摘要：基于華龍一號(hào)非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)(PCS)綜合性能實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)采用基于漂移流模型開(kāi)發(fā)的華龍一號(hào)PCS程序(PCS-NCCP)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比分析了設(shè)計(jì)工況及非設(shè)計(jì)工況下PCS-NCCP程序計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差。結(jié)果顯示，所開(kāi)發(fā)的PCS-NCCP程序能模擬PCS的排熱能力、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，程序計(jì)算值能很好地跟蹤實(shí)驗(yàn)的趨勢(shì)和幅值變化，絕大部分計(jì)算誤差落在±20%范圍內(nèi)，驗(yàn)證了PCS-NCCP程序的準(zhǔn)確性。

　　關(guān)鍵詞：華龍一號(hào);開(kāi)式自然循環(huán)系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　安全殼是防止反應(yīng)堆放射性物質(zhì)外泄的最后一道實(shí)體屏障，其完整性對(duì)公眾及外界環(huán)境十分重要。為進(jìn)一步提升核電廠安全性能，在現(xiàn)有電廠成熟的能動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)上，新一代壓水堆核電站廣泛采用了非能動(dòng)與能動(dòng)相結(jié)合的方式，國(guó)內(nèi)自主三代核電技術(shù)HPR1000即為典型代表。該電廠設(shè)計(jì)了開(kāi)式自然循環(huán)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況下的安全殼長(zhǎng)期排熱，將安全殼壓力和溫度降至可接受的水平，防止超溫超壓對(duì)安全殼完整性構(gòu)成威脅[1]。

　　針對(duì)這種以導(dǎo)出安全殼內(nèi)部熱量為目的非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)(PCS)，Xiao等[2]基于含有1根換熱管的開(kāi)式自然循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架研究了系統(tǒng)的流動(dòng)特性，指出閃蒸及間歇泉 現(xiàn)象是兩種影響流動(dòng)特性的基本現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，Hou等[3]進(jìn)一步研究，確認(rèn)了循環(huán)回路中6種不同的流動(dòng)模式。

　　Hui等[4]通過(guò)模化分析設(shè)計(jì)建造了大比例實(shí)驗(yàn)臺(tái)架以研究開(kāi)式自然循環(huán)系統(tǒng)的瞬態(tài)熱工水力行為，指出系統(tǒng)瞬態(tài)行為與安全殼初始?jí)毫�和空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。在數(shù)值計(jì)算分析方面，黃政[5]基于均相流模型建立了一維開(kāi)式自然循環(huán)系統(tǒng)分析程序，利用牛頓迭代法求解，模擬了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及在事故工況下安全殼和PCS的瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程，得到自然循環(huán)系統(tǒng)的流動(dòng)換熱特性。Guo等[6]基于兩相均勻流模型開(kāi)發(fā)了模擬PCS自然循環(huán)的瞬態(tài)計(jì)算程序，并對(duì)PCS的循環(huán)流量、壓降、溫度及傳熱系數(shù)等熱工水力參數(shù)進(jìn)行分析研究。宋代勇[7]基于均相流假設(shè)開(kāi)發(fā)了PCS分析程序，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)和初始狀態(tài)等對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響。

　　白晉華等[8]等基于RELAP5程序從啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)行工況的穩(wěn)定性等方面對(duì)多種PCS設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)。由于均相流模型本身限制，某些工況下的計(jì)算結(jié)果不能真實(shí)反映系統(tǒng)特性及狀態(tài)參量的變化，而漂移流模型能更好地反映系統(tǒng)特性[9]。不同于上述均相流模型，筆者針對(duì)開(kāi)式自然循環(huán)系統(tǒng)，基于兩相漂移流模型開(kāi)發(fā)了分析程序，并采用RELAP5程序進(jìn)行了初步驗(yàn)證，證明了程序的正確性和可靠性[10]。為進(jìn)一步評(píng)估該分析程序的計(jì)算能力，本文基于HPR1000PCS性能綜合實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)該程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　1PCS性能綜合實(shí)驗(yàn)

　　為考核PCS的排熱能力、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并檢驗(yàn)換熱器的性能，HPR1000研發(fā)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)建立了PCS性能綜合實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主要由安全殼模擬體、冷卻水箱、自然循環(huán)回路、汽-氣供應(yīng)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)測(cè)量和采集系統(tǒng)組成，其中安全殼模擬體用于模擬事故后安全殼的熱工環(huán)境，其容積約為120m3。PCS換熱器內(nèi)置于安全殼模擬體，上升段、下降段、管路附屬部件(如閥門(mén)等)及冷卻水箱組成了自然循環(huán)回路。

