硝酸盐自然循环回路系统特性分析

王 凯 蔡创雄 何兆忠 陈 堃

硝酸盐自然循环回路系统特性分析

王 凯 蔡创雄 何兆忠 陈 堃

（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

硝酸盐自然循环回路(Nitrate natural circulation loop, NNCL)是研究熔盐自然循环特性的重要实验平台，可为氟盐冷却高温堆的非能动余热排出系统设计和验证积累经验。通过修改RELAP5/MOD4.0程序，对NNCL进行了系统分析，分析了不同加热功率、空气流量和入口温度等情况下的系统特性。结果表明，加热功率和空气流量是影响NNCL系统平衡温度和质量流量的重要因素，对系统稳态时的温度和流量有很大影响；自然循环达到稳定时所需时间较长，不同工况下需要8−27 h的稳定时间；在空气设计流量下，为了防止硝酸盐因温度过高而变质或因温度过低而凝结，加热功率应保持在20−40 kW。

自然循环，RELAP5/MOD4.0，非能动余热排出，硝酸盐

中国科学院钍基熔盐核能系统研究中心(Center for Thorium-based Molten Salt Reactor System, TMSR中心)自2012年以来，在中国科学院战略先导专项的支持下开展了固态熔盐堆的研究和设计工作。同时，开展了一系列的实验回路建造和实验研究。硝酸盐自然循环回路(Nitrate natural circulation loop, NNCL)是TMSR中心为研究熔盐自然循环特性而设计的实验平台。NNCL自然循环试验回路的目的在于研究非能动余热排除系统的散热能力，验证NNCL自然循环回路的设计，解决非能动余热排出系统在待命、启动以及稳定运行时可能遇到的问题。NNCL自然循环试验回路可以为氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统[1−3]的设计提供设计输入和积累经验，并提供验证平台。本文利用修改后的RELAP5/MOD4.0程序对NNCL系统进行模拟，分析硝酸盐自然循环的特征以及功率、空气流量、空气入口温度等对NNCL系统的影响，为实验方案设计、实验开展提供支持和指导。

1 NNCL系统简介

NNCL由熔盐池、双熔盐换热器(DRACS (Direct Reactor Auxiliary Cooling System) heat exchanger, DHX)、空冷塔、空气-硝酸盐换热器(Natural draft air-cooled heat exchanger, NDHX)、风门、膨胀罐、减压器、熔盐注入系统、保护气体系统等组成[4]。另外，在空冷塔底部装有风门和风机，用于调节空气流量，如图1所示。电加热器位于熔盐罐底部，用于加热罐中的熔盐。

图1 TMSR-SF1系统原理图Fig.1 Schematic of TMSR-SF1.

NNCL系统加热段(DHX)熔盐吸收热量，温度升高，密度减小，沿管路上升，流入散热段(NDHX)。熔盐在散热段被冷却，密度增大，沿下降管段流回加热段，再次被加热，从而形成循环。该过程完全依靠对流、重力等自然规律形成。本文采用系统安全分析程序(RELAP5/MOD4.0)对NNCL自然循环系统进行整体模拟和计算分析。

2 计算方法

本文采用系统安全分析RELAP5/MOD4.0程序进行建模和计算，同时对程序作一定的修改，以保证模拟的准确性。

2.1 程序简介

RELAP5/MOD4.0是由Innovative System Software (ISS)开发的RELAP5系列中最新版的轻水堆瞬态分析程序，RELAP5程序于20世纪80年代逐渐开发，为美国核管会批准的用于工程安全审评的核电站大型瞬态热工水力分析程序，RELAP5程序采用一维、瞬态、双流体、六方程水力学模型，可用于轻水堆系统安全及热工水力实验系统的计算分析[5]。

RELAP5程序广泛应用于轻水堆核电厂的系统安全分析，被用于对失水事故、未能紧急停堆的预计瞬态、给水丧失、失去场外电源和全厂断电等轻水堆事故进行模拟计算。RELAP5/MOD4.0相对于其他版本，增加了换热模型的接口和更多的流体工质特性，如FLiBe、Na、Pb-Bi等，但是该程序流体模型中并没有硝酸盐，也没有适用于NDHX换热器空气侧表面换热系数的计算公式。

2.2 程序修改

根据上文所述，目前RELAP5/MOD4.0尚不能完全满足NNCL系统分析的需要，因此本文对程序进行了修改，包括：硝酸盐物性和空气表面换热模型植入，使程序能够适用于NNCL系统分析。

