郭東海

摘要

本文主要分析安注箱排空后，其內(nèi)部氮氣注射對IRWST注射管路的影響。文章采用三維兩相流瞬態(tài)分析方法（VOF）對安注箱注入后氮氣流動的情況進行了仿真。分析表明以往布置下，安注流體無法完全排出管內(nèi)氣體，但通過工程改進，可有效消除氣栓影響，消除了工程風(fēng)險，本文將對以上現(xiàn)象進行詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：兩相流；高點集氣；數(shù)值模擬

The influence of gas injection after accumulator actuation is analyzed in this article. 3-D VOF transient analysis model and 2-D Flowmaster steady state model is chosen to simulate this phenomenon. The result shows that preliminary layout cant avoid gas during LOCA condition， and the recent design will eliminate the accumulation the gas at high point of the pipe during large LOCA.

KEY WORDS： two-phase gas accumulation numerical simulation

1.前言

在AP1000型非能動核電廠中，非能動堆芯冷卻系統(tǒng)（PXS）作為非能動專設(shè)安全設(shè)施的重要組成部分，承擔(dān)了控制反應(yīng)性、導(dǎo)出堆芯衰變熱以及保證一回路水裝量的重要功能。PXS系統(tǒng)包含了安注箱（ACC）、堆芯補水箱（CMT）、安全殼內(nèi)置式換料水箱（IRWST）和非能動余熱排出熱交換器（PRHR）等重要設(shè)備。其中ACC、CMT和IRWST在事故后，都是通過壓力容器直接注入管嘴（DVI）將內(nèi)部的冷卻水注入到堆芯。

LOCA事件后，CMT、ACC和IRWST的投入運行先后順序隨LOCA尺寸的變化而變化。安注箱內(nèi)有硼水，并用一定壓力的氮氣覆蓋從而在LOCA事故后提供快速注射。以往的分析中，一般只分析到安注箱排空為止，對于排空后氮氣注入后的研究也集中在降溫后的氮氣注入堆芯對堆芯造成的影響。但是考慮到非能動安全注射的特性，即IRWST重力注射的驅(qū)動壓頭比較有限，設(shè)計上后續(xù)更改了安注箱管嘴與IRWST管嘴接入到DVI管嘴的順序，目的是為了避免安注箱氮氣進入DVI管道而形成氣栓。氣栓對流動的影響主要體現(xiàn)在氣體無法排出管道后，會造成流體在管道內(nèi)的實際流動面積小于設(shè)計的面積，從而導(dǎo)致實際流量小于設(shè)計的流量。因為工程上進行管道阻力計算的時候都是以滿流體管道作為研究對象，如果管道內(nèi)存在氣栓，其實際的阻力系數(shù)會大于工程上計算得到的阻力，從而導(dǎo)致實際流量無法滿足設(shè)計要求。

管道布置具體更改見下圖：

圖1 修改前A系列注射管立體模型 圖2 修改前B系列注射管立體模型

更改以后的結(jié)構(gòu)如下所示：

圖3 修改后A系列注射管立體模型 圖4 修改后B系列注射管立體模型

初步定性分析，修改前的布置中，安注箱注射氮氣后會造成IRWST注射管線從爆破閥到與DVI管道相連的三通之間的管道排空，安注箱的氮氣會進入到IRWST的管線高點。在小破口情況下，由于IRWST驅(qū)動力較小，因此IRWST注射流量較小，小的流量無法沖走氣栓而造成管道實際流動直徑小于設(shè)計輸入，從而造成流量低于設(shè)計流量的問題。更改設(shè)計以后，將安注箱接入口安排在IRWST接入口的下游，并通過初步分析和試驗論證了小LOCA中安注箱氮氣通過三通后不會因流速過大而逆流回IRWST注射管線。但新的問題是相比小LOCA事故，大LOCA中一回路快速降壓后會造成安注箱氣體快速進入堆芯，此過程可能會造成氣體是否會通過三通反向流回到IRWST注射管線，且氣體通過三通的過程后，如發(fā)生氣水混合，冷的氮氣有可能造成三通附近的水體過冷而產(chǎn)生其他影響都需進一步分析，因此本文將針對這些現(xiàn)象進行數(shù)值模擬。

2.安注管道內(nèi)的流體力學(xué)分析

分析思路介紹：

首先模擬改動前的流體流動情況。分析工況選取大LOCA情況，流量等于IRWST注射流量。選取IRWST的最大注射流量作為分析的邊界條件。如果最大流量不能將管道內(nèi)的氣體排空，那IRWST注射流量降低后更無法將空氣排空。即可斷定以往的布置無法滿足工程設(shè)計的需求。

對于新的布置方案，雖然介紹了先期的試驗中在小LOCA下不會出現(xiàn)氣體通過U形管倒灌回去的情況，即滿足了小LOCA情況的要求。但對于大LOCA情況，由于一回路快速降壓，當(dāng)安注箱排空后，安注箱與一回路之間的壓差會造成氮氣以更快的速度注入堆芯，及該工況下比小LOCA更容易形成氣體倒灌。

2.1控制方程

在本模擬中利用VOF方法。使用表面追蹤處理來計算氣泡尺寸。Navier-Stokes方程用于解決液相區(qū)。

液相區(qū)流體在直角坐標(biāo)系中由三維不可壓縮Navier-Stokes方程控制：

這里： 表示體積力。在分析中，重力直接為 軸負(fù)方向。

2.2改動前B系列管道內(nèi)流動情況模擬

圖5 IRWST到集管的模擬

2.2.1初始條件和邊界條件

從立體模型上可以看出，之前布置下，當(dāng)注射管道被氮氣排空以后，爆破閥與注射集管之間的管道也會隨著被排空，為了方便假設(shè)，將水平管保守假定為空管，從工程上分析，如果全管排空后水頭可以將空氣頂出管道，那半管排空應(yīng)該也沒有問題。

