自然循环原理在能源动力行业的应用与发展*

张文超 肖 雯 金光远 杜利鹏

(东北电力大学能源与动力工程学院)

随着世界能源需求的增长，能源动力行业中流动换热设备的效率已越来越为人们所关注，提高其效率的关键在于对流动和换热特性机理的深入研究[1～4]，其中自然循环系统的流动与传热特性是研究热点之一。

自然循环是指在闭合系统中仅依靠冷热流体间的密度差和高度差形成的浮升力驱动流体而形成的循环流动[5]。自然循环系统不需要外部动力便可维持流动介质在设备或系统内的流动，具有安全性高、节省能源及系统运行噪音低等优点，在核动力反应堆及锅炉、太阳能加热[6～8]等领域得到了广泛应用。因此对自然循环系统的设计与研究也得到了广泛关注(主要包括对其流动及传热等机理的研究)。然而目前描述自然循环系统在能源动力行业中的应用与研究进展的文献较少。

在此，笔者阐述了自然循环技术在能源动力行业中的应用和研究进展，总结了自然循环原理的研究热点，讨论了自然循环的研究趋势，以期为其进一步研究提供参考。

1 自然循环在能源动力行业中的应用

1.1核电领域

核电对于改善环境压力、缓解能源电力紧张具有重要作用，但如果发生核泄漏事故，其危害也较大，因此核电领域对于反应堆的安全性要求非常高。2011年日本发生的福岛核电事故对包括中国在内的整个核能发电领域产生了巨大的负面影响，其中一个重要的原因是在事故过程中电站失去所有外部电源，无法利用泵等能动方法排出堆芯余热，而非能动余热排出系统排热能力不足，导致热量无法排出，最终造成事故的发生。

从核电的发展历史来看，每次核事故虽然都产生了负面影响，但同时也极大地促进了核电安全标准的提高和核电技术的发展，在福岛核电事故后，核电领域更加强调自然循环等非能动安全技术的应用。笔者以自然循环技术在核反应堆中的典型应用(包括一回路系统、余热排出系统、AP1000非能动安全壳冷却系统和瑞典PIUS堆中的自然循环密度锁系统)为对象进行分析。

1.1.1一回路系统

核电站一回路(图1)是一个自然循环系统，其中反应堆堆芯中流体被加热，是回路热源，放在比较低的位置，较高处的蒸汽发生器冷却一回路流体是回路冷源，如此便在蒸汽发生器与反应堆之间高度差和冷热段密度差的作用下产生自然循环流动，带出堆芯中产生的热量。

图1 压水反应堆一回路系统

在核反应堆中，除了核电站一回路外，核潜艇也充分利用了自然循环原理。外军第五代核潜艇可实现自然循环巡航[9]，俄罗斯研制的新一代核潜艇甚至达到了100%的自然循环能力[10]，即在自然循环模式下，不需要开启主泵就可以满负荷运行，这极大地增强了潜艇的隐身能力。

目前，对于反应堆一回路自然循环系统的研究主要集中在对自然循环流量的相关研究上。郝承明等利用RELAP5软件对一体化反应堆强迫循环转自然循环过程的瞬态特性进行了分析，探讨了反应堆功率、主泵阻力及主泵转动惯量等因素对转换过程瞬态特性的影响规律[11]。宫厚军等同样对一体化反应堆自然循环流量进行了实验和数值分析，研究了不同倾斜角度下的单相自然循环流量特性，得出了不同倾斜角度与流量之间的关系[12]。卢川等分别利用CFD和RELAP5软件对堆芯内的流量分布进行计算，发现反应堆堆芯采用闭式通道和设置提升筒可以提高堆芯内的安全性[13]。谢仁富等提出了一种基于16Nγ噪声监测和相关分析的测量方法，不用插入管道即可实现性能稳定可靠的测量一回路自然循环流量的功能[14]。