硝酸盐物性的植入采用并行于程序原有流体模型的模式进行修改，不破坏程序原有的结构，包括饱和压力、密度、比热、内能、焓、导热系数、粘度、等温膨胀系数和体积膨胀系数[6−7]。

NNCL系统的熔盐-空气换热器采用蛇形盘管结构，本文将空气侧对应的表面换热系数也植入到RELAP5/MOD4.0程序中，空气换热系数计算公式为[4]：

式中，sT/sL为修正系数，sT/sL≤2，根据换热管的设计修正系数取值为0.986；Res为雷诺数；Prs为基于空气主流温度的普朗特数；Prw为基于壁面温度的普朗特数。

3 NNCL系统建模

3.1 NNCL系统基本参数

NNCL系统中DHX换热器为蛇形盘管换热器，共30根换热管，NDHX换热器的形状与之类似，采用相同的换热管道，但换热管数目为15根。熔盐池中有电加热器，电加热器功率最高可达40 kW，本文主要研究功率在20−40 kW NNCL自然循环系统的特性。表1给出了NCCL系统主要参数[4]。

表1 NNCL系统主要参数Table 1 Main parameters of NNCL system.

3.2 计算模型

RELAP5程序模拟NCCL系统的节点图如图2所示。系统主要包括：熔盐池、硝酸盐回路、空冷塔和膨胀罐。其中膨胀罐用于吸收和补偿由于温度升高和降低导致的硝酸盐体积的变化，同时起到调节系统压力的作用。

3.2.1 系统阻力设置

根据NNCL系统设计[4]，本文将DHX换热器和NDHX换热器的局部阻力集中到出口，能量损失系数均设为27.0；将硝酸盐回路中弯头等部位的局部阻力等效到上部和下部的水平管的两个接管处，能量损失系数均设为3.0。

3.2.2 初始条件设定

管道中DHX换热器进口到NDHX换热器进口之间的硝酸盐初始温度定为573.15 K；其他管道内硝酸盐设为543.15 K；压力均为一个大气压力；空气侧压力设为一个大气压力；同时不考虑管道散热（管道包有保温层）；将膨胀罐的压力设为1.1×105Pa。

图2 NNCL系统节点图Fig.2 Nodalization of NNCL system.

图3 DHX换热器进/出口温度Fig.3 Inlet and outlet temperature of DHX.

4 计算结果及分析

4.1 计算结果

本文采用修改后的RELAP5/MOD4.0程序模拟：(1) 不同功率水平下，系统运行状态；(2) 相同功率水平，不同空气质量流量下的系统运行状态；(3) 相同功率水平和空气质量流量下，空气入口温度对系统的影响。

4.1.1 不同功率水平下NNCL系统运行特性

本文计算研究在额定空气流量(0.5 kg·s−1)下，加热功率分别为20 kW、25 kW、30 kW、35 kW、40 kW时，NNCL系统的特性。图3为额定空气质量流量下，从初始时刻到稳态时DHX换热器进出口温度的变化。图4给出了稳态时硝酸盐回路的流量和DHX换热器进出温差随加热功率的变化，表2列出了不同功率下，硝酸盐系统温度差和流量等参数。从计算结果中可以看出，NNCL自然循环系统达到稳态时间较长（本文计算结果显示，不同的工况达到稳定时约需要8−27h），且临近稳态时回路温度变化量较小。

图4 不同功率水平下硝酸盐回路质量流量(a)和温差(b)Fig.4 Mass flow rate of nitrate salt loop (a) and temperature difference (b) between inlet and outlet of DHX at different power.

表2 不同功率下NNCL系统的主要运行参数Table 2 Main parameters of NNCL at different power.

4.1.2 不同空气流量下NNCL系统运行特性

为了研究不同空气流量下NNCL系统的运行特性，本文分别模拟在加热功率为20 kW、30 kW、40 kW时，不同空气流量下NNCL自然循环的运行特性。

图5 不同空气流量下硝酸盐回路的质量流量(a)和DHX换热器进出口温差(b)Fig.5 Mass flow rate of nitrate salt loop (a) and temperature difference between inlet and outlet of DHX (b) at different air mass flow rate.

为了防止硝酸盐温度过高或过低，本文根据不同的功率水平选取不同的空气流量作为研究对象。表3给出了不同空气流量下对应的NNCL硝酸盐系统的主要参数。图5给出了不同空气流量对应的稳态时硝酸盐回路的质量流量和DHX换热器进出口温差。

表3 不同空气流量下NNCL系统的主要运行参数Table 3 Main parameters of NNCL at different air mass flow rate.

