黃鏡宇，郭丹丹，劉 潔，潘新新，徐 進(jìn)

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海200233)

在AP1000核電廠非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)的設(shè)計(jì)中，利用安全殼內(nèi)壁面冷凝回流的方式持續(xù)帶走事故后安全殼內(nèi)的熱量。事故期間，非能動(dòng)余熱排出熱交換器(PRHR HX)將堆芯的熱量傳遞至安全殼內(nèi)換料水箱(IRWST)，IRWST內(nèi)的水吸熱變成水蒸氣進(jìn)入安全殼空間，在鋼制安全殼內(nèi)壁面受冷凝結(jié)成水滴，同時(shí)熱量傳導(dǎo)至安全殼外部，通過(guò)安全殼外壁水膜冷卻和空氣冷卻，將熱量傳遞至環(huán)境大氣中。事故后安全殼冷卻示意圖如圖1所示。

蒸汽在鋼制安全殼內(nèi)壁面冷凝成水滴后，沿著安全殼壁面匯集并向下流動(dòng)，在環(huán)吊梁、內(nèi)部加強(qiáng)筋、返回槽處被收集，然后通過(guò)落水管等方式匯入收集盒，收集盒疏水管將收集的冷凝水輸送至IRWST，繼續(xù)從PRHR HX吸收熱量，從而將堆芯熱量持續(xù)導(dǎo)入外界，保證事故工況下堆芯的安全。如果進(jìn)入IRWST的冷凝水回流量小于蒸發(fā)量，IRWST的液位就會(huì)下降，一旦布置在IRWST內(nèi)的PRHR HX裸露，就有可能出現(xiàn)堆芯冷卻不足的情況，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。所以，回流至IRWST的冷凝水是否充足，對(duì)于事故后堆芯冷卻至關(guān)重要。而收集盒疏水管線的長(zhǎng)度和排氣措施對(duì)最終疏水能力有很大影響，所以有必要開(kāi)展相應(yīng)的分析優(yōu)化。

圖1 事故后冷卻示意圖Fig.1 Post accident cooling

1 冷凝回流系統(tǒng)設(shè)計(jì)描述

事故后，蒸汽排放到安全殼大氣中，在安全殼冷卻水的作用下，安全殼壁面對(duì)殼內(nèi)蒸汽持續(xù)冷凝，在安全殼壁面形成冷凝水，冷凝水通過(guò)冷凝回流系統(tǒng)進(jìn)行回收。

AP1000冷凝回流系統(tǒng)由安全殼垂直壁面上部的環(huán)吊梁、中間部位的加強(qiáng)筋、收集環(huán)吊梁、加強(qiáng)筋處積聚冷凝水的落水管、安全殼下部的返回槽和收集盒，以及其他連接管道和部件組成。事故工況期間，返回槽收集到的冷凝水通過(guò)收集盒的疏水管被排往IRWST。冷凝回流系統(tǒng)如圖2所示。

1.1 環(huán)吊梁和加強(qiáng)筋

冷凝水沿安全殼壁面下落至環(huán)吊梁和內(nèi)部加強(qiáng)筋處，由于環(huán)吊梁有一圈環(huán)繞安全殼的擋水壩，加強(qiáng)筋內(nèi)外兩側(cè)的圍板形成能存儲(chǔ)水的水槽。分別在環(huán)吊梁和加強(qiáng)筋底部設(shè)置落水管將冷凝水引到運(yùn)行平臺(tái)標(biāo)高處的冷凝水收集盒。環(huán)吊梁和加強(qiáng)筋示意圖如圖3所示。

圖3 環(huán)吊梁和加強(qiáng)筋示意圖Fig.3 Polar crane girder and internal stiffener

1.2 返回槽

返回槽位于運(yùn)行平臺(tái)標(biāo)高處以收集安全殼的冷凝水。返回槽在360°范圍內(nèi)收集冷凝水，通常返回槽收集的冷凝水都排往安全殼地坑。事故工況期間，冷凝水排往IRWST。為了保證冷凝水中的碎片在到達(dá)IRWST濾網(wǎng)之前已經(jīng)沉降，返回槽管線布置在盡可能遠(yuǎn)離IRWST濾網(wǎng)的地方，從而使碎片遷移到濾網(wǎng)的可能性最小。

