安注箱氮气对IRWST注射工况的影响分析

郭东海

摘要

本文主要分析安注箱排空后，其内部氮气注射对IRWST注射管路的影响。文章采用三维两相流瞬态分析方法（VOF）对安注箱注入后氮气流动的情况进行了仿真。分析表明以往布置下，安注流体无法完全排出管内气体，但通过工程改进，可有效消除气栓影响，消除了工程风险，本文将对以上现象进行详细分析。

关键词：两相流；高点集气；数值模拟

The influence of gas injection after accumulator actuation is analyzed in this article. 3-D VOF transient analysis model and 2-D Flowmaster steady state model is chosen to simulate this phenomenon. The result shows that preliminary layout cant avoid gas during LOCA condition， and the recent design will eliminate the accumulation the gas at high point of the pipe during large LOCA.

KEY WORDS： two-phase gas accumulation numerical simulation

1.前言

在AP1000型非能动核电厂中，非能动堆芯冷却系统（PXS）作为非能动专设安全设施的重要组成部分，承担了控制反应性、导出堆芯衰变热以及保证一回路水装量的重要功能。PXS系统包含了安注箱（ACC）、堆芯补水箱（CMT）、安全壳内置式换料水箱（IRWST）和非能动余热排出热交换器（PRHR）等重要设备。其中ACC、CMT和IRWST在事故后，都是通过压力容器直接注入管嘴（DVI）将内部的冷却水注入到堆芯。

LOCA事件后，CMT、ACC和IRWST的投入運行先后顺序随LOCA尺寸的变化而变化。安注箱内有硼水，并用一定压力的氮气覆盖从而在LOCA事故后提供快速注射。以往的分析中，一般只分析到安注箱排空为止，对于排空后氮气注入后的研究也集中在降温后的氮气注入堆芯对堆芯造成的影响。但是考虑到非能动安全注射的特性，即IRWST重力注射的驱动压头比较有限，设计上后续更改了安注箱管嘴与IRWST管嘴接入到DVI管嘴的顺序，目的是为了避免安注箱氮气进入DVI管道而形成气栓。气栓对流动的影响主要体现在气体无法排出管道后，会造成流体在管道内的实际流动面积小于设计的面积，从而导致实际流量小于设计的流量。因为工程上进行管道阻力计算的时候都是以满流体管道作为研究对象，如果管道内存在气栓，其实际的阻力系数会大于工程上计算得到的阻力，从而导致实际流量无法满足设计要求。

管道布置具体更改见下图：

图1 修改前A系列注射管立体模型 图2 修改前B系列注射管立体模型

更改以后的结构如下所示：

图3 修改后A系列注射管立体模型 图4 修改后B系列注射管立体模型

初步定性分析，修改前的布置中，安注箱注射氮气后会造成IRWST注射管线从爆破阀到与DVI管道相连的三通之间的管道排空，安注箱的氮气会进入到IRWST的管线高点。在小破口情况下，由于IRWST驱动力较小，因此IRWST注射流量较小，小的流量无法冲走气栓而造成管道实际流动直径小于设计输入，从而造成流量低于设计流量的问题。更改设计以后，将安注箱接入口安排在IRWST接入口的下游，并通过初步分析和试验论证了小LOCA中安注箱氮气通过三通后不会因流速过大而逆流回IRWST注射管线。但新的问题是相比小LOCA事故，大LOCA中一回路快速降压后会造成安注箱气体快速进入堆芯，此过程可能会造成气体是否会通过三通反向流回到IRWST注射管线，且气体通过三通的过程后，如发生气水混合，冷的氮气有可能造成三通附近的水体过冷而产生其他影响都需进一步分析，因此本文将针对这些现象进行数值模拟。

2.安注管道内的流体力学分析

分析思路介绍：

首先模拟改动前的流体流动情况。分析工况选取大LOCA情况，流量等于IRWST注射流量。选取IRWST的最大注射流量作为分析的边界条件。如果最大流量不能将管道内的气体排空，那IRWST注射流量降低后更无法将空气排空。即可断定以往的布置无法满足工程设计的需求。

对于新的布置方案，虽然介绍了先期的试验中在小LOCA下不会出现气体通过U形管倒灌回去的情况，即满足了小LOCA情况的要求。但对于大LOCA情况，由于一回路快速降压，当安注箱排空后，安注箱与一回路之间的压差会造成氮气以更快的速度注入堆芯，及该工况下比小LOCA更容易形成气体倒灌。

