氮氣穩壓對主泵運行的影響綜述

摘 "要：隨著小型模塊反應堆的發展，氮氣穩壓方式得到廣泛的關注和重視。通過對氮氣穩壓過程中的熱力學分析，發現氮氣穩壓除具有體積小、結構簡單、響應快速等優點外，使用氮氣穩壓的水循環在相等時間內補水泵啟動補水的頻率更小。基于國內外常規泵與核主泵兩相流研究現狀，從氣泡析出、氣泡遷移、氣泡聚集以及對主泵性能影響等方面分析傳統泵兩相流與氮氣穩壓下的主泵兩相流的區別。

關鍵詞：小型模塊堆；氮氣穩壓；主泵；兩相流；熱力學

中圖分類號：TM623 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2024）20-0096-06

Abstract： With the development of small module reactor， nitrogen pressure stabilization has been paid more and more attention. Through the thermodynamic analysis of the process of nitrogen pressure stabilization， it is found that nitrogen pressure stabilization not only has the advantages of small volume， simple structure and fast response， but also has less frequency of starting water supply pump in the same time. Based on the research status of two-phase flow between conventional pump and nuclear main pump at home and abroad， the difference between conventional pump two-phase flow and main pump two-phase flow under stable nitrogen pressure is analyzed from the aspects of bubble precipitation， bubble migration， bubble accumulation and the influence on the performance of main pump.

Keywords： small module reactor; nitrogen pressure stabilization; main pump; two-phase flow; thermodynamics

近年來，小型模塊化反應堆（SMR）得到不斷發展和研制。在SMR的研究中，對反應堆的進一步小型化研究，使SMR可以擁有更廣泛的應用場景，是SMR的重要發展方向之一。小型化的一個研究思路是：使用氮氣穩壓裝置替代體積較大的穩壓器作為一回路的穩壓設備。對于有氮氣穩壓裝置的反應堆一回路，當一回路的系統壓力下降時，由于存在氮氣的穩定器，其上方的氣體因為壓力減小而發生膨脹，并逐步將下方的冷卻劑輸送到一回路系統中進行補水。相反地，當一回路的系統壓力上升時，冷卻劑的補充量也會隨之增大，從而使得穩壓裝置中的氮氣體積被壓縮，以此達到維持系統壓力穩定的效果[1]。

氮氣的化學性質穩定且價格便宜，使用其進行壓力調節時，不會對一回路系統中的設備造成腐蝕。然而，引入氮氣穩壓也可能導致冷卻劑內部溶解某些氮氣，本文將綜合國內外相關研究，探討氮氣穩壓如何影響主泵的運行。

1 "氮氣穩壓過程的熱力學分析

對于含有氮氣穩壓裝置的高溫熱網系統，通常包括核反應堆、換熱器、主泵和氮氣穩壓裝置等設備，系統圖如圖1所示。對于具有氮氣穩壓的高溫熱網系統中，冷卻劑從核反應堆吸收熱量之后流入蒸汽發生器，然后經過熱交換后再通過主泵增壓至核反應堆進行下一個循環。高溫熱網冷卻劑在循環過程中，會由于設備功率變化等原因使系統的壓力變化，并依靠氮氣穩壓完成壓力調節。

在有氮氣穩壓的一回路系統中，主泵的入口與氮氣穩壓裝置的補水管連接，當一回路系統壓力降低時，穩壓裝置通過氣體膨脹實現對一回路系統的補水，從而確保系統壓力維持穩定。氮氣穩壓裝置維持系統穩壓的過程中，能量轉化關系：當氮氣受到壓縮時，系統需要為它做功，這個能量就儲存在了氮氣之中；反之，當氮氣體積膨脹時，氣體中的儲能將在體積膨脹過程中轉化釋放出來，氣體膨脹過程中可將水從穩壓罐中壓入一回路系統中。

當系統運行壓力下降至狀態點1（p1，V1）最小工作壓力時，如圖2所示，補水管開始向該系統注水，在此過程中，系統狀態會沿著p-V曲線由狀態點1變化至狀態點2（p2，V2），系統壓縮氮氣儲存能量，這部分能量存儲起來將被用于氮氣膨脹和補水，當到達狀態點2（p2，V2）時，這時系統已經達到了其工作壓力的最大值，補水支路終止運行。

