反應堆艙室屏蔽冷卻水系統換熱性能的數值模擬研究

王英琳 張艷芝 李愛娟

(中核能源科技有限公司,北京)

0 引言

某高溫氣冷堆項目的反應堆艙室的混凝土墻為生物屏蔽層,其不僅能為壓力容器提供支撐,而且可以作為反應堆廠房內工藝房間的輻射屏蔽體[1-2]。但由于壓力容器表面溫度過高,導致保溫層外表面溫度較高,保溫層外表面和混凝土壁面之間存在強烈的輻射換熱,從而導致生物屏蔽層內表面溫度過高,混凝土材料的化學性質和微結構發生變化,同時降低了艙室內電氣儀表運行的可靠性,縮短了使用壽命,所以需要對反應堆艙室進行降溫,該項目設計了大規模水冷管道回路系統來控制反應堆艙室的混凝土溫度[1-2]。

該項目采用預埋冷卻水管的方式來降低混凝土內部的最高溫度和內外的溫差,以防止混凝土溫度裂縫的產生,保證結構的承載力和安全性[3-5]。劉亞瓊對比分析了冷卻水溫度、水管間距等參數對混凝土內溫度場分布的影響[4]。張超等人采用雙循環預埋冷卻管來改善混凝土內部的溫度分布和最大拉應力[6]。占玉林等人考慮了冷卻水的質量流率、初始溫度對混凝土溫度降溫速率的影響[7]。劉聲等人[1]和盛選禹等人[2]針對蒸汽發生器艙室混凝土內埋設的屏蔽冷卻水管采用ABAQUS(通用非線性有限元仿真分析軟件)研究了正常和事故工況下屏蔽層的厚度和外表面溫度對屏蔽層最高溫度的影響,驗證了合理的屏蔽層設計參數可以保證混凝土不超溫。對于高溫氣冷堆,預埋冷卻水管雖然對混凝土的冷卻效果更好,但管道出現破口事故時無法對管道進行檢修,降低了運行的可靠性,所以該項目屏蔽冷卻水管道設置在艙室內,對混凝土壁面進行間接冷卻。

本文采用Fluent建立了反應堆艙室屏蔽冷卻水系統的CFD模型,對比研究穩態事故工況下隨保溫材料導熱系數和保溫層厚度變化籠式和擴展板式管道布置方案的換熱性能,并針對擴展板式管道布置方案,分析了擴展板豎向間距和高度對混凝土壁面最高溫度的影響。

1 數值計算模型

1.1 幾何模型

本文的主要研究對象為反應堆艙室下艙段,其為圍繞反應堆而建的圓環體。混凝土內墻和壓力容器外表面之間布置有保溫層,屏蔽冷卻水管靠近混凝土墻面布置。冷卻水管的規格為DN25,管道與混凝土墻壁的凈距為25 mm。

分別采用籠式和擴展板式2種管道布置方案冷卻混凝土墻壁。籠式管道布置方案沿周向等間距布置80根立管,每隔一根水管為同一列,分為A和B 2列,利用水管內的冷水降低艙室環境溫度,達到間接冷卻艙室壁面的目的。該方案布置簡單,可以根據艙室內復雜的系統布置環境靈活調整管道,且造價便宜,但是換熱面積較小。擴展板式管道布置方案在保持了籠式方案的2列冷卻水管布置的同時,按照一定間距在靠近混凝土墻壁的一側布置了擴展鋼板,并與冷卻水管緊密相貼,增加了冷表面的面積,強化了對流和輻射傳熱,但耗材更多,布置時需要考慮與艙室其他設備和管道的干涉情況來調整擴展板的位置和結構參數,且需要考慮水管與擴展板的安裝和焊接問題。

2種方案均采用Spaceclaim(一款三維實體直接建模軟件)建立三維模型,如圖1所示。

圖1 2種管道布置方案的三維模型

1.2 邊界條件設置

1.2.1管內換熱系數計算

屏蔽冷卻水系統的設計壓力為0.6 MPa,根據設備接口和管道布置情況,設定反應堆艙室下段的支管管徑為DN25。通過計算雷諾數確定冷卻水管中的流動均為湍流流動,選用管內湍流強制對流傳熱關聯式計算管內的對流換熱系數,計算公式如下:

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

(1)

(2)

