反应堆舱室屏蔽冷却水系统换热性能的数值模拟研究

王英琳 张艳芝 李爱娟

(中核能源科技有限公司,北京)

0 引言

某高温气冷堆项目的反应堆舱室的混凝土墙为生物屏蔽层,其不仅能为压力容器提供支撑,而且可以作为反应堆厂房内工艺房间的辐射屏蔽体[1-2]。但由于压力容器表面温度过高,导致保温层外表面温度较高,保温层外表面和混凝土壁面之间存在强烈的辐射换热,从而导致生物屏蔽层内表面温度过高,混凝土材料的化学性质和微结构发生变化,同时降低了舱室内电气仪表运行的可靠性,缩短了使用寿命,所以需要对反应堆舱室进行降温,该项目设计了大规模水冷管道回路系统来控制反应堆舱室的混凝土温度[1-2]。

该项目采用预埋冷却水管的方式来降低混凝土内部的最高温度和内外的温差,以防止混凝土温度裂缝的产生,保证结构的承载力和安全性[3-5]。刘亚琼对比分析了冷却水温度、水管间距等参数对混凝土内温度场分布的影响[4]。张超等人采用双循环预埋冷却管来改善混凝土内部的温度分布和最大拉应力[6]。占玉林等人考虑了冷却水的质量流率、初始温度对混凝土温度降温速率的影响[7]。刘声等人[1]和盛选禹等人[2]针对蒸汽发生器舱室混凝土内埋设的屏蔽冷却水管采用ABAQUS(通用非线性有限元仿真分析软件)研究了正常和事故工况下屏蔽层的厚度和外表面温度对屏蔽层最高温度的影响,验证了合理的屏蔽层设计参数可以保证混凝土不超温。对于高温气冷堆,预埋冷却水管虽然对混凝土的冷却效果更好,但管道出现破口事故时无法对管道进行检修,降低了运行的可靠性,所以该项目屏蔽冷却水管道设置在舱室内,对混凝土壁面进行间接冷却。

本文采用Fluent建立了反应堆舱室屏蔽冷却水系统的CFD模型,对比研究稳态事故工况下随保温材料导热系数和保温层厚度变化笼式和扩展板式管道布置方案的换热性能,并针对扩展板式管道布置方案,分析了扩展板竖向间距和高度对混凝土壁面最高温度的影响。

1 数值计算模型

1.1 几何模型

本文的主要研究对象为反应堆舱室下舱段,其为围绕反应堆而建的圆环体。混凝土内墙和压力容器外表面之间布置有保温层,屏蔽冷却水管靠近混凝土墙面布置。冷却水管的规格为DN25,管道与混凝土墙壁的净距为25 mm。

分别采用笼式和扩展板式2种管道布置方案冷却混凝土墙壁。笼式管道布置方案沿周向等间距布置80根立管,每隔一根水管为同一列,分为A和B 2列,利用水管内的冷水降低舱室环境温度,达到间接冷却舱室壁面的目的。该方案布置简单,可以根据舱室内复杂的系统布置环境灵活调整管道,且造价便宜,但是换热面积较小。扩展板式管道布置方案在保持了笼式方案的2列冷却水管布置的同时,按照一定间距在靠近混凝土墙壁的一侧布置了扩展钢板,并与冷却水管紧密相贴,增加了冷表面的面积,强化了对流和辐射传热,但耗材更多,布置时需要考虑与舱室其他设备和管道的干涉情况来调整扩展板的位置和结构参数,且需要考虑水管与扩展板的安装和焊接问题。

2种方案均采用Spaceclaim(一款三维实体直接建模软件)建立三维模型,如图1所示。

图1 2种管道布置方案的三维模型

1.2 边界条件设置

1.2.1管内换热系数计算

屏蔽冷却水系统的设计压力为0.6 MPa,根据设备接口和管道布置情况,设定反应堆舱室下段的支管管径为DN25。通过计算雷诺数确定冷却水管中的流动均为湍流流动,选用管内湍流强制对流传热关联式计算管内的对流换热系数,计算公式如下:

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

(1)

(2)