運行過程中，一回路系統運行壓力和穩壓罐氮氣壓力必須保持在一定壓力范圍之內，即為圖2中狀態點1至狀態點2之間的范圍。狀態點1受壓轉變成狀態點2的過程中，需壓縮氮氣做功，將能量在穩壓罐中儲存起來；狀態點2膨脹回到狀態點1時，膨脹過程中儲存在壓縮氮氣中的能量對外釋放，將穩壓罐下部的水壓進高溫熱網系統中，從而實現系統補水的目的。

狀態點1壓縮轉變成狀態點2的過程是一個等溫過程，在此過程中氮氣的能量變化為

式中：“-”代表了氮氣受壓儲存能力，p指壓力，V指體積，下標1和2對應于狀態點1和狀態點2。氮氣體積膨脹釋放出來的能力也為這個能量值。穩壓罐氮氣在狀態1和狀態2之間轉變的壓縮和膨脹過程，罐內氮氣溫度維持不變，氣體狀態變化是一個等溫過程，可表示為

式中：ΔVN指氮氣體積變化，“-”表示壓縮，VN為初始體積，即整個過程中穩壓罐的最大容量V1，p2為最終壓力。

在高溫系統中，冷卻劑的工作壓力在最大值和最小值之間波動也會導致冷卻劑體積產生一定程度的波動。體積波動可以表示為

式中：“-”表示壓力增加體積減小，KTW為冷卻劑的固定溫度壓縮系數，VW為總體積，Δp為壓力變化量。

在對循環系統進行補水時，有氮氣穩壓工況下每次補充的水量？駐VW+ΔVN，無氮氣穩壓工況下每次補充的水量ΔVW。根據式（5）和式（6），將系統工作壓力的最大值用Pmax表示，可以得到以下結論：在相同變化條件下，對于循環水量為VW的熱網系統，有氮氣穩壓和無氮氣穩壓工況的補水周期之間有著如下關聯

式中：TN為有氮氣穩壓的系統補水周期，TW為無氮氣穩壓的系統補充周期。根據公式（7）可以得知，具有氮氣穩壓的循環系統，其補水周期更長，系統運行時補水頻率更低。

2 "氮氣穩壓對主泵的影響

在使用氮氣穩壓過程中，隨著壓力變化和冷卻劑補充過程，會有一定量的氮氣溶解在冷卻劑中并隨著流體流動進入下游的核主泵，使泵內的流動狀態由純液態進入氣液兩相流的流動狀態，從而引發空化現象。空化可能引起核主泵產生噪聲和振動從而影響冷卻劑的正常輸送。如果核主泵持續處于空化故障模式下工作，主泵軸承、水力部件、電機等關鍵零部件都會增加失效的風險。因此，氮氣穩壓對主泵影響的研究歸根結底是主泵的氣液兩相流的研究。

2.1 "泵兩相流技術研究現狀

國內外對泵兩相流技術的研究始于20世紀80年代初，主要考慮葉輪形狀、安放角、葉頂間隙和泵轉速等結構參數，截面含氣率、兩相速度滑移、氣體的可壓縮性、凝結效應、流體黏性、進口壓力、體積流量和密度變化等介質性能，氣泡產生、氣泡的積聚、氣泡的運輸、氣泡的破碎、氣泡的運動軌跡、氣泡的尺寸、氣泡的形狀和氣液兩項分布等發生機理等因素，采用FLUENT、高速視頻監測技術、高分辨率伽馬射線斷層掃描等技術，建立多種一維、三維的兩相流分析模型，對泵內的兩相流的流動規律以及對泵的性能的影響開展了詳細的研究，重點對兩相流條件下泵的性能預測進行的分析。

