先进安注箱热工水力特性研究

苟军利,单建强,胡宏伟,曹建华,沈永刚

(1.西安交通大学核科学与技术学院,710049,西安;2.中科华核电技术研究院有限公司,518035,广东深圳)



先进安注箱热工水力特性研究

苟军利1,单建强1,胡宏伟1,曹建华2,沈永刚2

(1.西安交通大学核科学与技术学院,710049,西安;2.中科华核电技术研究院有限公司,518035,广东深圳)

为了研究先进安注箱的热工水力特性,建立了其数学模型,包括基本守恒方程、传热模型、传质模型和阻尼器模型。开发了先进安注箱计算模块,并将其嵌入到RELAP5/MOD3.3程序中。通过与CFD模拟结果的比较分析,验证了文中模型和求解方法的合理性。针对某先进安注箱,研究了其热工水力特性,并开展了参数敏感性分析,结果表明:各参数的变化趋势合理,先进安注箱能实现从大流量到小流量段的过渡;小流量阶段的出口质量流量随阻尼器直径的增大而减小;整个阶段的出口质量流量随大流量水体积与氮气体积比的增大而减小;当立管形阻系数在一定的变化范围内时,大流量阶段的出口质量流量随立管形阻系数的减小而增大。该研究将为我国先进安注箱的设计和实验研究提供理论依据。

先进安注箱;热工水力特性;敏感性分析

当压水堆核电厂发生大破口失水事故后,安注系统在喷放结束后分3个阶段向堆芯注水,即再灌水、再淹没和长期冷却。对于二代压水堆核电厂,依靠传统安注箱满足再灌水阶段的大流量需求,并依靠低压安注系统来满足再淹没和长期冷却阶段的小流量需求。能动的低压安注系统需在安注箱注完之后立刻启动,以提供所需的安注流量来保证堆芯再淹没。若低压安注系统不能及时启动,将使堆芯不能被有效冷却而导致堆芯熔化的严重事故发生。为此,日本三菱公司为其先进压水堆设计了一种可改变注入流量的先进安注箱[1-2],即在安注箱内设置了阻尼器(见图1)。由于阻尼器的存在,先进安注箱在大流量注入后过渡到小流量注入阶段,其效果如传统压水堆的低压安注泵投入初期的注射特性。因此,先进安注箱不仅可以代替传统安注箱,还可以获得较长的宽限时间以启动低压安注系统,更进一步,可能取消低压安注系统而只保留一套能动的安注系统(即高压安注系统),以完成高压安注和低压安注功能。这不仅减少了能动安全设施,使系统简化,且避免了人为干预可能产生的误操作,提高了安全性。Tadashi等通过大量实验研究验证了其先进性[3-7]。

图1 传统安注系统与先进安注系统对比图

福岛核事故引起了全世界对核电安全的广泛关注。CPR1000作为中国商用压水堆的主力堆型,属于二代核电技术,其安全性与三代核电技术相比还有一定的差距。针对我国二代核电厂安全级冷却链的薄弱点,国家提出了反应堆安全级冷却链改进的方向和要求,研发具有自主知识产权的先进安注箱是其中的重要组成部分。为了开发用于先进安注箱热工水力特性研究的快速分析工具,本文建立了其热工水力模型,开发了计算模块并将之嵌入到RELAP5/MOD3.3程序。利用该程序对先进安注箱的热工水力特性进行了研究,通过参数敏感性分析,获得了主要因素对安注流量的影响规律,为先进安注箱的设计和实验研究提供了理论依据。

1 先进安注箱热工水力模型

先进安注箱工作原理如图2所示。位于安注箱底部中心位置的阻尼器有两个入口,即小流量管和大流量管。小流量管沿阻尼器切线方向接入,大流量管与小流量管成一定夹角接入阻尼器,大流量管的另一端与立管相连。当安注箱水位高于立管高度时,立管和小管都有流量注入阻尼器,它们交混后直接流向阻尼器中心,流动阻力很小,可以实现传统安注箱的大流量注入。当安注箱水位低于立管高度时,立管的流量变为0,仅小管有流量沿着阻尼器切线方向注入,形成了漩涡,产生很大的流动阻力,以小流量模式注人反应堆。根据先进安注箱的结构特点和运行原理,建立了其热工水力模型。在建立该热工水力模型时,将其分为氮气区和水区,并作了如下假设:①壁面和水等温;②氮气为理想气体且比热容恒定;③忽略混合气体中水蒸气的分压。

图2 先进安注箱的工作原理图

1.1 氮气区模型

假设氮气区的质量保持不变,即

(1)

