余热排出系统入口圆柱形涡流破坏结构的分析

侯建飞，　夏愈卓，　刘喜超

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518026)



余热排出系统入口圆柱形涡流破坏结构的分析

侯建飞，夏愈卓，刘喜超

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518026)

摘要：针对CPR1000核电厂余热排出系统吸入管线，采用CFD方法对CPR1000原结构及增加了圆柱形涡流破坏结构的余热排出系统吸入管线进行了数值模拟，在主管道中心水位及多个一回路水位下，对比分析了2种结构的管内流场及空气卷入量的差异，并研究了2种结构下的临界水位.结果表明：圆柱形涡流破坏结构可以明显抑制余热排出系统吸入管线内的涡流，减少空气的卷入量，同时显著降低一回路的临界水位，提高了余热排出泵的安全运行裕量.

关键词：余热排出系统； 涡流破坏结构； 空气卷入； 半管水位

在核电厂中，余热排出系统是一个重要的系统，其主要功能为：在电厂正常停堆冷却的第二阶段，余热排出系统将反应堆冷却剂系统的热量传输到设备冷却水系统，使反应堆冷却剂的温度以可控速率降低到冷停堆温度，并且维持此温度直到电厂重新启动为止.在CPR1000项目中，余热排出系统简称为RRA系统[1].

在CPR1000核电厂中，余热排出系统的吸入管线直接与一回路热管段相连，布置在主管道的下方.当反应堆冷却剂系统处于低水位运行期间，余热排出系统吸入管线可能出现涡流，卷入空气，导致下游余热排出泵产生空蚀，造成泵的损坏，从而影响一回路的冷却[2].在余热排出系统吸入管线与一回路热管段的连接处，通过增加一个涡流破坏结构，可以有效地减弱或消除余热排出系统吸入管线内的涡流，从而减少空气的卷入量[3]，增加半管水位运行时余热排出泵的安全裕量.

笔者基于宁德3号机的管道布置情况，对CPR1000中余热排出系统的吸入管线进行建模，在此结构的基础上，在吸入管线与一回路热管段连接处增加圆柱形涡流破坏结构，针对这2种结构，分别在半管水位下模拟余热排出系统吸入管线内的流场，对比分析得出圆柱形涡流破坏结构的作用.同时，不断改变一回路水位，通过每个水位下的模拟计算，得出余热排出泵入口空气体积分数不超过限值所对应的临界水位，为泵的安全运行提供参考.

1数值模拟方法

1.1物理模型与网格划分

图1为宁德3号机RRA系统与一回路连接图及吸入管线流程简图.RRA系统吸入管线直接与主管道相连，之后分成2列，反应堆冷却剂流经第1列与第2列之后，在母管RRA0002中汇集，在RRA0002的出口又分为2列，分别流向2台余热排出泵RRA001PO和RRA002PO.在半管水位期间，RRA系统采取单泵运行的方式，笔者选取RRA002PO.

图1　宁德3号机RRA系统流程简图

Fig.1Flow diagram of the RRA system in unit 3 of Ningde Power Plant

以宁德3号机的管道布置为基础，采用Solidworks进行三维建模，模型如图2所示.在图2模型基础上，在RRA吸入管线与主管道连接处(见图2中方框处)，增加圆柱形涡流破坏结构后的局部模型见图3.

图2　宁德3号机余热排出泵前吸入管线模型图

Fig.2Model of the RRA suction line before RRA pump of Ningde unit 3

图3　含圆柱形涡流破坏结构局部管线模型图

Fig.3Partial model of RRA suction line with cylindrical vortex mitigator

采用Ansys ICEM软件对三维模型进行结构化网格划分，并在管壁附近进行加密.对于含圆柱形涡流破坏结构的模型，需要进行2次O型剖分.

1.2数值模型

半管水位下的流动为气液两相流，气体与液体有明显的分界线，因此多相流模型采用均相模型[4]，两相分别设为连续的水和空气.两相之间考虑表面张力，表面张力系数设为0.072 N/m，相间无质量传输.湍流模型选取RNGk-ε模型[5].由于流体是在重力场下的流动，因此还需考虑浮力模型的设置.