4.1.3 空气进口温度对NNCL系统的影响

不同时间段的风冷塔入口空气温度不相同，为了研究其对NNCL系统的影响进行计算分析，本文选取加热功率为20 kW，入口温度分别为283.15 K、293.15 K、303.15 K、313.15 K、323.15 K、333.15 K。图6为不同空气进口温度下的硝酸盐回路的质量流量和DHX换热器进出口温差。从图6中可以看出，空气入口温度越高，回路流量越大，空气入口温度对回路温差的影响较小，表4给出了不同空气进口温度下NNCL系统运行的详细参数。

图6 不同空气进口温度下硝酸盐回路质量流量(a)和DHX换热器进出口温差(b)Fig.6 Mass flow rate of nitrate salt loop (a) and temperature difference between inlet and outlet of DHX (b) at different air inlet temperature.

表4 不同空气进口温度下NNCL系统的主要运行参数Table 4 Main parameters of NNCL at different air inlet temperature.

4.2 分析与讨论

电厂的电气设备主要有变压器、电气主接线及厂用电、配电装置、变电站设备等组成。由于电厂输出电压较高、电流较大的原因，其电气设备安装要求也相应较高。设备质量以及设备的选型、施工质量等多方面决定了电厂的运行安全。电厂电气设备接线牢固度、正确性，变电设备接地线的安装，设备固定螺丝的旋紧、电气仪表设备固定架的焊接等等多方面都是影响供电质量的因素，因此，在进行电厂电器设备检查与修理过程中，必须通过健全的检修控制体系来对运行的电气设备进行监控，保障电气设备的安全运转。

通过计算发现，加热功率是影响NNCL系统运行特性最重要的因素。功率的增加使得系统吸收的热量变多，硝酸盐系统的温度以及温差变大，温差变大系统的驱动压头变大，同时硝酸盐温度升高，粘度降低，如图7所示。系统的沿程阻力降低，从而使得回路的流量增加，如图4所示。

从本文模拟结果看，加热功率25 kW时整个系统建立自然循环平衡的时间是最佳的，当然这有待于实验验证。

空气流量对NNCL系统平衡时硝酸盐的温度有较大的影响，空气流量越大则空气带走的热量越多，NNCL回路中硝酸盐的温度也就越低，温度降低导致硝酸盐的粘度增大，系统的摩擦阻力也就变大，因此回路的流量降低，如图5(a)所示。

图7 硝酸盐粘度随温度的变化Fig.7 Nitrate salt viscosity at different temperature.

在加热功率恒定的情况下，根据能量守恒(式(2))，DHX换热器的温差同质量流量和硝酸盐比热有关。空气流量增加，硝酸盐回路流量减小，但同时由于硝酸盐温度下降，导致硝酸盐比热变大，见图8。综合所有因素，在30 kW和40 kW加热功率下，空气流量增加，温差有一定程度的减少，而在20 kW加热功率下，硝酸盐回路温差同空气流量之间无明显规律，如图5(b)所示。

图8 硝酸盐比热随温度的变化Fig.8 Nitrate salt heat capacity at different temperature.

式中，P为加热功率；m为硝酸盐回路质量流量；ΔT为换热器温差；CP为硝酸盐比热。

空气入口温度对NNCL系统的稳定有一定程度的影响，空气入口温度越高，硝酸盐回路的整体温度上升，因此粘度降低，摩擦阻力变小，流量相对增大。相对于空气流量和加热功率，空气入口温度对硝酸盐回路的温度影响较小，因此不同空气入口温度下，硝酸盐回路的流量和温差变化相对较小，如图6所示。

本文通过计算分析发现，由于硝酸盐的熔点较高(142 °C)，在风冷塔冷却能力过大或加热功率过低的情况下硝酸盐有凝结的可能，硝酸盐的局部凝结会导致回路的堵塞，导致NNCL回路中硝酸盐无法流动，无法将熔盐罐内热量带出，从而导致局部过热，影响安全。同时也要防止功率过高或冷却能力不足导致硝酸盐温度过高而失效。从模拟结果上可以看出，在额定空气流量(0.5 kg·s−1)下，加热功率为40 kW时，硝酸盐温度已经达到688 K，接近变质温度(700 K)[6]，因此在额定空气流量下(0.5 kg·s−1)，为了防止硝酸盐温度过高变质，加热功率应保持低于40 kW，同时为了防止硝酸盐冻结，保守考虑，在额定空气流量下，加热功率不得低于20 kW。

