向 延，孫都成，章 靜，巫英偉，張 鵬，秋穗正，蘇光輝（．西安交通大學核科學與技術學院，陜西西安 70049；．國核華清（北京）核電技術研發(fā)中心有限公司，北京 0090）

AP1000 ADS－4空氣－水夾帶試驗研究

向 延1，孫都成1，章 靜1，巫英偉1，張 鵬2，秋穗正1，蘇光輝1
（1．西安交通大學核科學與技術學院，陜西西安 710049；2．國核華清（北京）核電技術研發(fā)中心有限公司，北京 100190）

摘要：為研究核電廠中ADS－4卸壓夾帶過程，以AP1000核電廠為原型設計建造了ADS－4噴放卸壓試驗回路ADETEL。用高速攝像儀拍攝夾帶起始和夾帶率的試驗過程，將試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)和模型進行對比。結果表明：ADETEL試驗數(shù)據(jù)和其他試驗數(shù)據(jù)及理論模型之間存在較大差異；RELAP5 和ATLATS的夾帶率模型不能準確估算AP1000核電廠中的ADS－4夾帶量；當熱管段內(nèi)液位較低時，夾帶量會隨熱管段內(nèi)液位降低而迅速減小；夾帶起始在小支管－主管直徑比（d／D）工況下更容易發(fā)生；在相同的熱管段相對液位下，AP1000中ADS－4支管內(nèi)液體的夾帶率較AP600的低。

關鍵詞：可視化試驗；ADS－4；夾帶率；夾帶起始

Key words：visualization experiment；ADS－4；entrainment rate；onset of entrainment

第4級自動降壓系統(tǒng)（ADS－4）是AP1000非能動特性的重要組成部分，它可在小破口事故中為一回路提供可控的壓降，為安全殼內(nèi)置換料水箱（IRWST）重力安注提供條件。在小破口事故序列中，ADS－4卸壓管線上的爆破閥在堆芯補水箱液位降至20%時自動開啟，大量蒸汽經(jīng)由卸壓管線噴放至安全殼內(nèi)［1－2］。然而，在蒸汽排出的同時，大量冷卻劑會被蒸汽夾帶出去，導致一回路冷卻劑存量減少，誘發(fā)堆芯裸露或堆芯熔化的嚴重事故。

前人對不同幾何和工質(zhì)的豎直向上T型管夾帶進行了大量試驗和理論研究，研究重點集中在夾帶起始和穩(wěn)態(tài)夾帶率［3－6］。Welter等［6］調(diào)研了已有T型管夾帶的試驗及關聯(lián)式，發(fā)現(xiàn)試驗中支管－主管直徑比（d／D）普遍較低，與AP600、AP1000設計差距較大。文獻［7］利用空氣－水對豎直向上T型管夾帶進行了試驗研究，試驗中d／D與AP1000設計的相同，但T型管前后的流動發(fā)展長度較長，忽略了對壓力容器和ADS－4支管距離的模化，試驗數(shù)據(jù)可能會與真實工況存在較大差距。APEX和SPES等［2，8］綜合性試驗也進行了ADS－4卸壓研究，但這些試驗更加注重事故工況下核電廠的整體響應，未對ADS－4夾帶過程進行專門研究。此外，現(xiàn)有的系統(tǒng)程序如TRACE、RELAP5中采用的夾帶模型不能準確估算ADS－4的夾帶量［6］。APEX試驗中某些工況下發(fā)生了堆芯裸露，但由于RELAP5低估了ADS－4的夾帶量，導致估算結果顯示堆芯仍被冷卻劑淹沒［6］。因此，為了還原AP1000中較大d／D幾何的ADS－4夾帶現(xiàn)象機理，需改進或開發(fā)新的適用模型，并對夾帶現(xiàn)象作進一步的試驗研究。文獻［6］中，空氣－水試驗與水蒸氣－水試驗的試驗結果理論上相似，因此可采用空氣－水模擬水蒸氣－水進行試驗。

