CN109299536A - 一种大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法 - Google Patents

一种大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法，能够针对大型核电厂在反应堆启动工况下，对其稳压器内部水封形成过程进行三维精细热工水力计算；计算过程为：1、计算区域几何模型建立；2、确立冷凝关系式；3、计算冷凝段温度；4、建立三维冷凝源项；5、流体动力学计算；本发明方法既能够避免对水封结构进行水力验证试验的高成本，又能够保证采用本发明方法进行数值计算所得到的结果的准确性；本发明对水封计算方法的成功建立，能够适用于各类计算流体力学分析程序对稳压器不同工况下水封形成过程进行数值模拟，计算温度、压力分布及水位随时间变化情况；该计算方法适用于其他设备的类似工况。

Description

一种大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法
技术领域
本发明属于大型压水堆核电厂稳压器分析技术领域，具体涉及一种大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程的计算方法。
背景技术
核电厂稳压器是将一回路压力维持在稳定值，调控一回路压力的重要设备。在稳压器安全阀上游设有水封结构，目的是减少稳压器汽相空间的氢气通过安全阀泄漏至卸压箱，减少安全阀下游管线以及稳压器安全阀接管嘴承受的水力载荷，并减缓安全阀温度波动。由于氢气的分子量很小，具有很强的逃逸性，氢气很容易从阀门的缝隙中泄漏到核电厂厂房内，可能导致不可预见的影响和事故。因此，在安全阀前端设置水封阻止氢气泄漏是非常有必要的。
早期的核电厂稳压器水封结构为设置在安全阀上游的一段U型管，内部存有液相水以阻止氢气泄漏。在反应堆正式运行前，要对稳压器安全阀进行安全起跳试验。U型管式水封结构在安全阀开启瞬间，会对安全阀下游管线以及稳压器安全阀接管嘴造成较大的水力载荷。为了减小稳压器安全阀开启时安全阀接管嘴及下游管线承受的水力载荷，大型先进压水堆核电厂稳压器中将水封结构安装到稳压器上封头内部(图1)。
大型先进压水堆核电厂稳压器中的新型水封结构是否满足设计要求，对核电厂的安全运行至关重要。为了完善相关工程设计验证资料，提高自主核心设计能力，需要对不同工况下的稳压器水封形成过程及关键参数如温度、压力、液位高度等进行分析。
国内外研究
在水封结构和水封形成过程分析方面，已开展的研究较少。Reynolds研究了U型管水封如何阻止下水道秽气进入房中，并被应用于建筑行业。Lima等人开展了减少稳压器安全阀水力载荷的试验，试验发现加热U型管水封结构中的水，使其获得较高温度，在稳压器阀门开启瞬间，水封中的水由于闪蒸的作用变成了气体，气体通过管道的载荷比低温液体通过管道的载荷小得多。但上述研究都针对U型管式水封结构，对大型先进压水堆核电厂稳压器的新型水封结构并不适用。
在包含不凝性气体的蒸汽冷凝方面，国内外均开展过相关研究。Colburm和Hougen发展了冷凝量由穿过不凝性气体层的浓度梯度决定的理论。Che，Da和Zhuang基于这一理论开展了管内湿空气的蒸汽-水传热传质试验。Revankar和Pollock应用CFD程序预测了竖直管中存在不凝性气体情况下的层流膜状凝结并与试验结果进行了对比。Moukalled等人采用CFD程序预测并优化了空调设备的性能。
综上，目前国内外研究者对包含不凝性气体的冷凝方面进行了大量研究，对U型管式水封结构也有一些研究，但根据调研，针对大型先进压水堆核电厂稳压器新型水封结构及其水封形成过程，目前仍存在较大空白。常用的试验研究方法和一维简化处理方法，存在着成本高、精度低、可视性差等不足，均不能较好的获得水封形成过程关键参数。需要提出一种三维水封形成过程计算方法，获得不同工况下的稳压器水封形成过程及关键参数。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法，既能够避免对水封结构进行水力验证试验的高成本，又能够保证采用本发明方法进行数值计算所得到的结果的准确性；本发明对水封计算方法的成功建立，能够适用于各类计算流体力学分析程序对稳压器不同工况下水封形成过程进行数值模拟，计算温度、压力分布及水位随时间变化情况。该计算方法适用于其他设备的类似工况。