式(1)、(2)中Nu为努赛尔数;Re为雷诺数;Pr为普朗特数;h为对流换热系数,W/(m2·K);λ为流体导热系数,W/(m·K);d为冷却水管内径,m。

管道内壁面的边界条件设置为对流边界条件,通过计算,管内平均对流换热系数取1 100 W/(m2·K),流体平均温度取38 ℃。

1.2.2其他边界条件设置

保温层内壁面设为混合对流边界条件,外部辐射温度为220 ℃,来流温度为220 ℃,与空气的对流换热系数取20 W/(m2·K)。反应堆舱室混凝土外墙取对流边界条件,对流换热系数取5 W/(m2·K),来流温度取40 ℃。由于三维模型沿圆周方向取18°角进行计算,故模型的2个断面为周期性边界条件。保温层外壁面、管道外壁面和混凝土舱室内壁面均为耦合面。其他壁面为绝热边界条件。

1.3 数值求解方法

本文采用稳态模型计算,考虑重力的影响,选用标准K-ε湍流模型,并采用DO辐射模型来计算各个壁面之间的辐射换热。选择coupled算法以增强单向流动计算的稳定性,动量方程和能量方程均采用二阶迎风格式进行离散。

1.4 网格无关性验证

本文采用Fluent Meshing进行网格划分,为了保证计算结果的可靠性和提高计算效率,需要验证不同网格划分方案对评价指标的影响程度。分别进行了4种不同网格数量的模拟计算,并采用反应堆舱室内壁面的混凝土表面最高温度作为评价指标进行了验证。如图2所示,当网格数量为638 135 个时,计算结果趋于稳定,表明此网格划分方案可以保证网格无关性,满足工程实际计算需求,下文的计算均在此网格划分方案下开展。

图2 网格无关性分析

2 计算结果分析

2.1 定性分析

图3显示了保温材料导热系数为0.1 W/(m·K)、保温层厚度为200 mm时笼式和扩展板式管道布置方案的舱室混凝土内壁面温度分布。可以看出,扩展板式管道布置方案能显著降低混凝土壁面的平均温度,且舱室顶部的局部高温面积较小。这是因为通过冷却水管与扩展板的导热,后者的表面温度较低,对夹层空气进行了冷却且增加了换热面积,同时通过保温层外壁面与扩展板壁面的辐射换热,冷却水管可以带走更多的热量,使得混凝土表面温度更低,舱室顶部的局部高温面积更小。

图3 不同管道布置方案的舱室混凝土内壁面温度分布云图

2.2 保温材料导热系数的影响

图4显示了保温层厚度为200 mm、保温材料导热系数分别为0.05、0.10、0.15、0.20 W/(m·K)时笼式和扩展板式管道布置方案对应的混凝土壁面的最高温度。保温层导热系数相同时,扩展板式管道布置方案比笼式管道布置方案的混凝土壁面的最高温度低;随着保温层导热系数的增大,2种布置方案下混凝土最高温度均升高,且2种方案的混凝土最大温差增大。当保温材料的导热系数从0.05 W/(m·K)增大到0.20 W/(m·K)时,笼式管道布置方案的混凝土壁面最高温度从59.82 ℃升高到92.65 ℃,升高了54.88%;而扩展板式管道布置方案下的混凝土壁面最高温度从51.14 ℃升高到74.80℃,升高了46.25%。2种方案的温差从8.68 ℃增大到17.86 ℃,这是因为随着保温层导热系数的增加,保温层的保温效果变差,保温层外壁面的温度逐渐升高,夹层内空气的平均温度升高,舱室混凝土内壁面的吸热量增大。根据屏蔽冷却水系统设计目标,需要保证舱室壁面温度不超过65 ℃,因此笼式管道布置方案仅在导热系数为0.05 W/(m·K)时满足设计要求,而扩展板式管道布置方案可以选择导热系数为0.05～0.10 W/(m·K)的保温材料。

图4 保温材料导热系数对2种管道布置方案混凝土最高温度的影响

2.3 保温层厚度的影响

图5显示了保温材料导热系数为0.1 W/(m·K)、保温层厚度分别为100、150、200、250、300 mm时2种管道布置方案的混凝土壁面的最高温度。当保温层厚度相同时,扩展板式管道布置方案的混凝土壁面最高温度比笼式管道布置方案低;随着保温层厚度的增加,混凝土壁面最高温度均降低,2种方案的温差减小。当保温层厚度从100 mm增加到300 mm时,笼式管道布置方案的混凝土壁面最高温度从93.12 ℃降低至64.34 ℃,降低了30.90%,而扩展板式管道布置方案的混凝土最高温度从75.28 ℃降低至54.62 ℃,降低了27.45%。2种方案的温差从17.83 ℃降低至9.73 ℃,这是因为保温层厚度的增加可以减少压力容器侧的散热量,提升了保温效果,保温层外壁面的温度降低,从而降低了夹层内空气的平均温度,使得舱室混凝土内壁面的吸热量降低。根据屏蔽冷却水系统设计的评价指标,笼式管道布置方案在保温层厚度为300 mm时不超温,扩展板式管道布置方案在保温层厚度200～300 mm范围内均不超温。

