陶臘寶，楊慶喜，徐 皓，陳 建，李 寧，陸 坤，宋云濤，周才品

(1.等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；3.核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 614007)

中國(guó)聚變工程試驗(yàn)反應(yīng)堆(CFETR)是我國(guó)自主設(shè)計(jì)的托卡馬克核聚變裝置，是中國(guó)實(shí)現(xiàn)聚變能發(fā)電的一個(gè)關(guān)鍵裝置，它的目的是完成ITER到DEMO的過渡。超壓保護(hù)系統(tǒng)是CFETR中重要的安全系統(tǒng)之一，包含杜瓦超壓保護(hù)系統(tǒng)和真空室超壓保護(hù)系統(tǒng)(VVPSS)。本文研究對(duì)象是VVPSS，其工作目的是保護(hù)真空室免受冷卻劑進(jìn)入事故(ICE—Ingress of Coolant Event)、真空泄漏事故(LOVA—Loss of Vacuum Accident)或者冷卻劑泄漏事故(LOCA—Loss of Coolant Accident)所帶來的危害[1,2]；工作原理是通過泄放裝置將過壓介質(zhì)蒸汽排放到泄壓罐中冷凝來降低真空室內(nèi)的壓強(qiáng)，達(dá)到保護(hù)真空室的效果。

結(jié)合相關(guān)的核聚變工程經(jīng)驗(yàn)[3,4]，將真空室內(nèi)泄漏事故分成小泄漏事故和大泄漏事故。當(dāng)發(fā)生泄漏事故，真空室內(nèi)最大壓強(qiáng)未達(dá)到135 kPa，是小泄漏事故，超過135 kPa為大泄漏事故?？紤]小泄漏事故發(fā)生較為頻繁，使用泄壓閥泄放過壓氣體；考慮大泄漏事故泄漏量大和響應(yīng)時(shí)間短，采用爆破片裝置泄放過壓氣體。由此總結(jié)CFETR VVPSS初步設(shè)計(jì)方案：當(dāng)真空室內(nèi)壓力達(dá)到100 kPa時(shí)，為發(fā)生小泄漏事故，泄壓閥開啟，通過小泄放管路泄放介質(zhì)氣體進(jìn)入小泄壓罐(SLT—Small Leak Tank)內(nèi)冷凝；當(dāng)真空室內(nèi)的壓力達(dá)到135 kPa時(shí)，為發(fā)生大泄漏事故，爆破片在幾毫秒內(nèi)激活，通過大泄放管路泄放介質(zhì)氣體進(jìn)入大泄壓罐(LLTs—Large Leak Tanks)內(nèi)冷凝。VVPSS的總體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 CFETR VVPSS總體結(jié)構(gòu)布局Fig.1 Overall structure layout of CFETR VVPSS

1 VVPSS總體布局設(shè)計(jì)

1.1 VVPSS接口設(shè)計(jì)

為了滿足CFETR VVPSS的設(shè)計(jì)要求，初步設(shè)計(jì)VVPSS的結(jié)構(gòu)組成：泄壓罐(STs—Suppression Tanks)、泄壓閥、破裂片和泄放管線[3,4]，如圖1所示。STs為4個(gè)，兩兩累放，直徑為6 m的大型線性圓形截面的罐體，每個(gè)容積約為100 m3，其中有三個(gè)大泄壓罐(LLTs)，包含約60 m3的室溫水，用于冷凝真空室內(nèi)因冷卻劑泄漏后接觸高溫的第一壁而產(chǎn)生的蒸汽；一個(gè)小泄壓罐(SLT)包含約40 m3的室溫水。泄放管線包含兩條并行管路：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，連通SLT和真空室，該管路包含兩組并行的泄壓閥組件，其中有一組為出于安全考慮的備用泄壓閥組件。大泄放管路用于排放大泄漏事故下的蒸汽，連通LLTs和真空室，該管路包含兩組并行的爆破片組件，其中一組為出于安全考慮的備用爆破片組件。泄壓閥和爆破片是安全泄放組件，不打開時(shí)也充當(dāng)隔絕閥的作用(由于泄放組件的兩側(cè)存在壓強(qiáng)差)，每組泄壓閥/爆破片組件由兩個(gè)泄壓閥/爆破片串聯(lián)組成，兩個(gè)泄壓閥/爆破片之間抽真空處理，同時(shí)連接壓強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)泄壓閥/爆破片工作或發(fā)生由于本身質(zhì)量問題引起的泄漏時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)將信息反映到總控制系統(tǒng)。VVPSS主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 CFETR VVPSS主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 冗余管道設(shè)計(jì)