1.3边界条件

入口边界位于主管道两侧的截面，考虑到流动过程中，气体和水有可能流进或流出入口边界处，因此设为开放式边界.入口边界给定压力和两相体积分数，这2个参数均与一回路主管道液位H相关，如式(1)~式(3)中所示.出口设为速度边界，数值为单泵运行下RRA吸入管线平均速度3.77 m/s.初始条件设全场的速度为0，压力为p，如式(3)所示.

(1)

(2)

(3)

式中：φa为空气体积分数；step为阶跃函数；z为垂直高度，m；H为主管道液位，m；φw为水的体积分数；p为压力，Pa；p0为主管道液位上气体的压力，数值为101 325 Pa；ρw为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2.

2数值模拟结果与分析

2.1半管水位下流场对比分析

对于CPR1000的结构，在主管道中心液位下，余热排出系统吸入管线内的空气体积分数分布见图4(a).由图4(a)可见，第2列的空气体积分数远远大于第1列，计算结果表明，三通出口位置处第1列的空气体积分数为4.4%，第2列的空气体积分数则高达53.9%，2列在下一个三通处混合后继续向下流动，到达泵前时，平均体积分数为9.1%.对于应用于压水堆的单级离心泵，为了保证泵的扬程不出现明显减小，同时保证泵的机械不受到损坏，当泵在40%~120%额定体积流量范围内稳态运行时，流体中不凝结气体的最大体积分数不能超过2%[6].这表明对于目前的CPR1000机组，当一回路水位位于主管道中心线时，余热排出泵不能安全运行，即泵的安全运行临界水位必须高于主管道中心液位.

增加圆柱形涡流破坏结构后的RRA系统吸入管线内空气体积分数分布见图4(b).由图4(b)可见，由于圆柱形涡流破坏结构的采用，余热排出系统吸入管线的空气体积分数有了明显的降低，在与主管道连接处，由于增加的圆柱形涡流破坏结构的最高点高于主管道中心线，因此上方有一定的空气分布.

(a) CPR1000 RRA系统吸入管线

(b) 增加圆柱形涡流破坏结构后RRA系统吸入管线

Fig.4Air volume fraction contour of two different RRA suction lines at mid-loop operation

为了进一步对比2种结构下的流场，从与主管道连接处开始，在RRA系统吸入管线内截取一系列横截面，如图5所示.2种结构下RRA系统吸入管线内的沿程空气体积分数分布见图6，其中各个数据点的横坐标对应位置见图5.通过对比可见，采用圆柱形涡流破坏结构后，整个管道内空气体积分数只有0.4%左右，远远小于CPR1000无涡流破坏结构下，同时余热排出泵入口的空气体积分数只有0.38%，远小于泵入口所允许不凝结气体的最高体积分数2%，大大提高了余热排出泵的安全运行裕量.

图5　圆柱形涡流破坏结构附近部分截面示意图

Fig.5Schematic diagram of the cross-sections near cylindrical vortex mitigator

图6　有无圆柱形涡流破坏结构的空气体积分数沿流向的对比图

Fig.6Comparison of streamwise air volume fraction distribution in the RRA suction line with and without cylindrical vortex mitigator

图7给出了有无圆柱形涡流破坏结构下游某处的管道截面流线图.由图7可见，2种结构形式下管道内均存在2个旋向相反的涡，采取圆柱形涡流破坏结构后，2个涡更为对称，且强度明显降低.

2.2不同水位下2种结构的对比分析

为了进一步分析圆柱形涡流破坏结构的作用，不断改变一回路的水位，对比2种结构下的空气卷入情况，结果如图8所示.整体来看，当余热排出泵入口空气体积分数大于2%后，随着一回路水位的降低，余热排出泵入口空气体积分数会迅速增大.2种结构下，空气体积分数随水位的增加速率较为接近.对于CPR1000的原有结构，当余热排出泵入口空气体积分数达到2%时，对应的一回路水位为主管道直径52%位置处，即一回路水位临界值为主管道直径52%位置处.采用了圆柱形涡流破坏结构后，这一临界值降低至43%，对应的一回路水位绝对值降低了60 mm，这对于泵的安全运行及操作员的操作是非常有益的.