1.1.2余热排出系统

非能动余热排出系统(图2)是核反应堆在事故状态下或正常停堆后排出堆芯热量的重要手段，非能动余热排出热交换器放在安全壳内换料水储存箱里，换料水箱作为冷源，其位置高于作为热源的反应堆堆芯，当余热排出系统运行时，堆芯内的水受热密度降低，而换料水箱内的水通过热交换器冷却，通过热交换器和堆芯的高度差和流体的密度差形成自然循环流动，从而带出堆芯的热量，确保反应堆的安全。

图2 非能动余热排出系统

近年来，对非能动余热排出系统的研究主要集中于运行特性分析和余热排出系统中的换热器数值模拟。陈薇等模拟了安全壳内置换料水箱中典型的气液两相自然循环特性，发现C型换热器增加了管外流体流场分布的不均匀性，增加了大容积水池内的自然循环能力，但换热器弯管和水平管的局部区域发生了气泡聚集[15]。宋阳等以管内、外耦合的方法研究了水箱中心管束内和水箱内自然循环的流场和温度场分布，发现水箱内的流体呈现为复杂的螺旋式运动，产生了多处漩涡，强化了换热效果[16]。范书淳等对非能动余热排出系统的瞬态热工水力运行特性进行了分析，发现反应堆发生断电事故后，系统自然循环可以很快建立[17]。Sun L等用C++编制代码对橡树岭实验室设计的10MW熔盐实验堆进行数值模拟，通过对自然循环和传热能力的研究，发现系统能够排出反应堆产生的余热[18]。Min B Y等用VISTA- ITL代码分析了SMART反应堆的余热排出系统在稳态状态下不同尺度功率和自然循环流速的关系[19]。Nitin M等对含有重力驱动水池的非能动余热排出系统建立的自然对流现象进行了三维数值分析，包括传热过程和温度场分布[20]。

1.1.3AP1000非能动安全壳冷却系统

AP1000压水反应堆核电站的安全壳通过钢壳内外的自然循环和自然对流排出堆芯的热量，如图3所示。非能动安全壳系统利用一个钢制安全壳壳体作为传热表面，蒸汽在安全壳内表面冷凝并加热内表面，然后通过导热将热量传递至钢壳体。受热的钢壳体外表面通过对流、辐射及物质传递(水蒸发)等热传递机理，由水和空气冷却。热量以显热和水蒸气的形式通过自然循环的空气带出，如此安全壳内部形成自然对流，安全壳外部形成自然循环，可实现至少3天内不需要操作员的干预。

图3 非能动安全壳冷却系统示意图

由于大容器内容易形成热分层，不利于自然循环流动的形成，因此目前的研究热点主要集中在热分层的研究上。Yu Y等基于热分层理论，针对钢制安全壳内、外的自然循环过程，建立一维计算模型，得到了安全壳内的温度、压力和组分的分布[21]。Cheng X等通过实验和数值分析了严重事故以后复合材料安全壳的空气自然对流和辐射换热特点，发现热辐射明显地加强了热量传递[22]。黄政采用RELAP5和MELCOR结合的方式，计算安全壳和非能动安全壳冷却系统的瞬态响应特性，发现非能动安全壳冷却系统能够在一定时问内有效实现安全壳降温、降压，但长期阶段仍需进行补水降温[23]。黄代顺等利用计算CFD的程序平台CASTEM，开发非能动安全壳冷却系统的冷凝、蒸发模型，模拟了系统在稳态下的传热传质特性[24]。Zhao G Z等利用RELAP5对非能动安全壳外部冷却系统的两相自然循环流动不稳定性进行了分析，发现外部冷却系统有很好的冷却作用，并分析了压力和过冷度对自然循环流量的影响[25]。

1.1.4瑞典PIUS堆中的自然循环密度锁系统

PIUS反应堆中密度锁技术是一种仅依靠密度差分别实现流体自发流动和流动截至的技术，其本质是对自然循环原理的利用，系统原理示意图如图4所示。反应堆正常运行时，由于主冷却剂通道和事故回路通道内的流体密度不同，便会在密度锁内形成一个稳定的分界面，它可以有效阻止两通道内的流体相互搅混，同时能够使高浓度含硼水池与主冷却剂系统始终保持相连。在主泵停转(停堆)时，高含硼水将靠自然循环从水池下部穿过下密度锁，经入口管段进入堆芯，吸取堆芯热量后经升液管达到上密度锁，然后返回水池(图4中虚线)，形成自然循环流动。

