CFETR真空室超压保护系统管道设计与优化

陶腊宝，杨庆喜，徐 皓，陈 建，李 宁，陆 坤，宋云涛，周才品

(1.等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学，安徽 合肥 230026；3.核工业西南物理研究院，四川 成都 614007)

中国聚变工程试验反应堆(CFETR)是我国自主设计的托卡马克核聚变装置，是中国实现聚变能发电的一个关键装置，它的目的是完成ITER到DEMO的过渡。超压保护系统是CFETR中重要的安全系统之一，包含杜瓦超压保护系统和真空室超压保护系统(VVPSS)。本文研究对象是VVPSS，其工作目的是保护真空室免受冷却剂进入事故(ICE—Ingress of Coolant Event)、真空泄漏事故(LOVA—Loss of Vacuum Accident)或者冷却剂泄漏事故(LOCA—Loss of Coolant Accident)所带来的危害[1,2]；工作原理是通过泄放装置将过压介质蒸汽排放到泄压罐中冷凝来降低真空室内的压强，达到保护真空室的效果。

结合相关的核聚变工程经验[3,4]，将真空室内泄漏事故分成小泄漏事故和大泄漏事故。当发生泄漏事故，真空室内最大压强未达到135 kPa，是小泄漏事故，超过135 kPa为大泄漏事故。考虑小泄漏事故发生较为频繁，使用泄压阀泄放过压气体；考虑大泄漏事故泄漏量大和响应时间短，采用爆破片装置泄放过压气体。由此总结CFETR VVPSS初步设计方案：当真空室内压力达到100 kPa时，为发生小泄漏事故，泄压阀开启，通过小泄放管路泄放介质气体进入小泄压罐(SLT—Small Leak Tank)内冷凝；当真空室内的压力达到135 kPa时，为发生大泄漏事故，爆破片在几毫秒内激活，通过大泄放管路泄放介质气体进入大泄压罐(LLTs—Large Leak Tanks)内冷凝。VVPSS的总体结构布局如图1所示。

图1 CFETR VVPSS总体结构布局Fig.1 Overall structure layout of CFETR VVPSS

1 VVPSS总体布局设计

1.1 VVPSS接口设计

为了满足CFETR VVPSS的设计要求，初步设计VVPSS的结构组成：泄压罐(STs—Suppression Tanks)、泄压阀、破裂片和泄放管线[3,4]，如图1所示。STs为4个，两两累放，直径为6 m的大型线性圆形截面的罐体，每个容积约为100 m3，其中有三个大泄压罐(LLTs)，包含约60 m3的室温水，用于冷凝真空室内因冷却剂泄漏后接触高温的第一壁而产生的蒸汽；一个小泄压罐(SLT)包含约40 m3的室温水。泄放管线包含两条并行管路：小泄放管路和大泄放管路。小泄放管路用于排放小泄漏事故下的蒸汽，连通SLT和真空室，该管路包含两组并行的泄压阀组件，其中有一组为出于安全考虑的备用泄压阀组件。大泄放管路用于排放大泄漏事故下的蒸汽，连通LLTs和真空室，该管路包含两组并行的爆破片组件，其中一组为出于安全考虑的备用爆破片组件。泄压阀和爆破片是安全泄放组件，不打开时也充当隔绝阀的作用(由于泄放组件的两侧存在压强差)，每组泄压阀/爆破片组件由两个泄压阀/爆破片串联组成，两个泄压阀/爆破片之间抽真空处理，同时连接压强监控系统，当泄压阀/爆破片工作或发生由于本身质量问题引起的泄漏时，监控系统能及时将信息反映到总控制系统。VVPSS主要设计参数如表1所示。

表1 CFETR VVPSS主要设计参数

1.2 冗余管道设计

由于CFETR内部有放射性物质，属于涉核装置[5]，同样VVPSS也属于涉核部件，而核安全部门对涉核部件明确规定必须要有冗余，对于VVPSS来说即必须要有备用系统，提高安全性。VVPSS的初步设计中同样考虑了这方面问题，无论是泄压阀装置还是爆破片装置都设计了一组备用的支路，如图2所示。泄压阀组件采用分叉式结构，当小泄漏事故发生时，冗余管道上的泄压阀会同时打开，减少响应时间，提高安全性；爆破片组件采用旁路式设计，当大泄漏事故发生时，旁路上的爆破片不会立即打开，只有当干路上的爆破片出现故障无法正常打开时，旁路上的爆破片装置才会打开，这是考虑爆破片的响应时间短且打开时会产生剧烈的冲击力对其他部件有疲劳损坏。

图2 泄压阀组件模型图和爆破片组件模型图Fig.2 Assembly model diagram of Pressure relief valve and assembly model diagram of rupture disc

2 管道优化分析

考虑VVPSS的工作要求，定义三种工况：工况一为正常工作状态，泄压阀和爆破片都处于关闭状态；工况二为小泄漏状态，泄压阀打开，爆破片处于关闭状态，泄漏介质通过小泄放管路进入SLT内冷凝；工况三为大泄漏状态，泄压阀和爆破片都开启，泄漏介质主要通过大泄放管路进入LLTs内冷凝。由于工况二下仅有小泄放管道工作，工况三下主要是由大泄放管路工作，即分析小泄放管路和大泄放管路时所采用的边界条件分别对应于工况二、工况三。由VVPSS的设计要求可知，工况二到工况三的过渡压力为爆破片的爆破压力，也即为工况二下进口能达到的最大压力，而工况三下进口所能达到的最大压力为真空室的设计压力，两种工况下进出口温度为维持泄漏介质气态的饱和温度，本文仅考虑泄漏介质冷却水的情况，两种工况下出口压力是STs内部的压强与水头之和。如表2所示为工况二、工况三的极限边界参数。

