非能动安全壳围堰分配盒改进设计与试验

王彦之， 鲁仰辉， 王 妍

(国核华清(北京)核电技术研发中心有限公司，北京 102209)



非能动安全壳围堰分配盒改进设计与试验

王彦之， 鲁仰辉， 王 妍

(国核华清(北京)核电技术研发中心有限公司，北京 102209)

以冷却水在分配盒中的流动为研究对象，建立了分配盒的水分配模型，提出了立管和浮球2种围堰分配盒概念，通过计算确定了关键参数，并在水分配试验台架上完成了试验验证.结果表明:在特征雷诺数约220时，立管分配盒使水膜覆盖率提高了4.9%，浮球分配盒使水膜覆盖率提高了3.8%；在特征雷诺数约130时，立管分配盒使水膜覆盖率提高了3.1%，浮球分配盒使水膜覆盖率提高了5.3%;2种设计方案均能有效降低收集水箱液位的均方差，提高小体积流量下的覆盖率.

非能动安全壳； 冷却系统； 水分配试验； 围堰分配盒； 覆盖率

分水斗和围堰系统是先进非能动(AP/CAP)三代核电非能动安全壳冷却系统的分水结构，对壳外水膜的分布及均匀性具有决定性的影响[1].由于薄液膜具有传热特性，水膜越薄、越均匀，就越有利于带走堆芯衰变热.如果非能动安全壳下降液膜分配失衡，就会导致液膜流动不稳定，出现断裂、分叉等现象，进而影响非能动安全壳的载出热量.

为研究安全壳直径更大、焊缝位置和围堰结构变化的CAP1400的水膜覆盖规律以及水膜达到稳定的延迟时间，国家科技重大专项“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站专项”的二级课题“CAP1400非能动安全壳冷却系统试验”开展了水分配试验及验证工作[2].已完成的水分配试验有效验证了非能动安全壳及其分水结构设计的合理性和可行性，试验测得的覆盖率及延迟时间满足设计要求.原型围堰结构如图1所示，冷却水由左侧入水口进入，经由底部小孔和上部V形槽流出，6个V形槽将水较均匀地分配到6个分配槽中，V形槽是围堰分配系统的关键组成部分.

图1 分配盒示意图

结合试验观察和数据分析，原型结构分配盒在能满足设计要求的前提下，在水膜分布均匀性和小流量下的覆盖率方面有进一步提升的空间.笔者以冷却水在分配盒中的流动为研究对象，建立了分配盒的水分配模型，提出了立管和浮球分配盒2种设计方案，这2种设计方案虽然增加了结构复杂性，降低了排水能力，但对提高小流量覆盖率及水膜分布均匀性有明显效果.

1 分配盒模型

分配盒流量控制方程为

S=qV，in-qV，up-qV，down

(1)

qV，up=f(h)

(2)

(3)

式(1)～式(3)假设冷却水为理想流体，采用伯努利方程作近似计算[3].式中：h为分配盒内液位高度；S为分配盒底面积；qV，in为分配盒入口体积流量；qV，up为分配盒V形槽流出体积流量；qV，down为分配盒底孔流出体积流量；A为分配盒底孔面积；l为分配盒中的立管高度，在浮球分配盒中，没有立管，l=0，在立管分配盒中，l为立管高度.当h≤l时，水无法从底孔流出，qV，down=0，当h>l时，可由式(3)计算出从分配盒底孔流出的体积流量.由式(4)可知，在分配盒液位达到V形槽最低高度前，没有冷却水从V形槽流出.

(4)

式中：h0为分配盒内V形槽最低处高度；g为重力加速度；α为V形槽半角；hmax为分配盒高度.

冷却水进入分配盒后，若进入的冷却水多于小孔流出的冷却水，分配盒液位上升，液位超过h0后，当从小孔和V形槽流出的冷却水体积流量与进入分配盒的冷却水体积流量相等时，达到稳定平衡.在水分配试验中，流入分配盒的冷却水体积流量是由回路系统调节阀和变频器控制的定量，即qV，in是输入的已知量，同时为h预设一个初值h1，启动迭代运算.迭代求解步骤如下：

qV，up1=f(h1)

(5)

qV，down1=g(h1,A,l)

(6)

(7)

将更新的h2代入式(5)和式(6)，重复此过程直至收敛.

2 概念设计及参数确定

由式(3)可知，降低分配盒底部小孔在小冷却水体积流量下的流量有2种方法：一是减小压头(即增大立管高度)，可通过在小孔处加设一根竖直空心管的方法实现，该空心管的高度有待进一步确定；二是减小底孔面积，特别是减小较小冷却水体积流量下的面积，可通过浮球控制改变底孔面积的方法实现.

