乏燃料池喷淋系统离心式喷嘴性能试验研究

程会方　苏夏　桂璐廷

【摘要】某压水堆核电站设置了乏燃料池喷淋系统，应对极端事故工况下乏燃料池水排空和乏燃料裸露。为保证喷淋系统能够覆盖整个乏燃料池表面区域，并且提供足够的冷却流量，需对喷嘴进行合适的选型并深入研究其喷淋特性，在此基础上开展喷淋系统的设置，包括喷嘴数量、间距、安装角、扭转角等。文章对选定的分体式离心喷嘴的性能进行了试验研究，分析了高度、流量、扭转角等关键因素对其喷淋流量密度分布特性的影响，试验和分析结果为乏燃料池喷淋系统的设计提供了依据。

【关键词】喷淋；离心式喷嘴；流量密度

1、背景

某压水堆核电站设置了乏燃料池喷淋系统，以应对极端事故导致的池水排空、乏燃料组件裸露。在乏燃料池的东、西两侧墙上沿长度方向分别设置了一套喷淋管嘴，通过喷淋来冷却乏燃料[1][2]。喷淋系统的设计应能保证喷淋能够覆盖整个乏燃料池表面区域，并且提供足够的喷淋流量密度（单位面积上的有效喷淋流量，单位（m3/h）/m2）来带走乏燃料组件产生的衰变热，以保证燃料安全。单喷嘴的喷淋性能将直接影响到整个喷淋系统的设计，因此，本文结合系统设计要求对喷嘴进行了初步的试验选型，并对选定的分体式离心喷嘴的喷淋特性开展了重点研究，分析喷淋高度、流量和扭转角几个因素对喷淋流量分布特性的影响，为乏燃料池喷淋系统的设计提供数据支撑和指导建议。

2、试验介绍及喷嘴选型

2.1试验介绍

测定喷嘴喷淋的流量密度分布特性在国内尚属首次，试验台架设计如图2-1所示。在地面上噴淋覆盖范围内以25cm×25cm的尺寸划分试验方格，并间隔摆放直径为250mm的收集桶，该尺寸与单个乏燃料组件格架的截面尺寸相当，相邻桶之间横向纵向的间距均为500mm，空白单元格的喷淋流量按照周围四个方格的流量平均值获得。

水槽中的水经过滤器3进入液泵1，为了保证管路的安全性，待旁通管路5出口水流稳定后，同时打开常开电磁阀4和常闭电磁阀10的开关，调节调节阀2使流量达到各试验工况要求的值后，开始摆桶收集喷淋流量。试验结束后，用电子秤按集液桶的摆放顺序称重并记录在表格中。

2.2喷嘴选型

对于乏燃料池喷淋系统的设计而言，喷淋覆盖面积和喷淋流量密度是最关键的两个指标。因此，单喷嘴的喷幅应满足乏燃料池的宽度要求，且雾化颗粒不会在到达乏燃料组件之前因环境高温直接蒸发，而是直接降落到燃料组件上，以足够的流量密度保证其冷却效果。根据喷嘴的功能和技术参数，本文以旋水心式离心喷嘴、整体式离心喷嘴和分体式离心喷嘴为试验对象，首先进行了喷幅和雾化粒径的测定。结合乏燃料池喷淋系统的设计要求，在额定压力0.3MPa、喷淋高度大于7.8m时，喷嘴流量应达到5～5.7m3/h，喷幅应达到6.4m。本文根据试验结果，选取了性能指标能够满足上述要求的分体式离心喷嘴，其结构示意图见图2-2。

该喷嘴的工作原理是：液体在压力的作用下通过喷嘴入口加速并进入旋流室，在离心力作用下充分旋转，再从喷口（收敛通道）内加速喷出空心扩散锥状液膜，利用液体与外界空气的高速差而破碎、雾化。由于轴向速度受到自身结构形式的限制，试验测得该喷嘴的雾化粒径大约为800～1400μm，液体能够直接喷射到乏燃料组件上而提供充分的冷却。

3、喷嘴性能分析

喷嘴的流量分布特性受自身结构设计、喷淋高度、角度、流量等多重因素的影响，本文基于2.2节选定的喷嘴型号，重点开展了高度、流量和扭转角的敏感性试验和分析，研究其流量密度分布规律，喷淋覆盖区域坐标示意图见图3-1。

3.1高度敏感性分析

在表3-1的试验条件下，喷嘴在7.8m、8.4m和9m高度下X=0m（喷嘴中心线）及Y=3.25m（约1/2喷幅）的喷淋流量密度分布曲线如图3-2。

由试验结果可以看出，该喷嘴在3个不同高度下X=0m以及Y=3.25m的流量密度整体分布趋势基本相同，说明当喷淋高度大于7.8m时，已处于喷幅和流量分布都相对稳定的喷淋区域。但在此高度范围内，随着喷淋高度的增加，流量密度的峰值沿纵向存在一定程度的偏移：当H=7.8m时，峰值出现在0.45m处；当H=9m时，峰值出现在0.95m处，向外扩展了0.5m，即两个单元格的距离。