　　實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行壓力與HPR1000原型PCS一致，采用1∶1的全壓運(yùn)行方式，從而消除實(shí)驗(yàn)裝置模化過(guò)程中因運(yùn)行壓力不同而引入的偏差。裝置所有的管道、閥門(mén)及換熱器均采用與原型一致的材料，避免了因材料不同而引起的傳熱性能模化偏差。在高度比方面，實(shí)驗(yàn)裝置采用了1∶1全高度的布置方式，從而使得在等壓力等溫差的條件下，裝置與原型PCS內(nèi)流體的循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭一致，避免因裝置與原型系統(tǒng)存在高度差而引入的流動(dòng)與傳熱模化偏差。

　　為了驗(yàn)證PCS的綜合性能，根據(jù)事故后安全殼內(nèi)典型的熱工狀態(tài)參數(shù)(壓力、溫度、組分等)，HPR1000研發(fā)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了多個(gè)工況下的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，從而考核PCS的排熱能力、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。這些實(shí)驗(yàn)研究一方面檢驗(yàn)了PCS的性能，為系統(tǒng)與設(shè)備的設(shè)計(jì)改進(jìn)及最終工程設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù);另一方面，獲取了足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以驗(yàn)證PCS熱工分析程序。

　　2計(jì)算模型

　　2.1傳熱模型與阻力模型

　　PCS-NCCP程序采用漂移流模型計(jì)算開(kāi)式系統(tǒng)的兩相自然循環(huán)能力，在傳熱計(jì)算和阻力計(jì)算部分內(nèi)嵌了多種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

　　2.2節(jié)點(diǎn)劃分

　　以PCS性能綜合實(shí)驗(yàn)裝置中的PCS為對(duì)象建模，開(kāi)展PCS-NCCP程序的驗(yàn)證。程序計(jì)算時(shí)，節(jié)點(diǎn)的劃分會(huì)影響數(shù)值模擬的精度。在建模過(guò)程中，本文開(kāi)展了節(jié)點(diǎn)敏感性分析。結(jié)果表明，其中的下降段1(豎直段)、下降段2(水平段)、換熱器和水箱的節(jié)點(diǎn)劃分?jǐn)?shù)量對(duì)自然循環(huán)流動(dòng)計(jì)算影響較小，而上升段的節(jié)點(diǎn)劃分?jǐn)?shù)量影響較大。其原因在于，實(shí)際運(yùn)行中，下降段和換熱器等部位為單相流體，而上升段則出現(xiàn)閃蒸，為兩相流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)敏感性分析結(jié)果，最終將下降段1劃分為11個(gè)節(jié)點(diǎn)，下降段2劃分為7個(gè)節(jié)點(diǎn)。上升段1劃分為19個(gè)節(jié)點(diǎn)，上升段2劃分為13個(gè)節(jié)點(diǎn)。換熱器劃分為20個(gè)節(jié)點(diǎn)。水箱劃分為5個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　3程序驗(yàn)證

　　根據(jù)PCS性能綜合實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容。其中設(shè)計(jì)驗(yàn)證工況為研發(fā)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)針對(duì)PCS性能驗(yàn)證制定的兩個(gè)工況，非設(shè)計(jì)工況則在更寬廣的實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)PCS的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，這些工況均為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)情形。在從一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況過(guò)渡到另一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，實(shí)驗(yàn)操作人員動(dòng)態(tài) 調(diào)整了實(shí)驗(yàn)條件，這一過(guò)程為瞬態(tài)，數(shù)采系統(tǒng)也記錄了這些過(guò)程的參數(shù)變化情況。為研究PCS-NCCP程序的瞬態(tài)跟蹤能力，在設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況之外，也采用程序?qū)δ骋凰矐B(tài)過(guò)程進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。

　　3.1設(shè)計(jì)工況驗(yàn)證

　　第1設(shè)計(jì)工況用于模擬事故前期安全殼內(nèi)高溫高壓的環(huán)境條件，第2設(shè)計(jì)工況用于模擬事故后期安全殼內(nèi)溫度壓力相對(duì)較低、水蒸氣份額較少的環(huán)境條件，兩個(gè)設(shè)計(jì)工況的環(huán)境條件列于，實(shí)驗(yàn)采用氦氣以代替模擬實(shí)際嚴(yán)重事故場(chǎng)景下的氫氣。PCS-NCCP程序?qū)Φ?設(shè)計(jì)工況的計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，功率計(jì)算誤差為-5.81%，自然循環(huán)流量計(jì)算誤差為2.72%。PCS-NCCP程序?qū)Φ?設(shè)計(jì)工況的計(jì)算結(jié)果自然循環(huán)流量誤差相對(duì)較大，功率計(jì)算誤差為2.10%，自然循環(huán)流量計(jì)算誤差為17.99%。