2.1 立管分配盒

若非能动安全壳表面水膜均匀分布，由质量守恒可知，从分配盒V形槽流出体积流量等于从围堰流出的体积流量qV，up；从分配盒底孔流出体积流量为分配盒所在长度均匀流量的来源，由均匀分布可得：

qV，down/qV，up=Lbox/Lweir

(8)

式中：Lbox为分配盒的长度；Lweir为围堰的长度.

计算不同特征雷诺数、不同立管高度(40 mm、80 mm、120 mm、141 mm)下的分配效果参数，即qV，down/qV，up，结果如图2所示.图中横轴为不同特征雷诺数，纵轴代表分配均匀性的底孔出水体积流量与V形槽出水体积流量之比.黑色水平线为水膜均匀分布目标值.

从计算结果可知：(1)立管可有效降低小孔的体积流量；(2)立管高度越高，小孔体积流量降低越明显；(3)冷却水体积流量越小，立管高度对小孔体积流量的降低效果越明显；(4)高立管、大体积流量下，出现了qV，down/qV，up低于设计值的情况.为尽量提高小体积流量的分水能力，立管分配盒采用高141 mm的立管.

图2 不同高度立管分配盒水分配效果的对比

2.2 浮球分配盒

因考虑堵塞等原因，减小底孔面积的方案不能直接缩小底孔面积，应使用变面积方案，即底孔面积可随分配盒内液位高度变化.此方案理论上可以达到最好的分配效果，但也大大提升了分配盒的复杂性，为分配盒设计和制造增加了难度.因此，设计了不同的变面积方案，包括如下线性关系：

A=Amin+(Amax-Amin)(h-h0)/(hmax-h0)

(9)

式中：Amin、Amax分别为分配盒最小线性底面积和最大线性底面积.

计算不同特征雷诺数、不同变面积方案的分配效果参数qV，down/qV，up，结果如图3所示.

图3 不同变面积分配盒水分配效果的对比

从计算结果可知：(1)变面积可以有效降低小孔体积流量；(2)因面积有最小值，小体积流量下仍无法达到设计目标；(3)体积流量较大时，3种变面积方案效果差异较小.复杂变面积方案采用浮球控制底孔面积，浮球分配盒结构如图4所示，具体过程为：浮力球随液位高低运动，带动齿扇转动，齿扇通过啮合带动锥体上浮，实现底部小孔的复杂面积变化.

图4 浮球装置示意图

图中浮球装置包括滑轮组1件(Q235B 50 mm×50 mm×20 mm)、支撑板2件(Q235B 40 mm×40 mm×10 mm)、销轴1件(圆钢,d=12 mm,L=60 mm)、锥销1件(d=8 mm或d=2 mm圆钢，L=70 mm)、浮球及线绳索等附件.

3 试验验证

根据设计，制造加工了立管分配盒和浮球分配盒，安装在水分配试验台架上，并完成了试验[4].图5展示了水分配台架在试验过程中围堰进行水分配的情况.

图5 水分配试验的围堰

3.1 试验平台

按与CAP1400安全壳1∶1比例设计了CAP1400非能动安全壳冷却系统水分配试验台架.台架取穹顶的1/8扇面、第二道围堰下方部分为1/16的扇面以及3 m竖直壁面，总高近20 m，直径40 m，由分水斗和围堰装置组成的分水结构系统位于试验本体.试验启动后，冷却水进入分水斗，并通过分水斗的开槽溢流至本体.在重力作用下，经过围堰的再分配，在试验本体表面流动并形成较均匀分布的半稳态水膜.竖直壁面下设有30个收集水箱，收集各部分的累积水量，用于评估水膜分布的均匀性.水膜是安全壳壳外重要的热阱，其分布的均匀性对安全壳热量载出的能力有重要影响.试验装置如图6所示.

图6 试验装置示意图

3.2 试验工况设计

为验证不同体积流量下立管分配盒和浮球分配盒的水分配效果，并与原型分配盒进行对比，设置试验矩阵如表1所示.试验矩阵中的数字为试验次数，为证明试验的可重复性及标定试验装置的误差，同一特征雷诺数原型分配盒进行了2次试验.

表1 试验矩阵

试验采用由数字CCD相机、高速图像采集系统、图像处理系统等模块构成的视频系统测量水膜覆盖率，即水膜覆盖区域(湿区)占试验本体总面积的比值，参考文献[5]中介绍了设备、软件及利用干湿区灰度差异得到水膜覆盖率的方法.

在二道围堰之下，采用30个收集水槽回收了不同位置的累积水量，用于分析不同分配盒对水膜覆盖均匀度的影响.收集水箱大小相同、排列整齐，收集水槽水量的均匀性可以反映出水膜分布的均匀性.若水膜完全均匀分布，则收集水槽水量相等.