图4 自然循环密度锁系统原理示意图

目前，国外许多最新设计的反应堆都将密度锁回路安装在反应堆非能动余热排出系统中。Stefan M在设计的防止堆芯熔化的降压系统中采用了密度锁装置，以确保堆芯的安全[26]。Juhn P E等总结了IAEA对于非能动安全系统的活动，介绍了最新设计的反应堆中应用的密度锁装置[27]。

国内研究则主要集中在密度锁启动条件和分区上。谷海峰等分别对密度锁的正向启动和反向启动特性进行了实验研究，发现不论是何种启动方式，流量均是影响密度锁启动过程的关键因素，并给出了成功实现启动的条件[28,29]。王升飞等分析了流速对密度锁内温度场和分层的影响，并建立了分区模型，将密度锁分为混合区、分层区和恒温区[30]。

除上述系统外还有堆芯补水箱、乏燃料水池及反应堆二回路等设备与系统也应用了自然循环原理，这里不再赘述。

1.2自然循环锅炉

自然循环锅炉(图5)中的流动介质依靠管道中水与水蒸气的密度差在管道中循环，而无需其他动力。给水由省煤器进入汽包与炉水混合后，通过下降管和下联箱进入水冷壁，在水冷壁中吸收炉膛火焰和烟气的热量以达到饱和温度并产生部分蒸汽，而下降管为饱和或欠热水。下联箱左右两侧将产生压力差，推动上升管中的汽水混合物向上流动，进入汽包，并在汽包内进行汽水分离，分离出来的蒸汽送往过热器，分离出来的水继续参加循环，从而形成自然循环。自然循环锅炉具有给水泵电耗小的优点，与强制循环锅炉相比是不需要在高温条件下工作的循环泵，可靠性更高。

图5 自然循环锅炉回路示意图

目前，对自然循环锅炉的研究主要集中于对锅炉水动力分析和汽包水位的研究方面。易凯对水动力不确定因素进行了分析，研究了锅炉循环倍率与其他不确定因素(如受热管受热强度、上升管长度和回路复杂程度)之间的关系[31]。刘迎光依据前苏联水动力计算的标准方法建立了蒸发器单相流体和两相流体的数学模型，绘制了立式自然循环余热锅炉各管屏和整体蒸发器的水动力特性曲线，计算出稳态工作点及其各种参数[32]。李晓燕论述了机组在大幅变工况和启停过程中水位的变化起因及其相应的处理方法[33]。郭倍州针对DG- 2070/17.5- π6型亚临界自然循环锅炉汽包水位的偏差现象进行了阐述，分析了汽包水位偏差的原因并给出其调整方法[34]。Almir S等建立了单汽包自然循环蒸汽锅炉蒸发器回路的非线性数值模型，该模型基于基本的物理定律，不依赖于经验关系式，可用于分析不同外部干扰时的锅炉动态行为[35]。

此外，自然循环锅炉的研究还涉及到设计、安装及运行优化等内容[36～38]。

1.3自然循环太阳能集热系统

自然循环太阳能集热系统(图6)是一种不使用或部分使用循环泵的太阳能集热系统，其基本原理就是利用低处的集热板吸收太阳光的热量加热流经集热板的冷水，促使集热板内水温升高，温度高于较高处补水箱内的水温，此时因水的密度差形成自然循环流动。自然循环太阳能集热系统具有节省能源及降低噪音等优点。

图6 自然循环太阳能集热系统示意图

浙江大学对自然循环槽式太阳能集热系统做了大量相关研究。Zhang L等对自然循环热管系统进行实验研究，设计了U形自然循环热管系统并进行了传热效率分析[39]。Hua M等对热虹吸回路中的自然循环蒸汽发生器系统进行了实验研究，分别讨论了热负荷对流型、热效率和两相传热系数的影响[40]。陈欢等对50kW的自然循环槽式太阳能高温集热系统在不同太阳辐照和排汽压力工况下的传热特性和稳定性进行了实验研究[41]。倪煜以纳米流体为换热工质，与水的换热效果相比，发现可以强化换热7%[42]。

