反应堆压力容器筒体保温层结构间隙对保温效果的影响分析
2020-08-04张亚斌邱天罗英李玉光周高斌
张亚斌 邱天 罗英 李玉光 周高斌
摘 要
评价金属保温层热性能的经验公式方法，对于保温层支承结构和保温层间隙超差问题难以实现有效评价。使用ANSYS Fluent软件对华龙一号筒体保温结构开展仿真分析，分析存在一定热态间隙情况下的漏流情况，间隙越大，漏流量占入口风量的比例就越大;基于间隙漏流量计算结果，进一步分析间隙尺寸和入口风量等泄热敏感参数对筒体保温结构的传热影响，提出保温结构设计中降低间隙泄热影响的措施。
关键词
压力容器;筒体保温层;结构间隙;保温效果
中图分类号： TL351.6 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.036
Abstract
The empirical formula method was used to evaluate the thermal properties of the insulation，but it is difficult to evaluate the support structure and the overmuch gap on the insulation.ANSYS Fluent is used to simulate the barrel insulation structure of HPR1000.The wider the structure gap is，the more the proportion of flow leakage rate caused by certain hot gaps is in inlet air volume.Furthermore，based on the calculation results of flow leakage，the influence of heat leakage sensitive parameters such as gap size and inlet air volume on heat transfer performance of barrel insulation structure is analyzed.In the design of the barrel insulation structure，measures to reduce the effect of heat leakage caused by gaps are discussed.
Key Words
Reactor pressure vessel;Barrel insulation structure;Structure gap;Heat insulation effect
0 前言
華龙一号具备能动与非能动相结合安全特征的三代核电技术，反应堆压力容器（RPV）采用金属反射型保温层，包覆整个RPV。在应对堆芯熔化的严重事故方面，设置了堆腔注水冷却系统（CIS），保温层与RPV外表面共同形成一个特定的环腔，冷却水从位于保温层底部的注水管进入该环腔并冷却压力容器，避免RPV熔穿。
结构设计的改进对保温层热性能带来极大的影响。保温层除考虑自身的热损失不能超出设计要求外，还要考虑保温层支承与预埋件连接后，混凝土温度也不能超出限值。此外，结构改进和安装工序调整也带来现场安装难度的大幅增加，易出现尺寸超差或冷态间隙超差。在工程上，出现过保温层间隙过大导致堆坑出口风量降低、堆坑通风温度报警等问题。
以往未设置CIS的堆型，通常用传热试验结合经验公式对保温层热损失进行评价。经验公式法评价模型单一，对保温层支承及其穿出保温层的接缝等局部重要结构，只能做大量简化处理以及保守分析，而遇到保温层间隙超差、间隙漏流之类的现场安装问题时，则难以有效的评价。
本文同样采用传热试验获取保温层导热系数，针对华龙一号筒体保温结构使用ANSYS Fluent软件开展仿真分析，分析存在一定热态间隙情况下的间隙漏流情况和间隙泄热情况，以分析华龙一号筒体保温结构的性能，为后续设计和工程问题处理提供借鉴。
1 保温层传热机理及传热试验
1.1 传热机理
RPV用金属反射型保温层是在不锈钢壳体内放置若干层不锈钢箔片。不锈钢箔片表面光洁具备较高的反射率，可以将大部分RPV的热辐射反射回去，从而大幅削弱辐射换热;同时箔片在壳体内的布置应尽量降低热传导面积，并抑制箔片间夹层的对流换热。
筒体保温结构对应的RPV筒体和下封头部分外径均大于1000mm，可将保温层自身的传热简化成平壁导热模型[1]。根据ASTM C680[2]，对于平壁导热模型，有：
式中，Qi为各保温层组件热损失，qi为各保温层组件热流密度，Ai为各保温层组件冷面换热面积，Ti为保温层热面温度，To为保温层冷面温度，δ为保温层厚度，λs为保温层平均导热系数。无论采用经验公式法还是软件仿真分析，λs都是开展保温层传热分析的关键参数[3][4]，通常采用传热试验测量该系数[5]。
1.2 传热试验
1.2.1 试验样件及装置
传热试验按照ASTM C1061[6]进行，测定保温层样件在不同温度下的导热系数。试验样件型式为T型接头，由2件900mm×900mm和1件1800mm×900mm拼接组成长1800mm×宽1800mm的样件。样件分别有不同厚度，包括85mm、100mm、115mm、155mm、180mm、200mm、215mm和240mm。
