极端气象条件对非能动安全壳空气冷却系统换热性能影响

王洪亮, 冯雨, 李云屹, 马屹松, 于明锐, 刘卓, 韩旭, 郭强, 元一单

(中国核电工程有限公司 中核核电安全严重事故研究重点实验室, 北京 100840)

2021年7月,模块化小型压水堆核电厂(ACP100)在海南昌江正式开工,成为全球首个开工的陆上商用模块化小堆[1]。海南昌江核电厂位于海南省昌江县海尾镇塘兴村,毗邻北部湾;东北距海头镇约4.5 km,西南距海尾镇约9.5 km,为典型的沿海丘陵台地地貌;冬季以东北风为主,夏季则主要盛行东南风和西南风,年平均风速3～5 m/s,主雨季;台风、暴雨、干旱是当地的主要气象灾害。

环境风场对ACP100非能动安全壳空气冷却系统(passive containment air cooling system,PAS)的运行有着不可忽视的影响[2-5]：除常态化气象条件下,PAS受到环境风向角度和风速条件的影响外,还可能遭到极端气象(如台风、暴雨)产生的威胁,导致风向飘忽不定、甚至可以与地面成一定倾角,因此产生了风向倾斜;此外,由狂风暴雨带来的杂物,如树枝、石子、海水等或是进风口滤网损坏等情况,可能会导致某些方向的进风口堵塞。

本文通过在风洞平台内搭建ACP100小比例模型,探究倾斜风和进风口阻塞条件对PAS运行的影响;同时采用ANSYS FLUENT对ACP100原厂模型进行数值模拟,旨在为ACP100的设计及优化提供参考。

1 试验台架与计算模型

1.1 试验台架

ACP100试验模型按照与原型1∶126的比例采用铝合金、不锈钢等材料加工制成。将试验模型放置在风洞平台[6]内,开展极端气象条件下PAS换热性能影响研究。风洞平台内将水平风速设置为15 m/s,通过旋转台调整ACP100试验模型的迎风面、通过支撑板调整ACP100试验模型的倾斜角度,以便模拟不同倾斜风条件下各迎风面所对应的试验工况。图1为ACP100试验模型示意图,模型底座设置有支撑架、支撑板。

图1 ACP100试验模型示意Fig.1 ACP100 test model diagrammatic sketch

研究倾斜风条件对PAS换热影响时,调节支撑架与支撑板可以将ACP100试验模型的倾角α调节至与水平面成0°～30°,从而模拟不同工况的倾斜风,图2为各个进风口环境方位示意图,配合风洞平台内的旋转台,可以将ACP100试验模型任意一面调节成迎风面,从而模拟环境风的不同风向条件。在研究进风口阻塞条件对PAS换热的影响时,可将ACP100试验模型的进风口采用硅胶塞堵塞,从而模拟不同极端条件下的堵塞工况。

图2 环境方位示意Fig.2 Environmental orientation diagrammatic sketch

1.2 计算模型

当风洞平台内的风速为15 m/s时,试验模型的数值模拟与试验结果较为吻合[6];本文数值模拟研究采用与试验模型研究相同的方法,建立ACP100原厂模型、各进风口阻塞模型,探究极端条件对PAS换热性能的影响;图3为各个进风廊道的模型结构示意图,当以ACP100的PAS流道为研究对象时,各个进风廊道的阻力系数在数值上大体相同[7],且数值关系为ξin,3≥ξin,1≥ξin,4≥ξin,2,因此阻塞1个进风口工况选取进风口3,阻塞2个进风口工况选取进风口1、3,阻塞3个进风口工况选取进风口1、3、4。

图3 进风廊道结构示意Fig.3 Air inlet construction diagrammatic sketch

研究倾斜风条件对PAS换热的影响时,在原厂模型的基础上,将风向角度与水平面的夹角设置为0°～45°,计算间隔不大于9°;研究进风口阻塞条件以及倾斜风与进风口阻塞条件耦合作用时,依照选定的工况,分别阻塞各个进风廊道的进风口。图4为ACP100进风口阻塞模型结构示意图,以阻塞1个进风口为例,进风廊道1、2、4保持不变,将进风廊道3的进风口阻塞,依照研究工况,分别改变环境风向条件,从而研究进风口阻塞条件以及倾斜风与进风口阻塞条件耦合作用对PAS换热的影响。

图4 ACP100进风口阻塞模型示意Fig.4 ACP100 inlet blockage model diagrammatic sketch

2 试验结果及分析

极端条件对PAS风载荷性能影响试验研究将ACP100小比例模型放置与风洞平台内,设定风速为15 m/s(误差为±0.1 m/s);通过调节试验模型底部支撑架使其与风洞风场成一定角度(0°～45°),同时对于不同研究工况,阻塞相应的进风口。

2.1 倾斜风影响试验研究

各组倾斜风试验结果较为相似,以南向15°倾斜风为例,阐述其进出口压力变化规律。如图5所示,随着风速的增加,进出口压力逐渐减小且各个进风口压力均大于出风口压力,表明在倾斜风条件下环境风场对PAS换热仍有利。

图5 南向倾斜15°进出口压力随环境风速变化Fig.5 The air inlet and outlet pressure changing with south 15° pitched wind velocity diagrammatic sketch

