AP1000核电站蒸汽发生器主给水管道双端断裂事故下第一跨空间三维流动特性数值模拟

魏承君, 陈子佳, 庞思敏, 赵海琦, 张钰浩*

(1.国核电力规划设计研究院有限公司, 北京 100095； 2.华北电力大学核科学与工程学院, 北京 102206；3.非能动核能安全技术北京市重点实验室, 北京 102206)

AP1000核电站常规岛第一跨空间是其汽轮机厂房第一轴和第二轴之间的过渡空间,是连接核岛和常规岛的重要空间结构。核电厂第一跨空间内布置了设备冷却水系统(component cooling water system,CCS)驱动泵,能够保证核电厂事故工况下设备冷却水系统、余热排出系统等关键安全系统的正常运行,从而保证核电厂安全。然而,蒸汽发生器主给水管道在第一跨空间内发生双端断裂事故下,大量的水将直接泄放到第一跨空间内,而第一跨空间内布置了一些重要设备,如柴油机、CCS泵等,泄放对第一跨空间内的关键设备造成严重威胁。因此,非常有必要对该事故工况下第一跨空间内的流动分布及淹没水位进行预估。按照纵深防御的要求,在第一跨发生主给水管道双端破裂的情况下,保证布置在第一跨的CCS泵组不会因为水淹事故而丧失其运行功能。为完成常规岛主厂房第一跨防水淹设计研究,在前期二回路汽水系统建模分析结果的基础上,开展第一跨主给水管道破裂泄放漫流三维数值模拟,为AP1000及后续电厂的常规岛主厂房第一跨防水淹途径设计及相关泄洪措施提供重要参考。前期研究中,一些学者采用两相流模型对核电厂内的部分设备开展了数值模拟工作。孙海彤等[1]针对内径为80 mm的大型分离式热管蒸发段的流动沸腾蒸发行为进行了数值模拟,基于两相流流体体积模型(volume of fluid model,VOF),评价沸腾段管内流体的流型以及各种因素对其传热的影响。张旭瑞[2]利用FLUENT软件对AP1000核电站中汽轮机的压进汽阀内的流动特性进行了数值模拟,研究了在节流阀开度不断变化的情况下,湿蒸汽的汽水两相流在压进气阀内的流场、压力损失和气动力矩的变化规律。Sheykhi等[3]研究由于一次回路和二次回路管道同时断裂而引起的VVER1000密封室温度和压力的变化。

然而,目前针对与AP1000核电站汽轮机厂房第一跨空间内漫流相关的数值模拟研究几乎没有。

在事故工况下,为防止汽轮机厂房内主蒸汽管道和主给水管道破裂时造成的水淹,将对核岛厂房内的重要设施造成不可逆转的危害,亟须对汽轮机厂房的第一跨空间防水淹情况进行计算评估。因此,基于FLUENT软件,进行AP1000核电站第一跨空间在发生蒸汽发生器给水管道破裂工况下的防水淹数值计算,评价其流动特性、水位变化等对核电站的安全所造成的影响,进而分析通过在第一跨空间二层空间处开预留开孔进行泄洪方案的可行性。

1 模型建立及网格划分

1.1 模型简化方案

汽轮机厂房第一跨位于汽轮机厂房与核岛的结构连接处[4],核岛的辅助厂房位于第一跨的北侧,南侧连接汽机房主体钢结构。核电站常规岛第一跨宽约12.3 m,长约60 m,第一跨与核岛辅助厂房、附属厂房和汽轮机厂房大厅相邻。第一跨空间自下而上包括:① -3.8 m层，主要布置安全壳底坑等；② 0 m层，布置CCS泵和蒸汽发生器废排污系统(steam generator blowdown sysrem,BDS)热交换器等；③ 5.334 m层，主要布置主蒸汽管道与主给水管道。

可见,第一跨原型结构较为复杂,且第一跨空间内布置较多的设备、排水口、管道、阀门、隔间等[5],因此在进行建模、网格划分的时候,需对第一跨整体结构进行合理的简化。在考虑兼顾整体网格质量和保证计算精度的情况下,保留第一跨主要特征边界,模拟其主要隔间及空间位置分布,模拟关键设备的外形尺寸及布置位置[6],建模过程中对局部细节进行了适当保守的简化。简化后第一跨空间整体模型如图1所示。

