非能動安全殼熱量導出系統阻力特性對換熱能力影響研究

王廣飛，于沛，李麗娟，丁銘，孫中寧

1. 中國核電工程有限公司，北京 100840

2. 哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 黑龍江省核動力裝置性能與設備重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

“華龍一號”非能動安全殼熱量導出系統（passive containment heat removal system，PCS）用于在設計擴展工況下導出安全殼內的熱量，將安全殼壓力和溫度降低至可接受的水平，以保持安全殼的完整性。系統采用非能動技術，在沒有操縱員干預的情況下，根據安全殼內的溫度及壓力信號自動投入運行，利用自然循環實現安全殼的長期排熱[1-3]。

在發生反應堆冷卻劑系統破口類事故時，安全殼內的溫度和壓力升高，殼內高溫環境加熱換熱器內的流體，由于換熱水箱布置于安全殼外相對較高位置，并且換熱器和換熱水箱內的流體存在溫度差，實現了換熱回路內流體在重力驅動作用下的循環流動，從而持續導出安全殼內的熱量[4-6]。

由于PCS 采用非能動設計，自然循環驅動力要克服系統流動阻力，因此實際換熱水箱與換熱器之間的高度差、上升及下降管道布置走向對于系統排熱能力尤為關鍵。在實際工程設計中，PCS工程布置設計方案可能會由于各種因素如根據管道力學計算、與其他物項碰撞等而發生調整，由此將導致回路局部或整體阻力改變，進而影響系統排熱能力[7-9]。本研究基于“華龍一號”PCS 工程設計原型，通過模理論化分析方法，建立了按全壓、全高度比例PCS 綜合性能驗證實驗臺架，通過改變模化試驗回路中閥門開度的方法，研究PCS 回路中阻力系數變化對系統排熱能力和系統循環流量的影響，并評價實驗結果的適用范圍[10]，為PCS 的工程設計及施工建造提供指導。

1 實驗回路

PCS 系統設置3 個系列，每個系列中包含了殼外換熱水箱、殼內換熱器、汽水分離器、連接上述設備的上升管道和下降管道以及隔離閥等，具體系統流程如圖1 所示。

圖1 PCS 系統工程方案流程（單列）

圖2給出了PCS 性能綜合驗證實驗裝置的系統實驗回路流程和管路中參數測點的分布情況。

該裝置主要由冷凝罐組件、冷卻水箱組件、自然循環回路、汽-氣供應系統以及實驗測量與數據采集系統5 部分組成[11-15]。冷凝罐組件包括冷凝罐本體及其附屬部件和內部換熱器實驗體。冷凝罐本體為圓柱形容器，設計壓力為1 MPa，自由容積為127 m3；內部換熱器與工程原型尺寸一致。冷卻水箱組件主要包括冷卻水箱本體及其附屬部件、汽水分離器實驗體和蒸汽排放裝置實驗體。自然循環回路是根據PCS 工程布置方案，對其進行模糊理論分析和數值分析確定。汽-氣供應系統包括蒸汽供應系統、壓縮空氣供應系統和氦氣供應系統。實驗測量和數據采集系統主要包括實驗回路不同位置溫度、壓力以及液位等參數的測量及測量數據的采集。

PCS 實驗工況主要考慮冷凝罐內蒸汽-空氣和蒸汽-空氣-氦氣混合氣體在不同溫度、壓力和不同冷管段入口溫度的變化情況：冷凝罐內混合氣體的溫度變化范圍為56～139 ℃，混合氣體壓力變化范圍為0.166～0.534 MPa，氦氣體積分數變化范圍為0～0.2，冷管段入口溫度變化范圍為18～99 ℃。

2 實驗目的及方法

PCS 回路局部阻力性能實驗的主要目的是通過實驗得到不同回路阻力特性下系統的排熱能力，并根據實驗數據分析系統換熱性能對管路或阻力局部變化的敏感程度，為PCS 在工程實施階段可能面臨的布置及其結構的局部調整提供指導依據。

根據循環回路局部阻力特性實驗目的，選取了冷凝罐內壓力0.43 和0.53 MPa 這2 個壓力工況點，每個壓力工況下分別進行了蒸汽-空氣和蒸汽-空氣-氦氣實驗，通過調整實驗回路中冷管段和熱管段上冷凝罐隔離閥（圖2 中的V303M 和V304M）開度，改變回路阻力，在自然循環回路中引入不同程度的額外局部阻力，進而研究PCS 阻力變化對其排熱功率和自然循環特性的影響規律。

3 實驗結果分析

3.1 局部阻力變化情況

圖3給出了混合氣體總壓分別為0.43 和0.53 MPa 工況下電動球閥V304M 局部壓降隨其開度變化的曲線。其中，每組壓力下分別進行了蒸汽-空氣和蒸汽-空氣-氦氣實驗。由圖3 中的曲線可知，當閥門開度β從100%減小至45%時，在混合氣體壓力為0.43 MPa 條件下，流體流過閥門處的壓降最大為6 kPa；且隨著閥門開度的減小，壓降以二次函數的規律增加。在混合氣體壓力為0.53 MPa 工況下，壓降最大為18 kPa，其變化規律與0.43 MPa 壓力工況相似。

