基于不同功率的非能動安全殼熱量導出系統(tǒng)實驗研究

李麗娟，于沛，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(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 哈爾濱工程大學 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

非能動安全殼熱量導出系統(tǒng) （ passive containment heat removal system, PCS）在安全殼外設置換熱水箱，通過管道連接布置在安全殼內(nèi)的換熱器組。安全殼內(nèi)水蒸汽在換熱器上冷凝、混合氣體與換熱器之間對流和輻射換熱，通過合理的管道布置利用水的溫度差產(chǎn)生的密度差實現(xiàn)非能動安全殼熱量導出[1?4]。“華龍一號”壓水堆在設計基準事故下使用專設安噴系統(tǒng)導出安全殼熱量，發(fā)生全廠斷電或安噴系統(tǒng)喪失時PCS 系統(tǒng)（ACP1000 passive containment heat removal system,ACP1000PCS）自動投入運行，利用自然循環(huán)實現(xiàn)安全殼的長期排熱[5?8]。“玲龍一號”模塊式小型壓水堆非能動安全殼熱量導出系統(tǒng)（ACP100 passive containment heat removal system, ACP100PCS）確保安全殼及其內(nèi)部環(huán)境在設計基準事故或嚴重事故狀態(tài)下仍能得到有效的冷卻，防止安全殼發(fā)生超溫、超壓的危險[9?10]。對于非能動系統(tǒng)，需要在理論分析、數(shù)值計算基礎上開展實驗研究和驗證[11]。

1 ACP1000PCS 系統(tǒng)實驗研究

在完成了ACP1000PCS 系統(tǒng)方案論證、單一傳熱管實驗研究，以及換熱器、汽水分離器和蒸汽排放裝置研制的基礎上，開展ACP1000PCS 系統(tǒng)性能綜合實驗。建造了全高度、全壓力PCS 系統(tǒng)性能綜合實驗裝置，模擬實際運行參數(shù)，考核PCS 系統(tǒng)的排熱能力、穩(wěn)態(tài)運行特性和瞬態(tài)響應特性；檢驗系統(tǒng)設備的性能；獲取足夠的實驗數(shù)據(jù)以驗證PCS 系統(tǒng)熱工分析程序。圖1 為ACP1000PCS 系統(tǒng)性能綜合實驗臺架流程。

圖1 ACP1000PCS 系統(tǒng)實驗臺架流程

本研究開展如下實驗：

1）系統(tǒng)啟動策略實驗：研究冷管段和熱管段上隔離閥的備用狀態(tài)對系統(tǒng)啟動特性的影響。

2）系統(tǒng)驗證工況實驗：研究系統(tǒng)在2 個設計工況的排熱能力和系統(tǒng)運行特性。

3) 非設計工況下的排熱能力和系統(tǒng)運行特性實驗。

4）冷卻水箱水位影響實驗：研究水位對系統(tǒng)運行特性的影響。

5）局部阻力性能實驗：研究系統(tǒng)在不同局部阻力系數(shù)條件下的系統(tǒng)排熱能力和運行特性。

表1 給出了ACP1000PCS 系統(tǒng)性能綜合實驗驗證的2 個設計工況參數(shù)。

表1 ACP1000PCS 系統(tǒng)性能綜合實驗驗證工況參數(shù)

2 ACP100PCS 系統(tǒng)實驗研究

ACP100 PCS 系統(tǒng)綜合實驗裝置在ACP1000 PCS 系統(tǒng)實驗裝置上進行了改造，實驗裝置的主要不同之處有：1）自然循環(huán)回路管路改造；2）在冷凝罐后端增設了冷凝水回收系統(tǒng)，3）在冷卻水箱內(nèi)增設了冷熱流體混合室；4）為整個實驗裝置設置了儀控系統(tǒng)。

圖2 為ACP100PCS 系統(tǒng)性能綜合實驗臺架流程。

圖2 ACP100PCS 系統(tǒng)實驗裝置流程

ACP100 PCS 系統(tǒng)性能綜合驗證實驗的4 個設計工況，如表2。其中3 個為單相自然循環(huán)工況（工況I ～ III），這3 個工況對冷卻水箱的水溫都有各自的要求。因而，除工況IV 因水溫達到常壓下的飽和溫度而無需額外控制之外，ACP100 PCS 系統(tǒng)性能綜合驗證實驗需要對冷卻水箱內(nèi)的水溫進行有效的控制，這是與ACP1000 PCS 系統(tǒng)實驗裝置的一個重要差別。為了方便、經(jīng)濟地控制冷卻水在冷管段入口處的溫度，本實驗采用了直接混合式換熱對冷卻水箱水溫進行控制。如圖2 所示，改造后的冷卻水箱增設了補水管口、溢流管口和冷熱流體混合室。在實驗過程中利用這2 個管口及其相應的管線置換冷卻水箱內(nèi)的一部分冷卻水以達到控制自然循環(huán)回路入口溫度的目的。