图1 简化第一跨模型Fig.1 Simplified first span model

1.2 网格划分与敏感性分析

根据图1中建立的整体模型结构进行结构化网格划分,在整体网格划分完成之后生成网格并对其质量进行调整,改变其节点数或调整网格形状以满足质量的要求,最终网格质量大于0.3。

基于常规岛主厂房第一跨空间三维计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模型结构网格进行网格敏感性分析,适当调节节点数量,分别生成网格数为300万、600万、1 200万数量的网格,其中600万网格如图2所示。

基于上述3种网格,分别给定相同的边界条件及求解方法进行试算。选取2.5 s时刻第一跨空间内喷放出口处关键监测线处水的体积份额对比曲线如图3所示。由图3可见,600万网格计算结果与1 200万网格计算结果基本相同,300万网格计算结果误差相对较大。因此考虑到保证计算精度、提高计算速度,选用600万网格进行后续泄放瞬态计算。

图2 600万网格示意图Fig.2 6 million grid diagram

图3 敏感性分析结果(t=2.5 s， x=19. 150 m,y=0.6～7. 818 m,z=0. 544 m位置处水体积份额)Fig.3 Sensitivity analysis results (t=2.5 s，x=19. 150 m,y=0.6，7. 818 m,z=0. 544 m water volume fraction)

2 数值模拟方法

2.1 边界条件

基于上述第一跨模型,设置关键边界条件如下。

(1)模型入口:模拟蒸汽发生器主给水管道双端断裂,模型入口位置即断裂破口处,且破口位于第一跨大空间内,入口流量与泄放流量一致,为原型正常运行工况下的给水流量980 kg/s。

(2)模型出口:如图1所示,在5.334 m层,隔间右侧开设4组开孔,用于排出泄放水；此外,在第一跨空间顶部,开设排气孔,用于排出第一跨空间内的空气。

(3)挡水沿:在5.334 m层处,设置两组挡水沿。在图1所示主给水管道右侧设置高度为0.4 m的挡水沿,防止泄放水向左侧漫流；另外,在第一跨空间与压力隔间之间的门洞处,设置高为0.4 m的挡水沿,防止泄放水直接流入0层。

2.2 计算方法

采用CFD商用软件FLUENT进行数值计算。由于模型中涉及空气相与水相,因此采用VOF两相模型隐式算法[7-9],暂不考虑温度变化,选用湍流标准k-ε模型，其中k代表了紊流脉动动能,ε为其耗散率。求解方法采用压力速度耦合SIMPLE算法。瞬态计算时间项采用一阶隐式格式[10]。设置合理的普朗特数范围在2～10,在后续计算中根据模型中流速情况合理微调普朗特数范围。

3 结果分析

数值模拟是针对第一跨空间内一根蒸汽发生器主给水管道双端断裂情况下,主给水管道下的冷却水喷放在大空间区域内,根据纵深防御要求,在第一跨发生主给水管道双端破裂的情况下,保证布置在第一跨的CCS泵组功能不会因为水淹工况而丧失。

总体计算结果表明,给水管道破裂后冷却剂在原给水流量与重力的作用下继续向前流动一段距离后冲击到5.334 m层空间壁面上,然后向两侧流动。泄放水首先在5.334 m层内累积到一定程度后通过5.334 m层右侧的预留开孔排出喷放水。由于在5.334 m层中设计了挡水沿,因此喷防水需要累积到一定程度后才有可能漫过挡水沿从而进入左部空间、0层与右侧部分。选取部分时刻(以40 s为例)流速分布如图4所示,并分析2、10、15、40 s关键时刻的泄放水流分布,如图5、图6所示。

当双端断裂事故发生2 s时,由于给水管道刚发生断裂,给水泵未能及时关闭,而是继续运行,使得大量泄放水通过给水管道破裂出口流出,由于速度较快撞击到二层空间墙壁上,并迅速在5.334 m层内漫流,但是由于泄放时间较短,还未在该层累积。

10 s时刻,喷放水在大空间内发生明显流动,且水位开始逐渐积累、上升,但是由于5.334 m层挡水沿的阻挡作用,喷放水仅在给水管道下方空间内进行小范围累积,此时还未有泄洪水通过预留开孔流出第一跨空间。

图4 40 s时大空间喷放流速分布Fig.4 Spraying velocity distribution in large space at 40 s

图5 不同时刻喷放水体积分数Fig.5 Volume fraction of sprayed water at different times

图6 2 s与40 s时大空间喷放水体积分数侧视图对比Fig.6 Side view comparison of large volume sprayed water volume fraction at 2 s and 40 s