郑土逢等对自然循环平板式太阳能热水器的放置高度进行了研究，发现对于水箱容积为120L的太阳能热水器，其放置高度应为最大热效率时的高度[43]。王帅对自然循环式光伏光热一体化太阳能平板集热器的结构进行了设计，并用Fluent软件对集热器在自然循环状态下的温度分布进行了数值模拟[44]。Ahmed R等设计了一种新的太阳能对流蒸发器实验装置，使得空气在矩形自然循环回路内流动，发现蒸发器内的空气对流增强了换热效果并得到了对流传热系数[45]。

1.4其他应用

自然循环原理在其他领域也有广泛应用，如自然循环制冷系统及热水采暖系统等领域。

2 研究热点

2.1自然循环技术存在的问题

由于具有安全及节能等优点，自然循环技术在能源动力行业有着广泛的应用。然而自然循环系统本身也存在一些缺点，比如驱动压头较小、系统体积庞大、流动稳定性较差、可能出现热分层及物理失效等问题，这些问题限制着自然循环技术的进一步应用。为了克服存在的问题，扩大自然循环技术的应用，需要深入研究自然循环流动的机理。

2.2自然循环流动不稳定性机理研究

在系统运行过程中，当流动在一定条件下发生发散，或过渡到另一稳定的运行工况，或发生持续等幅脉动时，系统便发生了流动不稳定性。与强迫循环相比，自然循环的驱动力不是恒定的，它与系统的运行状态有关，即自然循环系统存在传热-流动的耦合现象，因此自然循环系统更容易发生流动不稳定性现象，流动不稳定性也成为目前自然循环原理研究的焦点之一。张文超等发现摇摆条件下自然循环系统中存在混沌脉动，分析了系统流动不稳定性的非线性演化机理，成功实现了对复杂流量脉动的混沌预测[46～49]。Vikas J等通过实验对低压下四通道自然循环回路的流动不稳定性行为进行了研究，发现系统在低功率下会发生第一类流动不稳定性，在高功率下会发生第二类流动不稳定性，在功率介于两者之间时出现稳定区域[50]。Zhou T等研究了自然循环状态下窄矩形通道中的流量偏移机理，发现系统在发生流量偏移之前流量总会出现周期性脉动，经分析得出流量偏移的发生与气泡和流型的变化有关[51]。Yu J Y等通过实验研究和建立数值模型计算发现，在超临界压力下自然循环系统不会发生Ledinegg流动不稳定性[52]。Prasad G V D和Pandey M分别在自然循环沸水堆和具有核耦合的双通道自然循环回路中发现，在某些特定运行状态下，系统流量会出现周期性波动和混沌脉动[53]。Paul S和Singh S通过对时间序列分析发现，在高压自然循环管道中两相流动存在超临界和次临界Hope分岔[54]。

国内外学者就不同自然循环系统中的流动不稳定性进行了研究。Swapnalee B T等以超临界水堆为背景，分别用超临界水和超临界CO2进行实验，分析自然循环系统中的静态不稳定，得到了不稳定的边界图并基于无量纲密度和无量纲熵得出了稳态流动的验证关联式[55]。Lisowski D D等对顶部含有水箱的多通道自然循环系统进行了实验研究，分析了蒸发、汽化对两相自然循环回路的影响，讨论了水箱水位与单相流动、过渡泡核沸腾、静压力波动、稳定两相流动及喷涌等流动状态的关系[56]。Tan S C等对摇摆条件下两相自然循环流动不稳定性进行了实验研究，对摇摆条件下的流动状态进行了分类，包括波谷型脉动、规则复合型脉动、不规则复合型脉动及高含气率小振幅脉动等[57]。

