石 洋，郝博濤

（國(guó)核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司 非能動(dòng)堆芯技術(shù)研究室，北京 102209）

0 前言

對(duì)于非能動(dòng)核電站破口失水事故一般采用建造不同尺寸的試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究，試驗(yàn)破口發(fā)生時(shí)系統(tǒng)會(huì)噴放大量的汽液兩相流，精確的測(cè)量出汽、液的流量，特別是蒸汽的流量對(duì)于核電站設(shè)計(jì)及事故分析有著重要的意義。因直接進(jìn)行兩相流的測(cè)量在技術(shù)上尚未完全成熟，目前應(yīng)用較多且現(xiàn)實(shí)可行的方式是采用汽水分離裝置將系統(tǒng)噴放后的汽、液進(jìn)行分離，然后分別測(cè)量其流量[1]。但由于臺(tái)架模擬的事故工況下系統(tǒng)的狀態(tài)跨度較大，從前期的系統(tǒng)高溫高壓噴放直至后期的長(zhǎng)期冷卻自然循環(huán)階段，其噴放流量的變化范圍很大，已大大超出了一般流量計(jì)的設(shè)計(jì)量程比。因此如何通過(guò)汽水分離裝置，同時(shí)設(shè)置不同流通管線對(duì)噴放流量進(jìn)行精確的測(cè)量變得十分關(guān)鍵。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，給出了通過(guò)汽水分離系統(tǒng)進(jìn)行大量程比流量測(cè)量的研究與設(shè)計(jì)說(shuō)明，給出了利用汽水分離裝置進(jìn)行超大量程比的蒸汽測(cè)量的技術(shù)要點(diǎn)，為大量程比的兩相流測(cè)量提供一定的參考借鑒。

1 研究目的

核電站破口失水事故中會(huì)噴放大量的汽液兩相流，精確的得出噴放的汽、液流量曲線，對(duì)于非能動(dòng)核電站設(shè)計(jì)及事故分析有著重要的意義。目前多采用縮比的試驗(yàn)臺(tái)架作為非能動(dòng)核電站設(shè)計(jì)及程序驗(yàn)證的有效平臺(tái)，因此如何精確測(cè)量臺(tái)架系統(tǒng)在事故工況下噴放的汽、液兩相流量是一個(gè)重要且值得探討的問(wèn)題。事故工況下試驗(yàn)臺(tái)架破口噴放的流量范圍很廣，具有超大的流量量程比，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)流量計(jì)的量程比范圍，因此僅通過(guò)單個(gè)流量計(jì)進(jìn)行流量的精確測(cè)量變得非常困難。而針對(duì)不同的汽液流量采用不同的流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量的方法已被證明是可行的，即采用流量切換測(cè)量方法進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)架?chē)姺艤y(cè)量，汽水分離測(cè)量系統(tǒng)的流程簡(jiǎn)圖如下圖所示：

圖1 汽水分離多管線測(cè)量流程示意圖

汽水分離多管線設(shè)計(jì)中需關(guān)注多個(gè)方面的問(wèn)題。本文針對(duì)兩相流分離測(cè)量，重點(diǎn)就設(shè)計(jì)復(fù)雜且極具代表性的大量程比蒸汽測(cè)量的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明闡述。

流量切換測(cè)量方法的核心是針對(duì)不同的流量，采用不同測(cè)量管線的有機(jī)組合，并通過(guò)合理的管線切換完成復(fù)雜且精確的流量測(cè)量。而這其中的重點(diǎn)之一即為管線的設(shè)計(jì)。流量切換測(cè)量的管線設(shè)計(jì)，需兼顧考慮測(cè)量要求、工藝參數(shù)以及工程實(shí)際等條件進(jìn)行綜合的設(shè)計(jì)。首先，需要明確測(cè)量的范圍及測(cè)量精度要求，保證全量程范圍的流量均能精確測(cè)量，其次需根據(jù)系統(tǒng)工藝參數(shù)及流量測(cè)量要求進(jìn)行管線的工藝設(shè)計(jì)，再次還需兼顧管線的工程設(shè)計(jì)，通過(guò)綜合考慮上述條件，才能完成符合測(cè)量要求的大量程比蒸汽流量測(cè)量的管線設(shè)計(jì)方案。

下面將主要針對(duì)汽水分離測(cè)量的蒸汽管線設(shè)計(jì)中的幾個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明與探討。

2 技術(shù)要點(diǎn)