(a) CPR1000 RRA系统吸入管线

(b) 增加圆柱形涡流破坏结构后RRA系统吸入管线

Fig.7Comparison of flow field in the RRA suction line with and without cylindrical vortex mitigator

图8　RRA泵入口空气体积分数随一回路水位的变化

Fig.8Inlet air volume fraction of RRA pump at different primary water levels

对于CPR1000电站，工程上的半管水位通常指主管道的3/4水位.计算表明，此水位下CPR1000余热排出泵前空气体积分数为0.02%，远小于泵前空气体积分数的最大限值2%，这表明对于目前CPR1000的设计，在半管水位下余热排出泵的运行是安全的.

3结论

(1) 在工程上的半管水位(即主管道3/4水位)下，CPR1000电站余热排出泵前的空气体积分数仅为0.02%，远小于泵入口所允许的最大空气体积分数2%，这表明目前CPR1000的设计可以保证余热排出泵在半管水位下安全运行.

(2) 当水位降低至主管道中心液位时，CPR1000电站余热排出泵前的空气体积分数增加至9.1%，这时泵无法安全运行.采用了圆柱形涡流破坏结构后，泵前的空气体积分数降至0.4%，效果明显.

(3) 采用圆柱形涡流破坏结构后，吸入管线内的涡强度明显降低，且流动也更为对称，这对于减少空气卷入量有一定的作用.

(4) 由于圆柱形涡流破坏结构的引入，一回路的临界水位明显降低，降幅达60 mm，大大增大了泵的安全运行裕量.

(5) 通过本文的研究可以提高余热排出系统对一回路低水位的适应能力，为在建项目优化提供参考方案，为研发堆型解决余热排出泵前涡流问题提供解决方案.

参考文献：

[1]苏林森. 900 MW压水堆核电站系统与设备[M]. 北京：原子能出版社, 2005.

[2]EZEKOYE L I, TURKOWSKI W M, FERRARACCIO F P,etal. Challenges in the management of gas voids in safety related systems[C]//Proceedings of the 24th KAIF/KNS Annual Conference on Nuclear Engineering. Korea: Korea Atomic Industrial Forum,2009: 527-532.

[3]LAU L K S. Pressurized water nuclear reactor system with hot leg vortex mitigator: U.S, 4,957,693[P]. 1990-09-18.

[4]闫训海, 于文华, 姚雨晨. 水平进水口自由表面旋涡数值模拟研究[J]. 红水河, 2012,31(4): 34-38.

YAN Xunhai, YU Wenhua, YAO Yuchen. Numerical simulation of free-surface vortex at horizontal hydraulic intakes[J]. Hong Shui River, 2012,31(4): 34-38.

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YANG Fan, SHI Xuming, DAI Ren,etal. Numerical simulation of free-surface vortex and theoretical analysis on vortex/sink model[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2013, 31(4): 325-330.

[6]EZEKOYE L I, TURKOWSKI W M. Snapshot review of the regulation of gas voids in nuclear steam supply systems in the United States[C]// Proceedings of the 18th International Conference on Nuclear Engineering. Xi'an, China: American Society of Mechanical Engineers, 2010: 335-343.

Functional Analysis of Cylindrical Vortex Mitigator Added at Inlet of the Residual Heat Removal System

HOUJianfei,XIAYuzhuo,LIUXichao

(China Nuclear Power Design Co., Ltd. (Shenzhen), Shenzhen 518026, Guangdong Province, China)

Abstract：Based on the suction line of residual heat removal (RRA) system in CPR1000 power plant, numerical simulation and analysis were carried out by CFD technique on the original RRA suction line and the one added with cylindrical vortex mitigator, during which the difference of flow field and air entrainment was respectively compared at mid-loop level and several water levels of primary loop between the two structures. Results show that the cylindrical vortex mitigator can obviously suppress the vortex in the RRA suction line, reduce the air entrainment, and descend the critical water level of primary loop significantly, which can improve the margin of safe operation of RRA pump.

Key words：residual heat removal system; vortex mitigator; air entrainment; mid-loop level

文章编号：1674-7607(2016)02-0157-05

中图分类号：TL334

文献标志码：A学科分类号：490.50

作者简介：侯建飞(1988-)，女，山西大同人，工程师，硕士，主要从事核电站核岛主系统工艺设计.电话(Tel.)：15989414571；E-mail: houjianfei@cgnpc.com.cn.

收稿日期：2015-04-21