表2 ACP100PCS 系統(tǒng)性能綜合實驗驗證工況參數(shù)

實驗研究內(nèi)容包括：

1）系統(tǒng)驗證工況實驗：研究PCS 系統(tǒng)在如表2 所示的4 個設計工況下的系統(tǒng)排熱能力、運行特性等；檢驗內(nèi)部換熱器、汽水分離器和蒸汽排放裝置的性能。

2）系統(tǒng)非驗證工況性能實驗：研究不同混合氣體配比條件下PCS 系統(tǒng)的排熱能力和運行特性，導出換熱器的管外傳熱計算公式。

3）水位影響實驗：研究不同水位條件下PCS系統(tǒng)的排熱能力和運行特性。

4）局部阻力性能實驗：研究PCS 系統(tǒng)在不同局部阻力系數(shù)條件下的系統(tǒng)排熱能力和運行特性。

3 對比與分析

3.1 ACP100PCS 系統(tǒng)與ACP1000PCS 系統(tǒng)對比

表3 全面進行了ACP1000PCS 和ACP100PCS系統(tǒng)的對比分析[12?14]。

表3 ACP1000PCS 系統(tǒng)和ACP100PCS 系統(tǒng)對比

3.2 冷卻水箱水位對PCS 系統(tǒng)排熱能力和自然循環(huán)特性的影響

ACP1000 的實驗發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)的排熱功率超過第I 設計工況設計值時，水箱水位的影響基本上可以不予考慮；當系統(tǒng)的排熱功率在第II 設計工況設計值以下時，隨著水箱內(nèi)水位的下降，系統(tǒng)的排熱功率會有較大幅度的提高，增幅一般能達到40%以上。在低功率條件下（如圖3，殼內(nèi)壓力為0.36 MPa），水位對系統(tǒng)排熱能力的影響與第II 設計工況相似，但幅度更大，系統(tǒng)的排熱功率從初始水位（4 m）的356.3 kW 增至最低水位（0.5 m）的606 kW，增幅達70%，而自然循環(huán)流動則隨著回路出口附近液體閃蒸量和持續(xù)時間的增加而趨于穩(wěn)定，直至形成穩(wěn)定的兩相流動狀態(tài)，其流量上升至約84 t/ h。

圖3 隨水位變化的平均排熱功率和自然循環(huán)流量

在ACP100 第IV 驗證工況實驗（如圖3，G為自然循環(huán)流量，Q為排熱功率，殼內(nèi)壓力為0.302 MPa），冷卻水箱水位對PCS 系統(tǒng)排熱能力和自然循環(huán)特性存在一定的非線性影響。當冷卻水箱內(nèi)的水位在1.1 m 以上時，水位的降低對系統(tǒng)的排熱功率影響不明顯；當水位降至1.1 m 以下后，系統(tǒng)的排熱功率會有較大幅度的提高，達到20%以上。

這是由于當冷卻水箱水位高于1.1 m 時，自然循環(huán)流動始終處于周期性閃蒸驅(qū)動下的單相–兩相流動狀態(tài)，而且，流量大幅波動，兩相流動時的流量峰值為單相流動時的3 倍左右。當冷卻水箱內(nèi)的水位低于1.1 m 之后，自然循環(huán)的排熱能力足以維持穩(wěn)定的閃蒸過程，自然循環(huán)流動由高水位時的單相–兩相的周期性流動過程轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的兩相流動。這一特性對系統(tǒng)的后期運行非常有利。

3.3 PCS 系統(tǒng)局部阻力性能實驗分析

局部阻力的性能實驗通過調(diào)整冷管段和熱管段上冷凝罐隔離閥開度，在自然循環(huán)回路中引入不同程度的額外阻力，如圖4。研究PCS 系統(tǒng)阻力變化對其排熱功率和自然循環(huán)特性的影響規(guī)律。

圖4 ACP1000PCS 實驗閥門局部阻力系數(shù)隨開度變化

隨著閥門開度逐漸減小，閥門前后的壓差DP 和阻力系數(shù)ξ 呈現(xiàn)指數(shù)形式地增大。ACP100PCS系統(tǒng)實驗也是同樣的趨勢。

圖5 顯示了阻力增大對ACP1000PCS 系統(tǒng)排熱功率影響。PCS 局部阻力的增加引起自然循環(huán)流量的降低，它反過來引起內(nèi)部換熱器進出口溫差的增加，這緩解了局部阻力增加對系統(tǒng)排熱功率的不利影響。圖5 中，Q為功率，M為自然循環(huán)流量，ΔT為換熱器進出口的溫差。

