非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)GOTHIC模擬方法

鄭云濤, 孫燕宇, 周藍(lán)宇, 黃樹(shù)亮

(中國(guó)核電工程有限公司, 北京 100840)

非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)(passive containment heat removal system,PCS)[1-3]利用非能動(dòng)的自然驅(qū)動(dòng)力將安全殼內(nèi)的熱量通過(guò)換熱器傳遞至安全殼外的水箱和大氣環(huán)境。PCS投入運(yùn)行后將會(huì)影響安全殼內(nèi)的熱工水力行為,如安全殼內(nèi)大氣流動(dòng)、大氣溫度、大氣壓力及非凝性氣體的分布等;同時(shí),安全殼內(nèi)的大氣環(huán)境條件又會(huì)影響PCS的運(yùn)行和帶熱,PCS與安全殼之間存在強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系。因此,PCS模擬成為近年來(lái)的研究重點(diǎn)[4-5]。

諾貝貝等[6]自主編制了非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的熱工水力分析程序PCCS-C,該程序采用集總參數(shù)法,忽略了傳熱管徑向的溫度變化和水箱內(nèi)的溫度分層,能夠趨勢(shì)性地估算非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的運(yùn)行特性。黃政[7]針對(duì)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(passive containment cooling system,PCCS)建立了一維的均相流自然循環(huán)回路計(jì)算模型,并與單節(jié)點(diǎn)的安全殼計(jì)算模型通過(guò)牛頓迭代法計(jì)算了PCCS和安全殼之間的瞬態(tài)運(yùn)行情況。Bang等[8]利用GOTHIC程序3D模型建立了閉式循環(huán)PCCS計(jì)算模型,計(jì)算結(jié)果表明GOTHIC模型對(duì)PCCS的模擬是合理的。Bang等[9]還利用GOTHIC程序3D模型建立了開(kāi)式循環(huán)PCCS計(jì)算模型,并與閉式循環(huán)PCCS的運(yùn)行特性進(jìn)行了對(duì)比,GOTHIC程序能夠很好地模擬出PCCS的運(yùn)行及與安全殼之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的模擬研究大多采用保守假設(shè)或簡(jiǎn)化模擬的自編程序,缺少對(duì)該系統(tǒng)與安全殼之間的熱工水力現(xiàn)象和運(yùn)行特性的完整模擬研究。

因此,本文以“華龍一號(hào)”安全殼綜合試驗(yàn)裝置為研究對(duì)象,采用GOTHIC 3D模型對(duì)非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的模擬進(jìn)行了研究,獲得了PCS模擬方法,可為PCS的研究設(shè)計(jì)提供輔助分析方法。

1 分析方法與模型

本研究采用多節(jié)點(diǎn)的集總參數(shù)控制體模擬安全殼綜合試驗(yàn)裝置的安全殼部分,采用3D控制體模擬3列PCS的系統(tǒng)回路,節(jié)點(diǎn)劃分示意如圖1所示。PCS計(jì)算模型主要包括下降段管道、換熱器母管、換熱器傳熱管、上升段管道、汽水分離器和換熱水箱。其中,下降段、上升段、換熱器母管和換熱器傳熱管均采用3D控制體的1D模式模擬;汽水分離器和換熱水箱均采用三維網(wǎng)格劃分。各控制體之間的連接采用流道模擬,并且對(duì)于上升段、汽水分離器和換熱水箱之間的流道開(kāi)啟氣體可壓縮模型和液體閃蒸模型[10]。

圖1 PCS 3D模型節(jié)點(diǎn)劃分示意Fig.1 Nodalization of PCS based on 3D model

換熱器傳熱管采用熱構(gòu)件模擬,通過(guò)傳熱管熱構(gòu)件兩側(cè)的控制體將PCS計(jì)算模型與安全殼計(jì)算模型關(guān)聯(lián)成為安全殼綜合試驗(yàn)計(jì)算模型。由于傳熱管管內(nèi)沸騰和管外冷凝同時(shí)存在,本文選擇擴(kuò)散層模型(diffusion layer model,DLM)中的DLM-FM模型[8-12]模擬傳熱管外冷凝現(xiàn)象。該冷凝模型包含了壁面邊界層內(nèi)霧的形成和壁面處水膜湍流強(qiáng)化換熱等特性。傳熱管內(nèi)選擇FILM模型[8-11]模擬沸騰現(xiàn)象。

2 計(jì)算模型的驗(yàn)證

選擇安全殼綜合試驗(yàn)冷卻劑喪失事故(loss of coolant accident,LOCA)試驗(yàn)序列對(duì)PCS計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。安全殼壓力溫度響應(yīng)計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比情況如圖2所示,主要參數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比見(jiàn)表1。從比較結(jié)果可以看出,安全殼壓力峰值和大氣溫度峰值計(jì)算值均與試驗(yàn)值非常接近,長(zhǎng)期平衡階段安全殼壓力偏差均在±3%以內(nèi),其他參數(shù)偏差均在±10%以內(nèi),可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)符合較好。