3.3 覆盖率分析

水膜在试验本体展开时，其覆盖率不断上升，直至达到半稳定状态的覆盖率.图7给出了不同形式分配盒、不同特征雷诺数下的覆盖率.由图7可以看出，改进分配盒形式在小体积流量下对提高覆盖率有明显作用.在特征雷诺数约为220时，立管分配盒使覆盖率提高了4.9%,浮球分配盒使覆盖率提高了3.8%；在特征雷诺数约为130时，立管分配盒使覆盖率提高了3.1%,浮球分配盒使覆盖率提高了5.3%；在中大特征雷诺数下，改变分配盒形式对覆盖率没有明显影响.

图7 不同形式分配盒、不同特征雷诺数下覆盖率的对比

Fig.7 Comparison of coverage rates with different Reynolds numbers for different distribution boxes

3.4 小体积流量对比

图8比较了立管分配盒、浮球分配盒和原型分配盒在特征雷诺数约为220时，收集水箱在试验时间内累积水的质量分数.由图8可以看出,立管分配盒和浮球分配盒使得分配盒对应的百分比明显下降，水膜在试验本体表面分布更加均匀.

图8 不同形式分配盒在特征雷诺数为220时收集水箱累积水的 质量分数

Fig.8 Mass fraction of water accumulated in water collection tanks at Reynolds number of 220 for different distribution boxes

3.5 冷却水分布分析

由图9可知，立管分配盒和浮球分配盒相对于原型分配盒均有效降低了收集水箱均方差，使液膜在试验本体表面分布得更均匀.

图9 不同形式分配盒、不同特征雷诺数下收集水箱均方差的对比

Fig.9 Mean square deviation of water collection tanks at different Reynolds numbers for different distribution boxes

4 结 论

利用减小压头或减小面积等非能动原理，设计了立管分配盒和浮球分配盒，给出了具体的设计结果，对2种设计方案进行了流体力学分析.2种设计方案相对于原型分配盒均有效降低了收集水箱的均方差，在小体积流量下使覆盖率提高了3%以上，具有让液膜分布更加均匀的作用.相对于原型分配盒，立管分配盒增加了分配盒积水的问题，浮球分配盒增加了分配盒结构的复杂性，降低了装置的可靠性.2种设计方案丰富了分配盒的设计选型，是进一步提高非能动安全壳水膜覆盖率及传热传质特性的基础.

[1] 林诚格，郁祖盛，欧阳予.非能动安全先进压水堆核电技术[M].北京：原子能出版社，2010: 11-27.

[2] 林诚格，赵瑞昌，刘志弢.安全壳在事故下的完整性分析[J].核科学与工程，2010，30(2)：181-192.

LIN Chengge, ZHAO Ruichang, LIU Zhitao. Containment integrity analysis under accidents [J]. Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering, 2010, 30(2):181-192.

[3] 吴望一.流体力学[M]. 北京：北京大学出版社，2000: 52-63.

[4] 郑红亮，李聪，顾国兴，等.核电工程试验的过程控制[J].动力工程学报，2015，35(4)：336-340.

ZHENG Hongliang， LI Cong， GU Guoxing， et al. Process control of nuclear power engineering tests [J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2015, 35(4):336-340.

[5] 张子杨，鲁仰辉，王彦之，等.基于视频技术的大空间内液膜覆盖率的测量方法研究[J].中国科技成果，2013(9)：56-59.

ZHANG Ziyang，LU Yanghui，WANG Yanzhi，et al. Measurement research of falling film coverage on large space by video technology [J]. China Science and Technology Achievements, 2013(9):56-59.

Design Improvement and Testing of a Weir Distribution Box for Passive Containments

WANG Yanzhi, LU Yanghui, WANG Yan

(Guohe Huaqing (Beijing) Nuclear Power Technology R&D Center Co., Ltd., Beijing 102209, China)

Taking the cooling water flow in a weir distribution box as an object of study, a water distribution model was set up for two kinds of weir distribution box, namely riser box and float box, of which the key parameters were determined through necessary calculations, and subsequently verification experiments were conducted on a water distribution test bench. Results show that when the Reynolds number is around 220, the coverage rate of water film would be increased by 4.9% and 3.8% respectively via riser box and float box, and when the Reynolds number is around 130, the coverage rate would be increased by 3.1% and 5.3% accordingly. Both the design schemes can reduce the mean square error of the collection levels and improve the coverage rate of the containment under small flow rates.

passive containment; cooling system; water distribution test; weir distribution box;coverage rate

2016-05-26

2016-07-22

国家重大科技专项资助项目(2011ZX06002-005-003)

王彦之(1984-)，男，四川巴中人，工程师，博士，主要从事反应堆安全分析及试验技术方面的研究.电话(Tel.)：010-56681699； E-mail：wangyanzhi@snptc.com.cn．

1674-7607(2017)06-0508-05

TL42

A

490.40