一种大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法，步骤如下：
步骤1：计算区域几何模型建立：
首先对大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算区域进行确定，水蒸汽在安全阀接管内壁面冷凝形成液膜，液膜在重力作用下沿管内壁及稳压器内壁面向下流动，直至水封结构底部形成积水；考虑到水封结构及安全阀接管相对于整个稳压器大空间所占体积较小，水封形成过程中，对温度、压力、汽/液相体积份额关键参数影响较大的区域主要集中在水封结构附近，而对整个稳压器大空间内的影响不大；因此，计算区域选取为稳压器上封头与安全阀卸压管接头相交处附近，包括铲形挡板在内的几何区域；
简化后所建立的水封结构几何模型具体包括：稳压器上封头至安全阀之间卸压管段，水封结构铲形挡板及其所对应的稳压器内壁面，以及这些壁面所包络的内部流体域空间，同时在铲形挡板与稳压器壁面之间设置有假想出口面；
步骤2：确立冷凝关系式：
通过设置自定义冷凝源项实现水封形成过程的三维热工水力计算，不需要耗费过大的计算资源，为此需要确立源项中采用的冷凝关系式；
根据冷凝经验关系式，并结合大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程实际工况，最终确立的冷凝关系式如下：
其中：
Si——近壁面蒸汽冷凝量；
Aface——壁面网格面积；
Vcell——与壁面相邻的网格体积；
hfg——汽化潜热；
αw,cond——壁面冷凝换热系数；
Tsat——饱和温度；
Tw——壁面温度；
步骤3：计算冷凝段温度：
根据步骤1，最终选取了稳压器上封头与安全阀卸压管接头相交处附近，包括铲形挡板在内的几何区域作为计算区域；其中冷凝主要发生在稳压器上封头至安全阀之间的卸压管内壁面；在计算设置中，由于整体计算未考虑外界空气与计算区域之间的换热，因此需要将管内壁面考虑为恒温壁面，温度通过一个单独包含管壁和外界空气流固耦合的计算获得；具体如下：
建立包含管壁和外界空气的计算区域，管外壁面与空气进行耦合换热，考虑外壁面上法兰结构的影响；管内壁面与稳压器内部空间进行冷凝换热；外界空气为常温对流换热；计算得到的管内壁面温度即为步骤2中冷凝关系式计算所需参数Tw，并作为冷凝段温度设置为计算区域的边界条件；
步骤4：建立三维冷凝源项：
根据步骤2确立的冷凝关系式，针对水封结构几何模型建立三维冷凝源项，其中包括质量源项即水蒸汽在管壁面冷凝产生的负质量源项、动量源项和能量源项；具体如下：
质量源项：
动量源项：
能量源项：
Sh＝-Si·h
其中：
Sm——质量源项；
Si——近壁面蒸汽冷凝量；
Aface——壁面网格面积；
Vcell——与壁面相邻的网格体积；
hfg——汽化潜热；
αw,cond——壁面冷凝换热系数；
Tsat——饱和温度；
Tw——壁面温度；
——动量源项；
——三维蒸汽流速矢量；
Sh——能量源项；
h——蒸汽焓值；
步骤5：流体动力学计算：
将步骤1中建立的水封结构几何模型与步骤4中建立的三维冷凝源项代入质量守恒、动量守恒、能量守恒三个控制方程中，并采用公知的瞬态计算流体动力学方法进行三维热工水力数值计算；冷凝源项中计算所需参数壁面温度Tw由步骤3提供；计算可以获得水封形成过程中温度、压力、汽/液相体积份额关键参数的三维分布，以及液位随时间的变化；将计算结果与实验结果进行对比，分析其正确性及精度；当其结果正确且精度满足要求时，则稳压器水封形成过程计算成功。
至此，稳压器水封形成过程计算过程完成。
此外，需要声明：本发明提出的稳压器水封形成过程计算方法，适用于大型先进压水堆核电厂稳压器水封结构及水封形成过程的模拟。但本发明中提出的水封结构三维计算模型的思想同样适用于同类型的其他设备。本发明可以针对实际运行中的不同工况。本发明主要针对三维稳压器水封结构的热工水力计算工作。通过原型几何的简化以及冷凝源项的添加，能够适用于不同水封工况。由于源项添加具有灵活性，因此该方法同样适用于同类型设备的类似工况。
本发明中提出的稳压器水封形成过程计算方法克服了已有方法的高成本、低精度和不可视性等不足。目前已有的水封研究模型主要通过水力试验或一维简化，水力试验成本较高，一维简化粗糙且精确性低，而且这两种模型都不能获得可视的三维热工水力参数分布。本发明通过对计算区域进行几何模型简化、冷凝源项添加的操作，能够对大型先进压水堆核电厂稳压器水封形成过程及各类同类型工况进行计算，完全克服已有的方法计算所引起的缺点。本发明介绍的稳压器水封形成过程计算方法具有原理简单、操作方便、计算结果精确度高、易于调控等优点。
