CN107393617A - 一种核反应堆安全壳喷淋环管优化设计方法 - Google Patents

一种核反应堆安全壳喷淋环管优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核反应堆安全壳喷淋环管优化设计方法，步骤包括：测定喷嘴喷淋特性；建立三维喷淋场范围模块；建立指定环管布置下喷淋覆盖模型；测算喷淋覆盖率；判断布置方案是否满足安全壳内换热要求；判断布置方案是否满足安全壳内喷淋覆盖率要求；对不满足要求的情况重新确定需用喷嘴数量；重新确定喷嘴布置方案直至满足标准要求；最终确定环管布置方案；本方法发明以单个喷嘴的喷淋特性为基础，构建了一整套安全壳喷淋环管喷嘴布置的设计及优化方法；能够精细准确地实现对安全壳内喷淋覆盖的全尺寸建模及相应的覆盖率测算，可通过直观的模型给出不同布置方案下的不同覆盖效果，从而指导安全壳喷淋环管的设计工作，对反应堆设计及安全分析具有重要意义。

Description

一种核反应堆安全壳喷淋环管优化设计方法
技术领域
本发明属于核反应堆结构设计及安全分析技术领域，具体涉及一种对核反应堆安全壳喷淋环管进行优化设计的方法。
背景技术
随着核电技术的逐步广泛应用，核能特有的安全性问题也越来越受到重视。作为核电站中一项重要的专设安全设施，安全壳喷淋系统在核电厂一回路发生管线破裂事故时投入使用，将含氢氧化钠的冷却水喷入安全壳内，降低安全壳内的温度和压力并吸附泄露出的放射性碘，使安全壳内的压力温度水平维持在安全限值之内。安全壳喷淋系统由喷淋泵、喷淋环管、喷嘴、储水箱和相关管线、阀门等组成。其中喷淋泵为喷淋系统提供动力，喷嘴是将冷却剂雾化为细小液滴的工作部件，喷淋环管位于安全壳内部穹顶处，大量喷嘴布置在喷淋环管上，呈不同的角度朝向及距离间隔，通过合理排布以实现在额定工作条件下对安全壳内部空间的覆盖。
喷嘴的工作压力受喷淋泵压头限制，但是为了使雾化液滴有较为理想的热交换性能，需要喷嘴喷出的液滴颗粒尽可能小，这就需要较高的工作压差；同时，喷嘴需要达到较大的覆盖范围及较为均匀的流量密度分布，单个喷嘴的工作能力有限。由于安全壳内部尺寸较大，需要大量喷嘴同时投入工作才能满足需求。喷嘴在环管上的布置包括角度布置，间距布置和布置总数，经过合理设计才能让喷淋系统即满足安全性要求也能具有较好的经济性。实际工程背景也需要能够针对具体的布置设计给出评价，从而提出更优化的选择。目前尚未有针对性的安全壳喷淋环管优化设计方法。
基于以上技术背景，需要发明一种准确可行，能够真实直观反映安全壳内喷淋覆盖效果的环管设计方法，为结构设计与安全分析提供参考。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术难点，解决实际工程设计问题，提供了一种具有可操作性的反应堆安全壳喷淋环管优化设计方法，本发明解决了对安全壳环管喷嘴布置合理性的评价问题，实现了大型多喷嘴混合喷雾场喷淋覆盖的可靠测算，给出了成套的优化设计方法；方法从单个喷嘴性能入手，可操作性强，切实有效，对不同类型的喷雾形式均有较好的适用性、易用性和准确性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种核反应堆安全壳喷淋环管优化设计方法，包括以下步骤：
步骤一：测定喷嘴喷淋特性：主要包括喷淋雾化锥角、雾化粒径、至少2个不同高度截面上的流量密度分布及流量覆盖范围。参数可通过试验方法进行测量；
步骤二：建立三维喷淋场范围模块：将试验方法测试得到的不同布置形式下的喷淋覆盖范围参数转化为三维几何模型；
步骤三：建立指定环管布置下的喷淋覆盖模型：将若干不同布置形式的喷嘴以喷淋环管的形式进行排布，得到多喷嘴系统整体工作时的喷淋覆盖几何模型；
步骤四：测算喷淋覆盖率：对有喷淋覆盖部分的几何外边界进行投影，获得整体喷淋覆盖面积，计算喷淋覆盖率；
步骤五：判断是否满足换热要求：引入换热模型计算给定喷淋流量能否满足需求，如果满足需求，进行步骤七；如果不满足需求，根据换热需求计算所需喷淋流量，修正喷嘴数量，进行步骤六；
步骤六：根据几何模型对环管喷嘴布置方案进行调整：包括布置角度、布置间隔及布置数量；
步骤七：判断是否满足覆盖率要求：将测算得到的覆盖率与预期值比较，如果满足需求，进行步骤八；如果不满足需求，进行步骤六；