式(1)、(2)中Nu為努賽爾數;Re為雷諾數;Pr為普朗特數;h為對流換熱系數,W/(m2·K);λ為流體導熱系數,W/(m·K);d為冷卻水管內徑,m。

管道內壁面的邊界條件設置為對流邊界條件,通過計算,管內平均對流換熱系數取1 100 W/(m2·K),流體平均溫度取38 ℃。

1.2.2其他邊界條件設置

保溫層內壁面設為混合對流邊界條件,外部輻射溫度為220 ℃,來流溫度為220 ℃,與空氣的對流換熱系數取20 W/(m2·K)。反應堆艙室混凝土外墻取對流邊界條件,對流換熱系數取5 W/(m2·K),來流溫度取40 ℃。由于三維模型沿圓周方向取18°角進行計算,故模型的2個斷面為周期性邊界條件。保溫層外壁面、管道外壁面和混凝土艙室內壁面均為耦合面。其他壁面為絕熱邊界條件。

1.3 數值求解方法

本文采用穩態模型計算,考慮重力的影響,選用標準K-ε湍流模型,并采用DO輻射模型來計算各個壁面之間的輻射換熱。選擇coupled算法以增強單向流動計算的穩定性,動量方程和能量方程均采用二階迎風格式進行離散。

1.4 網格無關性驗證

本文采用Fluent Meshing進行網格劃分,為了保證計算結果的可靠性和提高計算效率,需要驗證不同網格劃分方案對評價指標的影響程度。分別進行了4種不同網格數量的模擬計算,并采用反應堆艙室內壁面的混凝土表面最高溫度作為評價指標進行了驗證。如圖2所示,當網格數量為638 135 個時,計算結果趨于穩定,表明此網格劃分方案可以保證網格無關性,滿足工程實際計算需求,下文的計算均在此網格劃分方案下開展。

圖2 網格無關性分析

2 計算結果分析

2.1 定性分析

圖3顯示了保溫材料導熱系數為0.1 W/(m·K)、保溫層厚度為200 mm時籠式和擴展板式管道布置方案的艙室混凝土內壁面溫度分布。可以看出,擴展板式管道布置方案能顯著降低混凝土壁面的平均溫度,且艙室頂部的局部高溫面積較小。這是因為通過冷卻水管與擴展板的導熱,后者的表面溫度較低,對夾層空氣進行了冷卻且增加了換熱面積,同時通過保溫層外壁面與擴展板壁面的輻射換熱,冷卻水管可以帶走更多的熱量,使得混凝土表面溫度更低,艙室頂部的局部高溫面積更小。

圖3 不同管道布置方案的艙室混凝土內壁面溫度分布云圖

2.2 保溫材料導熱系數的影響

圖4顯示了保溫層厚度為200 mm、保溫材料導熱系數分別為0.05、0.10、0.15、0.20 W/(m·K)時籠式和擴展板式管道布置方案對應的混凝土壁面的最高溫度。保溫層導熱系數相同時,擴展板式管道布置方案比籠式管道布置方案的混凝土壁面的最高溫度低;隨著保溫層導熱系數的增大,2種布置方案下混凝土最高溫度均升高,且2種方案的混凝土最大溫差增大。當保溫材料的導熱系數從0.05 W/(m·K)增大到0.20 W/(m·K)時,籠式管道布置方案的混凝土壁面最高溫度從59.82 ℃升高到92.65 ℃,升高了54.88%;而擴展板式管道布置方案下的混凝土壁面最高溫度從51.14 ℃升高到74.80℃,升高了46.25%。2種方案的溫差從8.68 ℃增大到17.86 ℃,這是因為隨著保溫層導熱系數的增加,保溫層的保溫效果變差,保溫層外壁面的溫度逐漸升高,夾層內空氣的平均溫度升高,艙室混凝土內壁面的吸熱量增大。根據屏蔽冷卻水系統設計目標,需要保證艙室壁面溫度不超過65 ℃,因此籠式管道布置方案僅在導熱系數為0.05 W/(m·K)時滿足設計要求,而擴展板式管道布置方案可以選擇導熱系數為0.05～0.10 W/(m·K)的保溫材料。

圖4 保溫材料導熱系數對2種管道布置方案混凝土最高溫度的影響

2.3 保溫層厚度的影響

圖5顯示了保溫材料導熱系數為0.1 W/(m·K)、保溫層厚度分別為100、150、200、250、300 mm時2種管道布置方案的混凝土壁面的最高溫度。當保溫層厚度相同時,擴展板式管道布置方案的混凝土壁面最高溫度比籠式管道布置方案低;隨著保溫層厚度的增加,混凝土壁面最高溫度均降低,2種方案的溫差減小。當保溫層厚度從100 mm增加到300 mm時,籠式管道布置方案的混凝土壁面最高溫度從93.12 ℃降低至64.34 ℃,降低了30.90%,而擴展板式管道布置方案的混凝土最高溫度從75.28 ℃降低至54.62 ℃,降低了27.45%。2種方案的溫差從17.83 ℃降低至9.73 ℃,這是因為保溫層厚度的增加可以減少壓力容器側的散熱量,提升了保溫效果,保溫層外壁面的溫度降低,從而降低了夾層內空氣的平均溫度,使得艙室混凝土內壁面的吸熱量降低。根據屏蔽冷卻水系統設計的評價指標,籠式管道布置方案在保溫層厚度為300 mm時不超溫,擴展板式管道布置方案在保溫層厚度200～300 mm范圍內均不超溫。