本文以AP1000核電廠為原型，設計建造了ADS－4噴放卸壓試驗回路ADETEL，用高速攝像儀對夾帶起始和夾帶率進行試驗研究。

1　試驗

1．1 試驗回路

圖1　 ADETEL試驗臺架原理圖Fig．1 Schematic of ADETEL test facility

設計并建造了ADS－4噴放卸壓試驗回路（ADETEL）。以AP1000為原型，采用H2TS方法對ADETEL進行了?；治觯?］，直徑比和高度比均取為1∶5．6。用空氣－水和水蒸氣－水介質(zhì)對AP1000ADS－4噴放卸壓過程進行模擬?；芈钒瑝毫θ萜?、1條熱管段和1條ADS－4噴放卸壓管線。在第1階段的試驗中，熱管段末端用盲端法蘭封堵，用來模擬蒸汽發(fā)生器內(nèi)液體容積造成的壓力屏障。ADETEL試驗臺架原理圖如圖1所示。試驗臺架中：旁通管線上的閥門用于調(diào)節(jié)進入試驗段的空氣流量；兩條空氣流量測量管線用于測量不同量程氣量；壓力容器內(nèi)部均勻布有13根多孔管，用于對空氣流量進行分配；水進入到壓力容器水腔室后會流經(jīng)多孔板進行流量分配，然后進入壓力容器上腔室內(nèi)。壓力容器材料為06Cr19Ni10，內(nèi)徑約為600mm。在空氣－水試驗中，為了便于觀測試驗現(xiàn)象，試驗段選用有機玻璃材料。捕集水箱內(nèi)裝有隔板，可起到汽水分離的目的。水箱底部裝有4只稱重傳感器，用于測量夾帶水量?；芈肥且钥諝猓鳛樵囼灲橘|(zhì)，空氣流量為0～700kg／h，水流量為0～15t／h，熱管段液位高度為0～140mm。

1．2 數(shù)據(jù)測量和采集

利用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，用Lab－VIEW監(jiān)測和保存試驗數(shù)據(jù)。ADS－4支管上、下游的熱管段液位均采用差壓變送器測量。采用熱電阻對回路中7處溫度進行測量。

1．3 夾帶起始判斷方法

試驗過程中，壓力容器內(nèi)液位振蕩劇烈，振蕩波能傳播到熱管段內(nèi)。壓力容器和ADS－4支管之間的流動發(fā)展長度較短，因此熱管段內(nèi)的氣液兩相流動不能充分發(fā)展。又由于氣相流量較大，在氣液界面引起較大的Kelvin－Helmholtz不穩(wěn)定性。上述因素使得熱管段內(nèi)的夾帶起始判斷尤其困難。

當支管內(nèi)存在較大液柱夾帶時，會造成熱管段和支管壓差明顯升高。如果壓差升高后伴隨著連續(xù)的夾帶過程，就將壓差升高時對應的熱管段液位作為夾帶起始液位。這種方法曾被Smoglie等［3］所用。也可通過目測液滴或液柱在氣液界面的產(chǎn)生作為夾帶起始。然而，熱管段內(nèi)液位波動較大，試驗過程中液滴或液柱的產(chǎn)生具有較大的隨機性，液滴或液柱可能會從水波的波峰位置夾帶起來，而熱管段內(nèi)平均液位仍低于夾帶起始液位。因此，上述這些方法不適用于ADETEL試驗工況。

Welter等［6］采用了“自上到下”的方法判斷夾帶起始。熱管段內(nèi)首先充滿水，恒定氣流量，隨著夾帶的進行，熱管段內(nèi)液位持續(xù)降低直至夾帶起始液位。但在試驗中發(fā)現(xiàn)，在夾帶過程初期，夾帶量較大，間歇性夾帶發(fā)生的頻率較高，熱管段內(nèi)液位降低速率較快。當熱管段內(nèi)平均液位降至低于夾帶起始高度時，仍會有液滴或液柱間歇性地從支管夾帶出去，但此時夾帶量較小，夾帶頻率較低，液位降低速率顯著減慢。本試驗采用這種方法并通過熱管段液位降低速率改變來判定夾帶起始點。