式中:Mn为氮气的质量;C为常数;ρn为氮气的密度;Vn为氮气的体积。

氮气的能量守恒方程为

Mn(dUn/dt)=-pn(dVn/dt)+Qn

(2)

式中:Un为氮气内能;Qn为氮气的吸热量;右边第1项为体积变化所作的功。氮气的吸热量由下式表示

Qn=h1A1(Tw-Tg)+h2A2(Tf-Tg)+

(3)

式中:右边第1项为壁面对氮气的对流换热;第2项为水面对氮气的对流换热;第3项为水蒸发带给氮气的热量;第4项为氮气中水蒸气冷凝带走的热量。换热系数h1、h2,蒸发率Mvap和冷凝率mc的计算方法可参考文献[8]。

1.2 水区模型

假设安注箱内水是不可压缩的,沿流线进行积分,可得大流量时立管动量方程为

(4)

同理,可得小管内流体的动量方程

(5)

出口管内流体的动量方程可表示为

(6)

式中:Δpf为摩擦压降;Δpz为重力压降;pe为出口的压力;pn为氮气的压力;vl为立管的流速;vs为小管的流速。交混压降Δpj和漩涡压降Δpv分别由式(7)和式(8)计算[8]

(b/B′)2(m(B/b)+1)2/Cc]

(7)

(8)

式中:m=vl/vs;其他参数如图3所示。

图3 阻尼器参数图

2 模型求解及验证

为了开发适合于RELAP5/MOD3.3程序的先进安注箱模块,需采用合适的数值方法对上述模型进行求解。本文基于半隐方法对上述模型进行离散,获得了便于数值计算的离散形式,采用高斯赛德尔迭代求解获得氮气压力、温度,立管水位、流速、压力和安注箱出口质量流量等主要参数[8],并将开发的计算模块嵌入RELAP5/MOD3.3程序,改进后的程序与先进安注箱模块间的调用关系如图4所示。

图4 RELAP5/MOD3.3中先进安注箱解法流程图

由于我国先进安注箱的实验研究正处于准备阶段,而国外的实验数据没有公开,为了初步验证模型及其求解方法的合理性,本文将模型计算结果与中科华核电技术研究院提供的先进安注箱缩比模型(1/2模型)的CFD计算结果进行了比较[9]。如图5所示,RELAP5和CFD模拟的出口体积流量Q基本一致,从定性上验证了本文建立的模型及其求解方法的正确性和合理性。

图5 CFD模型和RELAP5模型的对比

3 先进安注箱热工水力特性研究

表1给出了某先进安注箱初步设计参数。先进安注箱内初始压力为4.4 MPa、初始温度为313.15 K、出口压力设为0.1 MPa。基于此参数,开展了先进安注箱的热工水力特性分析。

表1 先进安注箱的几何参数

图6 先进安注箱出口质量流量和阻尼器压降特性

图7 阻尼器压降流量特性曲线

如图8所示,当安注箱启动后,由于初始氮气体积较小,随着安注箱内流体的快速流出,氮气体积迅速扩大,从而导致氮气压力迅速降低,压力下降的同时导致出口流量减小,尤其是阻尼器启动后流量更小。这又使得氮气体积变化率减小,压力开始缓慢下降,其中36 s后有一个压力上升的趋势,原因是氮气温度回升所致。

由于初始阶段压力变化很大,氮气体积扩大对外做功大于由于传热而吸收的热量,从而导致氮气内能减小,氮气温度Tn下降,而随着流量的减小,氮气的压力变化率减小,壁面和水面对氮气的传热可以弥补氮气体积扩大对外做的功,此时氮气的温度将会上升,最后接近壁面和水面的温度。

在大流量阶段,安注箱水位高于立管高度,所以立管水位Hlw一直是6 m。当水位降到立管高度时,大管内的水由于惯性会导致水位急剧下降,但是安注箱内氮气的压力与阻尼器中交混点的压力差值会使立管水位回升,最终达到一个平衡状态。

图8 先进安注箱内氮气压力、温度和立管水位变化

4 参数敏感性分析

4.1 阻尼器直径对安注箱特性的影响

如图9所示,在大流量阶段不同阻尼器直径下先进安注箱的出口质量流量基本不变,但小流量阶段的流量随着阻尼器直径的增大而减小。其原因主要在于:整个阶段氮气的压力变化情况基本一样,在大流量阶段不同阻尼器直径下交混压降基本相同,漩涡压降都为0,所以该阶段的流量一样;在小流量阶段,不同阻尼器直径下的漩涡压降差别很大,从而导致该阶段的流量差别也很大。