表2 CFETR VVPSS管路进出口参数

2.1 变径管位置优化分析

制约管道优化的约束条件有很多，如管径最优，管路最短，水头损失少等[6]。VVPSS管路的最小直径由泄放装置的尺寸确定，而泄放装置的尺寸由真空室内泄漏事故的最大泄放量确定；管路的长短受到CFETR中其他组件布局的约束，现有数据不足以得到最短管路方案，只能初步得到管路方案；本文从流体力学角度，优化管路并得到水头损失最小的方案。

根据雷诺数判断管道内部流体的流动状态，雷诺数Re为[7]：

(1)

式中：ρ——流体密度,kg/m3；

υ——管内平均流速,m/s；

μ——动力黏度,Pa·s；

ν——运动黏度,m2/s；

d——圆管直径,(m)。

计算可得Re≈8×106>2 320，即为湍流。流体在管道中流动要受到阻力作用，会造成流道水头的损失hw，根据引起阻力的成因不同，分为沿程阻力损失hf和局部阻力损失hj，具体公式如下[7]：

hw=∑hf+∑hj

(2)

式中：λ——沿程阻力系数；

l——管长,m；

g——重力加速度,m/s2；

ξ——局部阻力系数。

湍流中λ与管道相对粗糙度和管道的雷诺数有关，求解较为复杂，工程上一般使用半经验公式或相关手册获取。ξ是与进口、接头、阀门、弯头等部件有关，取值查阅相关手册。

由公式(2)可以得到在设计管路时需要考虑减少弯头个数、缩短管长、增大管径等，才能得到水头损失最少的管路方案。按照此设计准则，设计了如图3的两种小泄放管路方案，两种方案的主要区别是变径管位置的不同。本文采用Fluent 对两种方案进行分析，分析边界条件采用表2中的工况二下的管道参数，同时为了能更加全面仔细得到最优方案，本次分析还研究了每种方案在不同管径下的流动特性，整理分析软件得到的结果，将两种方案在不同管径下最大压强分布情况汇总成图表形式如图4所示。

图3 两种管路方案模型图Fig.3 Model diagrams of two pipeline schemes

图4 不同管径下两种管路方案的最大压强对比Fig.4 Comparison of maximum pressure of two pipeline schemes in different pipe diameters

根据分析结果可知，随着管路直径的增大，管道内的最大压强逐渐减小；变径管布置在弯头后面的管路方案在不同直径下的最大压强大于135 kPa，表明存在堵塞情况；而变径管布置在弯头前面的管路方案在不同直径下的最大压力小于进口压强135 kPa，得出变径管布置在弯头前面的管路方案是较优选择。

2.2 支路数目优化分析

考虑运行工况可知，大泄放管路需要泄放大泄漏事故下的产生的大量蒸汽介质，需要大尺寸的爆破片装置，结合相关聚变装置中爆破片的设计[8]，CFETR中爆破片直径初步设计为800 mm，如此大尺寸的爆破片生产制造极其困难，而目前国内的生产商暂缺乏此类设计、生产经验，亟需相关研究指导。因此，本文对是否能通过改变爆破片支路的个数来减小爆破片直径进行分析研究。

本次分析的对象是大泄放管道，主要对两种管路方案做出分析，一种方案是无支路仅一条主干路且半径为400 mm；另一种方案是有两条支路且半径为300 mm，主干路直径都为400 mm，从流体力学角度可知[7]，两种方案分别涉及了串联管路和并联管路，而并联管路存在两处局部损失，由公式(2)可知水头损失更大。需要使用Fluent对两种方案进一步分析。分析边界条件为：采用速度进口200 m/s，进口温度为110 ℃；出口压力20 kPa，出口温度为110 ℃。其分析结果如图5所示。

图5 不同支路数目的管路的压力云图Fig.5 Distributions of pipeline with different number of branches

如图4所示：仅一条主干道的大泄放管路压强范围为15.35～25.8 kPa,压降为10.45 kPa；有两条支路的大泄放管路压强范围为13～28.29 kPa，压降为15.29 kPa。由此可以得到仅一条主干道的大泄放管路的压降小于有两条支路的大泄放管路的压降。从压降角度考虑，仅一条主干道的大泄放管路的方案要优于有两条支路的方案，所以无法通过增加爆破片支路数目来得到较小直径的爆破片装置。

3 管道流体分析

结合前文得出的管路优化方案，针对小泄放模型和大泄放模型，采用表2中的管道边界条件，总体分析VVPSS泄放管路的流动特性。分析结果如图6所示，小泄放管路的压强范围为20～134.2 kPa；大泄放管路的压强范围为19.72～189.4 kPa，无堵塞情况，初步满足设计要求。

图6 小泄放管路和大泄放管路 的压力云图Fig.6 Distributions of small bleed line and large bleed line

4 结论

本文首先介绍了VVPSS的初步总体布局设计；通过有限元流体分析软件对小泄放管路的方案选择进行了分析研究，得出当变径管在弯管前段时，小泄放管路中流体无堵塞情况，是较优的选择；针对是否能通过增加支路数目来减小爆破片的直径进行了初步探究：从压降角度考虑，两条支路的大泄放管道的压降要大于仅一条干路的大泄放管路，不能通过增加支路数目来选用直径更小的爆破片；最后结合文中的设计和优化结果对小泄放模型和大泄放模型的流动特性进行总体分析，分析结果得出优化后的管道无堵塞情况，满足设计要求。

本文仅初步设计出CFETR中VVPSS的结构布局，后续需要考虑与其他部件的接口；仅结合现有的数据分析优化管路设计，后续需要考虑工程布局和加工制造，进行深入设计优化；对是否能通过增加支路数目来减小爆破片的直径的问题，后续需要从其他不同的角度进行更加全面的研究。