2.2 进风口阻塞影响试验研究

分别进行各个进风口阻塞试验,阻塞1个进风口工况选取进风口3,阻塞2个进风口工况选取进风口1、3,阻塞3个进风口工况选取进风口1、3、4,得到北风条件试验结果如图6。

随着风速的增加,进出口压力逐渐减小,尽管进出口压差绝对值有一定的减小,但是各个进风口的压力仍大于出风口压力;然而,对于堵塞工况下PAS流道流量明显减小的情况,进风口压力大于出风口只能表明堵塞工况条件下能够建立循环,未出现逆流或旁通现象。此外,堵塞工况对PAS换热能力的影响尚未可知。

2.3 倾斜风、进风口阻塞耦合影响试验研究

对于倾斜风与进风口阻塞耦合的影响试验,仍以南风风向为例,阻塞1、3、4这3个进风口,得到试验模型PAS进出口压力。图7为南风倾斜15°、阻塞3个进风口,不同风速条件下试验模型PAS进出口压力变化关系示意图,随着环境风速的增加,各个进出口压力逐渐减小,虽然出风口压力与进风口的压差较小,但是各个进风口压力仍大于出风口压力,表明该环境风场条件下,PAS可以建立循环条件。

图7 阻塞工况南向倾斜15°进出口压力随环境风速变化Fig.7 The diagrammatic sketch of air inlet and outlet pressure changing with south 15° inclined wind velocity for inlet blockage conditions

3 计算结果及分析

采用Ansys Fluent[8-9]对ACP100原厂模型进行数值模拟,从而探究极端条件对PAS换热的影响规律,为工程应用提供参考。极端条件对PAS风载荷性能影响计算依然遵循保守性原则[10],环境空气温度假设为45 ℃,钢壳外表面采用定壁温条件设置为130 ℃[11],环境风速设定为15 m/s,计算忽略空气湿度及辐射换热的影响;采用结构化网格和自适应性网格相结合的方式划分网格,通过网格敏感性分析确定不同计算工况对应的网格总数分布区间为600～1 100万。

3.1 倾斜风、进风口阻塞耦合影响试验研究

研究倾斜风对PAS换热性能影响时,选定的环境风与水平面的倾斜角度范围为0°～45°,且计算间隔不大于9°。考虑到风向角度的影响,每个倾斜角度均选取4个主方向,即北、南、东、西风;钢壳总换热功率P由钢壳顶部换热功率Pt、钢壳中部换热功率Pm、钢壳底部换热功率Pb共3个部分组成。

图8为不同倾斜风条件下PAS换热功率计算结果：当环境风速为15 m/s、各倾斜风角度条件下,PAS换热功率均较无风条件下增强,增强范围为11.3%～33.9%;各风向条件下(北、南、东、西风),钢壳顶部、中部、底部功率随倾斜风角度变化趋势大体相同;当倾斜风角度在12.5°～17.5°时,PAS总换热功率增幅最小。

图8 PAS换热功率随倾斜风角度变化示意Fig.8 The diagrammatic sketch of PAS heat exchange power changing with pitched wind angel

3.2 进风口阻塞对PAS换热性能影响分析

与进风口阻塞试验相同,进风口阻塞对PAS换热性能影响计算中,阻塞1个进风口工况依然选取进风口3,阻塞2个进风口工况选取进风口1、3,阻塞3个进风口工况选取进风口1、3、4,得到北、南、东、西风4个主风向条件下PAS换热功率。图9为不同阻塞条件下PAS换热功率变化示意图：在环境风速为15 m/s时、堵塞1、2个进风口条件下,相对于无风条件PAS换热功率仍是增强的,即环境风场对PAS换热是有利的;在环境风速为15 m/s、堵塞3个进风口条件下,相对于无风条件东西风向的PAS换热功率仍是增强的,而南北风向的PAS换热功率削弱约4.5%,即环境风场对PAS换热是不利的。

图9 不同阻塞条件下PAS换热功率变化示意Fig.9 PAS heat exchange power changing with the inlets blocking conditions diagrammatic sketch

3.3 倾斜风、进风口阻塞耦合条件对PAS换热性能影响分析

由于北、南风对进风口阻塞条件下PAS换热影响较大,因此研究耦合条件影响时,选取北风为主风向、阻塞1、3、4进风口,得到不同倾斜风角度PAS换热功率。如图10所示,在倾斜风、进风口阻塞耦合条件下,环境风对PAS换热功率的影响更加明显,相对无风条件PAS换热功率最大削弱7.7%;由于进风口阻塞的影响,钢壳中部、顶部换热功率趋于稳定,钢壳底部换热功率影响较大,进而影响PAS换热功率的趋势走向。

图10 耦合条件下PAS换热功率随倾斜风角度变化示意Fig.10 The diagrammatic sketch of PAS heat exchange power changing with pitched wind angel by coupling conditions

4 结论

1)倾斜风条件下,试验结果与数值模拟结果均表明环境风场对PAS换热是有利的。

2)进风口阻塞条件下,试验结果表明PAS循环条件可建立,无倒流或旁通现象,数值模拟结果表明,环境风场对PAS换热可能会出现不利的情况,相对无风条件最大削弱约4.5%。

3)倾斜风、进风口阻塞耦合条件下,试验结果表明PAS仍可建立循环条件,数值模拟结果显示环境风对PAS换热功率的影响更加明显,相对无风条件PAS换热功率最大削弱7.7%。