1.3 收集盒與疏水管

收集盒與疏水管應(yīng)布置在盡可能遠(yuǎn)離IRWST濾網(wǎng)的地方，以保證冷凝水中的碎片在到達(dá)IRWST濾網(wǎng)之前已經(jīng)沉降。收集盒與疏水管的布置情況如圖4所示。

圖4 收集盒與疏水管布置Fig.4 Layout of collection box and draining line

在事故工況下，收集盒與疏水管的疏水能力必須滿足安全分析的要求。收集盒疏水管線的長(zhǎng)度、排氣措施等對(duì)最終疏水能力有很大影響，主要表現(xiàn)為以下。

(1)由于收集盒的疏水管出口浸沒(méi)在IRWST內(nèi)的水中，具有一定背壓，并且管道入口處標(biāo)高與IRWST工作液位較為接近，因此管線驅(qū)動(dòng)壓差小，可能導(dǎo)致流量不足。

(2)收集盒的疏水管具有很長(zhǎng)的水平段，而且沒(méi)有設(shè)置排氣管線。收集盒在接收冷凝水之前處于排空狀態(tài)，事故工況下如果冷凝水和外界氣體從管道入口同時(shí)進(jìn)入管道內(nèi)，那么氣體很容易在管道水平段內(nèi)某處集聚，并“堵塞”管道，也會(huì)導(dǎo)致流量不足。

(3)來(lái)自環(huán)吊梁、加強(qiáng)筋等處的冷凝水從高處流入收集盒中，高速運(yùn)動(dòng)的水流撞擊收集盒壁面后破碎為大量氣泡進(jìn)入疏水管線，導(dǎo)致氣體被冷凝水流持續(xù)帶入管線內(nèi)。

理論上，管道長(zhǎng)度、管徑、入口形式、有無(wú)排氣措施等因素，都會(huì)對(duì)疏水管內(nèi)氣體積聚造成影響，進(jìn)而影響管線疏水性能。

2 冷凝回流系統(tǒng)流量試驗(yàn)

冷凝回流系統(tǒng)流量試驗(yàn)是AP1000核電廠預(yù)運(yùn)行階段非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)需要開(kāi)展的主要試驗(yàn)之一。該試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證事故后安全殼壁面上冷凝的凝結(jié)水，在流經(jīng)環(huán)吊梁、加強(qiáng)筋、返回槽、落水管、收集盒時(shí)不會(huì)發(fā)生滿溢，所有冷凝水都能返回IRWST。

根據(jù)三門(mén)核電1號(hào)、2號(hào)機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果，由于收集盒在未達(dá)到驗(yàn)收準(zhǔn)則要求的流量時(shí)已出現(xiàn)溢流，因此兩次試驗(yàn)均未能滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則要求。

工程經(jīng)驗(yàn)表明：對(duì)于收集盒疏水這一類壓力較低的重力疏水管線，很容易發(fā)生氣阻現(xiàn)象。所謂氣阻，是指液體輸送管路中由于氣體的存在，導(dǎo)致流量下降甚至斷流的現(xiàn)象。發(fā)生氣阻后，一般需要進(jìn)行排氣處理。但是氣體在管道中往往處于一種游移狀態(tài)，停留點(diǎn)不穩(wěn)定而難以確定，處理難度較大，應(yīng)給予足夠的重視。

3 氣體積聚機(jī)理分析

氣體積聚會(huì)對(duì)核電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)許多危害。美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)在2008年1月發(fā)布了GL-08-01[2]，針對(duì)氣體來(lái)源、氣體積聚位置、氣體積聚量、氣體積聚的影響等問(wèn)題給出了相關(guān)指導(dǎo)。

影響管道內(nèi)氣體積聚的因素很多，最主要的因素是流量以及流量對(duì)應(yīng)的弗洛德數(shù)Fr(Froude Number)。

(1)

式中：U——管道內(nèi)流體流速，m/s；

D——管道內(nèi)徑，m；

g——重力加速度，m2/s。

針對(duì)管道內(nèi)氣體積聚問(wèn)題，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)[3]傾斜管內(nèi)兩相流試驗(yàn)裝置和壓水堆業(yè)主協(xié)會(huì)[4](PWROG)大管徑氣體遷移試驗(yàn)臺(tái)架分別開(kāi)展了有關(guān)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：可以通過(guò)評(píng)估Fr數(shù)是否大于1，以確定動(dòng)態(tài)排氣是否有效。評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如下：

