流量波动对临界热流密度影响研究

2020-08-31陈薇刘飒门昌华孙灿辉

应用科技 2020年3期

陈薇，刘飒，门昌华，孙灿辉

1. 中国核电发展中心，北京 100045 2. 国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 100220

压力容器外部冷却(IVR-ERVC)严重事故缓解措施是实现严重事故条件下反应堆压力容器完整的重要措施之一[1−3]。反应堆压力容器浸没在堆腔的冷却水中，通过在压力容器与保温层流道之间形成两相自然循环，带走反应堆衰变热，从而保证压力容器的完整。以往的研究认为，压力容器外壁面热流密度小于临界热流密度，能够保证压力容器的完整性，而一旦压力容器外壁面热流密度超过临界热流密度，压力容器将破损。因此，ERVC 条件下压力容器外壁面临界热流密度一直是IVR-ERVC 严重事故缓解措施研究重点问题。Theofanous 等[4−5]开展了大量针对AP1000 反应堆的工程验证试验，采用二维切片试验段获得了AP1000 设计条件下的临界热流密度。FBCheung 等[6]建立了小尺寸三维试验装置，研究了三维几何结构条件下的临界热流密度。陈薇等[7−8]建立了机理性试验台架，研究了加热表面向下矩形通道内临界热流密度和旁通流道冷却强化措施。韩国Kim 等[9−10]建立了HERMES 系列试验装置，研究了APR1400 外部流道结构下，加热及非加热条件下的两相流自然循环特性。HERMES试验发现了自然循环流道内两相流动不稳定现象，研究者指出两相流动不稳定性可能降低临界热流密度。王亮亮[11]、李飞等[12]也通过试验或数值计算的方式验证了IVR-ERVC 流道内两相流动不稳定性。以往研究者认为，两相流动不稳定性会降低临界热流密度，但少有公开发表文献开展过流动不稳定性对临界热流密度影响的定量研究。

本文建立了小型机理性试验台架，定量研究流量波动对临界热流密度的影响。采用流量周期性波动的强迫循环方式模拟流动不稳定工况，试验回路流量、波动周期、振幅等参数尽量与IVRERVC 流道保持一致，具体参数从公开发表文献中获取。

1 试验装置

试验台架回路流程如图1 所示。试验回路由主回路系统、旁通回路系统、冷却水系统、数据采集及控制系统等组成。主回路系统由主回路泵、预热器、试验段、冷凝器、蓄水箱等组成，蓄水箱敞口，与大气压连通。旁通回路系统由旁通回路泵、旁通回路入口管段、冷凝器等组成，旁通回路用于研究旁通射流对临界热流密度的影响，本文研究内容不涉及旁通回路，旁通回路截止，不接入试验系统。冷却水系统提供冷凝器冷却用水，用于调节试验段进出口温度。数据采集系统实时采集并记录温度、流量、压力等试验数据。流量波动工况通过变频器控制，试验中可设置变频器运行频率、波动周期、波动频率，配合阀门调节，可实现回路流量按照预先设定的流量均值、周期及振幅波动。

图1 试验台架回路流程

试验段示意图如图2 所示。试验段截面宽50 mm、长1 800 mm、深150 mm，在支撑及旋转机构调节下，可实现0～90°自由调节，其中水平定义为0°，竖直定义为90°。为尽量减小进出口效应，试验段进出口各有170 mm 过渡段。试验段采用铜块加热，铜块与试验段本体采用龙门紧固方式压紧，铜块内插加热棒，加热功率采用功率控制器控制，通过调节加载电压，加热功率可在0～100%额定功率范围内调节。加热表面附近开有可视窗，用于观察气泡行为。

图2 试验段示意

加热棒及热电偶布置如图3 所示。加热表面尺寸为50 mm×80 mm，铜块内插入18 根加热棒，单根加热棒额定功率0.78 kW，总额定功率约14 kW。加热铜块内布置27 根热电偶，用于监测铜块温度，其中3 根热电偶布置在加热铜块顶部，用于监测铜块是否超温，保证铜块安全，24 根热电偶布置在铜块底部，用于监测临界热流密度。24 根热电偶分两排双面布置在加热铜块底部，热电偶编号规则为T-F-R-N，其中T 代表热电偶，F 代表面，正对纸面定义为A 面，背对纸面定义为B 面，R 代表行数，距离水工质较远的为1 排，距离水工质较近的为2 排，N 代表数量编号，沿着流动方向(从左至右)分别为1-6 号热电偶，如图所示，TA25 代表A 面2 排5 号热电偶。第2 排热电偶距冷却水加热表面11 mm，两排热电偶间距9.85 mm，A 面热电偶插入铜块深度为2 mm，B 面热电偶插入铜块深度为1 mm。