表1 主要參數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Table 1 Comparison between calculated and experimental values of main parameters

圖2 安全殼壓力溫度響應(yīng)Fig.2 Response of containment pressure and temperature

LOCA試驗(yàn)序列前期階段,PCS換熱水箱的水溫較低,換熱器出入口溫度均低于飽和溫度,系統(tǒng)運(yùn)行處于單相自然循環(huán)階段。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行,PCS換熱水箱出現(xiàn)比較穩(wěn)定的溫度分層現(xiàn)象,如圖3所示。但受汽水分離器的攪混流動(dòng)影響,PCS換熱水箱的溫度梯度逐漸減小至各高度溫度趨于一致,然后達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖3 水箱溫度分層Fig.3 Temperature stratification of water tank

隨著PCS換熱器出口溫度的升高,當(dāng)PCS上升段溫度達(dá)到當(dāng)?shù)貕毫︼柡蜏囟葧r(shí),管內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象(圖4),PCS進(jìn)入兩相自然循環(huán)過(guò)渡階段。閃蒸瞬間相變使管內(nèi)塌陷液位降低、空泡份額增加,從而導(dǎo)致?lián)Q熱水箱和換熱器之間的壓差增加,系統(tǒng)自然循環(huán)流量隨之升高。由于自然循環(huán)流量的迅速升高,換熱水箱內(nèi)溫度相對(duì)較低的水瞬間進(jìn)入換熱器內(nèi),換熱器出口溫度降低,上升段內(nèi)空泡份額也隨之降低,換熱水箱和換熱器之間的壓差則相應(yīng)減小,從而使自然循環(huán)流量降低。同時(shí),閃蒸使流體在上升段內(nèi)迅速膨脹,從而在流道中產(chǎn)生壓降,流道有效損失系數(shù)增加,反過(guò)來(lái)將阻礙自然循環(huán)的流動(dòng)。該過(guò)程在PCS運(yùn)行過(guò)程中重復(fù)出現(xiàn),即閃蒸引起PCS自然循環(huán)流量出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定性[13](圖5),PCS換熱器出口溫度也隨之波動(dòng)(圖6)。當(dāng)換熱水箱溫度達(dá)到飽和溫度后,隨著進(jìn)入安全殼內(nèi)的蒸汽流量達(dá)到穩(wěn)定值,安全殼及PCS的運(yùn)行參數(shù)均平穩(wěn)變化或周期性變化(圖5、6),PCS進(jìn)入兩相自然循環(huán)穩(wěn)定階段。整個(gè)PCS運(yùn)行過(guò)程中,下降段和上升段壓降占比對(duì)比如圖7所示。單相自然循環(huán)階段,下降段壓降占比比上升段高,即下降段流動(dòng)阻力更大;兩相自然循環(huán)階段,由于閃蒸作用,上升段壓降占比比下降段高。

圖4 上升段出口處蒸汽體積份額Fig.4 Outlet steam volume fraction of riser

圖5 PCS自然循環(huán)流量Fig.5 Natural circulation flow rate of PCS

圖6 PCS換熱器出口溫度Fig.6 Outlet temperature of heat exchanger

圖7 下降段和上升段壓降占比Fig.7 Proportion of pressure drop in downcomer and riser

從圖5和圖6中還可以看出,進(jìn)入兩相自然循環(huán)穩(wěn)定階段,雖然3列PCS的自然循環(huán)流量和換熱器出口溫度均出現(xiàn)周期性波動(dòng),但1號(hào)PCS的自然循環(huán)流量比另外2列低,波動(dòng)幅度更大;1號(hào)PCS換熱器出口溫度也比另外2列高,波動(dòng)幅度也更大。這是由于LOCA試驗(yàn)序列中蒸汽源項(xiàng)由靠近1號(hào)PCS側(cè)的隔間噴入,并且1號(hào)PCS的管路布置與2號(hào)和3號(hào)不同,從而導(dǎo)致3列PCS的運(yùn)行情況均存在一定差異。

3 關(guān)鍵參數(shù)影響分析

根據(jù)安全殼綜合試驗(yàn)計(jì)算模型與試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于質(zhì)能釋放位置和管路布置的影響,1號(hào)PCS流量波動(dòng)幅度較大,運(yùn)行穩(wěn)定性低于2號(hào)和3號(hào)PCS;PCS下降段管道阻力較大,不利于系統(tǒng)的自然循環(huán);汽水分離器與換熱水箱之間的流動(dòng)模擬不夠精確,影響換熱水箱溫度分層的穩(wěn)定性等。針對(duì)這些關(guān)鍵部件參數(shù),本文通過(guò)改變質(zhì)能釋放位置、增加下降段管徑和取消汽水分離器進(jìn)一步分析了這些參數(shù)的影響情況。