若Fr>1，則動(dòng)態(tài)排氣有效。

若Fr<1，則無(wú)法確定動(dòng)態(tài)排氣是否有效，可能存在氣阻問(wèn)題。

解決氣阻問(wèn)題的重點(diǎn)在于預(yù)防。產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象主要有兩個(gè)條件：第一，管道內(nèi)存在氣體；第二，氣體積聚在一起。根據(jù)氣阻形成的機(jī)理，只要去除以上兩個(gè)條件或者其中的一個(gè)，就可以防止氣阻的形成。這是優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的基本依據(jù)。

圖5為收集盒疏水過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)流體力學(xué)中的Bernoulli方程，建立如下關(guān)系式：

圖5 收集盒疏水過(guò)程的理論模型Fig.5 Theoretical model of collection box draining

(2)

式中：P0——大氣壓力，Pa；

Pb——疏水管線出口處壓力，Pa；

H——收集盒內(nèi)液位與出口管線的高差，m；

ρ——冷凝水密度，kg/m3；

f——湍流阻力系數(shù)；

L——管線當(dāng)量長(zhǎng)度，m。

對(duì)公式(2)進(jìn)行無(wú)量綱化處理后將公式(1)代入，可得無(wú)量綱化的Bernoulli方程如下：

(3)

根據(jù)收集盒疏水管線的實(shí)際布置情況，相關(guān)管道參數(shù)如表1所示。

表1 收集盒疏水管線參數(shù)

將上述參數(shù)代入公式(3)后，求得Fr=0.94<1。所以，收集盒疏水管線在排水過(guò)程中不能確定動(dòng)態(tài)趕氣是否有效，必須設(shè)置排氣措施。

三門(mén)核電站1號(hào)、2號(hào)機(jī)組開(kāi)展的流量試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)過(guò)程中，A、B兩個(gè)系列的收集盒均出現(xiàn)了溢流。這說(shuō)明收集盒疏水管線內(nèi)存在氣阻現(xiàn)象，導(dǎo)致了冷凝回流流量偏低，不滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)結(jié)果是一致的。

4 冷凝回流系統(tǒng)CFD分析

由于氣體積聚機(jī)理分析采用了簡(jiǎn)化模型，為了研究氣體在疏水管線內(nèi)的積聚和分布情況，支撐改造方案設(shè)計(jì)，因此有必要進(jìn)一步開(kāi)展詳細(xì)的CFD分析。本節(jié)通過(guò)CFD軟件STAR-CCM+對(duì)AP1000冷凝回流系統(tǒng)的收集盒及其疏水管進(jìn)行建模及仿真計(jì)算，研究氣體在管線內(nèi)的積聚情況，預(yù)測(cè)管道排水能力。

4.1 解析模型

本節(jié)以B系列收集盒(包含內(nèi)部組件)及其下游疏水管線為研究對(duì)象進(jìn)行全尺寸建模。返回槽中的冷凝水從頂部進(jìn)入收集盒中，然后沿收集盒的疏水管線流出。疏水管線規(guī)格為DN100，從收集盒側(cè)面引出，在連接至一個(gè)貫穿件后進(jìn)入IRWST內(nèi)。由于收集盒內(nèi)的冷凝水液位不會(huì)超過(guò)溢流液位(返回槽以下部分)，因此對(duì)收集盒的建模只需包含其溢流以下的部分即可，以簡(jiǎn)化分析模型、減小計(jì)算量。解析模型示意圖如圖6所示。

圖6 解析模型Fig.6 Analysis model

4.2 計(jì)算設(shè)置

4.2.1 物理模型

針對(duì)冷凝回流問(wèn)題，計(jì)算所采用的物理模型如下：

(1)三維計(jì)算(Three Dimensional)

(2)非定常流動(dòng)(Unsteady)

(3)分離式求解(Segregated Flow)

(4)不可壓縮流體(Constant Density)

(5)重力流(Gravity)

(6)可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型(Realizable K-Epsilon Turbulence)

(7)雙層壁面函數(shù)(Two-Layer All y+ Wall Treatment)

(8)VOF模型(Volume of Fluid)

VOF模型[6]是求解設(shè)置的關(guān)鍵，可以求解多相之間有明顯界面不考慮相間分子擴(kuò)散的問(wèn)題，適用于收集盒疏水管內(nèi)冷凝水和空氣兩相混合流動(dòng)過(guò)程。VOF模型的控制方程如下所示：