步骤八：确定环管布置方案。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.使用了三维建模的方法对单个喷嘴的雾化范围进行建模，形成基础模块，方法直观，能够准确显示单个喷嘴的工作能力。
2.使用了三维建模的方法对多个喷嘴的雾化范围进行建模，能够方便准确的实现优化设计的动态调整并实时预览实施效果。
3.将换热需求纳入环管优化设计之中，更贴近系统实际工作需求，而不是单纯满足覆盖面积。
总之，本发明可以有效地用于核反应堆安全壳喷淋环管这样的大型多喷嘴喷淋系统的优化设计上。具有较好的适用性、直观性和准确性。
附图说明
图1为本发明的整体计算流程图。
图2为试验方法获得的喷淋流量密度分布示意图。
图3为典型三维喷淋场范围模块示意图。
图4为典型环管布置下喷淋覆盖模型示意图。
图5为投影方法测算喷淋覆盖率示意图。
图6为典型优化之后的环管布置下喷淋覆盖模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种核反应堆安全壳喷淋环管优化设计方法，包括如下步骤：
步骤一：测定喷嘴喷淋特性：主要包括喷淋雾化锥角、雾化粒径、至少2个不同高度截面上的流量密度分布及流量覆盖范围。流量密度分布测试可采用中国专利CN201210128240.0“一种大型喷雾场流量密度分布的一体化测量装置”中公开的测量设备。将测量设备置于喷雾场中，通过开启和闭合顶端盖板实现一次采集，并进行数据统计与绘图。例如图2所示，给出了一种典型的喷嘴流量分布结果，该结果标示出喷嘴位置及两个高度截面上的流量密度分布。喷嘴的雾化锥角参数通过图像法进行测量，在喷雾场形态稳定后，通过对喷嘴出口处喷雾场进行拍照将锥角参数固定在照片上，再通过计算机制图软件中量取喷雾场外轮廓边线之间的夹角来确定雾化锥角的大小。喷嘴的雾化锥角及流量分布/流量覆盖范围参数用来在步骤二中圈定喷淋场在三维空间中所占范围，雾化粒径参数用来考量喷嘴本身的雾化性能，可通过激光粒度仪进行试验测量。这些参数可通过上述试验方法进行测量，或由喷嘴设计供应方提供，要说明的是需要对不同布置角度的喷嘴分别进行测定；
步骤二：建立三维喷淋场范围模块：将测试得到的不同布置形式下的流量覆盖范围参数转化为形如图3所示的三维几何模型，该步骤通过三维建模软件实现。现以三维建模软件Solidworks为例说明操作过程，使用其他三维建模软件基本步骤一致。首先，将步骤一中得到的流量密度分布曲线导入Solidworks软件，经过投影操作得到一个平面上的覆盖范围的两条轴线，将特定高度上的覆盖范围作为椭圆形近似处理，将轴线作为椭圆形长短轴，即可在该高度平面上绘制范围边界线。在其他高度平面上做同样的处理，即可得到一组不同高度上的覆盖范围边界线草图。在喷嘴位置处绘制参考点，通过分别添加4个3D草图将喷嘴位置点与不同高度椭圆轴线端点连接起来，连接线采用样条曲线，喷嘴位置处样条曲线的约束条件为相切约束，切线夹角方向使用步骤一中获得的雾化锥角参数数值。4条空间沿条曲线作为约束曲线(边界包络线)，对不同高度上的雾化范围草图进行放样操作，构建特征实体。如图3所示，几何模型包含了至少两个截面上的流量密度分布，并通过外部包络线圈定无数据高度截面上的喷淋范围，在喷嘴出口处相对的两条包络线切线之间的夹角采用步骤一中测定的雾化锥角参数；
步骤三：建立指定环管布置下的喷淋覆盖模型：将若干不同布置形式的喷嘴以喷淋环管的形式进行排布，得到多喷嘴系统整体工作时的喷淋覆盖几何模型。以Solidworks软件为例说明具体实施过程，这个过程使用装配图进行绘制，以喷淋环管半径在水平面上绘制原型草图作为环管模型，然后向装配图中插入步骤二中绘制得到的不同角度的流量覆盖范围几何模型，并通过添加配合关系来确定与环管的位置关系，其中喷嘴位置点与环管圆为重合关系，覆盖范围底部平面与水平面为平行关系。确定单个喷淋模型的相对位置关系后，通过在环管圆上进行圆周阵列操作得到满足特定规律的喷嘴布置喷淋模型，之后重复进行这些步骤将各种不同布置角度的喷淋几何模型分别按照特定规律完成布置。如图4所示，通过在三维建模软件中将步骤二中得到的不同布置角度的喷淋范围模块进行堆叠和排布，并引入安全壳几何模型，可以直观地给出当前布置方案下喷淋系统的工作效果；
