂，在11 s時二回路除氧器觸發主給水泵跳泵保護，從而停止泄放進水，因此設置入口流量在11 s后迅速降低為0。

以上三種工況是在環境溫度為 20 ℃的情況下進行的。

3　計算結果分析

3.1　5.334 m空間內持續泄放漫流特性分析

工況一模擬研究當一根蒸汽發生器主給水管道發生雙端斷裂，泄放水直接噴放到5.334 m層空間區域內直到到達平衡水位時，這一過程中其漫流水是否會淹沒0 m層放置的CCS泵而導致其功能喪失。

模擬計算結果表明，噴放而出的泄放水從給水管道流出后首先沖擊到5.334 m層的墻壁上，而后在該層累積一定程度后通過5.334 m層的四個預留開孔排出泄放水，其10 s與40 s時泄放水體積分數如圖4所示。

圖4　不同時刻泄放水體積分數圖

為防止漫流水進入0 m層空間淹沒CCS泵影響其正常運行，在5.334 m層設計了兩個擋水沿——擋水沿1阻擋泄放水進入壓力隔間從而進入0 m層；擋水沿2阻擋泄放水進入右側空間。通過模擬分析10 s與40 s時刻擋水沿1與擋水沿2水體積分數對比曲線如圖5所示。在VOF模型中水體積分數大于0.5認為該單元內充滿水，小于0.5則為空氣[19]。

圖5　10 s與40 s內擋水沿1、2附近水體積分數變化圖

通過分析10 s和40 s擋水沿1、2水體積分數可以得出在40 s之內漫流水在5.384 m達到最高，但遠沒有達到最高高度5.734 m（即擋水沿高度0.4 m+層高5.334 m之和）。由于蒸汽發生器主給水管道事故發生最嚴重情況發生在40 s內，且漫流水在該時間內不會淹沒擋水沿從而進入0 m層，與此同時泄放水通過5.334 m層的預留開孔［如圖3（a）標注位置處］流出CCS泵廠房。該工況保守假設噴放40 s后觸發跳泵保護，噴放流量很快降低為0，泄放水不斷從預留開孔處流出，此后水位會持續下降，因此針對該工況下的破口事故的預留開孔設計是合理的。

3.2　壓力隔間內持續泄放漫流特性分析

壓力隔間內持續泄放分析模擬研究當蒸汽發生器一根蒸汽發生器主給水管道發生雙端斷裂泄放水直接噴放到CCS泵廠房11墻與近核島側防甩墻間，泄放水直接噴放進入0 m設備層是否會對CCS泵造成危害。

在蒸汽發生器給水管道破裂后泄放水在慣性和重力的作用下繼續向前以較大的速度撞擊到5.334 m層墻壁上，由于壓力隔間空間尺寸較小且5.334 m層與0 m層間是聯通的，因此泄放水可直接流入0 m層，而后泄放水在0 m層壓力隔間內不斷累積，泄放水累積到一定程度后通過0 m層門洞流入CCS泵所在空間進而在整個0 m層累積。根據反應堆熱工準則和縱深防御原則，在主給水管道破裂后要保證CCS泵180 mm防水臺不被漫流水淹沒，因此在0 m層設計有鋼格柵使漫流水及時排入0 m層下部的管溝中。40 s內漫流水分布如圖6所示，40 s時刻流線圖如圖7所示。

事故發生后5 s時泄放水直接從斷裂的主給水管道破口處噴放而出，在保守假設情況下，由于給水泵并未及時關閉使得泄放水不斷從蒸汽發生器主給水管道破口位置大量流出，撞擊到二層空間墻壁后隨即流入0 m層，由于破口時間較短還未在0 m層累積。

10 s時刻由于泄放水不斷流入CCS泵廠房，水位逐漸在0 m層累積并通過該層兩個門洞流入CCS泵所在空間；20～30 s時刻泄放水逐漸累積并流到CCS泵附近位置；30～40 s隨著泄放水的累積，CCS泵底部有泄放水累積，與此同時部分泄放水通過鋼格柵流入0 m層下層管溝中并在此繼續累積，累積到一定程度后排入底部儲水坑，CCS 泵周圍水體積分數如圖 8所示。