自1985年開始，Furuya[2]對于雙組份氣體-液體的混合物已經展開了深入研究和實驗驗證工作，主要是在考慮泵水力部件的幾何參數、介質含氣率、氣液兩相速度滑移等因素，采用不可壓縮一維兩相流體模型，然后又考慮了氣體的凝結和可壓特性，眾多學者在研究工作中參考了該模型。但是這種模型并未考慮流體的黏性導致的水力損失，得到的僅是理論揚程，在實際應用中具有一定的局限性。Minemura等[3]提出了一種“泡沫”型態的三維模型來研究泵內的氣液兩相流，并使用有限元作為分析工具去求解液相速度場，通過對氣泡運動微分方程積分求解，得出了流場內的含氣量及氣泡運動規律。但在該模型中，氣泡群的跟蹤計算周期長，適用于含氣量較小的計算模型。Minemura等[4]提出了一種基于固定氣泡的泡狀流動計算模型，在該模型中，將雙相流中積聚和吸附在葉輪邊緣的氣泡作為新的計算邊界進行分析，但分析結果不夠精確。Akinori等[5]首先通過試驗方法得出，采用開式葉輪、調整葉輪出口安放角、開設葉輪回流孔等方式，可提高主泵輸送兩相流的能力，并對上述各種改善方式進行了定性分析。Sato等[6]采用5個不同葉片入口角和出口角的離心泵葉輪進行了試驗研究，通過試驗發現，在低含氣率、入口和出口角較大的葉輪中，氣泡更容易積聚造成揚程突降；在高含氣率時，入口和出口角度越大揚程越大。Kim等[7]使用離心泵葉輪在不同葉頂間隙條件下開展了單相與氣液兩相流體輸送試驗，采用可視化手段觀察了不同含氣條件下兩相流中的氣泡變化規律，發現了開式離心泵葉輪可提高離心泵的兩相流輸送性能。Minemura等[8]在Frurya模型基礎上，增加考慮了氣體可壓縮性和流體黏性，針對葉輪出口位置的流道截面突增、出口角傾斜、兩相均勻混合等因素，采用離心泵模型開展了兩相流分析計算，計算結果與試驗結果相一致，該計算方法促進了一維葉輪計算方法的發展。Poullikkas等[9]利用高速攝影技術對主泵在失水事故工況中的內部流動規律進行了研究，得出了不同流量時主泵內的氣泡分布規律，促進了主泵基于控制容積法的研究模型的發展。