和现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1、克服了现有的稳压器水封研究处理方法的缺陷，提出了一种三维研究模型，模型考虑了水封形成过程中的特性，包括几何参数和热工参数的影响；
2、能够简化对稳压器大空间进行几何建模带来的巨大工作量；
3、模型独立，方法通用性强，可以适应于不同类型的流体力学计算分析程序；
4、模型建立周期短，计算资源消耗少且计算结果精度高，可用于各类稳压器水封形成过程三维热工水力计算。
本发明已通过实践证明，该方法能够成功模拟不同工况下的稳压器水封形成过程。本发明中提出的水封结构热工水力计算模型在进行稳压器水封形成过程热工水力计算时，完全能够克服已有处理方法的缺陷。
附图说明
图1为大型先进压水堆核电厂稳压器水封结构示意图。
图2为本发明大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法流程图。
图3为经过简化后的计算区域几何模型。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步详细描述：
如图2所示，本发明为一种用于大型先进压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法，步骤如下：
步骤1：计算区域几何模型建立：
首先对大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算区域进行确定，稳压器水封结构示意图如图1所示。水蒸汽在安全阀接管内壁面冷凝形成液膜，液膜在重力作用下沿管内壁及稳压器内壁面向下流动，直至水封结构底部形成积水；考虑到水封结构及安全阀接管相对于整个稳压器大空间所占体积较小，水封形成过程中，对温度、压力、汽/液相体积份额关键参数影响较大的区域主要集中在水封结构附近，而对整个稳压器大空间内的影响不大；因此，计算区域选取为稳压器上封头与安全阀卸压管接头相交处附近，包括铲形挡板在内的几何区域；
简化后所建立的水封结构几何模型如图3所示，具体包括：稳压器上封头至安全阀之间卸压管段1、水封结构铲形挡板及其所对应的稳压器内壁面2，以及这些壁面所包络的内部流体域空间3，同时在铲形挡板与稳压器壁面之间设置有假想出口面4。
步骤2：确立冷凝关系式：
通过设置自定义冷凝源项实现水封形成过程的三维热工水力计算，不需要耗费过大的计算资源，为此需要确立源项中采用的冷凝关系式；
根据冷凝经验关系式，并结合大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程实际工况，最终确立的冷凝关系式如下：
其中：
Si——近壁面蒸汽冷凝量；
Aface——壁面网格面积；
Vcell——与壁面相邻的网格体积；
hfg——汽化潜热；
αw,cond——壁面冷凝换热系数；
Tsat——饱和温度；
Tw——壁面温度；
步骤3：计算冷凝段温度：
根据步骤1，最终选取了稳压器上封头与安全阀卸压管接头相交处附近，包括铲形挡板在内的几何区域作为计算区域；其中冷凝主要发生在稳压器上封头至安全阀之间的卸压管内壁面；在计算设置中，由于整体计算未考虑外界空气与计算区域之间的换热，因此需要将管内壁面考虑为恒温壁面，温度通过一个单独包含管壁和外界空气流固耦合的计算获得；具体如下：
建立包含管壁和外界空气的计算区域，管外壁面与空气进行耦合换热，考虑外壁面上法兰结构的影响；管内壁面与稳压器内部空间进行冷凝换热；外界空气为常温对流换热；计算得到的管内壁面温度即为步骤2中冷凝关系式计算所需参数Tw，并作为冷凝段温度设置为计算区域的边界条件。
步骤4：建立三维冷凝源项：
根据步骤2确立的冷凝关系式，针对水封结构几何模型建立三维冷凝源项，其中包括质量源项即水蒸汽在管壁面冷凝产生的负质量源项、动量源项和能量源项；具体如下：
质量源项：
动量源项：
能量源项：
Sh＝-Si·h
其中：
Sm——质量源项；
Si——近壁面蒸汽冷凝量；
Aface——壁面网格面积；
Vcell——与壁面相邻的网格体积；
hfg——汽化潜热；
αw,cond——壁面冷凝换热系数；
Tsat——饱和温度；
Tw——壁面温度；
——动量源项；
——三维蒸汽流速矢量；
Sh——能量源项；
h——蒸汽焓值；
步骤5：流体动力学计算：