15 s时刻,开始有部分泄洪水通过预留开孔流出第一跨空间,但是排放流量较小,在给水泵的持续运行作用下,泄放水仍在第一跨二层主给水管道下方区域内继续累积,但积累水位仍未超过挡水沿高度。

随着给水泵的持续进行,使得泄放水在第一跨空间内持续积累,但是另一方面,泄放水开始通过5.334 m层的预留开孔,流出第一跨空间,且流量逐渐增大,使得第一跨空间内5.334 m层水位升高速度越来越慢,喷放水通过预留开孔流出第一跨空间而未流入0层。

40 s后,由于流量泄放引起给水泵跳泵、停止,通过断裂的给水管道流出的水量迅速减小,而已积累的泄放水仍持续通过5.334 m预留开孔向外部泄放,使得5.334 m层水位开始逐渐下降。

图7 40 s挡水沿1水体积分数云图Fig.7 Cloud volume fraction cloud diagram along water retaining baffle at 40 s

图8 40 s内挡水沿1、2水体积分数随时间变化Fig.8 Variation of water volume fraction near water retaining baffle 1 and 2 within 5～40 s

图7、图8进一步对比了挡水沿附近水体积分数随时间变化云图及曲线。计算结果表明,喷放水从主给水管道破裂口进入大空间后主要在5.334 m层内流动并累积,主要通过预留开孔流出第一跨空间。在第一跨空间左侧设置挡水沿1,在5.334 m与小隔间之间的门洞处设置挡水沿2,能够有效阻挡泄放水直接流入0层设备间。

5 s时,挡水沿1距离喷放位置较远,水的体积份额仅0.3左右,且随着高度的降低,水的体积份额迅速下降；而挡水沿2距离喷放位置较近,很快达到0.7左右,但在0.2 m内迅速降低。随着时间的增加,喷放水量逐步增多,挡水沿1周围水体积分数在5.384 m处达到最高,远没有达到最高高度；挡水沿2在5 s之后且在40 s之内同样最高水位并未达到5.734 m,水体积分数达到1的高度仅为5.424 m。出口流量变化如图9所示,可见由于通向0层的入口处设计有高为0.4 m的挡水沿,喷放水在5.334 m层积累,同时通过预留开孔不断流出,且流量逐渐增加,水位高度还未积累到0.4 m时已经流出空间且保持相对稳定状态。

图9 5.334 m层预留开孔出口流量Fig.9 Flowrate variation of the opening exit in 5.334 m floor

随着喷放进程的推进,主给水泵持续喷放进而触发跳泵,因此在40 s后入口喷放水流量会迅速降低,因此喷放水由于挡水沿的作用不会继续流向0 m层造成淹没重要设备。

通过上述分析可知,在主给水管道发生双端断裂事故后满功率给水的短时瞬态内,虽然在一段时间内,泄放流在第一跨空间5.334 m层积累,但是由于该层设置了挡水沿和预留开孔,使得泄放流被挡住而不漫过挡水沿,进而进入0层。且喷放触发给水泵跳泵后,已积累的流量将进一步从预留开口流出。因此,在第一跨现有设计中,通过在5.334 m设计挡水沿并层开预留孔以排出泄洪水的方法能够有效防止蒸汽发生器主给水管道双端断裂事故泄放至第一跨大空间事故下,泄放水淹没0层的关键设备。

4 结论

对AP1000核电站蒸汽发生器一根主给水管道在第一跨大空间区域双端断裂事故下第一跨空间内泄放水三维流动特性及现有防水淹设计进行了数值模拟研究,主要结论如下。

(1)蒸汽发生器主给水管道双端断裂事故下,水直接喷放进入第一跨空间内,泄放水在5.334 m层迅速漫流,但是受到5.334 m层设置的两组挡水沿的阻碍,在40 s内并未漫流进入其他区域；40 s后,由于主给水管道大流量的泄放,触发给水泵跳泵停止,泄放流量迅速降低,因此,后续第一跨空间内水位将逐渐下降。

(2)计算结果表明,在蒸汽发生器主给水管道双端断裂事故发生最为严重的前40 s内,现有第一跨防水淹设计能够有效防止泄放水漫流至0层,能够保证该事故工况下CCS泵不被淹没,进而确保第一跨内关键设备的安全,为现有核电厂第一跨防水淹设计提供了数值参考。