核電廠自動(dòng)卸壓排放管道熱分層分析研究

1、核電廠自動(dòng)卸壓排放管道熱分層分析研究于德勇段永強(qiáng)曹思民孫燕路忠亮【摘要】核電廠工藝系統(tǒng)的管道和設(shè)備中存在流動(dòng)介質(zhì)以不同溫度分層的熱分層現(xiàn)象，將會(huì)引起管壁溫度分層，在管道截面產(chǎn)生總體彎曲熱應(yīng)力和局部熱應(yīng)力，并產(chǎn)生非預(yù)期的位移和支撐載荷。本文采用CFD方法分析了核電廠自動(dòng)卸壓排放管道的熱分層現(xiàn)象，研究了管道內(nèi)熱分層形成機(jī)理及流動(dòng)狀態(tài)，得到了長期穩(wěn)定運(yùn)行工況下的熱分層狀態(tài)，為后續(xù)管道設(shè)計(jì)和布置提供參考?！娟P(guān)鍵詞】熱分層；核電廠；反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)；湍流滲透【Abstract】Therearethethermalstratificationthatoccurinthesystempipesandcomp

2、onentsofnuclearpowerplant，thefluidflowunderdifferenttemperaturelayered，andresultsintheglobalbendingmoments，localthermaltresses，unexpecteddisplacementsandsupportloadingofthepipesystem.ThispaperwereanalyzedthethermalstratificationofnuclearpowerplantautomaticdepressurizationdischargepipeusedComputation

3、alFluidDynamicsCFDmethod，researchedtheformationmechanismofthethermalstratificationandthermal-hydraulicflowinthepipe，obtainedthethermalstratificationconditiononlong-termstableoperationmode，toprovidedthereferenceforthesubsequentdesignandlayoutofthispipe.【Keywords】Stratification；Nuclearpowerplant；React

4、orcoolantsystem；Turbulentpenetration0引言一般來講，熱分層現(xiàn)象是由于在管道內(nèi)重力方向上流動(dòng)介質(zhì)的溫度變化引起密度差異產(chǎn)生的。在工藝管道內(nèi)形成熱分層現(xiàn)象的因素有多種，如管道上下游較高的溫度梯度、管道的布置形式、管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)等。工藝管道熱分層將會(huì)引起管壁溫度分層，在管道截面產(chǎn)生總體彎曲熱應(yīng)力和局部熱應(yīng)力，并產(chǎn)生非預(yù)期的位移和支撐載荷【1】。自20世紀(jì)80年代，核電廠穩(wěn)壓器波動(dòng)管熱分層現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后得到廣泛的關(guān)注和研究【2】。除穩(wěn)壓器波動(dòng)管外，在核電廠其他的工藝系統(tǒng)管道和設(shè)備中也存在熱分層現(xiàn)象。特別是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中，絕大局部設(shè)備和管道處于高溫高壓狀態(tài)，某

5、些死管段管道或輔助系統(tǒng)接管將會(huì)均存在較大的溫度梯度，容易產(chǎn)生熱分層現(xiàn)象。本文通過CFD方法對(duì)AP1000型核電廠自動(dòng)卸壓系統(tǒng)第4級(jí)排放管道的熱分層現(xiàn)象進(jìn)行研究，第4級(jí)排放管道上游連接在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)熱段上，下游末端裝有一個(gè)用于末端隔離的爆破閥。本文重點(diǎn)分析了排放管內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)特性和溫度分布情況。1計(jì)算方法1.1物理模型反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的高溫管道按要求需安裝保溫層，但靠近末端爆破閥的局部管道由于特殊的工藝設(shè)計(jì)要求未覆蓋保溫層，其管道對(duì)環(huán)境散熱條件需要專門考慮。爆破閥不允許泄漏，故可認(rèn)為第4級(jí)排放管道為一段死管段。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)熱段內(nèi)介質(zhì)的高速流動(dòng)對(duì)第4級(jí)排放管道產(chǎn)生湍流滲透效應(yīng)，在模擬模型中

6、需額外考慮一段主管道熱段的模型。爆破閥處于管道終端且無泄漏，在物理模型中考慮為管道盲板端。在爆破閥上游設(shè)置一臺(tái)常開的閘閥且配有保溫層，可以認(rèn)為其對(duì)管道內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱無影響，模型中不考慮，默認(rèn)為閥門所在位置是一段直管。綜上考慮，第4級(jí)排放管道的物理模型如圖1所示。第4級(jí)排放管道從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)熱段上的一根母管分支為兩路支管。支管1從熱段接管嘴開始至節(jié)點(diǎn)A，總長10.6m，支管2從分支點(diǎn)開始至節(jié)點(diǎn)C，總長8.6m。其中AB段和CD段管道未覆蓋保溫層，其余管道均安裝保溫層。1.2邊界條件和輸入?yún)?shù)其中，熱段彎管上游截面為入口，熱段直段截面為出口。第4級(jí)排放管道內(nèi)流體通過管道壁面向環(huán)境換熱，根據(jù)設(shè)