5 结语

(1) NNCL自然循环系统达到稳态时间较长，且临近稳态时，回路温度随时间的变化量非常小。

(2) 加热功率的增加会使得系统吸收的热量变多，温度升高，温差变大，回路的流量增加。

(3) 在额定空气流量下，为了防止温度过低硝酸盐凝结或温度过高硝酸盐变质，加热功率应在20−40kW之间。

(4) 空气流量越大，NNCL回路中硝酸盐的温度越低，同时回路的流量也越低。由于硝酸盐回路温差同回路的质量流量和硝酸盐比热有关，在二者作用下，空气流量对硝酸盐回路温差影响相对较小。

(5) 空气入口温度越高，硝酸盐回路温度越高，回路流量相应增大。相对于加热功率和空气流量而言，空气入口温度对NNCL回路的影响较小。

本文分析了不同参数对NNC系统自然循环性能的影响，为实验研究提供了基础，同时，根据数值模拟结果提出了实验中应注意的问题。

1 Ingersoll D T, Forsberg C W, Ott L J, et al. Status of preconceptual design of the advanced high-temperature reactor (AHTR)[R]. ORNL/TM-2004/104, Oak Ridge National Laboratory, 2004

2 Ingersoll D T, Clarno K T, Forsberg C W, et al. Status of physics and safety analyses for the liquid-salt-cooled very high-temperature reactor (LS-VHTR)[R]. ORNL/TM-2005/218, Oak Ridge National Laboratory, 2005

3 Wang X, Lyu Q, Sun X, et al. A modular design of a direct reactor auxiliary cooling system for AHTRs[R]. Transaction of the American Nuclear Society, American Nuclear Society Annual Meeting, Hollywood, FL, 2011, 104: 1077−1080

4 蔡创雄, 袁晓峰, 王纳秀, 等. 硝酸盐自然循环回路预概念设计报告[R]. TMSR-SE-NS-TR-2013-2, 上海: 中国科学院上海应用物理研究所, 2014 CAI Chuangxiong, YUAN Xiaofeng, WANG Naxiu, et al. The nitrate natural circulation loop concept design report[R]. TMSR-SE-NS-TR-2013-2, Shanghai: Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, 2014

5 RELAP5/MOD3.3 Code Manual Volume VIII: models and correlations, information systems laboratories, Inc. Rockville, Maryland Idaho Falls, Idaho, 2013

6 Janz G J. Physical properties data compilations relevant to energy storage Ⅳ molten salts: data on additional single and multi-component salt systems[M]. Molten Salts Data Center Cogswell Laboratory Rensselaer Polytechnic Institute Troy, NY 12181, 1981: 786−795

7 HITEC heat transfer salt. Coastal Chemical Co., L.L.C.

CLC TL364.4

Characteristics analysis of nitrate salt natural circulation loop

WANG Kai CAI Chuangxiong HE Zhaozhong CHEN Kun
(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

Background: Nitrate salt natural circulation loop (NNCL) system is an important platform for studying molten salt natural circulation characteristic. And the foundation for the design and verification passive residual heat removal system in the fluoride slat-cooled high temperature reactor might be obtained in this platform. Purpose: This study aims to analyze characteristics of NNCL system under different heating power, air flow, etc. Methods: The RELAP5/MOD4.0 code was employed with modification of applicability for NNCL. Simulation was performed for the NNCL system under various running conditions. Results: The calculation results show that air flow has an important effect on NNCL mass flow rate and an inverse relationship with mass flow rate; the steady temperature and mass flow rate of NNCL will increase with the heating power and the steady mass flow rate of NNCL will decrease with the air inlet temperature; NNCL system needs a long time to get a steady state, about 8−27 h. In order to keep the nitrate salt in liquid and not deteriorate, power should be limited in 20−40 kW at the rated air mass flow rate. Conclusion: Heating power and air mass flow rate are the most important factors to effect of the NNCL steady state, which can influence the temperature and the mass flow rate of NNCL system.

Natural circulation, RELAP5/MOD4.0, Passive residual heat removal system, Nitrate slat

TL364.4

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.040602

中国科学院战略性先导科技专项(No.XDA02050100)资助

王凯，男，1987年出生，2012年于华北电力大学获硕士学位，主要从事反应堆安全分析

何兆忠，E-mail: hezhaozhong@sinap.ac.cn

2014-11-14，

2014-12-16