通過前40 s CCS泵附近水體積分數可分析得出，由于CCS泵底部設置了高180 mm的防水臺，而在前40 s時180 mm高度位置處水體積分數僅為0.14，該工況模擬40 s內泄放水持續噴放的非常保守的假設工況，其40 s內CCS泵周圍水位高度如圖9所示。

圖6　不同時刻泄放水體積分數圖

圖7　工況二40 s泄放水流線圖

圖8　工況二CCS泵水體積分數

圖9　工況二CCS泵周圍水位高度

從圖9可以看出，前15 s內CCS泵周圍水位上升緩慢，主要由于泄放水在5.334 m層空間逐漸累積到一定程度后才能流向0 m層空間。15 s后CCS泵周圍水位逐漸升高，同樣由于需要在0 m層空間逐漸累積，因此在20～30 s時間內緩慢上升。累積到一定程度后水位高度逐漸上升，并在36 s時達到最大值74 mm，但是由于預留開孔使得在0 m層堆積的漫流水得以流出，使得水位高度下降。但是總體高度并未超過CCS泵防水臺高度180 mm，因此對CCS泵并未造成危害。

而實際在蒸汽發生器主給水管道發生雙端斷裂情況下主給水泵會及時跳泵（約11 s），因此該工況下入口邊界條件泄放水的噴放流量會隨著時間增長而逐漸減小為0，進而實際情況下40 s時CCS泵周圍水位不會超過180 mm，因此，設置工況三進一步模擬接近真實泄放條件下的漫流工況。

3.3　壓力隔間泄放后跳泵工況分析

工況一與工況二皆是在保守假設最大威脅情況下模擬主蒸汽管道在不同位置處破裂，而工況三在工況二保守模擬基礎上模擬更為真實的實際情況。通過Flownex商業軟件對二回路汽水系統進行總體建模及調試，得到隨著破口持續噴放在11 s時主給水泵流量過大直至過載跳泵。即入口流量前11 s為額定流量，11 s后迅速降低至0 kg/s。

11 s 之前該工況與工況二模擬結果相同，蒸汽發生器給水管道破裂后泄放水在慣性和重力的作用下繼續向前以較大的速度撞擊到5.334 m層墻壁，并在壓力隔間內堆積后流向0 m層空間，如圖5所示。11 s后主給水泵跳泵，破口處無冷卻水繼續流入CCS泵廠房中，11 s前流入CCS泵廠房中的泄放水進而從5.334 m與0 m層空隙處向下流動進入0 m層并通過0 m層的鋼格柵流入下部排水溝，各時刻水體積分數分布如圖10所示。

圖10　工況三不同時刻泄放水體積分數圖

11 s后在無流量注入的情況下冷卻水逐漸流入0 m層空間、堆積并從鋼格柵流入下部管溝，由于無泄放流量，CCS泵廠房0 m層水位逐漸下降，CCS泵周圍水位如圖11所示，從圖中可以看出隨著時間的推移，CCS泵周圍水位在0～30 s內先上升，30 s后水位開始逐漸下降，由于0 m層空間跨度很大，且泄放水量有限，使得該工況下最高水體積分數也并未超過0.2，因此在實際情況下在壓力隔間上方主給水管道發生斷裂時CCS泵也可以保證足夠安全，通過在0 m層設置鋼格柵以泄放漫流水的設計是合理可行的。

圖11　工況三CCS泵附近水體積分數

4　CCS泵廠房泄洪策略分析

本文模擬了AP1000核電廠CCS泵廠房中蒸汽發生器在不同位置發生雙端斷裂的情況，下面將對三種不同工況進行對比，分析不同事故工況對CCS泵的威脅程度。圖12是在40 s時刻時工況一、工況二與工況三CCS泵周圍水體積分數對比。

圖12　工況一、工況二、工況三40 s水體積分數對比

工況一與工況二皆是在假想最嚴重的40 s內連續泄放事故工況下的模擬分析，通過圖12對兩者進行對比可以發現工況一情況即蒸汽發生器主給水管道破口位置位于5.334 m層空間時，由于泄放水僅在5.334 m層堆積并及時通過預留開孔排出，泄放水無法抵達0 m層，CCS泵周圍并無泄放水持續積淀，因此對CCS泵并不構成威脅。