由于CFETR內(nèi)部有放射性物質(zhì)，屬于涉核裝置[5]，同樣VVPSS也屬于涉核部件，而核安全部門對(duì)涉核部件明確規(guī)定必須要有冗余，對(duì)于VVPSS來說即必須要有備用系統(tǒng)，提高安全性。VVPSS的初步設(shè)計(jì)中同樣考慮了這方面問題，無論是泄壓閥裝置還是爆破片裝置都設(shè)計(jì)了一組備用的支路，如圖2所示。泄壓閥組件采用分叉式結(jié)構(gòu)，當(dāng)小泄漏事故發(fā)生時(shí)，冗余管道上的泄壓閥會(huì)同時(shí)打開，減少響應(yīng)時(shí)間，提高安全性；爆破片組件采用旁路式設(shè)計(jì)，當(dāng)大泄漏事故發(fā)生時(shí)，旁路上的爆破片不會(huì)立即打開，只有當(dāng)干路上的爆破片出現(xiàn)故障無法正常打開時(shí)，旁路上的爆破片裝置才會(huì)打開，這是考慮爆破片的響應(yīng)時(shí)間短且打開時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈的沖擊力對(duì)其他部件有疲勞損壞。

圖2 泄壓閥組件模型圖和爆破片組件模型圖Fig.2 Assembly model diagram of Pressure relief valve and assembly model diagram of rupture disc

2 管道優(yōu)化分析

考慮VVPSS的工作要求，定義三種工況：工況一為正常工作狀態(tài)，泄壓閥和爆破片都處于關(guān)閉狀態(tài)；工況二為小泄漏狀態(tài)，泄壓閥打開，爆破片處于關(guān)閉狀態(tài)，泄漏介質(zhì)通過小泄放管路進(jìn)入SLT內(nèi)冷凝；工況三為大泄漏狀態(tài)，泄壓閥和爆破片都開啟，泄漏介質(zhì)主要通過大泄放管路進(jìn)入LLTs內(nèi)冷凝。由于工況二下僅有小泄放管道工作，工況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時(shí)所采用的邊界條件分別對(duì)應(yīng)于工況二、工況三。由VVPSS的設(shè)計(jì)要求可知，工況二到工況三的過渡壓力為爆破片的爆破壓力，也即為工況二下進(jìn)口能達(dá)到的最大壓力，而工況三下進(jìn)口所能達(dá)到的最大壓力為真空室的設(shè)計(jì)壓力，兩種工況下進(jìn)出口溫度為維持泄漏介質(zhì)氣態(tài)的飽和溫度，本文僅考慮泄漏介質(zhì)冷卻水的情況，兩種工況下出口壓力是STs內(nèi)部的壓強(qiáng)與水頭之和。如表2所示為工況二、工況三的極限邊界參數(shù)。

表2 CFETR VVPSS管路進(jìn)出口參數(shù)

2.1 變徑管位置優(yōu)化分析

制約管道優(yōu)化的約束條件有很多，如管徑最優(yōu)，管路最短，水頭損失少等[6]。VVPSS管路的最小直徑由泄放裝置的尺寸確定，而泄放裝置的尺寸由真空室內(nèi)泄漏事故的最大泄放量確定；管路的長(zhǎng)短受到CFETR中其他組件布局的約束，現(xiàn)有數(shù)據(jù)不足以得到最短管路方案，只能初步得到管路方案；本文從流體力學(xué)角度，優(yōu)化管路并得到水頭損失最小的方案。

根據(jù)雷諾數(shù)判斷管道內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)，雷諾數(shù)Re為[7]：

(1)

式中：ρ——流體密度,kg/m3；

υ——管內(nèi)平均流速,m/s；

μ——?jiǎng)恿︷ざ?Pa·s；

ν——運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s；

d——圓管直徑,(m)。

計(jì)算可得Re≈8×106>2 320，即為湍流。流體在管道中流動(dòng)要受到阻力作用，會(huì)造成流道水頭的損失hw，根據(jù)引起阻力的成因不同，分為沿程阻力損失hf和局部阻力損失hj，具體公式如下[7]：

hw=∑hf+∑hj

(2)

式中：λ——沿程阻力系數(shù)；

l——管長(zhǎng),m；

g——重力加速度,m/s2；

ξ——局部阻力系數(shù)。

湍流中λ與管道相對(duì)粗糙度和管道的雷諾數(shù)有關(guān)，求解較為復(fù)雜，工程上一般使用半經(jīng)驗(yàn)公式或相關(guān)手冊(cè)獲取。ξ是與進(jìn)口、接頭、閥門、彎頭等部件有關(guān)，取值查閱相關(guān)手冊(cè)。

由公式(2)可以得到在設(shè)計(jì)管路時(shí)需要考慮減少?gòu)濐^個(gè)數(shù)、縮短管長(zhǎng)、增大管徑等，才能得到水頭損失最少的管路方案。按照此設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了如圖3的兩種小泄放管路方案，兩種方案的主要區(qū)別是變徑管位置的不同。本文采用Fluent 對(duì)兩種方案進(jìn)行分析，分析邊界條件采用表2中的工況二下的管道參數(shù)，同時(shí)為了能更加全面仔細(xì)得到最優(yōu)方案，本次分析還研究了每種方案在不同管徑下的流動(dòng)特性，整理分析軟件得到的結(jié)果，將兩種方案在不同管徑下最大壓強(qiáng)分布情況匯總成圖表形式如圖4所示。