(a)质量流量和氮气压力

(b)交混压降和漩涡压降图9 阻尼器直径对安注箱特性的影响

4.2 大流量水体积与氮气体积比对安注箱特性的影响

如图10所示,整个阶段的出口质量流量随着初始体积比Vr的减小而增大,其中对大流量阶段的影响较大,而对小流量阶段的影响较小。其原因在于:初始体积比越小,氮气的体积变化率越小,氮气压力变化率越小,则压头越大;在大流量阶段,漩涡压降为0,交混压降的影响远小于压头的影响,所以该阶段出口质量流量都较大,且初始体积比越小流量越大;在小流量阶段,交混压降为0,氮气压力的下降压头减小,且压头越大时漩涡压降也越大,所以体积比对小流量阶段的影响较小。

(a)质量流量和氮气压力

(b)交混压降和漩涡压降图10 大流量水体积与氮气体积比对安注箱特性的影响

4.3 立管形阻系数对安注箱特性的影响

如图11所示,当立管形阻系数Kl在一定的变化范围内时,大流量阶段先进安注箱的出口质量流量随着立管形阻系数的减小而增大,小流量阶段先进安注箱的出口质量流量基本一致。其原因在于:整个阶段氮气的压力变化情况基本一样,

在小流量

(a)质量流量和氮气压力

(b)交混压降和漩涡压降图11 立管形阻系数对安注箱特性的影响

阶段,不同立管形阻系数下漩涡压降基本相同,交混压降都为0,所以这个阶段的质量流量一样;在大流量阶段,立管形阻系数越小,交混后的流体速度方向更加接近阻尼器中心,所以产生的漩涡压降越小,同时交混压降差别不大,从而导致大流量阶段的质量流量越大。当立管形阻系数为1.2时,交混后的流体速度方向直接指向阻尼器中心,漩涡压降为0,大流量阶段的质量流量也达到最大。

5 结 论

本文建立了先进安注箱的热工水力模型,开发了相应的计算模块,并将其嵌入到RELAP5/MOD3.3程序中。通过与中科华核电技术研究院的CFD模拟结果的分析比较,验证了该模型和求解方法的正确性与合理性。其次,采用修改后的RELAP5/MOD3.3程序对先进安注箱的热工水力特性进行了分析研究,获得了安注箱压力、温度,立管水位,出口质量流量等参数的变化特性,以及大流量到小流量的转换过程。最后,开展了参数敏感性分析,获得了影响先进安注箱流量大小的主要因素,所得结论如下。

(1)小流量阶段出口质量流量随阻尼器直径的增大而减小。

(2)整个阶段的出口质量流量随大流量水体积与氮气体积比的增大而减小。

(3)立管形阻系数在一定的变化范围内时,大流量阶段出口质量流量随立管形阻系数的减小而增大。

本研究开发了用于我国先进安注箱热工水力特性研究的快速分析工具,研究成果将为我国先进安注箱的设计和实验研究提供理论依据。

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(编辑 荆树蓉)

Investigation on the Thermalhydraulic Characteristics of Advanced Accumulation Tank

GOU Junli1,SHAN Jianqiang1,HU Hongwei1,CAO Jianhua2,SHEN Yonggang2

(1. School of Nuclear Science and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen, Guangdong 518035, China)

To investigate the thermalhydraulic characteristics of advanced accumulation tank, the mathematical models, including the conservation equations, heat transfer model, mass transfer model and the damper model, are established. The calculation module of advanced accumulation tank is developed and embedded into the RELAP5/MOD3.3 code. By comparing the simulation results of the modified RELAP5 with those of a CFD analysis, the rationality of the models and solution methods is validated. The thermalhydraulic characteristics and the parameter sensitivity analyses of an advanced accumulation tank are performed with the modified code. It is found that the parameter variation trends are reasonable and the transition from large flow phase to small flow phase can be achieved by the advanced accumulation tank; large damper diameter leads to a small exit mass flow rate in the small flow phase; a small initial volume ratio of water to nitrogen leads to a large exit mass flow rate; and a large form loss coefficient of the stand pipe may result in a small exit mass flow rate in the large flow phase when the form loss coefficient varies in a certain range. The present study could provide a theoretical basis for the design and experimental investigation on the advanced accumulation tank.

advanced accumulation tank; thermalhydraulic characteristics; sensitivity analysis

时间:2015-08-25

10.7652/xjtuxb201511019

TL33

A

0253-987X(2015)11-0116-06

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150825.1753.008.html