圖5 保溫層厚度對2種布置方案混凝土壁面最高溫度的影響

2.4 擴展板布置間距和高度的影響

為了探究擴展板的間距和高度對艙室內壁面最高溫度的影響,分別進行了8種設計方案的模擬計算:如圖6a～d(對應方案1～4)所示,艙室的總高度一定,擴展板高度L為1 000 mm,相鄰擴展板的豎向間距D分別為600、1 000、1 667、3 000 mm;如圖6e～h(對應方案5～8)所示,艙室的總高度一定,相鄰擴展板的間距為1 000 mm,擴展板的高度分別取600、1 000、1 667、3 000 mm。擴展板最高處距模型上端面的距離取板間距的一半。

圖6 不同擴展板豎向間距和高度的艙室布置方案(單位:mm)

如圖7所示,當保溫材料導熱系數為0.1 W/(m·K)、保溫層厚度為200 mm時,對于圖6a～d 4種布置方案,隨著擴展板豎向間距從600 mm增加到3 000 mm,艙室內壁面溫度逐漸升高,混凝土壁面最高溫度從56.93 ℃升高到69.07 ℃,升高了21.32%。原因是擴展板表面溫度較低,通過自然對流換熱和輻射換熱可以帶走大量熱量,空間和擴展板高度一定的情況下,擴展板豎向間距增大的同時減少了擴展板的數量,使得夾層內空氣的平均溫度升高,通過冷卻水管帶走的熱量減少;并且擴展板位于保溫層外壁面和混凝土內壁面之間,可以起到對混凝土壁面的遮擋作用,減少了保溫層與混凝土內壁面的輻射換熱量,所以當擴展板豎向間距增大時,增加了二者之間的輻射換熱面積,因此混凝土的最高溫度也就更高。根據屏蔽冷卻水系統設計要求,當板間距設置為600～1 667 mm時,均可以保證混凝土溫度不超標。

圖7 擴展板的間距和高度對混凝土壁面最高溫度的影響

對于圖6e～h 4種布置方案,當保溫層的物性和厚度一定時,擴展板高度從600 mm增加到3 000 mm,混凝土壁面的最高溫度基本保持不變,表明擴展板的高度對評價指標的影響很小。由于事故工況時B列冷卻水管不運行,B列水管外形在艙室內壁面上的投影可以反映高度方向上混凝土墻壁周向上的較高溫度變化,因此采集B1列水管的軸線在艙室內壁面上的投影進行溫度分析。如圖8所示,提高擴展板的高度雖然增加了換熱面積,有助于降低艙室的環境溫度,但是混凝土墻壁的對流換熱系數減小,通過自然對流帶走的熱量減少,在相鄰擴展板之間,墻壁會與保溫層外壁面之間進行強烈的輻射換熱,使墻壁溫度升高,相鄰擴展板之間的混凝土壁面溫度呈現周期性變化,且隨著高度的增加,相鄰擴展板之間的峰值溫度逐漸增大,靠近艙室頂部附近溫度迅速升高,所以最上方的擴展板與艙室頂部的間距與艙室內壁面最高溫度呈現正相關。

圖8 不同擴展板高度下混凝土最高溫度隨艙室高度的變化

3 結論

通過Fluent數值模擬,研究了保溫材料導熱系數、保溫層厚度、擴展板豎向間距和高度對反應堆艙室混凝土壁面最高溫度的影響,得到了以下結論:

1) 選用更小的保溫材料導熱系數,或者增加保溫層的厚度,均有助于降低籠式和擴展板式管道布置方案的反應堆艙室壁面的最高溫度,且對籠式管道布置方案的影響更大。

2) 對于擴展板管道布置方案,當擴展板的高度一定時,增加豎向間距會導致艙室壁面最高溫度值增大。而豎向間距一定時,增加擴展板的高度,對評價指標沒有明顯影響。

3) 本文可以為高溫氣冷堆的反應堆艙室和蒸汽發生器艙室的屏蔽冷卻水系統設計提供必要的數據參考和支持,具有一定的工程實際意義。