CN111863292B - 减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法，根据蒸汽冷凝流型位于射流区时，蒸汽冷凝振荡频率最高且振幅最低，冷凝冲击作用对结构的影响最小的特性，对鼓泡器上小孔孔径与小孔分布进行优化，使得鼓泡器出口蒸汽冷凝流型为射流。本发明能够使得鼓泡器结构能够减小蒸汽冷凝冲击作用，提高核动力装置蒸汽冷凝排放过程中的安全性。

Description

减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法
技术领域
本发明涉及的是一种核能电站控制领域的技术，具体是一种减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法。
背景技术
非能动安全技术仅依靠重力、密度差等自然力为驱动力实现堆芯余热排出，提高事故情况下核动力装置的可靠性和安全性，是缓解事故后果的重要手段。在沸水堆中，当出现高能管道破裂时，通过破口释放的高温高压蒸汽将会造成安全壳压力快速升高。为抑制压力快速升高，在安全壳内设置抑压水池，当高温高压蒸汽进入安全壳干井造成干井压力升高时，由于压差混合气体进入抑压水池，进入抑压水池的蒸汽发生冷凝，不凝气体进入抑压水池气空间，抑压水池对安全壳内压力升高有明显的抑制效果。抑压管道连接安全壳干井和湿井，管道末端鼓泡器结构影响蒸汽冷凝特性，进而影响到安全壳卸压效果。
此外，沸水堆和压水堆非能动余热导出系统(ADS)是非能动堆芯冷却技术的一个关键系统，它能够将超压蒸汽导出到换料水箱中并通过喷头鼓泡器喷放冷却降压，便于外界继续向堆芯注水继续降压。鼓泡器将堆内高温高压蒸汽排放至内置换料水箱中，从而使一回路迅速降压，同时降低事故工况下安全壳内峰值压力、峰值温度，缓解事故后果。
国内外单位和研究机构对蒸汽抑压排放设计各种鼓泡器：德国KKW沸水堆采用单孔鼓泡器，但是根据相关研究，多孔鼓泡器相对于单孔鼓泡器，在蒸汽冷凝过程中产生的噪声小，对结构的冲击作用低；美国SBWR和欧洲ESBWR采用侧面单向鼓泡器，对结构的冲击作用大；韩国原子能科学研究院对鼓泡器结构也进行研究，但是上述研究都没有从减小冷凝冲击效应考虑进行鼓泡器的设计。
发明内容
本发明针对现有技术在核动力装置蒸汽冷凝卸压时会产生剧烈的振荡，可能对系统壁面产生冲击和机械损伤的缺陷，提出一种减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法，能够使得鼓泡器结构能够减小蒸汽冷凝冲击作用，提高核动力装置蒸汽冷凝排放过程中的安全性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明根据蒸汽冷凝流型位于射流状态时，蒸汽冷凝振荡频率最高且振幅最低，冷凝冲击作用对结构的影响最小的特性，对鼓泡器上小孔孔径与小孔分布进行优化，使得鼓泡器出口蒸汽冷凝流型为射流。
所述的射流是指:当流速u大于液滴的最小夹带速度uent时，将会产生射流现象；鼓泡器出口流速
Figure GDA0002927515320000021
其中：W为蒸汽质量流量，ρg为蒸汽密度，n为小孔个数，S为单个孔的面积，最小夹带速度
Figure GDA0002927515320000022
σ为水的表面张力，g为重力加速度，ρl为水池中水体密度。
所述的射流区，通过单位面积蒸汽流量
Figure GDA0002927515320000023
分析流型得到，根据国内外相关研究，水池温度为20-40℃时，当单位面积蒸汽流量WS大于100kg/m2s而小于300kg/m2s时，蒸汽冷凝流型位于冷凝振荡射流区，当单位面积蒸汽流量WS大于300kg/m2s时，蒸汽冷凝流型位于稳定冷凝射流区。
所述的优化，是指：由于核动力装置空间限制，不适合采用X字形鼓泡器，且为防止蒸汽对壁面造成直接冲击，故不采用L字形鼓泡器，故采用I字形与T字形鼓泡器结构；为防止蒸汽直接射流冲击结构壁面而造成结构损伤，综合考虑喷孔朝向与壁面位置，避免喷孔直接对准近壁面。多孔鼓泡器相对于单孔鼓泡器，能有效降低冷凝振荡振幅，减小冷凝冲击；提高冷凝振荡频率，减小结构共振作用。对I字形鼓泡器，采用两侧和四周小孔分布；对T字形鼓泡器，采用向上和四周小孔分布。