(4)

(5)

(6)

式中：ρi——不同相的密度；

u——速度；

S——質(zhì)量源項(xiàng)；

m——蒸發(fā)、沸騰等相變引起的質(zhì)量流量，冷態(tài)分析時(shí)不考慮；

p——壓力；

F——重力之外的體積力；

Sh——能量源項(xiàng)；

αi——體積分率，采用可精確捕捉相間界面的HRIC差分格式進(jìn)行求解。

由于可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型具有較高的求解效率，因此本文采用可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型與VOF模型進(jìn)行耦合計(jì)算。

4.2.2 網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格劃分方面，采用適用于復(fù)雜幾何的多面體網(wǎng)格(Polyhedral Mesh)和棱柱層網(wǎng)格(Prism Layer Mesh)對(duì)分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作。其中，全局網(wǎng)格劃分尺寸為10 mm，最小網(wǎng)格劃分尺寸為2.5 mm，以便捕捉疏水管內(nèi)的氣液交界面變化。此外，為了提高計(jì)算效率，本次計(jì)算采用3層邊界層網(wǎng)格，總厚度為3 mm，增長(zhǎng)率設(shè)置為1.5。對(duì)于可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型(Realizable K-Epsilon Turbulence)和雙層壁面函數(shù)(Two-Layer All y+ Wall Treatment)，在設(shè)置邊界層厚度時(shí)需要考慮y+值，一般來(lái)說(shuō)壁面的y+值不大于30。

整個(gè)模型共劃分為75萬(wàn)體網(wǎng)格。

4.2.3 初邊值條件

因?yàn)槌跏紩r(shí)刻收集盒內(nèi)沒(méi)有冷凝水，所以其液相份額為0，氣相份額為1。對(duì)于疏水管，初始時(shí)刻其立管浸沒(méi)在IRWST中，其液相份額和氣相份額如下：

液相份額：1(溢流液位以下)，0(溢流液位以上)；

氣相份額：0(溢流液位以下)，1(溢流液位以上)。

收集盒頂部與環(huán)境大氣聯(lián)通，故壓力設(shè)置為0.0 Pa(表壓)。由于疏水管立管浸沒(méi)在IRWST中，因此疏水管背壓等于IRWST溢流液位與疏水管出口的標(biāo)高差對(duì)應(yīng)的水柱壓力。兩者的標(biāo)高差為7.32 m，對(duì)應(yīng)壓力為71 587 Pa(表壓)。疏水管內(nèi)水柱壓力與液位高差成正比。

4.3 結(jié)果分析

本節(jié)旨在預(yù)測(cè)AP1000冷凝回流系統(tǒng)的收集盒疏水管的排水能力。對(duì)于收集盒疏水管這一類壓力較低的重力疏水管線，管道布置、管道內(nèi)氣體含量和排氣措施的設(shè)置都會(huì)對(duì)其排水能力產(chǎn)生較大的的影響。從計(jì)算結(jié)果得到速度分布和氣液分布，可以反映整個(gè)模型的流場(chǎng)情況，分析管道內(nèi)氣體含量變化引起的排水流量變化。

通過(guò)修改疏水管管徑、修改疏水管出口處背壓和在疏水管上增加排氣管，對(duì)收集盒的疏水管排水能力分別進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 疏水管排水能力

各方案下管道內(nèi)的氣體積聚情況如圖7所示。

通過(guò)對(duì)不同方案的CFD分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)工況1模擬了三門(mén)核電2號(hào)機(jī)組的試驗(yàn)過(guò)程，結(jié)果顯示在水平管線內(nèi)集聚了大量氣體，減小了管道流通面積，影響了疏水效果。

(2)工況2增大管徑至DN150后，能達(dá)到要求的排放流量。

(3)工況3模擬了三門(mén)核電1號(hào)機(jī)組的試驗(yàn)過(guò)程，結(jié)果顯示收集盒不會(huì)滿溢，與1號(hào)機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果一致。此工況中雖然也有氣體積存，但是因?yàn)槭杷?qū)動(dòng)壓頭很可觀，并且氣體持續(xù)地從管線出口排出，所以不影響試驗(yàn)結(jié)果。