國內泵設備氣液兩相流的研究始于1995年，王旱祥等[10]基于流道流體為無黏性定常流和單個氣泡的假設，限定了流動過程中僅氣泡大小可發生改變但氣泡形狀不允許發生改變，在離心泵葉輪中分析了氣液兩相流的流動狀態，發現了葉輪流道內部和出口的氣液兩相均存在相對滑動和分離的現象，得出了葉輪結構和工況參數與氣液兩相的相對滑動系數的關系式。黃思等[11]基于無黏性流體和氣相為完全氣體的假設，提出了一種三維計算模型，對一種軸流泵的氣液兩相流輸送進行了計算分析，發現了在介質流動的橫向截面上壓力梯度較大，易產生兩相分離。但此計算模型被認為接近于單相流模型，需進一步考慮氣液兩相流真實環境條件。Wu等[12]利用k-e紊流模型分析了兩相流在葉輪內的流動規律，同時對汽油兩相流和單相液油的流動規律進行比較，發現在兩相流工況時葉輪出口壓力有所降低且壓力分布不均，但葉輪內的流體速度、壓力分布在該分析比較中未得出。班耀濤等[13]基于氣泡不變形、氣體可壓縮液體不可壓縮、介質無黏性、氣液相間存在滑移、氣液相間無傳質和傳熱等假設的基礎上，提出了可以考慮徑向流道截面變化的軸流泵多相流動的性能預測模型，進行了油氣多相流軸流泵的性能預測分析，通過對比分析和試驗結果，低含氣率相比于高含氣率時分析結果較準確。這說明在兩相流中介質中含氣率高時，介質的流動規律更復雜，需進一步模擬真實流動條件改善計算模型。黃思等[14]在已有氣泡的泡狀流模型基礎上，增加考慮氣泡在液體中的阻力、流場壓差、液體慣性力等影響氣泡遷移的因素，優化了氣泡運動方程求解，提出了一種適用于兩相流葉片泵的數值分析方法。盧金鈴等[15]采用歐拉模型，對兩相流在離心泵葉輪內部的三維黏性流動規律進行了研究，發現在葉輪邊緣含氣率較低，輪蓋側吸力面邊緣處氣泡會通過凝結而導致含氣率較高，當增大進氣率時，水力部件流道內的壓力降低，泵的揚程下降。金玉珍等[16]在幾條假設的基礎上，基于一維控制模型，應用歐拉公式研究了高揚程小流量離心泵的雙相流計算方法，對比了計算分析結果和試驗驗證結果。余志毅等[17]基于雙相流模型構建了離心泵雙相流三維湍流流動的模型和分析方法。附加質量力和阻力作為相間作用力以及含氣率波動導致的附加源項均為該模型的考慮因素，得出了一種關于雙相流的修正算法，采用改進模型分析了離心泵在不同含氣率時葉輪內部的流場，試驗結果與計算結果一致性較高，表明了計算模型的準確性。余志毅等[18]基于RANS和已有雙相流計算模型，采用SIMPLEC算法，對離心泵輸送兩相流的湍流流場進行了計算分析，也開展了試驗驗證工作，結果表明葉輪在徑向尺寸差較小時能有效降低氣堵的產生；葉輪入口背面的低壓區容易導致氣體積聚，有必要優化葉輪進口的結構設計。黃思等[19]利用FLUENT采用歐拉方法分析了雙相流軸流泵的流場，分析了泵葉輪內部流體速度、壓力分布、氣液兩相滑移等內容，研究了泵流道內部兩相流的流動規律。結果表明：介質因受葉輪旋轉的離心力作用，兩相流中的液相流動區域主要集中在葉輪外緣，而氣相的流動區域主要集中在輪轂附近；兩相流在導葉內的分離情況有明顯改善。通過對比試驗驗證結果和計算分析結果，驗證了計算方法的有效性。謝鵬等[20]提出了低轉速離心泵的設計方法，研制了由誘導輪、離心葉輪、旋渦泵葉輪等組成的組合式離心旋渦泵，并開展了氣液混輸狀態下的空化性能試驗研究，以清水作為試驗對照，研究了兩相流流量和兩相流介質含氣率2個重要因素對空化性能的影響，結果表明：泵在兩相流輸送時空化性能陡降，隨著含氣量的增加，空化性能下降越明顯。李咪等[21]通過采用FLUENT軟件模擬了泵內部的兩相流場，研究了旋渦泵內的氣液泡輸送性能。分析結果初步得出了旋渦泵內部的兩相流的流動規律，主要是泵葉片根部為氣泡主要集中區，含氣率越高氣泡聚集程度越高。李雪琴等[22]基于分形理論，通過建立隨機分析模型，得出了泵兩相流的生成過程，研究了兩相流流動規律與隨機變量之間的關系，隨機變量包括分形面積、級數、維數受兩相流氣相和液相分布特征、氣泡尺寸變化范圍、流道截面含氣量等，研究得出：分形和維數越大則泵內兩相流中混有越多的大尺寸氣泡，分形截面含氣率越高則氣泡幾何尺寸越均勻，分形級數越大則兩相流中氣泡占比越大。張人會等[23]采用數值分析的方法對泵內部的非穩態氣液兩相流進行研究，形成了兩相流分界面處氣液變化規律，并探究了氣液兩相流分界面與泵外特性的關系。李紅等[24]用高速攝影系統對自吸泵的水力部件試驗系統進行觀測，開展了氣液兩相流可視化的研究。李貴東等[25]通過數值模擬的方法，開展了離心泵的內部流場分析計算，研究了泵內部氣液兩相流的流動規律和水力載荷的變化規律。袁建平等[26]使用數值模擬的方法，開展了離心泵在氣液兩相流工況分析，得到了氣液兩相流工況下離心泵的內部流動特性。