初始條件：管道為空管。

邊界條件：入口速度為3.6m/s，IRWST注射流量來自CAP-PXS-M3C-006，熱段大LOCA在初始時刻的流量要求（最大）407.28m3/h。

2.2.2 結(jié)果分析

圖5 8.2s時管道內(nèi)的流動情況

從圖5可以看到，從三通分叉開始，管道內(nèi)為空氣和水的兩相混合狀態(tài)，從入口進來的水開始將管道內(nèi)的氣體沖出管外，同時也可看直管內(nèi)的沖排情況好于支管內(nèi)的沖排情況。

圖7 23.4s時刻管道內(nèi)的流動情況（穩(wěn)態(tài)）

穩(wěn)態(tài)判定準(zhǔn)則：入口流量等于出口流量，且管道內(nèi)段流動情況基本保持穩(wěn)定。

結(jié)果分析：從上述的圖中可以看出，當(dāng)管道內(nèi)流動達到穩(wěn)定之后，三通后直管和支管內(nèi)都為非滿管流動。分析原因，主要為安注的流量較小，無法將管道內(nèi)的氣體全部排出。而非滿管流動下，流體的阻力要遠(yuǎn)大于滿管流動的阻力（氣體占據(jù)管道相當(dāng)于減小了流通面積），但在工程設(shè)計上，管道的布置和阻力分析都是按照滿管阻力來設(shè)計的。因此這將會造成實際的流量小于設(shè)計流量而無法滿足安注流量的要求，造成嚴(yán)重的后果。

2.3當(dāng)前布置下B系列管道內(nèi)流動分析

針對先前布置會產(chǎn)生的問題，對管道接口順序進行了改進，并針對小LOCA下容易產(chǎn)生的氣體無法排出進行了相應(yīng)的試驗分析，證明當(dāng)前布置在小LOCA下，氣體不會從ACC接管返流回到IRWST管嘴而造成排空。但新的布置產(chǎn)生的問題是，大LOCA下，由于氣體快速注入，其比小LOCA更容易產(chǎn)生氣體逆流到IRWST，而且大LOCA下由于氮氣溫度很低（183K），逆流氣體在管道內(nèi)與水之間傳熱是否會形成結(jié)冰也是需要考慮的。且氣泡一旦回流到IRWST注射管道以后，隨著事故后安全殼內(nèi)溫度的升高，氣泡會進一步增大，這也會對事故造成不利的影響，因此有必要對大LOCA后氮氣注入的情況進行分析。

圖8 修改后的接管示意圖

2.3.1初始條件和邊界條件

選取大LOCA工況進行仿真，首先通過Flowmaster 軟件來計算初始時刻氮氣注入的速度，以該條件作為三維聯(lián)合仿真的邊界條件，觀察管道內(nèi)水體流動情況。

工況選取：安注箱在大LOCA后條件，其中安注箱內(nèi)氮氣溫度為183K，壓力為2.197Mpa。

初始條件：管道內(nèi)滿水，溫度為300K，初始速度為0。

邊界條件：氣體流速98m/s（由Flowmaster計算得到），氣體設(shè)定為可壓縮氮氣，氣體初始溫度為183K。

2.3.2計算結(jié)果

圖9 Flowmaster對安注箱注射氮氣仿真

仿真結(jié)果得到當(dāng)安注箱排空后壓力在2.197MPa，一回路壓力為0MPa的情況下，管道內(nèi)流體速度為98m/s。以下將以本計算結(jié)果作為邊界條件，分析管道接口局部流體現(xiàn)象。

圖10 氮氣注入過程圖示 圖11 氮氣從管嘴回流示意圖

圖12 管道內(nèi)壓力示意圖 圖13 管道內(nèi)流場示意圖

圖14 管道內(nèi)流場示意圖

從上圖可以看出，氣體進入后，會對管嘴連接區(qū)域造成較大的沖擊，在此過程中，絕大多數(shù)的氮氣通過管道排出，因此不會對后續(xù)IRWST的注射產(chǎn)生不利的影響。此外，從圖中還可以看出，低溫氣體對流體造成的溫降較小，大部分流體溫度都位于冰點以上，只有在接口處水面附近溫度會低于0度，因此低溫氮氣對冰封的影響不大。

3.結(jié)論分析

從以上計算可以看出，先前布置由于安注箱氮氣注射會造成IRWST與DVI管嘴相連的管道排空，且安注流量要求的速度不足以將管道內(nèi)的氣體排出管道，這會使管道中實際的阻力系數(shù)高于設(shè)計的阻力系數(shù)，從而導(dǎo)致實際流量小于要求流量，這對于電廠安全是不利的。改進布置后，將安注箱注射管于DVI管嘴的接口布置在IRWST與DVI管嘴接口之后，這樣做可保證在LOCA下氣體不會進入管道，雖然排出的氮氣因擴張會出現(xiàn)低溫，但由于氣水熱交換能力較差，且過程比較短，不會對流體產(chǎn)生大的影響，且安全殼內(nèi)事故后環(huán)境溫度也比較高，這部分影響可以忽略。