3.1 質(zhì)能釋放位置

LOCA試驗(yàn)序列中質(zhì)能釋放位置更靠近1號(hào)PCS,為了評(píng)價(jià)質(zhì)能釋放位置對(duì)PCS運(yùn)行的影響,假設(shè)質(zhì)能釋放由安全殼中間位置進(jìn)入,計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8所示。安全殼壓力、大氣溫度與LOCA試驗(yàn)序列驗(yàn)證計(jì)算的幾乎一致,各列PCS自然循環(huán)流量和換熱器出口溫度的波動(dòng)情況也與LOCA試驗(yàn)序列驗(yàn)證計(jì)算的一致。計(jì)算結(jié)果表明,質(zhì)能釋放位置對(duì)各列PCS的運(yùn)行影響很小,各列PCS的運(yùn)行特性更多與其管路幾何布置相關(guān),GOTHIC 3D模型能夠正確反映出幾何布置對(duì)管道的流動(dòng)影響。

圖8 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)安全殼壓力溫度的影響Fig.8 Influence of key parameters on containment pressure and temperature

3.2 下降段管徑

試驗(yàn)裝置中PCS下降段管徑比上升段管徑小,為了評(píng)價(jià)下降段管徑對(duì)PCS運(yùn)行的影響,增加下降段管徑且大于上升段,計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8、9所示。安全殼壓力和大氣溫度的峰值及長(zhǎng)期階段平衡值均降低,PCS自然循環(huán)流量明顯提高。各列PCS自然循環(huán)流量和換熱器出口溫度因閃蒸導(dǎo)致的波動(dòng)幅度均比LOCA試驗(yàn)序列對(duì)比計(jì)算的(圖5)更大,下降段管徑對(duì)各列PCS的運(yùn)行影響顯著。整個(gè)PCS運(yùn)行過(guò)程中,無(wú)論是單相自然循環(huán)階段還是兩相自然循環(huán)階段,下降段壓降占比均比上升段低。與LOCA試驗(yàn)序列對(duì)比計(jì)算結(jié)果(圖7)相比,下降段管徑增加后,下降段流動(dòng)阻力明顯降低,GOTHIC 3D模型能夠合理地模擬出管徑變化后的壓降和因閃蒸引起的流道有效損失系數(shù)變化。

圖9 下降段管徑增加后關(guān)鍵參數(shù)變化Fig.9 The changes of key parameter with the increase of riser diameter

3.3 汽水分離器

汽水分離器與換熱水箱之間的流動(dòng)會(huì)影響到水箱溫度分層和溫度梯度變化,假設(shè)PCS無(wú)汽水分離器,上升段直接與換熱水箱連通,計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8、10所示。安全殼壓力和大氣溫度的峰值及長(zhǎng)期階段平衡值均升高,換熱水箱的溫度梯度減小。各列PCS自然循環(huán)流量和換熱器出口溫度的波動(dòng)幅度也比LOCA試驗(yàn)序列對(duì)比計(jì)算的(圖5、6)更小。特別是進(jìn)入長(zhǎng)期平衡階段后,換熱器出口溫度波動(dòng)非常小,系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定,雖然安全殼壓力和大氣溫度有所升高,但變化幅度不大。由此可以看出,汽水分離器對(duì)安全殼壓力溫度響應(yīng)分析的影響有限。因此,GOTHIC 3D模型對(duì)汽水分離器的簡(jiǎn)化模擬對(duì)于安全分析是適用的。

圖10 無(wú)汽水分離器時(shí)關(guān)鍵參數(shù)變化Fig.10 The changes of key parameter without steam separator

4 結(jié)論

1)采用3D控制體、流道、熱構(gòu)件以及傳熱模型等能夠偏真實(shí)地模擬出PCS的系統(tǒng)回路,其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)符合較好,安全殼壓力偏差均在±3%以內(nèi),其他參數(shù)均在±10%以內(nèi),滿足安全分析要求。

2)基于GOTHIC 3D模型的PCS模擬方法能夠準(zhǔn)確模擬出PCS的重要熱工水力現(xiàn)象、運(yùn)行特性以及安全殼與PCS之間的耦合動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程,如水箱溫度分層、閃蒸現(xiàn)象、自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性等。

3)該方法能夠合理、正確反映出各關(guān)鍵部件參數(shù)的影響情況,如質(zhì)能釋放位置對(duì)PCS的運(yùn)行影響很小,PCS下降段管徑對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行影響明顯,汽水分離器的模擬對(duì)安全殼壓力溫度響應(yīng)分析的影響有限。

本文方法可用于PCS的模擬和分析工作。但該方法對(duì)更廣范圍設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)的適用性、敏感性和不確定性仍需開(kāi)展進(jìn)一步研究。