　　實(shí)驗(yàn)時(shí)，自然循環(huán)流量為直接測(cè)量量，誤差為±0.3%;功率為導(dǎo)出量，經(jīng)公式傳播后，誤差為±7%。實(shí)驗(yàn)采用了瞬態(tài)逼近穩(wěn)態(tài)的思路，當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)關(guān)注的物理參量不再發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，即認(rèn)為達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)態(tài)，在該時(shí)間段內(nèi)平均得到流量與功率，這一處理過(guò)程存在一定不確定性，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差應(yīng)大于±7%。總體而言，PCS-NCCP程序?qū)�兩個(gè)設(shè)計(jì)工況的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。

　　3.2非設(shè)計(jì)工況驗(yàn)證

　　非設(shè)計(jì)工況涵蓋了不同的壓力和氣體(水蒸氣、空氣和氦氣)配比組合條件下的實(shí)驗(yàn)。對(duì)131個(gè)穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的絕大部分誤差落均在±20%范圍內(nèi)。其中，誤差落在10%范圍以內(nèi)的有81個(gè)，占總數(shù)據(jù)的62%，誤差落在10%～20%的有33個(gè)，占總數(shù)據(jù)的25%，誤差超過(guò)20%的有17個(gè)，占總數(shù)據(jù)的13%。

　　對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，誤差超過(guò)20%的工況均為低壓工況。其原因在于，當(dāng)冷凝罐內(nèi)壓力較高時(shí)，由于水蒸氣的份額和混合氣體的溫度較高，換熱器管外具有較高的冷凝換熱系數(shù)，使系統(tǒng)有能力在回路出口附近維持穩(wěn)定的閃蒸進(jìn)程，因而系統(tǒng)的流量比較大，且流動(dòng)穩(wěn)定。而隨著冷凝罐壓力的降低，不可凝性氣體的相對(duì)份額升高，換熱器的冷凝換熱系數(shù)顯著下降，導(dǎo)致自然循環(huán)流動(dòng)逐步發(fā)生周期性波動(dòng)，且波動(dòng)周期越來(lái)越長(zhǎng)，回路中呈現(xiàn)兩相流-單相流交替流動(dòng)狀態(tài)。從而增加了實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差和計(jì)算誤差。

　　3.3瞬態(tài)工況驗(yàn)證

　　采用PCS-NCCP程序?qū)��?shí)驗(yàn)過(guò)程中的某一瞬態(tài)工況進(jìn)行計(jì)算，安全殼模擬體內(nèi)部初始?jí)毫��?.53MPa，溫度為138℃，水蒸氣體積份額為0.645，氦氣體積份額為0.10，冷卻水箱初始水位為4.22m。瞬態(tài)過(guò)程通過(guò)改變向模擬體內(nèi)注入的水蒸氣質(zhì)量流量來(lái)調(diào)整殼內(nèi)熱工環(huán)境條件，由于計(jì)算模型不涉及到殼內(nèi)熱工水力響應(yīng)計(jì)算，因此模擬時(shí)只需將數(shù)采系統(tǒng)記錄的殼內(nèi)熱工環(huán)境參數(shù)作為邊界條件輸入計(jì)算模型即可。

　　PCS回路內(nèi)自然循環(huán)流量及功率的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值在整體趨勢(shì)上吻合較好。說(shuō)明PCS-NCCP程序能很好地模擬PCS的排熱能力、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了兩次明顯的流量震蕩現(xiàn)象，程序計(jì)算值跟蹤了自然循環(huán)流量和PCS功率的變化趨勢(shì)，試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的流動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象跟蹤能力欠佳。

　　4結(jié)論

　　采用華龍一號(hào)PCS性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)華龍一號(hào)PCS程序(PCS-NCCP)進(jìn)行驗(yàn)證，得出主要結(jié)論如下：1)PCS-NCCP程序能很好地模擬PCS的排熱能力、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性;2)對(duì)于不同試驗(yàn)工況下，PCS-NCCP程序均能很好地跟蹤實(shí)驗(yàn)的趨勢(shì)和幅值變化，絕大部分計(jì)算誤差落在±20%范圍內(nèi);3)與實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的流量大幅震蕩現(xiàn)象相比，程序計(jì)算得到的現(xiàn)象并不顯著，程序?qū)τ诹髁坎环�(wěn)定性現(xiàn)象的跟蹤能力需進(jìn)一步改進(jìn);4)該系統(tǒng)程序?yàn)槭鹿蕳l件下華龍一號(hào)安全殼內(nèi)熱工水力行為研究提供了有力保障。

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　　作者：王輝1，邢繼1，李精精1，王明軍2