1．4 試驗現(xiàn)象

穩(wěn)態(tài)夾帶率試驗中最為顯著的特征是壓力容器和ADS－4支管之間彈狀流的出現(xiàn)，液彈在熱管段中以某一頻率間歇性出現(xiàn)。由于d／D較大，在支管入口處觀測到了明顯的液體回流現(xiàn)象，回流的液體減小了支管含氣率，在某種程度上影響了夾帶過程。夾帶過程中，熱管段ADS－4支管上、下游會形成一傾斜的氣液交界平面，用以連接熱管段內(nèi)支管前后的不同液位。來自ADS－4支管上游的水從傾斜面爬升，然后碎裂成液柱和液滴，并在氣相慣性力和壓差作用下被夾帶進入ADS－4支管。穩(wěn)態(tài)夾帶試驗中，夾帶過程具有明顯的間歇性。一個完整的夾帶過程如圖2所示。圖2a為兩次夾帶過程之間的間隔，此時熱管段液位的變化幅值相對較小，隨著液位的不斷上升，一些液滴開始從氣液界面分離（圖2b）。熱管段內(nèi)液位繼續(xù)升高，液柱開始夾帶出去（圖2c），支管入口處的回流現(xiàn)象變得明顯，如圖2c中箭頭所示。支管含氣率減小，熱管段內(nèi)壓力開始升高。熱管段和支管壓差逐漸升高，更多的液體在壓差驅(qū)動下從支管夾帶出去，傾斜的氣液交界面開始形成（圖2d）。隨著夾帶過程的持續(xù)發(fā)展，熱管段內(nèi)支管前后液位差逐漸增大，液彈開始在支管下游形成（圖2e）。熱管段內(nèi)壓力由于支管內(nèi)水的屏蔽作用持續(xù)升高，更多的氣體被旁流，來自壓力容器的氣量開始減小。熱管段內(nèi)液位隨著夾帶進行不斷減小，夾帶過程逐漸減弱，連接支管前后液位的傾斜平面斜率逐漸減小，并最終消失（圖2f）。

2　結果與討論

2．1 夾帶起始

將ADETEL試驗數(shù)據(jù)與夾帶起始模型的計算結果進行比較，如圖3所示。由圖3可看出，試驗數(shù)據(jù)和各夾帶起始模型曲線趨勢相同，支管弗勞德數(shù)Frd隨無量綱夾帶起始氣腔高度hb／d的升高而增大。然而，試驗數(shù)據(jù)和各模型間存在較大差距，這主要是由于不同的支管－主管直徑比和不同的T型管結構造成的。Smoglie等［3］的模型和Schrock等的［4］模型估算結果接近，且對于一定的hb／d，其夾帶起始點對應的Frd較低。值得一提的是，Smoglie等開發(fā)的關聯(lián)式被RELAP5／MOD3．2程序所采用［10］，因此，RELAP5程序不能準確估算AP1000中的夾帶起始工況。

圖2　 間歇流態(tài)下的T型管夾帶過程Fig．2 Tee branch entrainment process for intermittent flow

圖3　 ADETEL試驗數(shù)據(jù)與各夾帶起始模型的比較Fig．3 Comparison of ADETEL test data and entrainment onset correlations

ATLATS模型與ADETEL試驗回路具有較高的相似性，并采用了相似的夾帶起始判定方法。但比較結果發(fā)現(xiàn)，ADETEL數(shù)據(jù)與ATLATS模型依然存在較大差距，這主要是由于不同的ADS－4 d／D造成的。此外，Welter等［11］開發(fā)的模型是基于ADS－4上下游氣量相同的假設，與試驗工況存在較大不同，是試驗值與模型估算值不同的另一原因。

ADETEL試驗數(shù)據(jù)與相關試驗數(shù)據(jù)的比較如圖4所示。由圖4可見，各數(shù)據(jù)趨勢相同，夾帶起始無量綱液位hl／D隨氣相主管弗勞德數(shù)FrD的升高而減小。ADETEL試驗數(shù)據(jù)與文獻［7］的數(shù)據(jù)存在較大差距。文獻［7］中發(fā)生夾帶起始需要的氣流量更小，這主要與夾帶起始的判斷方法和水平管段的流動工況有關。文獻［7］采用目測液滴出現(xiàn)判斷夾帶起始，但因ADETEL熱管段內(nèi)液位波動較大，這種方法并不適用。圖4所示的ATLATS試驗工況［6］與ADETEL相似，但兩者的數(shù)據(jù)依然存在差異。ATLATS以AP600為原型，d／D較小，導致在相同氣量下的伯努利效應更顯著，具有更大的熱管段和支管壓差。因此，夾帶起始在小d／D工況下更易發(fā)生。這也證明AP600較AP1000更易發(fā)生夾帶。

圖4　 ADETEL試驗數(shù)據(jù)與其他試驗數(shù)據(jù)的比較Fig．4 Comparison of ADETEL test data and other relevant test data