2.1 量程全覆蓋

汽水分離器蒸汽管線流量測(cè)量的目的，即在滿足測(cè)量精度的前提下，得出核電站縮比試驗(yàn)臺(tái)架主回路在破口事故下破口噴放的蒸汽流量。因噴放前期，破口的噴放為高溫高壓噴放，同時(shí)伴隨有閃蒸現(xiàn)象，此時(shí)的蒸汽流量非常大，記為Qmax，具體的可以通過(guò)絕熱等熵噴放進(jìn)行蒸汽流量的估算，也可通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行相關(guān)的佐證。而噴放后期，在自動(dòng)降壓系統(tǒng)打開(kāi)后，破口處的噴放流量將會(huì)長(zhǎng)期維持在降低水平，此時(shí)的測(cè)量可稱(chēng)為小流量測(cè)量。汽水分離器的蒸汽管線設(shè)計(jì)需嚴(yán)格保證整個(gè)流量范圍的精確測(cè)量。當(dāng)然，管線設(shè)計(jì)的前提是需明確需要精確測(cè)量的蒸汽流量范圍，確切的說(shuō)即確定需精確測(cè)量的最小蒸汽流量，記為Qmin。最小流量的選取可以根據(jù)核電站設(shè)計(jì)驗(yàn)證及程序驗(yàn)證的實(shí)際需要確定。明確了小流量的下限值，再通過(guò)之前計(jì)算得出的流量上限值，即確定了想要精確測(cè)量的量程范圍，記為[Qmin，Qmax]。而對(duì)于這種大量程比（Qmax>>Qmin）的流量測(cè)量，想通過(guò)選取單個(gè)高精度的測(cè)量?jī)x表進(jìn)行精確測(cè)量目前來(lái)說(shuō)是不現(xiàn)實(shí)的，本文建議通過(guò)不同管徑管線并聯(lián)的方式進(jìn)行大量程比蒸汽流量的測(cè)量。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)管線的合理切換來(lái)實(shí)現(xiàn)破口噴放蒸汽的流量不同階段的精確測(cè)量。假設(shè)，測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行了三次流量測(cè)量的切換，第一個(gè)階段可精確測(cè)量的量程范圍為[Q1，Q2]，第二個(gè)階段可精確測(cè)量的量程范圍為[Q3，Q4]，第三個(gè)階段可精確測(cè)量的量程范圍為[Q5，Q6]，測(cè)量需滿足流量量程全覆蓋的要求，即需滿足以下關(guān)系：

在滿足了流量量程覆蓋的前提下，還需考慮管線管徑的設(shè)計(jì)選取。管徑的選取需考慮管線內(nèi)流體的雷諾數(shù)范圍以及管線中所安裝流量計(jì)精確測(cè)量的流量范圍，只有滿足了這兩點(diǎn)，才能保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精度滿足要求。

2.2 管線并聯(lián)的流量分流計(jì)算

通過(guò)多根管線同時(shí)開(kāi)啟進(jìn)行蒸汽測(cè)量時(shí)，因不同管線的阻力系數(shù)不同，將存在蒸汽在不同管線中流量不同的現(xiàn)象，即為蒸汽分流現(xiàn)象。對(duì)于汽水分離器的蒸汽管線設(shè)計(jì)，計(jì)算并考慮蒸汽的分流現(xiàn)象對(duì)于實(shí)際測(cè)量有著重要的意義。分流測(cè)量是并聯(lián)管線測(cè)量的關(guān)鍵，對(duì)于破口噴放的同一蒸汽流量，開(kāi)啟不同的蒸汽管線，其蒸汽分流的流量是不同的。但因同一管線的流量計(jì)是不變的，其測(cè)量量程是固定的，所以在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，管線的不同切換過(guò)程中，均需保證管線分流后的流量滿足管線中流量計(jì)的精確測(cè)量的上下量程范圍，如果管線中實(shí)際蒸汽流量超出了流量計(jì)的測(cè)量范圍，則得到的數(shù)據(jù)的精確程度會(huì)降低，甚至造成數(shù)據(jù)的不可用。

對(duì)于并聯(lián)管線（如A、B、C三根管線首尾分別相接的并聯(lián)形式）的流量分配計(jì)算，可通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)算[2]：

管線設(shè)計(jì)中常會(huì)碰到A與B管線并聯(lián)匯合成一根管線后，又與C管線并聯(lián)的情況。對(duì)于這種情況，需要先將A與B管線當(dāng)成一根管（A&B管）看待，這根A&B管與C管并聯(lián)。此時(shí)可根據(jù)A&B管的阻力系數(shù)和C管的阻力系數(shù)，得到這兩根管的流量分配情況。然后再根據(jù)A、B管的阻力系數(shù)關(guān)系，將A&B管中的流量再次進(jìn)行流量分配。這樣就得到了A、B、C三根管線中的流量分配情況。

此情況下，需通過(guò)設(shè)計(jì)使得允許管線切換的流量范圍較寬，即給試驗(yàn)者留出充足的操作時(shí)間和余度；管線切換應(yīng)選取在流量變化較平緩的范圍內(nèi)進(jìn)行，避免選擇在流量有著較大反復(fù)波動(dòng)的范圍內(nèi)，以免造成部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度下降甚至缺失。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了如何通過(guò)汽水分離測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)量大量程比蒸汽流量的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了闡述說(shuō)明。這些對(duì)大量程比兩相流分離測(cè)量的設(shè)計(jì)及研究有著一定的指導(dǎo)意義。通過(guò)汽水分離系統(tǒng)進(jìn)行兩相流的精確測(cè)量是一個(gè)切實(shí)可行但又非常復(fù)雜的技術(shù)，其中的耦合設(shè)計(jì)較多，如測(cè)量方式的選取與工藝設(shè)計(jì)的耦合，工藝設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)的耦合，蒸汽管線設(shè)計(jì)與水封管線設(shè)計(jì)的耦合等，這些均需要在以后的設(shè)計(jì)及研究中進(jìn)一步的豐富與發(fā)展，最終使得汽水分離測(cè)量技術(shù)趨于完善，更好的應(yīng)用于兩相流的測(cè)量與研究。

[1]張福君，國(guó)金蓮.汽水分離器性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)[D].2012.3，33（01）.

[2]景思睿，張鳴遠(yuǎn).流體力學(xué)[J].西安交通大學(xué)出版社，2001.