圖3 兩種管路方案模型圖Fig.3 Model diagrams of two pipeline schemes

圖4 不同管徑下兩種管路方案的最大壓強(qiáng)對(duì)比Fig.4 Comparison of maximum pressure of two pipeline schemes in different pipe diameters

根據(jù)分析結(jié)果可知，隨著管路直徑的增大，管道內(nèi)的最大壓強(qiáng)逐漸減??；變徑管布置在彎頭后面的管路方案在不同直徑下的最大壓強(qiáng)大于135 kPa，表明存在堵塞情況；而變徑管布置在彎頭前面的管路方案在不同直徑下的最大壓力小于進(jìn)口壓強(qiáng)135 kPa，得出變徑管布置在彎頭前面的管路方案是較優(yōu)選擇。

2.2 支路數(shù)目?jī)?yōu)化分析

考慮運(yùn)行工況可知，大泄放管路需要泄放大泄漏事故下的產(chǎn)生的大量蒸汽介質(zhì)，需要大尺寸的爆破片裝置，結(jié)合相關(guān)聚變裝置中爆破片的設(shè)計(jì)[8]，CFETR中爆破片直徑初步設(shè)計(jì)為800 mm，如此大尺寸的爆破片生產(chǎn)制造極其困難，而目前國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)商暫缺乏此類設(shè)計(jì)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，亟需相關(guān)研究指導(dǎo)。因此，本文對(duì)是否能通過改變爆破片支路的個(gè)數(shù)來減小爆破片直徑進(jìn)行分析研究。

本次分析的對(duì)象是大泄放管道，主要對(duì)兩種管路方案做出分析，一種方案是無支路僅一條主干路且半徑為400 mm；另一種方案是有兩條支路且半徑為300 mm，主干路直徑都為400 mm，從流體力學(xué)角度可知[7]，兩種方案分別涉及了串聯(lián)管路和并聯(lián)管路，而并聯(lián)管路存在兩處局部損失，由公式(2)可知水頭損失更大。需要使用Fluent對(duì)兩種方案進(jìn)一步分析。分析邊界條件為：采用速度進(jìn)口200 m/s，進(jìn)口溫度為110 ℃；出口壓力20 kPa，出口溫度為110 ℃。其分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同支路數(shù)目的管路的壓力云圖Fig.5 Distributions of pipeline with different number of branches

如圖4所示：僅一條主干道的大泄放管路壓強(qiáng)范圍為15.35～25.8 kPa,壓降為10.45 kPa；有兩條支路的大泄放管路壓強(qiáng)范圍為13～28.29 kPa，壓降為15.29 kPa。由此可以得到僅一條主干道的大泄放管路的壓降小于有兩條支路的大泄放管路的壓降。從壓降角度考慮，僅一條主干道的大泄放管路的方案要優(yōu)于有兩條支路的方案，所以無法通過增加爆破片支路數(shù)目來得到較小直徑的爆破片裝置。

3 管道流體分析

結(jié)合前文得出的管路優(yōu)化方案，針對(duì)小泄放模型和大泄放模型，采用表2中的管道邊界條件，總體分析VVPSS泄放管路的流動(dòng)特性。分析結(jié)果如圖6所示，小泄放管路的壓強(qiáng)范圍為20～134.2 kPa；大泄放管路的壓強(qiáng)范圍為19.72～189.4 kPa，無堵塞情況，初步滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 小泄放管路和大泄放管路 的壓力云圖Fig.6 Distributions of small bleed line and large bleed line

4 結(jié)論

本文首先介紹了VVPSS的初步總體布局設(shè)計(jì)；通過有限元流體分析軟件對(duì)小泄放管路的方案選擇進(jìn)行了分析研究，得出當(dāng)變徑管在彎管前段時(shí)，小泄放管路中流體無堵塞情況，是較優(yōu)的選擇；針對(duì)是否能通過增加支路數(shù)目來減小爆破片的直徑進(jìn)行了初步探究：從壓降角度考慮，兩條支路的大泄放管道的壓降要大于僅一條干路的大泄放管路，不能通過增加支路數(shù)目來選用直徑更小的爆破片；最后結(jié)合文中的設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)果對(duì)小泄放模型和大泄放模型的流動(dòng)特性進(jìn)行總體分析，分析結(jié)果得出優(yōu)化后的管道無堵塞情況，滿足設(shè)計(jì)要求。

本文僅初步設(shè)計(jì)出CFETR中VVPSS的結(jié)構(gòu)布局，后續(xù)需要考慮與其他部件的接口；僅結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析優(yōu)化管路設(shè)計(jì)，后續(xù)需要考慮工程布局和加工制造，進(jìn)行深入設(shè)計(jì)優(yōu)化；對(duì)是否能通過增加支路數(shù)目來減小爆破片的直徑的問題，后續(xù)需要從其他不同的角度進(jìn)行更加全面的研究。