圖5 ACP1000PCS 換熱功率與阻力系數(shù)的關(guān)系

ACP1000 項目所有工況均為兩相流動換熱，圖6 顯示的是ACP100 項目早期單相流動換熱工況。不管是單相或兩相流動換熱工況，減小閥門開度引起閥門的局部阻力系數(shù)發(fā)生了大幅的增加，確實引起自然循環(huán)流量的下降，同時，在內(nèi)部換熱器入口溫度保持不變的情況下，內(nèi)部換熱器出口溫度發(fā)生了不同程度的升高。而且，隨著內(nèi)部換熱器出口溫度的升高，自然循環(huán)回路熱管段的溫度均會隨之升高，進而引起熱管段密度的整體降低和自然循環(huán)驅(qū)動力的增加，這從一定程度上緩解了自然循環(huán)流量和排熱功率的下降。也是PCS 系統(tǒng)自然循環(huán)對運行環(huán)境具有自適應性的表現(xiàn)。

圖6 ACP100PCS 局部阻力系數(shù)對應換熱功率

調(diào)整冷管段和熱管段上冷凝罐隔離閥開度得到的趨勢和規(guī)律是一致的，由于閥門內(nèi)流速的差異導致調(diào)整冷管段閥門引起更大的壓降和更大的自然循環(huán)流量降低，這反過來引起內(nèi)部換熱器進出口溫差出現(xiàn)了更大幅度的增加。從流量的角度來說，在流速相對較高的冷管段上進行結(jié)構(gòu)調(diào)整比在流速相對較低的熱管段上進行結(jié)構(gòu)調(diào)整對自然循環(huán)流量的影響將更大一些。這是在進行PCS 系統(tǒng)工程布置設計時應當關(guān)注的地方，也是PCS 系統(tǒng)強化換熱可以考慮的方向。

3.4 PCS 系統(tǒng)備用狀態(tài)比選

PCS 系統(tǒng)備用狀態(tài)選擇2 種策略，見表4。

表4 PCS 系統(tǒng)備用狀態(tài)

圖7 給出了不同策略系統(tǒng)運行的自然循環(huán)流量和功率。從圖7 可見，PCS 系統(tǒng)冷熱管段隔離閥采用雙閥開啟方案或冷管段隔離閥關(guān)閉方案時，PCS 系統(tǒng)均能夠獲得較優(yōu)的啟動性能。采用雙閥開啟的方案時系統(tǒng)啟動過程較為平穩(wěn)。

圖7 ACP1000PCS 系統(tǒng)備用方案1、2 自然循環(huán)流量和功率隨時間的變化

圖8 提取了策略2 投運600 s 內(nèi)自然循環(huán)流量和功率。

圖8 ACP1000PCS 系統(tǒng)備用方案2 自然循環(huán)流量和功率隨時間的變化

從圖7 和圖8 可見，采用冷管段隔離閥關(guān)閉方案，在開閥瞬態(tài)階段發(fā)生急速的流量和功率變化，這是由于發(fā)生了急速的溫度、壓力、流量變化和閃蒸–凝結(jié)過程，會對管路和換熱器造成一定的熱沖擊，還可能在回路出口出現(xiàn)輕微的“汽錘”振動。所以如采用冷管段隔離閥關(guān)閉方案系統(tǒng)應當在換熱器管側(cè)流體出口溫度達到出口壓力下的飽和溫度之前開啟隔離閥[15]。

3.5 優(yōu)化建議

通過分析“華龍一號”與“玲龍一號”非能動安全殼熱量導出系統(tǒng)實驗中的典型現(xiàn)象，對后續(xù)研究和工程設計提出以下優(yōu)化建議：

1）如需要強化換熱可從以下途徑實施：

① 強化換熱器的換熱能力，例如：增大換熱面積、優(yōu)化傳熱管排布方案、適當調(diào)整換熱器傳熱管的傾斜角度、優(yōu)化換熱器傳熱管的長度；

② 適當降低水箱水位；

③ 充分利用水箱驅(qū)動壓頭，采用可消除水箱水位對PCS 自然循環(huán)不利影響的出口排汽裝置；

④ 優(yōu)化水箱與換熱器間的位差；

⑤ 適當增加上升段、下降段管道的管徑，尤其是冷管段。

2） 建議系統(tǒng)的備用狀態(tài)為隔離閥全開。

如果采用冷管段隔離閥關(guān)閉方案，應在換熱器出口設置溫度監(jiān)測，并聯(lián)鎖開啟冷管段隔離閥。

4 結(jié)論

“華龍一號”與“玲龍一號”非能動安全殼熱量導出系統(tǒng)的實驗研究，驗證了系統(tǒng)的導熱能力和設備性能滿足功能要求。

1）隨著水箱內(nèi)水位的下降，系統(tǒng)的排熱功率會有較大幅度的提高。適當降低水箱水位有助于系統(tǒng)換熱能力的優(yōu)化。

2）增加上升段、下降段管道的管徑，尤其是冷管段有利于降低PCS 系統(tǒng)阻力，提高其排熱功率和自然循環(huán)特性

3）建議系統(tǒng)的備用狀態(tài)為隔離閥全開。如果采用冷管段隔離閥關(guān)閉方案，應在換熱器出口設置溫度監(jiān)測，并聯(lián)鎖開啟冷管段隔離閥。