所述的鼓泡器采用I字形或T字形结构，I字形结构为单一直管段，采用两侧小孔分布，小孔分布在I字形鼓泡器末端两侧；T字形结构为竖直管段后沿水平分开，小孔对称分布于水平管末端。
所述的I字形结构的小孔优选为6列，其中3列与另外3列对称分布，每侧每列小孔之间的夹角为30°。
所述的I字形结构的小孔优选为四周小孔分布，小孔分布在I字形鼓泡器末端四周，小孔绕I字形鼓泡器末端均匀四周分布为6列，每列之间的夹角为60°。
所述的T字形结构的小孔优选为向上小孔分布，小孔分布在T字形鼓泡器两端末端上部，小孔分为3列对称分布在水平管两端顶部，每列之间夹角为30°。
所述的T字形结构的小孔优选为四周小孔分布，小孔分为6列对称分布在水平管两端四周，每列之间的夹角为60°。
技术效果
本发明整体解决了核动力装置蒸汽冷凝排放过程中对结构的冷凝冲击问题。
与现有技术相比，本发明能够减小蒸汽冷凝冲击作用，提高核动力装置蒸汽冷凝排放过程中的安全性。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为实施例中I字形四周鼓泡器示意图；
图3为实施例中I字形两侧鼓泡器示意图；
图4为实施例中T字形向上鼓泡器示意图；
图5为实施例中I字形两侧鼓泡器示意图；
图6为实施例中I字形四周鼓泡器示意图；
图7为图4局部放大示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法，包括以下步骤：
步骤1、初步设计鼓泡器孔数n，小孔1孔径为d，当蒸汽温度为T1摄氏度，蒸汽质量流量为W，水池中水温为T2摄氏度，得到蒸汽密度为ρg，水池中水体密度为ρl。
步骤2、根据
Figure GDA0002927515320000031
其中：σ为水的表面张力，g为重力加速度(9.8N/kg)，ρl为水池中水体密度(kg/m3)，ρg为蒸汽密度(kg/m3)，得到液滴的最小夹带速度uent(m/s)。
步骤3、根据
Figure GDA0002927515320000032
其中：W为蒸汽质量流量(kg/s)，ρg为蒸汽密度(kg/m3)，n为小孔个数，S为单个孔的面积(m2)，得到出口流速u(m/s)。
步骤4、当出口流速u大于uent，则说明蒸汽冷凝处于射流状态，冷凝冲击作用较小。当出口流速u小于uent，则说明蒸汽冷凝不处于射流状态，冷凝冲击作用较大，需要重新考虑参数。
步骤5、根据
Figure GDA0002927515320000033
其中：W为蒸汽质量流量(kg/s)，n为小孔个数，S为单个孔的面积(m2)，计算得到单位面积蒸汽流量WS(kg/m2s)，分析流型所属区域。
步骤6、由于核动力装置空间限制，因此采用I字形与T字形鼓泡器结构。为防止蒸汽直接射流冲击结构壁面而造成结构损伤，综合考虑喷孔朝向与壁面位置，避免喷孔直接对准近壁面。多孔鼓泡器能有效降低冷凝振荡振幅，减小冷凝冲击；提高冷凝振荡频率，减小结构共振作用。采用I字形鼓泡器1，小孔2位于鼓泡器末端四周或两侧；采用T字形鼓泡器3，小孔2位于鼓泡器两端末端顶部。
如图2和图3所示，为本实施例基于上述方法得到的I字形鼓泡器1，I字形鼓泡器1直管段末端四周和两侧设有小孔2；如图4-图7所示，为基于上述方法得到的T字形鼓泡器3，小孔2位于鼓泡器两端末端顶部。
所述的I字形鼓泡器1为单一直管。
所述的T字形鼓泡器3，鼓泡器结构在竖直管段后沿水平分开，呈现一个T字形。
所述的小孔2分布在I字形鼓泡器1末端均匀四周，小孔2均匀分布为6列，每列之间的夹角为60°，每列小孔数为6个，如图2和图5所示；
所述的小孔2分布在I字形鼓泡器1末端两侧，小孔2分为6列，其中3列与另外3列对称分布，每侧每列小孔之间的夹角为30°，每列小孔数为6个，如图3和图6所示。
所述的小孔2分布在T字形鼓泡器3水平管两端末端顶部，小孔2分为3列分布在鼓泡器水平两端顶部，每侧每列小孔之间的夹角为30°，每列小孔数为6个，如图4和图7所示。