步骤四：测算喷淋覆盖率：根据步骤三得到的喷淋覆盖几何模型，对有喷淋覆盖部分的几何外边界进行投影，为了突出显示覆盖部分，特将覆盖部分形成的轮廓进行了拉伸特征，形成凸起的凸台实体。如图5所示，图中高台区域表示喷淋覆盖区域，通过图示可以明显看出该给定的布置形式具有明显的覆盖空洞区域，在该投影结果上可以方便地通过软件的测量过程获得整体喷淋覆盖面积，并计算喷淋覆盖率；
步骤五：判断是否满足换热要求：引入换热模型计算给定喷淋流量能否满足需求，计算可采用计算流通动力学CFD方法计算，计算中将喷雾液滴作为离散相进行考虑，计算离散相液滴与连续项之间的换热及相变过程。以Fluent软件为例说明具体处理方法是，将安全壳空间按喷嘴数目进行平均，确定单个喷嘴对应的冷却空间，按照空间大小绘制几何模型并划分网格。空间流域设为气相空间，参照事故条件下安全壳内部气体组成及初始条件对气相空间进行初始化。入射喷淋液滴采用离散相模型，入射液滴初始条件参照步骤一中试验测得参数进行设置。液滴与气相空间的传热传质过程满足下列规律：液滴加热与冷却、液滴蒸发、液滴沸腾、液滴挥发、液滴表面反应等。这些规律定律在软件内部均有设置，在计算过程中需开启这些相关模型。为进行换热降温模拟，将各边界设置为壁面边界条件，绝热。对于离散相设置为逃逸条件，设置合理的计算步长及计算时长之后即可进行计算。从而确定当前系统能否满足安全壳内一回路事故工况下的换热需求，如果满足需求，进行步骤七；如果不满足需求，根据换热需求计算所需喷淋流量，修正喷嘴总流量，进而修正喷嘴数量，进行步骤六；
步骤六：根据几何模型对环管喷嘴布置方案进行调整：包括布置角度、布置间隔及布置数量。一般可将具有相同布置角度的喷嘴进行等间距同向布置，以均匀铺满安全壳需求降温空间为目标。在布置的同时可考虑增加环管数量或调整环管半径，最终得到如图6所示的优化设计布置方案。
步骤七：判断是否满足覆盖率要求：将通过步骤四测算得到的喷淋覆盖率与预期值比较，如果满足需求，进行步骤八；如果不满足需求，进行步骤六；
步骤八：将满足需求的环管布置方案确定下来，形成布置方案及布置规格表。
以上实例展示了从喷嘴参数入手进行喷淋环管优化设计的全过程，对比优化前后可以明显看出优化之后的喷淋环管布置方案具有更好的覆盖效果。发明方法工作可靠，方法可行，能够较好地实现预期功能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种核反应堆安全壳喷淋环管优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：测定喷嘴喷淋特性：主要包括喷淋雾化锥角、雾化粒径、至少2个不同高度截面上的流量密度分布及流量覆盖范围；参数通过试验方法进行测量；
步骤二：建立三维喷淋场范围模块：将测试得到的不同布置形式下的流量覆盖范围参数转化为三维几何模型；
步骤三：建立指定环管布置下的喷淋覆盖模型：将若干不同布置形式的喷嘴以喷淋环管的形式进行排布，得到多喷嘴系统整体工作时的喷淋覆盖几何模型；
步骤四：测算喷淋覆盖率：根据步骤三得到的喷淋覆盖几何模型，对有喷淋覆盖部分的几何外边界进行投影，获得整体喷淋覆盖面积，计算喷淋覆盖率；
步骤五：判断是否满足换热要求：引入换热模型计算给定喷淋流量能否满足需求，如果满足需求，进行步骤七；如果不满足需求，根据换热需求计算所需喷淋流量，修正喷嘴数量，进行步骤六；
步骤六：根据几何模型对环管喷嘴布置方案进行调整：包括布置角度、布置间隔及布置数量；
步骤七：判断是否满足覆盖率要求：将通过步骤四测算得到的喷淋测算得到的覆盖率与预期值比较，如果满足需求，进行步骤八；如果不满足需求，进行步骤六；
步骤八：将满足需求的环管布置方案确定下来，形成布置方案及布置规格表。
2.根据权利要求1所述的一种核反应堆安全壳喷淋环管优化设计方法，其特征在于：步骤二采用三维建模软件，将不同布置条件下流量覆盖范围分别构建独立的几何模块。
3.根据权利要求1所述的一种核反应堆安全壳喷淋环管优化设计方法，其特征在于：步骤三及步骤四中使用三维建模方法构建整体喷淋效果及测算喷淋覆盖率。
4.根据权利要求1所述的一种核反应堆安全壳喷淋环管优化设计方法，其特征在于：在步骤五中考虑换热计算，从实际工程校核需求出发，而不是单纯考虑覆盖率指标。
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