2.1控制方程

在本模拟中利用VOF方法。使用表面追踪处理来计算气泡尺寸。Navier-Stokes方程用于解决液相区。

液相区流体在直角坐标系中由三维不可压缩Navier-Stokes方程控制：

这里： 表示体积力。在分析中，重力直接为 轴负方向。

2.2改动前B系列管道内流动情况模拟

图5 IRWST到集管的模拟

2.2.1初始条件和边界条件

从立体模型上可以看出，之前布置下，当注射管道被氮气排空以后，爆破阀与注射集管之间的管道也会随着被排空，为了方便假设，将水平管保守假定为空管，从工程上分析，如果全管排空后水头可以将空气顶出管道，那半管排空应该也没有问题。

初始条件：管道为空管。

边界条件：入口速度为3.6m/s，IRWST注射流量来自CAP-PXS-M3C-006，热段大LOCA在初始时刻的流量要求（最大）407.28m3/h。

2.2.2 结果分析

图5 8.2s时管道内的流动情况

从图5可以看到，从三通分叉开始，管道内为空气和水的两相混合状态，从入口进来的水开始将管道内的气体冲出管外，同时也可看直管内的冲排情况好于支管内的冲排情况。

图7 23.4s时刻管道内的流动情况（稳态）

稳态判定准则：入口流量等于出口流量，且管道内段流动情况基本保持稳定。

结果分析：从上述的图中可以看出，当管道内流动达到稳定之后，三通后直管和支管内都为非满管流动。分析原因，主要为安注的流量较小，无法将管道内的气体全部排出。而非满管流动下，流体的阻力要远大于满管流动的阻力（气体占据管道相当于减小了流通面积），但在工程设计上，管道的布置和阻力分析都是按照满管阻力来设计的。因此这将会造成实际的流量小于设计流量而无法满足安注流量的要求，造成严重的后果。

2.3当前布置下B系列管道内流动分析

针对先前布置会产生的问题，对管道接口顺序进行了改进，并针对小LOCA下容易产生的气体无法排出进行了相应的试验分析，证明当前布置在小LOCA下，气体不会从ACC接管返流回到IRWST管嘴而造成排空。但新的布置产生的问题是，大LOCA下，由于气体快速注入，其比小LOCA更容易产生气体逆流到IRWST，而且大LOCA下由于氮氣温度很低（183K），逆流气体在管道内与水之间传热是否会形成结冰也是需要考虑的。且气泡一旦回流到IRWST注射管道以后，随着事故后安全壳内温度的升高，气泡会进一步增大，这也会对事故造成不利的影响，因此有必要对大LOCA后氮气注入的情况进行分析。

图8 修改后的接管示意图

2.3.1初始条件和边界条件

选取大LOCA工况进行仿真，首先通过Flowmaster 软件来计算初始时刻氮气注入的速度，以该条件作为三维联合仿真的边界条件，观察管道内水体流动情况。

工况选取：安注箱在大LOCA后条件，其中安注箱内氮气温度为183K，压力为2.197Mpa。

初始条件：管道内满水，温度为300K，初始速度为0。

边界条件：气体流速98m/s（由Flowmaster计算得到），气体设定为可压缩氮气，气体初始温度为183K。

2.3.2计算结果

图9 Flowmaster对安注箱注射氮气仿真

仿真结果得到当安注箱排空后压力在2.197MPa，一回路压力为0MPa的情况下，管道内流体速度为98m/s。以下将以本计算结果作为边界条件，分析管道接口局部流体现象。

图10 氮气注入过程图示 图11 氮气从管嘴回流示意图

图12 管道内压力示意图 图13 管道内流场示意图

图14 管道内流场示意图

从上图可以看出，气体进入后，会对管嘴连接区域造成较大的冲击，在此过程中，绝大多数的氮气通过管道排出，因此不会对后续IRWST的注射产生不利的影响。此外，从图中还可以看出，低温气体对流体造成的温降较小，大部分流体温度都位于冰点以上，只有在接口处水面附近温度会低于0度，因此低温氮气对冰封的影响不大。

3.结论分析

从以上计算可以看出，先前布置由于安注箱氮气注射会造成IRWST与DVI管嘴相连的管道排空，且安注流量要求的速度不足以将管道内的气体排出管道，这会使管道中实际的阻力系数高于设计的阻力系数，从而导致实际流量小于要求流量，这对于电厂安全是不利的。改进布置后，将安注箱注射管于DVI管嘴的接口布置在IRWST与DVI管嘴接口之后，这样做可保证在LOCA下气体不会进入管道，虽然排出的氮气因扩张会出现低温，但由于气水热交换能力较差，且过程比较短，不会对流体产生大的影响，且安全壳内事故后环境温度也比较高，这部分影响可以忽略。