将步骤1中建立的水封结构几何模型与步骤4中建立的三维冷凝源项代入质量守恒、动量守恒、能量守恒三个控制方程中，并采用公知的瞬态计算流体动力学方法进行三维热工水力数值计算；冷凝源项中计算所需参数壁面温度Tw由步骤3提供；计算可以获得水封形成过程中温度、压力、汽/液相体积份额关键参数的三维分布，以及液位随时间的变化；将计算结果与实验结果进行对比，分析其正确性及精度；当其结果正确且精度满足要求时，则稳压器水封形成过程计算成功。
本发明设计的方法主要包含几何模型的建立、冷凝关系式的选择、冷凝段温度计算、三维冷凝源项的计算等。
针对大量不同工况下的水封形成过程进行计算及验证结果表明，本发明具有可靠的计算精度以及计算的经济性。
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，但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所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法，其特征在于：计算步骤如下：
步骤1：计算区域几何模型建立：
首先对大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算区域进行确定，水蒸汽在安全阀接管内壁面冷凝形成液膜，液膜在重力作用下沿管内壁及稳压器内壁面向下流动，直至水封结构底部形成积水；考虑到水封结构及安全阀接管相对于整个稳压器大空间所占体积较小，水封形成过程中，对温度、压力、汽/液相体积份额关键参数影响较大的区域主要集中在水封结构附近，而对整个稳压器大空间内的影响不大；因此，计算区域选取为稳压器上封头与安全阀卸压管接头相交处附近，包括铲形挡板在内的几何区域；
简化后所建立的水封结构几何模型具体包括：稳压器上封头至安全阀之间卸压管段，水封结构铲形挡板及其所对应的稳压器内壁面，以及这些壁面所包络的内部流体域空间，同时在铲形挡板与稳压器壁面之间设置有假想出口面；
步骤2：确立冷凝关系式：
通过设置自定义冷凝源项实现水封形成过程的三维热工水力计算，不需要耗费过大的计算资源，为此需要确立源项中采用的冷凝关系式；
根据冷凝经验关系式，并结合大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程实际工况，最终确立的冷凝关系式如下：
其中：
Si——近壁面蒸汽冷凝量；
Aface——壁面网格面积；
Vcell——与壁面相邻的网格体积；
hfg——汽化潜热；
αw,cond——壁面冷凝换热系数；
Tsat——饱和温度；
Tw——壁面温度；
步骤3：计算冷凝段温度：
根据步骤1，最终选取了稳压器上封头与安全阀卸压管接头相交处附近，包括铲形挡板在内的几何区域作为计算区域；其中冷凝主要发生在稳压器上封头至安全阀之间的卸压管内壁面；在计算设置中，由于整体计算未考虑外界空气与计算区域之间的换热，因此需要将管内壁面考虑为恒温壁面，温度通过一个单独包含管壁和外界空气流固耦合的计算获得；具体如下：
建立包含管壁和外界空气的计算区域，管外壁面与空气进行耦合换热，考虑外壁面上法兰结构的影响；管内壁面与稳压器内部空间进行冷凝换热；外界空气为常温对流换热；计算得到的管内壁面温度即为步骤2中冷凝关系式计算所需参数Tw，并作为冷凝段温度设置为计算区域的边界条件；
步骤4：建立三维冷凝源项：
根据步骤2确立的冷凝关系式，针对水封结构几何模型建立三维冷凝源项，其中包括质量源项即水蒸汽在管壁面冷凝产生的负质量源项、动量源项和能量源项；具体如下：
质量源项：
动量源项：
能量源项：
Sh＝-Si·h
其中：
Sm——质量源项；
Si——近壁面蒸汽冷凝量；
Aface——壁面网格面积；
Vcell——与壁面相邻的网格体积；
hfg——汽化潜热；
αw,cond——壁面冷凝换热系数；
Tsat——饱和温度；
Tw——壁面温度；
——动量源项；
——三维蒸汽流速矢量；
Sh——能量源项；
h——蒸汽焓值；
步骤5：流体动力学计算：
将步骤1中建立的水封结构几何模型与步骤4中建立的三维冷凝源项代入质量守恒、动量守恒、能量守恒三个控制方程中，并采用瞬态计算流体动力学方法进行三维热工水力数值计算；冷凝源项中计算所需参数壁面温度Tw由步骤3提供；计算获得水封形成过程中温度、压力、汽/液相体积份额关键参数的三维分布，以及液位随时间的变化；将计算结果与实验结果进行对比，分析其正确性及精度；当其结果正确且精度满足要求时，则稳压器水封形成过程计算成功。
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