(4)工況4在疏水管線的水平段上增設(shè)了排氣管后，該水平段內(nèi)的氣體顯著減少，管線疏水能力得到了一定提升。

圖7 疏水管內(nèi)氣體及積聚情況Fig.7 Gas accumulation in the draining line

5 冷凝回流系統(tǒng)優(yōu)化改造

5.1 方案設(shè)計(jì)

基于氣體積聚理論分析和CFD分析，對(duì)收集盒疏水過(guò)程進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為需要開(kāi)展設(shè)計(jì)改進(jìn)。

圖8 改造方案Fig.8 Design change proposals

由于收集盒接受從高處流下的冷凝水時(shí)勢(shì)必伴有大量的氣液夾帶，因此難以從源頭上減少空氣與水的混合。必須在氣體可能積聚的位置設(shè)置排氣管線，利用管道內(nèi)外壓差將氣體排出管外。此外，增加疏水管線截面積可以減小管線總阻力，也能提高收集盒的疏水能力。

表3 改造方案可行性分析

根據(jù)以上分析，本節(jié)提出3種不同的改造方案，并分別對(duì)可行性進(jìn)行分析如表3所示。

從消除氣阻和現(xiàn)場(chǎng)施工可行性的角度分析，增加排氣管的方案是最可行的。

綜合考慮CFD分析和現(xiàn)場(chǎng)施工可行性評(píng)價(jià)的結(jié)果，可以在不改變已有管線設(shè)計(jì)的情況下，在各水平管段處增設(shè)3根的排氣管，即可有效提高疏水流量，滿足試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則的要求。最終優(yōu)化改造方案如圖9所示。

圖9 最終優(yōu)化方案Fig.9 Final optimization proposal

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

三門(mén)核電1號(hào)機(jī)組按照試驗(yàn)臨時(shí)運(yùn)行指令文件進(jìn)行了改造后的流量試驗(yàn)。試驗(yàn)流量范圍與事故分析流量范圍一致，均為70～120 gpm(15.89～27.25 m3/h)。試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱蓑?yàn)證收集盒排水能力是否有增強(qiáng)，并確定改造后的收集盒疏水水能力大小。

優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果表明：增加3根排氣管的措施消除氣阻的效果很明顯，收集盒疏水管的排水能力有顯著提高，滿足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)冷凝回流系統(tǒng)的優(yōu)化改造是成功的。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證Fig.10 Site test verification

6 結(jié)論

本文首先介紹了AP1000核電廠非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)冷凝回流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀和流量試驗(yàn)情況，然后針對(duì)試驗(yàn)缺陷進(jìn)行了氣體積聚機(jī)理分析，得出了導(dǎo)致流量不足的原因是疏水管內(nèi)產(chǎn)生氣阻的結(jié)論。在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了CFD分析，研究了不同的疏水管管徑、疏水管出口處背壓和在疏水管排氣管數(shù)量對(duì)排水能力的影響。最后基于氣體積聚理論分析和CFD分析結(jié)果，提出了增加3根排氣管的改造方案。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：實(shí)施改造后，收集盒疏水管的排水能力得到顯著提高，流量滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。改造方案獲得成功。

本文的主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)改造前收集盒疏水管線布置的潛在問(wèn)題進(jìn)行了氣體積聚機(jī)理分析。結(jié)果表明：外界氣體持續(xù)帶入和集聚，會(huì)在管線內(nèi)形成氣阻現(xiàn)象，導(dǎo)致疏水能力不滿足設(shè)計(jì)要求。理論分析結(jié)果成功地預(yù)測(cè)了后續(xù)試驗(yàn)中的氣阻問(wèn)題，為優(yōu)化改造提供了方向。

(2)根據(jù)氣阻產(chǎn)生的必要條件(管道內(nèi)存在氣體、管道內(nèi)氣體集聚)提出了3種不同的改造方案。結(jié)合CFD分析結(jié)果和施工可行性評(píng)價(jià)結(jié)論，增設(shè)3根排氣管的方案可以有效消除氣阻，疏水流量滿足設(shè)計(jì)要求；該方案的現(xiàn)場(chǎng)施工量也較小，便于改造。改造后的試驗(yàn)結(jié)果證明了改造方案是可行的，同時(shí)也驗(yàn)證了CFD分析方法，可以應(yīng)用于后續(xù)項(xiàng)目冷凝回流系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。