经过理论及实验分析，所设计的鼓泡器出口流速u大于液滴的最小夹带速度uent，蒸汽冷凝位于射流状态。单位面积蒸汽流量WS大于300kg/m2s，蒸汽冷凝处于稳定冷凝射流区。
经过具体实际实验，当蒸汽冷凝流型位于射流区时，对结构的冷凝冲击作用显著降低，即通过本方法设计的鼓泡器结构能够减小蒸汽冷凝冲击作用，提高核动力装置蒸汽冷凝排放过程中的安全性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法，其特征在于，根据蒸汽冷凝流型位于射流区时，蒸汽冷凝振荡频率最高且振幅最低，冷凝冲击作用对结构的影响最小的特性，对鼓泡器上小孔孔径与小孔分布进行优化，使得鼓泡器出口蒸汽冷凝流型为射流；
所述的射流是指:当流速u大于液滴的最小夹带速度uent时，将会产生射流现象；鼓泡器出口流速
Figure FDA0002927515310000011
其中：W为蒸汽质量流量，ρg为蒸汽密度，n为小孔个数，S为单个孔的面积，最小夹带速度
Figure FDA0002927515310000012
σ为水的表面张力，g为重力加速度，ρl为水池中水体密度。
2.根据权利要求1所述的减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法，其特征是，所述的射流区，通过单位面积蒸汽流量
Figure FDA0002927515310000013
分析流型得到，水池温度为20-40℃时，当单位面积蒸汽流量WS大于100kg/m2s而小于300kg/m2s时，蒸汽冷凝流型位于冷凝振荡射流区，当单位面积蒸汽流量WS大于300kg/m2s时，蒸汽冷凝流型位于稳定冷凝射流区。
3.根据权利要求1所述的减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法，其特征是，所述的优化，是指：由于核动力装置空间限制，不适合采用X字形鼓泡器，且为防止蒸汽对壁面造成直接冲击，故不采用L字形鼓泡器，故采用I字形或T字形鼓泡器结构；为防止蒸汽直接射流冲击结构壁面而造成结构损伤，综合考虑喷孔朝向与壁面位置，避免喷孔直接对准近壁面；多孔鼓泡器相对于单孔鼓泡器，能有效降低冷凝振荡振幅，减小冷凝冲击，提高冷凝振荡频率，减小结构共振作用；对I字形鼓泡器，采用两侧和四周小孔分布，即小孔位于鼓泡器末端四周或两侧；对T字形鼓泡器，采用向上和四周小孔分布。
4.根据权利要求1或3所述的减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法，其特征是，所述的鼓泡器采用I字形或T字形结构，I字形结构为单一直管段，采用两侧小孔分布，小孔分布在I字形鼓泡器末端两侧；T字形结构为竖直管段后沿水平分开，小孔对称分布于水平管末端。
5.根据权利要求3所述的减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法，其特征是，当采用I字形结构且小孔为四周分布时，小孔为6列，其中3列与另外3列对称分布，相邻两列小孔与鼓泡器中心之间的夹角为30°。
6.根据权利要求3所述的减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法，其特征是，当采用I字形结构且小孔为四周分布时，小孔分布在I字形鼓泡器末端四周，小孔绕I字形鼓泡器末端均匀四周分布为6列，相邻两列小孔与鼓泡器中心之间的夹角为60°。
7.根据权利要求3所述的减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法，其特征是，当采用T字形结构且小孔为向上分布时，小孔分布在T字形鼓泡器两端末端上部，小孔分为3列对称分布在水平管两端顶部，相邻两列小孔与鼓泡器中心之间夹角为30°。
8.根据权利要求3所述的减小冷凝冲击效应的鼓泡器优化方法，其特征是，当采用T字形结构且小孔为四周分布时，小孔分为6列对称分布在水平管两端四周，相邻两列小孔与鼓泡器中心之间的夹角为60°。
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