2.3自然循环集热特性研究

理解和掌握自然循环集热系统的流动沸腾传热特性，对于深刻理解自然循环机理具有重要意义，因此当前的研究热点主要集中于系统内部的沸腾和冷凝传热机理研究。周媛和王玉林以CARR堆芯热组件为对象，用CFD软件模拟了以强迫循环计算结果为初始场的自然循环传热特性，得到了温度场分布并找到了热点位置[58]。Chung Y J等对冷却水池内自然循环管束的传热特性进行了实验研究，发现池内水温和管束径向分布对换热系数有较大影响，管束之间的湍流作用使得换热系数明显大于单管[59]。Wang J Y等建立了自然循环回路的3D模型，发现回路在弯管处出现二次流现象，水平管内出现了热分层，系统导热能力与流速存在很大关系[60]。Yu S等对U形自然循环回路中的液态氦气的传热特点进行了分析，发现随着热流量增加系统依次出现单相对流、部分泡核沸腾、完全泡核沸腾和膜态沸腾，并得到了泡核沸腾的传热系数[61]。Wang C等对摇摆条件下自然循环系统的传热特性进行了分析，与静止状态相比，摇摆条件下的系统流量出现波动，平均流量降低，但平均传热系数增加，Nu数随着Re数的增加而呈线性增加的趋势[62]。Cao Y H和Zhang X R通过建立2D模型对自然循环回路内的超临界CO2传热特性进行了分析，发现散热器温度对对流和传热存在较大影响，回路倾斜会降低传热性能，随着温度差的增大，对流和传热性能先增加后减小[63]。

3 研究趋势

自然循环系统是一个复杂的非线性系统，系统在一定工况下会出现复杂的流动行为，如混沌脉动及分岔现象等，目前复杂流动现象的机理分析尚不明确，是一个研究热点。系统内流动、汽泡行为、传热、核反馈、外力作用及部分重力等因素对系统的影响，以及各因素之间的耦合机理；系统流动特性的演化机理，特别是非线性演化机理，都是研究热点。为了减小自然循环系统的体积，系统内的强化换热问题对于自然循环技术的应用也有较大的研究价值。

在研究对象上，在扩大自然循环技术应用范围的过程中，许多装置中的自然循环具体行为也不断得到拓展，如窄矩形通道、微型通道及U形管道等装置中的自然循环流动-传热特性。

在研究方法上，最为常见的自然循环研究方式为实验研究和建立数值模型。首先，在自然循环的实验研究方面主要存在的问题是实验回路与实际工业装备差别较大，实验结果可扩展性不强，未来实验研究应更加强调扩展实验的参数范围，如系统压力及加热功率等运行参数，调整回路尺寸以符合实际应用，同时需要开发新的参数数据采集方法，以提高采集实验数据的数据量和精确度，如利用激光探测回路特定区域温度场等技术。其次，随着计算机技术的发展，数值计算能力越来越强，用数值方法分析系统行为越来越普遍，由于自然循环是系统行为，因此要对整个系统的流动-传热状态进行数值分析研究，通常的方法是根据实际系统建立整体模型以模拟系统行为。数值分析方面比较好的研究方案是以现有的大型软件为平台，进行二次开发。除传统的实验和数值分析方法外，随着一些新的理论和技术的出现，发展出了一些新的方法，如利用非线性动力学和混沌理论分析复杂两相流动现象，利用高速摄影仪和图像处理技术分析系统中的气泡行为，以及利用复杂网络或神经网络技术建立自然循环模型等。

4 结论

4.1对自然循环技术在能源动力行业中的主要应用进行了总结梳理，包括核反应堆中的一回路系统、余热排出系统、非能动安全壳系统、密度锁系统、自然循环锅炉和自然循环太阳能集热系统，介绍了其基本结构和运行原理，并对相应系统的国内外研究现状进行了归纳总结。

4.2指出自然循环系统存在的问题，并对自然循环机理研究热点的现状进行了归纳总结，包括自然循环系统流动不稳定性和传热特性。

4.3基于自然循环的应用和研究现状，分别从研究内容、研究对象和研究方法上对自然循环下一步的研究趋势提出了个人看法。

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