另外，从纵向分布曲线走势可以看出，流量密度在靠近喷嘴处出现峰值，随后急剧下降，在Y=2.75m附近出现空心区，之后流量密度沿纵向有一定的回升，直到喷幅边缘处又下降。结合横向分布曲线以及H=8.4m的流量分布色阶图（图3-3），可以看出空心区域大致位于喷淋覆盖区域的中心处，且喷嘴右侧的平均流量密度是左侧的大约2倍。该分布特性跟喷嘴的离心结构形式密切相关，水流经旋转后形成空心锥状液膜，在靠近喷嘴处与空气碰撞后快速破碎并形成液滴降落。在离心力的作用下，左右两侧的分布也呈现出显著的不均匀性。

因此，在开展乏燃料池喷淋系统设计时，应结合工程实际，尽量选取H≥7.8m的喷淋高度，以获得最大的喷幅及稳定的流量密度分布；相邻喷嘴间距的设置应充分考虑消峰减谷的效应，减小空心区及不对称性对整体流量密度分布的影响。

3.2流量敏感性分析

在表3-2的试验条件下，喷嘴在5m3/h、5.5m3/h和6m3/h流量下X=0m及Y=3.25m的喷淋流量密度分布曲线如图3-4。

喷嘴在不同流量下的横向和纵向流量密度分布整体趋势与3.1节的分析结果相似，峰值和空心区的现象仍然存在。随着喷淋流量的增大，喷淋流量密度的峰值有所增加；且因入口压力增大，出口处的喷射速度增大，液体能够到达更远的距离，因此峰值沿纵向有小幅度的外扩。另外，空心区域随流量的增加逐渐收缩，且最小流量密度也有所增大，在Y=3.75m～6.5m范围内流量密度曲线渐趋展平，即此区域内的流量分布渐趋均匀。

在喷淋水源确定的条件下，应尽量减小管路阻力，优化乏燃料池喷淋系统的布置方案，获得更大的有效喷淋流量。

3.3扭转角敏感性分析

在表3-3的试验条件下，喷嘴在0°、15°、30°和45°扭转角下Y=1m及Y=3.25m的喷淋流量密度分布曲线如图3-5。

不同扭转角下的喷淋流量密度分布情况差别较大，比较Y=1m和Y=3.25m的流量密度分布曲线可以看出，当扭转角θ≥30°时，喷淋流量向靠近喷嘴的一侧集中，在5m3/h的喷淋流量下，1/2喷幅处的流量密度基本降至0.1（m3/h）/m2以下，这对乏燃料池内与喷嘴纵向距离较远的燃料组件冷却而言是极其不利的，因此在开展喷淋系统的布置设计时应尽量避免使用≥30°的扭转角。

4、结论

通过试验研究及分析，选取了适用于该核电项目乏燃料池喷淋系统的分体式离心喷嘴，并针对性的开展了高度、流量和扭转角敏感性分析，主要结论如下：（1）分体式离心式喷嘴在特定喷淋高度和流量下的喷幅能达到6.5m，雾化粒径约为800～1400μm，满足乏燃料池喷淋系统的基本性能要求。（2）当喷淋高度≥7.8m时，喷淋流量密度的分布已基本趋于稳定，但随着高度的增加，流量密度峰值会沿纵向稍微外扩；喷淋覆盖区域内会出现空心区，且喷嘴左右两侧的流量分布呈现出明显的不对称性。（3）随着喷淋流量的增加，喷淋流量密度的峰值增大，空心区域逐渐收缩。（4）当扭转角θ≥30°时，流量集中在喷嘴附近，1/2喷幅处的流量密度基本降至0.1（m3/h）/m2以下。基于上述分析结果，在实际工程设计中，应结合喷嘴的上述特性，选取合适的喷淋高度以确保喷淋覆盖区域位于喷嘴的稳定喷幅范围内；喷嘴的布置应考虑多个喷嘴之间的叠加效应，以弥补单喷嘴空心区的低流量密度；对于因特殊原因不能设置喷嘴的局部区域，应考虑调整相邻两侧喷嘴的扭转角，对该区域的流量密度进行补充。

参考文献

[1]孙汉虹等.第三代核电技术AP1000 [M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]郑明光，杜圣华.压水堆核电站工程设计[M].上海：上海科学技术出版社，2013.

作者简介

程会方（1984—），女，汉，河南，工程师，硕士，核科学与技术.