2．2 穩(wěn)態(tài)夾帶率

不同氣量下ADS－4支管含氣率x3與無量綱氣腔高度h／D的關系如圖5所示。由圖5可看出：h／D隨x3的增加而增大，在低x3范圍內(nèi)，h／D隨x3增加較快，并在較高x3范圍內(nèi)增長趨勢逐漸減緩，因此，當熱管段內(nèi)液位較低時，液體夾帶量會隨液位降低而迅速減??；在相同h／D下，支管含氣率隨空氣流量的增加而增大。

圖5　 不同空氣流量下的夾帶率試驗數(shù)據(jù)的比較Fig．5 Comparison of test data for entrainment rate under different gas flow rates

圖6　 試驗數(shù)據(jù)與ATLATS夾帶模型的比較Fig．6 Comparison of test data and ATLATS entrainment rate correlations

將ADETEL穩(wěn)態(tài)夾帶率試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)有文獻中試驗數(shù)據(jù)與模型進行了比較，結果如圖6所示。由圖6可見，ATLATS夾帶率模型和ATLATS、Smoglie、Schrock等試驗數(shù)據(jù)吻合較好。然而，ADETEL試驗數(shù)據(jù)與模型存在較大差異，模型估算值和試驗數(shù)據(jù)的相對誤差超過20%。因此，基于AP600ADS－4結構建立的夾帶率模型不能準確估算AP1000下ADS－4的夾帶量。ADETEL試驗數(shù)據(jù)得到的h／D小于ATLATS試驗數(shù)據(jù)及模型的計算值，表明在相同的熱管段相對液位下，AP1000中ADS－4支管內(nèi)含氣率更高。

3　結論

ADS－4支管和壓力容器之間流動發(fā)展長度較短，且由于氣相的剪切作用，導致熱管段內(nèi)液位振蕩劇烈。在穩(wěn)態(tài)夾帶率試驗中，ADS－4支管上下游熱管段液位明顯有分層現(xiàn)象，在ADS－4支管下方形成氣液交界斜面連接支管前后液位。由于d／D較大，在支管入口處有明顯的液體回流現(xiàn)象，減小了支管含氣率，在一定程度上影響了ADS－4卸壓和夾帶過程。

ADETEL試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)及模型相差較大，這主要是因為水平管段流動工況和試驗段ADS－4的不同d／D比例造成的。由于試驗數(shù)據(jù)與Smogile等開發(fā)的夾帶起始模型相差較大，因此RELAP5程序不能準確估算AP1000中ADS－4支管夾帶起始工況。夾帶起始更容易在較低的d／D結構內(nèi)發(fā)生。ADETEL試驗數(shù)據(jù)和ATLATS模型估算值相差大于20%，因此ATLATS模型不能準確估算AP1000ADS－4夾帶量。在相同的熱管段液位下，AP1000中ADS－4支管內(nèi)含氣率更高，適用于AP1000及CAP1400等結構和工況的夾帶模型開發(fā)將在后續(xù)工作中開展。

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［11］WELTER K B，WU Q，YOU Y．Experimental

Experimental Investigation of ADS－4 Entrainment in AP1000 with Air－water

XIANG Yan1，SUN Du－cheng1，ZHANG Jing1，WU Ying－wei1，ZHANG Peng2，QIU Sui－zheng1，SU Guang－h(huán)ui1
（1．School of Nuclear Science and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an710049，China；2．Beijing R＆D Center of State Nuclear Power Technology Corporation，Beijing100190，China）

Abstract：The ADS－4depressurization and entrainment test loop（ADETEL）scaled with AP1000as the prototype was constructed to investigate the entrainment process at the ADS－4tee branch line．The experimental phenomenon of the onset of entrainment and the entrainment rate were recorded by a high speed camera．The data were obtained and compared with the existing data and correlations．The results show that large discrepancy between ADETEL experimental data and available data exists．RELAP5and ATLATS correlations can not estimate the entrainment quality in AP1000accurately．The entrainment rate declines rapidly with the decrease of liquid level in hot leg when the liquid level is low．The onset of entrainment is more likely to happen in smaller d／D（diameter ratio of branch to hot leg）conditions．The ADS－4entrainment rate in AP1000 is lower than that in AP600at the same dimensionless hot leg liquid level．

作者簡介：向 延（1991—），男，湖北武漢人，碩士研究生，從事核反應堆熱工水力與安全分析的試驗研究

基金項目：大型先進壓水堆核電站重大專項資助項目（2011ZX06004－007）

收稿日期：2014－04－01；修回日期：2014－12－19

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1380

文章編號：1000－6931（2015）08－1380－06

文獻標志碼：A

中圖分類號：TL333