图3 加热棒及热电偶布置示意

2 流量恒定条件下的临界热流密度

试验过程中，首先调节主回路流量至设定工况，调节冷却水流量，维持试验段进、出口温度不变。待主回路各项运行参数稳定后，逐渐增加功率控制器功率，直至发生临界热流密度。经过多次反复试验发现，临界热流密度发生之前，热电偶温度会发生显著波动，可将热电偶温度波动幅度作为试验段升功率幅度指标。以临界热流密度发生在试验段出口为例，TB25 温度作为升功率幅度指标，TB25 温度波动较小时(T<1 ℃)，加热表面热流密度距离临界热流密度较远，试验段升功率幅度可大于0.5 kW/步；TB25 温度波动较大时(T＞1 ℃)缓慢增加加热段功率，试验段升功率幅度约0.1 kW/步。

以试验段倾角30°，质量流速326 kg/(m2·s)，入口温度100 ℃工况下的临界热流密度试验为例，升功率过程热电偶温度变化曲线如图4 所示。启动功率控制器，调节加热棒功率至2 kW，热电偶温度迅速从95 ℃升高至约140 ℃，之后基本维持不变。继续提高加热棒功率，如此反复，每次功率提升后稳定时间约10 min。过程中注意监测TB25 温度波动，如TB25 温度波动范围增大，需减小功率控制器调节步长，缓慢提高加热棒功率，直至热电偶出现温度飞升现象，之后迅速切断功率控制器电源，避免试验段超温。本例中，2 790 s 左右，TB25 温度在20 s 之内温度升高约20 ℃，认为发生CHF 现象，加热表面对应的热流密度即为临界热流密度。

图4 升功率过程热电偶温度变化

30°倾角时，不同入口条件下的临界热流密度数据如表1 所示。

表1 30°倾角不同入口条件下的临界热流密度

由表1 可以看出，质量流速越大，入口温度越低，临界热流密度越高。

3 流量波动对临界热流密度的影响

韩国原子能研究院[10]建立了缩比的压力容器外部流道加热试验，在其中的高水位压头试验中，发现了明显的两相流动不稳定现象，产生的气泡首先聚集在出口，聚集到一定程度后瞬间排出，壁面和冷却水入口温度均发生较大幅度波动。王亮亮等[11]研究了上海交通大学REPECII 全尺寸工程验证台架上的闪蒸现象和流动不稳定性，总结了流量波动规律和流动稳定性区域。国家电投研究院李飞等[12]建立了针对CAP1700 IVR-ERVC 流道的RELAP5 分析模型，分析了多种加热功率、入口过冷度等条件下的流量波动形式，在CAP1700 工况条件下，流量波动振幅大约在±10%范围内，波动周期在50～100 s。

本研究采用流量周期性波动方式模拟流动不稳定现象，通过变频器控制泵电机频率，再配合阀门开度，实现控制试验回路波动周期、振幅等。根据李飞模拟的CAP1700 IVR-ERVC 流动条件，试验研究流量波动幅度在10%～20%、波动周期在50～100 s 的临界热流密度。

以试验段倾角30°、主回路流量460 kg/(m2·s)、试验段入口温度90 ℃左右工况为例，说明流量周期性波动条件对临界热流密度的影响。试验中首先开展基础性工况试验，即流量主回路流量维持不变，获得基础工况条件下的临界热流密度。接着调整主回路流量为周期性波动条件，并改变流量周期、振幅等参数，获得流量波动条件下的临界热流密度数据。

主回路流量平均值460 kg/(m2·s)、波动振幅约17%、波动周期50 s 时，主回路流量曲线如图5所示。

图5 波动工况下主回路流量

流量波动工况下，加热铜块升功率过程中，TB25 温度变化曲线如图6 所示。随着加热功率升高，TB25 温度变化特征可分为以下几个阶段：第I 阶段，温度随着流量呈现较明显的周期性波动，温度波动周期与流量波动周期一致；第II 阶段，热电偶温度随流量周期性波动基础上，出现小幅度温度波动，周期性波动特征不明显；第III 阶段，热电偶温度波动幅度明显增大，此时，热电偶温度波动周期与流量波动周期不一致，这是因为这一阶段温度波动是由于加热表面热流密度较高，加热表面被汽膜周期性覆盖导致的；第IV 阶段，临界热流密度发生前，热电偶温度振荡明显，温度振荡频率明显增高，并且温度振荡幅度难以稳定，幅度越来越高。如图6 所示，2 180 s左右，热电偶温升超过30 ℃，认为此时发生临界热流密度，之后迅速切断加热电源。