开式自然循环回路流动不稳定性及其抑制措施研究

石雪垚，王辉，黄政，李精精，郑云涛，黄树亮

中国核电工程有限公司，北京 100840

利用密度差作为驱动力的自然循环回路作为一种常见的非能动安全系统，在核电厂中常被用来进行事故后的非能动热量导出。“华龙一号”作为自主研发的第三代核电技术，采用了开式自然循环方案的安全壳非能动热量导出系统(passive containment heat removal system，PCS)[1-2]，即回路出口、入口分别与开放的水箱相连。该系统无需外部电源和人为干预，具有较高的可靠性，能够在事故后非能动地将安全壳内的热量导出到环境，防止安全壳升温升压导致的破坏，提高了事故后安全壳包容放射性物质的能力，使“华龙一号”满足了国际第三代核电的安全标准[3-6]。

针对采用开式设计的自然循环回路，Guo 等[7]基于两相均匀流模型开发了模拟开式自然循环回路的瞬态分析程序，并对回路的循环流量、压降、温度等瞬态热工参数进行了分析研究。葛魁等[8]针对“华龙一号”非能动安全壳热量导出系统，对自然循环回路的内部热工水力特性进行了分析研究。王辉等[9]基于“华龙一号”非能动安全壳热量导出系统综合性能实验装置的实验结果，采用漂移流模型开发了计算分析程序，并通过实验结果对程序进行了验证。哈尔滨工程大学科研团队对低压自然循环流动特性进行了研究，研究了在闪蒸段设置内插物、注入不可凝气体以实现消除闪蒸流动不稳定性现象[10-12]。

自然循环回路主要由密度差产生的驱动压头克服流动阻力来驱动流体流动。在此过程中，系统流量与若干热工参数形成耦合，会产生流动不稳定现象。为了进一步对开式自然循环回路流动过程中的不稳定现象进行研究，本文采用RELAP5程序对开式自然循环实验回路进行了详细的模拟，通过实验结果对模型进行了验证；在该模型的基础上进一步对回路运行过程中的流动不稳定特点进行了研究，并针对自然循环回路流动不稳定的抑制措施进行了数值分析与验证。

1 开式自然循环实验回路模型

为了研究开式自然循环回路的流动不稳定性并对其抑制措施进行验证，本研究采用RELAP5程序，建立了开式自然循环实验回路的详细模型。

1.1 计算模型

开式自然循环实验回路如图1 所示，整个回路由冷管段、换热器、热管段、汽水分离器以及若干阀门组成。

图1 开式自然循环实验装置三维示意

回路中换热器位于实验台架下部的冷凝罐中[9]，冷管段入口与汽水分离器位于上部的冷却水箱中，为了防止冷却水箱超压，在水箱顶部设有蒸汽排放装置。实验过程中，通过向冷凝罐充入水蒸气来模拟事故后安全壳内的压力、温度环境。

RELAP5 程序是高度通用的热工水力分析程序，能够模拟复杂的气-液流动与传热现象[13]。为了更加精细地复现开式自然循环回路的流动特点，本研究采用RELAP5 程序对实验回路进行了详细模拟。

基于RELAP5 的开式自然循环回路模型的节点划分如图2 所示。模型中换热水箱、冷管段、换热器、热管段及汽水分离器均采用PIPE 水力学构件进行模拟，换热水箱外部环境采用SINGLVOL模拟，并与1 个与时间相关的控制体相连来保证空间压力的稳定。

图2 RELAP5 计算模型节点划分

模型中冷却水箱划分了20 个节点；下降段共划分了26 个节点；换热器划分了10 个节点；上升段与汽水分离器采用更加精细的节点划分，其中上升段共划分了63 个节点，汽水分离器划分了20 个节点。通过在回路模型各个节点设置局部阻力系数来模拟系统回路中的阀门、弯头等。

由于RELAP5 程序模拟冷凝罐中含不可凝气体的冷凝换热时具有较大的局限性，且本文重点关注回路内部自然循环流动的不稳定性，本模型在换热器传热管外表面采用恒定热流密度的边界条件来模拟冷却罐对回路换热器的加热。

1.2 模型验证

表1给出了开式自然循环实验回路2 个设计工况的实验结果与RELAP5 模型计算结果。图3 给出了系统运行在工况2 下，当系统出现流动不稳定现象时实验得到的自然循环流量与模型计算结果比较。

表1 不同工况开式自然循环回路实验与计算结果比较

图3 工况2 自然循环流量

从表1 和图3 的比较结果可以看出，本研究基于RELAP5 程序建立的开式自然循环回路分析模型，在2 个设计工况下能够对回路的流动进行准确模拟，并且在工况2 中流量波动的形态与实验结果符合较好，因此可以将该模型用于系统回路流动不稳定性研究。

2 开式自然循环流动不稳定性特点

开式自然回路在运行过程中，当换热水箱温度达到或接近饱和温度时，冷却水流经换热器后，水温会上升并超过换热水箱内的饱和温度；在上升管段中，随着压力的降低，在某一位置会出现闪蒸现象，在闪蒸点位置以上随着高度的升高，压力进一步降低，由于闪蒸造成的含汽率逐渐增大，密度逐渐下降，进一步驱动回路的循环流动。在这个过程中，当系统流量受到扰动而增大时，一方面造成循环阻力增加；但另一方面由于流量增大后，会导致换热器出口水温下降，热管段水温随之下降，热管段出现闪蒸的位置上升，造成回路自然循环驱动压头的下降，最终会减小系统流量。

