华龙一号RPV支承结构传热优化研究

牛昊轩 甘斌 殷琪 邓朝俊 陈训刚

摘 要

本文通过CFX仿真计算，分析了华龙一号RPV支承冷却结构在不同冷却空气流量下的传热情况，校核了底板表面温度是否满足65℃的设计要求。在此基础上提出了结构优化方案，经计算，相同条件下，优化方案的最小冷却空气流量下降约30%。

关键词

RPV支承;传热计算;结构优化

中图分类号： TG115.57;TM623         文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.008

1 概述

RPV支承结构是反应堆的重要部件之一，其主要功能包括：

（1）固定反应堆压力容器，限制其平动和转动;

（2）承受反应堆本体及其相关设备和介质的重量载荷，并将这些载荷传递给混凝土基座等。支承结构的设计中，需进行支承结构冷却的计算分析，以期验证其是否能满足支承结构的冷却要求，即使底板的温度不超过65℃。

本文基于CFX仿真计算法，对支承结构的传热情况进行了计算，并给出了优化改进意见。

2 对象

华龙一号RPV支承结构为一个类环型对称结构，主要由支承环、通风接口、止挡块、安装调整件等组成，模型如图1所示。

3 原方案传热分析

利用CFX对RPV支承冷却结构整体和底板（下盖板）上表面的温度分布进行仿真分析，分析了热源温度为125℃，冷却空气温度为15℃时，不同空气流量下（900m3/h、1000m3/h、1200m3/h）的传热状况。云图如图2至图4所示。

由图2可以看出，RPV支承结构壁面的最高温度为125℃（即热源面温度），高温区主要位于支座区域，支座结构的温度不低于84℃，下盖板温度最高不超过70℃。下盖板上表面的温度呈现中间低、两侧高的分布，最高温度不超过70℃，主要集中在出口内侧，即薄挡板与厚挡板之间的区域，主要由于气流很难到达该小空间内，到达出口的气流都从主流道流出了支承结构腔体，相应的混凝土的温度应当高于65℃，即不满足温度不超过65℃的要求。

由图3及图4可以看出，随着空气流量的增大，温度分布特性具有类似规律，支承结构温度、下盖板温度、下盖板上表面温度逐渐降低，当空气流量增大至1200m3/h时，下盖板上表面的温度最高温度不超过63.18℃，相应的混凝土的温度应当低于65℃，满足温度不超过65℃的要求。

4 优化方案传热分析

根据以上分析结论可知，现有结构布置下温度较高的区域出现在出风口区域，其主要原因是来自于兩侧的流体汇合后，在其汇合区域气流流速较小，而且存在漩涡。另一方面，两侧的导流板（长度较长，而且不与底面接触的）因为下底面不与下盖板接触，使得气流偏向外侧流向出口;而且长度较短的支承板（也有导流作用）与中间导流板间隙较小，气流流过的阻力较大，这样导致只有很少一部分气流流过。

因此，在优化方案设计中，主要将长度较长的导流板和中间导流板向下延长，使其与下盖板上表面接触;另一方面，长度较短的支承板长度减小，并增大与中间导流板的间隙。根据优化后的结构，对相同条件下的支承冷却结构底板温度进行了传热分析。

优化后支承冷却结构底板的温度分布规律与原结构类似，底板最高温度随空气流量的增大而减小，当空气流量为850m3/h时，底板最高为64.2℃，已满混凝土温度低于65℃的要求，当空气流量为1200m3/h时，底板最高仅为56.7℃。可以看出优化方案的冷却效果明显高于原方案。

5 结论

基于CFX仿真分析，开展了热源温度125℃，冷却空气进口温度15℃的条件下，华龙一号RPV支承结构的传热优化研究，得出以下结论：

（1）原结构为了满足混凝土温度使用限值（65℃），单个出风口最小冷却空气流量约为1200m3/h。

（2）采用优化方案后，相同条件及要求下，单个出风口最小冷却空气流量约为850m3/h，下降30%，冷却效果明显提升。