2.2 "核主泵兩相流技術研究現狀

核主泵因重要的功能被國內外學者單獨展開研究，基于水泵的研究成果、核主泵的結構以及運行工況等要求，對主泵內部氣液兩相流對主泵的相關影響進行預測，主要表現為水力性能的研究和安全分析。

自1986年開始，Narabayshi等[27]開展了穩態和瞬態條件下的核主泵兩相流研究，利用RRAC計算程序分析了不同轉速、流量、入口壓力和含氣率時的氣液兩相流流場，計算結果與試驗結果較吻合。Lee等[28]基于邊界層理論分析了主泵氣液兩相流，研究了泵葉輪內部的氣液滑移規律，并使用RELAP5程序計算了兩相流條件下的水力性能，程序計算與試驗結果一致性較高，進一步證明了該程序的準確性。Lee等[29]在高壓工況下進行了全流量主泵兩相流試驗，研究了泵入口局部含氣率與泵流量之間的關系，得出了泵進口溫度對主泵性能影響較大的結論。Poullikkas等[30]將泵內兩相流氣液分離、密度、空間尺寸、氣液轉化、可壓縮性等聯系起來，分析了氣液兩相流中氣相存在會造成泵揚程損失，提出了一種主泵失水事故條件下的兩相流水力性能的計算模型。Poullikkas等[9]基于高速攝影技術對主泵失水工況的內部流動規律進行了研究，研究了在失水事故中氣泡流入葉片的遷移過程，得到了高、中、小流量條件下的氣體分布規律。付強等[31]應用開展了主泵兩相流在瞬態流動情況下的模擬分析，重點研究了主泵流道中兩相流的流動不穩定性規律。同年，王秀禮[32]采用CFD計算的方法對核主泵在兩相流中的流動特性開展了計算分析，得到了主泵流量和含氣率對器水力性能的影響規律。Bin等[33]針對ACP100核主泵開展了四象限外特性和氣液兩相降級函數預測，同時采用葉輪歐拉揚程的曲線分布來評估葉輪流道內流向位置和展向位置的液體流動狀況，并引入單位體積熵生成率的方式對葉輪流道內流動損失進行定量分析，最終確認兩相流工況含氣率為70%時揚程的降級程度最大。

3 "結論

通過上述調研，傳統主泵兩相流的研究已經取得一些成果，但與氮氣穩壓下核主泵的兩相流技術研究相比，兩者還存在一定的區別，具體表現為氣泡的產生析出機理、氣泡的遷移、氣泡積聚，以及對泵整體性能的影響，包括水力性能、介質潤滑軸承性能、電機換熱性能等。

從析出的角度來說，傳統主泵兩相流的研究中主要考慮主泵內部發生汽蝕或在入口處混有氣體進入，即由于泵內壓力降低至飽和蒸汽壓致使冷卻劑發生汽化，或假定主泵入口處混有不溶解氣體，從而使得主泵內部發生兩相流。而氮氣穩壓下的兩相流是指氮氣在冷卻劑中，由于溶解度變化而導致的析出，其析出涉及氮氣的飽和度、化學勢、臨界體積濃度、臨界尺寸等概念。因此，兩者存在本質的區別。

從遷移積聚的角度來說，傳統主泵兩相流的研究中無論是相變的氣泡還是假定混入的氣泡均是大尺寸的氣泡，而氮氣穩壓條件下析出的氣泡是納米級的微氣泡，兩者尺度上的不同導致其遷移和積聚的機理也不同。

從對泵的影響角度來說，傳統主泵兩相流的研究中，主要針對軸封泵，重點關注發生兩相流后氣泡在葉輪中的分布情況、氣泡在泵腔內的積聚情況以及對主泵水力性能的影響，著重預測不同含氣量對主泵揚程、振動噪聲等性能。而氮氣穩壓條件下的主泵為屏蔽泵，泵腔與電機腔相通，泵腔和電機腔內部溫差較大，會導致氣泡的析出，此外氮氣穩壓下的氣泡為微納氣泡，氣泡的遷移和積聚不僅僅發生在葉輪當中，因此若發生兩相流，不僅對水力性能造成影響，而且對介質潤滑軸承、電機換熱等性能產生影響。

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