从上述分析过程中可以看出，开式自然循环回路本身流动是否稳定取决于系统回路阻力随流量的变化率和驱动压头随流量的变化率。当系统回路阻力随流量的变化率小于驱动压头随流量的变化率时，系统流动处于不稳定状态，反之则处于流动稳定状态[14]。

目前，国内针对自然循环过程中流动不稳定性的实验研究及理论分析主要针对闭式循环[14-15]，而本文研究的开式自然循环实验回路在运行过程中不但存在冷却水箱—下降段—换热器—上升段—汽水分离器—冷却水箱这一自然循环路径，在换热水箱内部，还存在冷却水箱与汽水分离器内部之间的自然循环路径，因此流动情况更为复杂。

综上所述，开式自然循环回路流动受到多个因素的共同影响，由于实验回路汽水分离器的存在，使得自然循环特性更加复杂，难以用理论推导的方法对其流动不稳定性特性进行研究。因此本文采用经过验证的回路分析模型，对不同流量和功率下的回路流动状态进行数值模拟，获得实验回路流动不稳定性的特点。

图4给出了在不同功率状态下的自然循环流量，图5 给出了不同功率状态下汽水分离器上部（图2 中A 点）、下部（图2 中B 点）及距离汽水分离器1 m 位置处（图2 中C 点）的含汽率。

图4 回路流量随功率变化

图5 汽水分离器及上升段含汽率随回路功率变化

从图4 和图5 可以看出，当回路运行状态功率在0～0.2 MW 时，在热管段和汽水分离器内均未发生闪蒸，回路内流体呈单相状态，并且流动平稳；当运行状态在0.2～0.6 MW 时，在汽水分离器内发生闪蒸现象，导致汽水分离器出口含汽率出现周期性波动（见图5 中A 点曲线），同时，回路内出现了小幅度的流量波动（见图4）；当运行状态在0.6～1.2 MW 时，汽水分离器底部和上升段上部开始出现闪蒸现象，含汽率呈周期性波动（见图5 中B、C 点），造成回路内流量出现较大幅度的波动（见图4）；当运行状态在1.2 MW 功率以上时，出现闪蒸的位置逐渐稳定，上升段B、C 点含汽率和回路流量不再出现波动现象。

形成上述规律的主要原因是回路内的自然循环由温差导致的密度差来驱动，并且开式自然循环回路具有一定的自适应特性。随着排热功率的上升，回路冷、热管段的温差逐渐增大，分别超过了A、B、C 点的饱和压力，在局部发生闪蒸。而在B 点刚发生闪蒸时，含气率的变化率对流量的影响更加明显，导致在0.6～1.2 MW 时流动不稳定性较为明显。

3 开式自然循环回路流动不稳定抑制

自然循环管道内的流动不稳定性可能导致系统管道震动、水锤等现象，虽然实验过程中未发现可能影响回路安全运行的现象，但为了确保回路长期运行的稳定性，仍需要对流动不稳定的抑制措施进行研究。

从前文针对流动不稳定性特点的数值分析可以看出，在一定功率水平下，上升管道内冷却剂闪蒸点位置、含汽率的变化造成了驱动压头和流动阻力的周期变化，最终造成流动不稳定性现象。

本研究通过增加上升管段含汽率的方式以提高流动的稳定性，在设计上通过向回路上升管道注入不可凝气体的方式实现，该措施在工程上易于实施，不会对回路整体功能造成影响。

为了验证该措施对抑制流动不稳定的作用，分析中分别假设在汽水分离器底部B 点、上升管道距离冷却水箱底部1 m 位置处C 点和上升管道距离冷却水箱底部2 m 位置处D 点（见图2）以恒定速率注入氮气，对设计工况2 的流动状态进行计算。

图6分别给出了在不同位置以不同速率注入氮气时在工况2 下的流动情况。表2 给出了不同注入位置和注入流量下回路自然循环流量。

表2 不同氮气注入情况下的系统循环流量kg/s

图6 不同注入点注入氮气时工况2 自然循环流量

从计算结果可以看出，当在汽水分离器底部注入氮气时（见图6(a)），需要至少5 g/s 的注入速率才能对系统的流量波动产生良好的抑制效果。随着注入位置的降低，所需要的氮气注入速率逐渐下降。在距离冷却水箱2 m 位置处的D 点，只需要1 g/s 的注入速率即可满足对流量波动的抑制需求（见图6(c)）。因此，通过在较低位置注入不可凝气体，能够提高系统回路的驱动压头以及驱动压头的稳定性，从而抑制系统流量的波动。

此外，注入不可凝气体在抑制流量波动的同时还提高了系统自然循环的速率，有利于提高回路的冷却能力，为核电站提供更加充分的安全裕量。

4 结论

本文对开式自然循环回路流动不稳定现象进行了进行了详细的数值模拟。

1）通过对不同工作状态下的回路流动不稳定现象进行数值计算，对回路流动不稳定性的特点及其形成原因进行了分析。

2）对采用局部注入不可凝气体来抑制回路流动不稳定现象的有效性进行了论证。结果表明，在回路上升段距离冷却水箱底部一定范围内，以恒定流量注入不可凝气体，能够对自然循环回路运行过程中的流动不稳定现象有较好的抑制作用，在距离冷却水箱底部2 m 位置处的上升段，仅需1 g/s 的不可凝气体注入速率便能够产生较好的抑制效果。同时，该措施还可以提高自然循环回路的循环流量，从而提高了系统的带热能力。

本研究结果可以为同样采用开式自然循环设计的“华龙一号”PCS 系统优化和性能提升提供依据。