圖3 閥門V304M 的壓降隨閥門開度變化曲線

在相同的閥門開度下，隨著混合氣體壓力的增加，流體通過閥門時的局部阻力迅速增加，其主要是由于混合氣體壓力增加時，PCS 自然循環能力增強、排熱功率和循環流量均有所增加所致。例如，在0.43 MPa 下，自然循環流量在50～70 t/h；而在0.53 MPa 下自然循環流量在100～120 t/h。在相同的混合壓力和閥門開度下，蒸汽-空氣與蒸汽-空氣-氦氣工況的參數基本重合。這表明在閥門開度從100%減小至45%時，當混合氣體中不凝氣體的體積分數相同時，不凝氣體的種類（如氦氣或空氣）對內部換熱器管外側的傳熱過程影響較小（2 組壓力工況下存在個別實驗點未能重合的工況，是由于實際實驗過程中混合氣體壓力波動所導致）。

3.2 自然循環特性的變化

隨著閥門開度的減小和系統局部阻力的增加，PCS 自然循環流量特性亦隨之發生了較明顯的變化。如圖4 所示，在混合氣體總壓0.43 MPa工況下，當閥門V304M 的開度從100%減小至45%時，即其局部阻力系數ζ增大至42，PCS 的平均自然循環流量M從67.4 t/h 下降至51.1 t/h，流量減小幅度為24%。在此過程中，內部換熱器入口溫度因冷卻水箱水溫保持在飽和狀態下而并未發生變化，而其出口溫度從110.8 ℃上升至113.3 ℃，因而換熱器進出口溫差ΔTIHX增加了19%。

圖4 自然循環流量、溫度與V304M 阻力系數關系(0.43 MPa)

隨著內部換熱器出口溫度的上升，閃蒸段長度加長，系統自然循環的驅動力也隨之增大，從而也減緩了自然循環排熱功率的降低幅度。如圖5 所示，當局部阻力系數由閥門全開時的0.06增大至42 時，自然循環流量僅降低了24%，再結合換熱器出口溫度Tg的升高，自然循環的排熱功率Q僅下降了12%。通過分析可知：排熱功率的下降一方面是由于回路阻力增加導致自然循環流量下降，從而引起的管內對流傳熱系數k的降低。根據實驗數據計算，在閥門阻力系數由全開時的0.06 增大至45%開度的42 時，總傳熱系數降低了8.7%；另一方面是由于內部換熱器出口溫度的升高，而混合氣體的溫度又基本保持不變，換熱器傳熱溫差的升高對于排熱功率有一定提升。兩方面因素綜合作用導致排熱功率僅小幅降低。

圖5 排熱功率與閥門V304M 阻力系數關系(0.43 MPa)

圖6和圖7 分別為在0.53 MPa 工況下，PCS的自然循環流量、內部換熱器的進出口溫度及溫差以及排熱功率隨閥門阻力系數的變化曲線。由圖7 可知，在閥門阻力系數增加時，系統排熱功率與0.43 MPa 工況下的變化規律基本相同。在該工況下，自然循環流量下降了4.8%，內部換熱器進出口溫度增加2 ℃，而系統排熱功率和總傳熱系數分別下降了3.3%和3.6%。與0.43 MPa 的工況相比，PCS 在0.53 MPa 工況下對系統局部阻力的增加更不敏感。

圖6 自然循環流量、溫度與V304M 阻力系數關系(0.53 MPa)

圖7 排熱功率與閥門V304M 阻力系數關系(0.53 MPa)

由于閥門V303M 開度變化對PCS 自然循環的影響規律與閥門V304M 基本相同，本文對其不再贅述。總之，PCS 回路上局部阻力的增加引起自然循環流量降低，但同時會引起內部換熱器進出口溫差的增加，綜合兩方面變化的影響，局部阻力增加對系統排熱功率的降低影響很小。

4 結論

本文基于“華龍一號”PCS 工程設計原型，建立了PCS 綜合性能驗證實驗裝置，通過改變模化試驗回路中閥門開度的方法，選取0.43 和0.53 MPa這2 個壓力工況，研究回路局部阻力系數變化對于系統排熱能力和系統循環流量的影響，主要結論如下：

1）PCS 內局部阻力的增加將引起自然循環流量的降低，但同時也會引起內部換熱器進出口溫差的增加，因而緩解了局部阻力增加對系統排熱功率的不利影響。

2）在局部阻力系數從0.06 增加至42 時，系統的排熱功率在0.43 和0.53 MPa 壓力工況下分別下降了12%和3.3%，可以認為PCS 換熱能力對局部阻力系數的變化并不敏感。

根據本文實驗結果可知，當回路局部阻力系數在0.06～42 變化時，對系統的排熱能力影響較小，在實驗驗證的阻力系數變化范圍之內，可以指導PCS 系統工程布置設計。