7、備設(shè)計(jì)要求假定保溫層外表面溫度為60，參考相關(guān)研究【3】和工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，確定保溫層外部散熱系數(shù)和環(huán)境溫度。詳細(xì)的模型輸入條件見表1所列。1.3控制方程管道內(nèi)的流動(dòng)介質(zhì)為不可壓縮流體，模擬模型中采用全浮力模型，參考溫度150，流動(dòng)介質(zhì)為純潔水，相關(guān)水物性參照IF97水物性數(shù)據(jù)庫。湍流模型選擇帶有壁面函數(shù)的k-模型。2計(jì)算結(jié)果分析2.1運(yùn)行工況在核電廠實(shí)際運(yùn)行過程中，機(jī)組從冷停堆工況啟動(dòng)時(shí)熱段和自動(dòng)卸壓第4級(jí)排放管道內(nèi)流體溫度均接近環(huán)境溫度，隨后主回路內(nèi)的流體溫度將在十幾個(gè)小時(shí)內(nèi)升溫至零功率工況溫度，即291.7。從零功率工況開始升功率，到達(dá)核電廠滿功率運(yùn)行，主管道熱段溫度從291.7升溫至321

8、。本文對(duì)此運(yùn)行工況進(jìn)行模擬分析，初始狀態(tài)下第4級(jí)排放管道內(nèi)的流體溫度初始值為環(huán)境溫度27，熱段內(nèi)流體溫度保守的假定為321。2.2流體熱動(dòng)力分析由于熱段內(nèi)流體高速流動(dòng)所產(chǎn)生的湍流滲透影響，加強(qiáng)了第4級(jí)排放管道從熱段頂部接管嘴向上延伸的一段管道內(nèi)的流體熱傳導(dǎo)和流動(dòng)，并且進(jìn)一步促進(jìn)了浮力驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。如圖2所示，湍流滲透影響將熱段內(nèi)較熱的流體快速的攪入第4級(jí)排放管道內(nèi)，提高了直至第一個(gè)彎管內(nèi)管道的流體溫度，當(dāng)湍流滲透流動(dòng)的能量通過湍流粘性摩擦轉(zhuǎn)化為流體溫度后，滲透流動(dòng)在第一個(gè)彎管后逐漸截止。當(dāng)較熱流體進(jìn)入第一個(gè)彎管后，由于冷熱流體間的密度差異產(chǎn)生自然循環(huán)流動(dòng)，較冷的流體從第4級(jí)排放管道頂端向下流向第一

9、個(gè)彎管，較熱的流體逐漸升至頂部，如圖3所示。在湍流貫穿影響的區(qū)域，管道的徑向溫度梯度可以忽略不計(jì)。湍流貫穿影響區(qū)域以后的局部，浮力驅(qū)動(dòng)逐漸提升了覆蓋保溫層的管道內(nèi)流體溫度，使得這局部管道內(nèi)流體近似均勻受熱，徑向溫度梯度很小。這局部管道的熱分層現(xiàn)象并不明顯。當(dāng)?shù)?級(jí)排放管道頂部的流體溫度逐漸升高后，由于管道末端設(shè)置了一段斜45°向下的傾斜管，僅能通過流體間的導(dǎo)熱對(duì)末端管段內(nèi)的流體加熱。由于未覆蓋保溫層的末端管道的散熱率較高，雖然靠近頂部管道的傾斜管內(nèi)流體溫度有所提高，但隨著下游散熱面積的增加管道內(nèi)流體溫度逐漸降低并趨近環(huán)境溫度，如圖4所示。2.3熱分層溫度差值分析熱分層現(xiàn)象的負(fù)面影響是

10、由于在管道同一截面上產(chǎn)生較大的溫差，進(jìn)而形成較大的應(yīng)力載荷。在圖4中，也清晰說明熱分層主要集中于傾斜管段上。覆蓋有保溫側(cè)的管道，由于散熱量非常小，管道內(nèi)部近似于絕熱狀態(tài)，其溫度根本接近于熱段內(nèi)的流體溫度，同時(shí)管道內(nèi)同一截面上的溫度差異非常小，可以忽略不計(jì)。未覆蓋保溫層的管道局部，其內(nèi)流體溫度開始快速下降，并很快降低至接近環(huán)境溫度，并在溫度梯度較大的管段截面上溫度差值最大。如圖5和圖6所示，支管1和支管2從未覆蓋保溫層的傾斜管段溫度驟降，平均溫度由318快速降至40。且此處管道截面溫度差值較大，到達(dá)了約280。3結(jié)論本文采用CFD方法對(duì)AP1000型核電廠自動(dòng)卸壓系統(tǒng)第4級(jí)排放管道的熱分層現(xiàn)象進(jìn)行研究，可以得出：1通過湍流滲透影響和浮力效應(yīng)，從熱段接管嘴直第4級(jí)排放管道頂部不會(huì)產(chǎn)生明顯的熱分層現(xiàn)象。2熱分層現(xiàn)象主要集中于第4級(jí)排放管道的未覆蓋保溫層的傾斜管段上，此段管道截面溫度差