工況二蒸汽發生器給水管道破在壓力隔間情況下，由于CCS泵廠房在該位置處0 m層與5.334 m層直接相通，因此泄放水幾乎無阻擋地流向0 m層，但由于CCS安放位置相對居中且CCS泵廠房0 m層跨度長、面積大，漫流水首先在0 m層低水位流動，并不會直接對CCS泵產生影響，隨著泄放水的積淀和鋼格柵泄放的雙重作用最終使得CCS泵周圍水位維持穩定，圖12中40 s最高水位CCS泵180 mm防水臺水位幾乎為零，因此該工況疏水設計安全。

工況三為最接近實際事故工況下的模擬分析，在工況二基礎上模擬結果可驗證通過在0 m層設計鋼格柵的方法使得蒸汽發生器給水管道破于壓力隔間位置時，由于僅前11 s有泄放流量，此后由于跳泵造成噴放流量迅速降低為0，使得0 m層水位先升高后降低，事故嚴重程度遠低于工況二，CCS泵并無漫流淹沒風險[20]。

5　結論

本文通過工況一模擬蒸汽發生器主給水管道破口位于5.334 m層空間處，通過工況二與工況三分模擬蒸汽發生器主給水管道破口位于壓力隔間處，可以得出以下主要結論：

（1）基于三維數值模擬，獲得了不同破口位置時漫流情況隨時間的動態變化，能夠有效模擬在蒸汽發生器主給水管道發生破口事故后泄放水在設備冷卻水泵廠房內的漫流積淀情況。

（2）工況二：5.334 m層空間內持續泄放與工況三：壓力隔間內持續泄放分析兩種保守工況下，分別通過預留開孔和鋼格柵可以有效地排出廠房中的漫流水，對CCS泵并無安全危害。

（3）工況三：在11 s觸發跳泵的實際工況下，通過在0 m層設計鋼格柵可有效降低0 m層的CCS泵附近水位，滿足瞬時滿流量下的泄放要求，該工況下能夠保證CCS泵安全運行。

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Analysis of the Overflow Characteristics in the Component Cooling Water System Pump Building when the Steam Generator Main Water Supply Pipe Broken at Different Positions

CHEN Zijia1,2，LU Daogang1,2，ZHAO Haiqi1,2，LIANG Jiangtao1,2，ZHANG Yuhao1,2,*

（1. School of Nuclear Science and Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2. Beijing Key Laboratory of Passive Safety Technology for Nuclear Energy，Beijing 102206，China）

The main feed water pipeline of the steam generator in the nuclear power plant stretch across the component cooling water system (CCS) pump building, where some important equipment such as diesel engines and pumps are arranged. Under the double-ended fracture accident of the main feed water pipeline in the CCS pump building, it is necessary to ensure the CCS pumps arranged in the CCS pump building will not loss efficacy due to flooding. However, most of the studies focus on the high-speed jet behavior of the fluid after the pipeline rupture, but less on the accumulation of the jet fluid in the CCS pump building. Moreover, due to the huge size and complex structure of the CCS pump building, experimental study on the prototype size can hardly be carried out. Therefore, three-dimensional numerical calculations were carried out under two types of accidental scenarios, including different pipe broken positions in the 5.334 m floor space and in the pressure compartment between the 11th wall and the anti-throw wall near the nuclear island, respectively. The simulation results show that under the double-ended fracture accident, the sprayed water drops rapidly within 11 seconds, and the broken positions in the 5.334 m floor space and the pressure compartment will not submerge the CCS pump waterproof platforms. Therefore, this accident will not affect the normal operation of the CCS pump set. The results show that the drainage grid can effectively discharge the overflow water when the breach is located in the space of 5.334 m. When the breach is located in the pressure compartment, the designed steel grid can also effectively discharge the overflow water. This study provides an important reference for the optimal design of the waterproof flooding strategy for the CCS pump building.

AP1000；VOF model；Flooding；Waterproof；Numerical simulation

TL48

A

0258-0918（2022）02-0416-11

2021-02-20

陳子佳（1997—），女，河南開封人，碩士研究生，現主要從事反應堆熱工水力學方面研究

張鈺浩，E-mail：zhangyuhao@ncepu.edu.cn