图5 保温层厚度对2种布置方案混凝土壁面最高温度的影响

2.4 扩展板布置间距和高度的影响

为了探究扩展板的间距和高度对舱室内壁面最高温度的影响,分别进行了8种设计方案的模拟计算:如图6a～d(对应方案1～4)所示,舱室的总高度一定,扩展板高度L为1 000 mm,相邻扩展板的竖向间距D分别为600、1 000、1 667、3 000 mm;如图6e～h(对应方案5～8)所示,舱室的总高度一定,相邻扩展板的间距为1 000 mm,扩展板的高度分别取600、1 000、1 667、3 000 mm。扩展板最高处距模型上端面的距离取板间距的一半。

图6 不同扩展板竖向间距和高度的舱室布置方案(单位:mm)

如图7所示,当保温材料导热系数为0.1 W/(m·K)、保温层厚度为200 mm时,对于图6a～d 4种布置方案,随着扩展板竖向间距从600 mm增加到3 000 mm,舱室内壁面温度逐渐升高,混凝土壁面最高温度从56.93 ℃升高到69.07 ℃,升高了21.32%。原因是扩展板表面温度较低,通过自然对流换热和辐射换热可以带走大量热量,空间和扩展板高度一定的情况下,扩展板竖向间距增大的同时减少了扩展板的数量,使得夹层内空气的平均温度升高,通过冷却水管带走的热量减少;并且扩展板位于保温层外壁面和混凝土内壁面之间,可以起到对混凝土壁面的遮挡作用,减少了保温层与混凝土内壁面的辐射换热量,所以当扩展板竖向间距增大时,增加了二者之间的辐射换热面积,因此混凝土的最高温度也就更高。根据屏蔽冷却水系统设计要求,当板间距设置为600～1 667 mm时,均可以保证混凝土温度不超标。

图7 扩展板的间距和高度对混凝土壁面最高温度的影响

对于图6e～h 4种布置方案,当保温层的物性和厚度一定时,扩展板高度从600 mm增加到3 000 mm,混凝土壁面的最高温度基本保持不变,表明扩展板的高度对评价指标的影响很小。由于事故工况时B列冷却水管不运行,B列水管外形在舱室内壁面上的投影可以反映高度方向上混凝土墙壁周向上的较高温度变化,因此采集B1列水管的轴线在舱室内壁面上的投影进行温度分析。如图8所示,提高扩展板的高度虽然增加了换热面积,有助于降低舱室的环境温度,但是混凝土墙壁的对流换热系数减小,通过自然对流带走的热量减少,在相邻扩展板之间,墙壁会与保温层外壁面之间进行强烈的辐射换热,使墙壁温度升高,相邻扩展板之间的混凝土壁面温度呈现周期性变化,且随着高度的增加,相邻扩展板之间的峰值温度逐渐增大,靠近舱室顶部附近温度迅速升高,所以最上方的扩展板与舱室顶部的间距与舱室内壁面最高温度呈现正相关。

图8 不同扩展板高度下混凝土最高温度随舱室高度的变化

3 结论

通过Fluent数值模拟,研究了保温材料导热系数、保温层厚度、扩展板竖向间距和高度对反应堆舱室混凝土壁面最高温度的影响,得到了以下结论:

1) 选用更小的保温材料导热系数,或者增加保温层的厚度,均有助于降低笼式和扩展板式管道布置方案的反应堆舱室壁面的最高温度,且对笼式管道布置方案的影响更大。

2) 对于扩展板管道布置方案,当扩展板的高度一定时,增加竖向间距会导致舱室壁面最高温度值增大。而竖向间距一定时,增加扩展板的高度,对评价指标没有明显影响。

3) 本文可以为高温气冷堆的反应堆舱室和蒸汽发生器舱室的屏蔽冷却水系统设计提供必要的数据参考和支持,具有一定的工程实际意义。