海洋工况下稳压器自由液面晃荡效应分析及预防措施研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 海洋工况下稳压器自由液面晃荡效 应分析及预防措施研究 摘 要：自由液面晃动问题对海 洋浮动平台反应堆系统稳压器的稳定运 行及一回路冷却剂系统的压力稳定性有 着很大的影响。为了保证稳压器及压力 安全系统的稳定运行，对反应堆一回路 系统主设备稳压器内自由液面在运行期 间的晃荡效应及其潜在影响进行了分析， 在此基础上开展对应的预防措施研究， 结合稳压器自身结构给出了可行的防晃 措施，对海洋工况下的稳压器设计提供 了参考。 中国论文网 /3/view-12847571.htm 关键词：海洋工况；稳压器；晃 荡效应；预防措施 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中图分类号： U661 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）36- 175-2 1 概述 液体晃荡现象在工程各个领域广 泛存在，如航空航天中飞机发动机油箱 内燃油的晃动、航天器中液体推进剂的 晃动、陆上的大型油罐运输车以及海上 大型载液货轮内油品等液体的晃动等， 都属于该现象。从广义范畴讲它是指容 器内液体介质的运动。除空载和满载外， 任何一个载液系统在一定条件下都可能 发生晃荡现象。晃荡效应对设备及系统 的稳定性和安全性造成负面影响，严重 时会导致设备损坏、介质泄露等安全事 故。 随着核电技术的发展，海上小型 堆作为一种新的技术，受到国内外核电 领域的广泛关注，其关键技术是将核电 反应堆系统跟海上浮动平台结合，实现 小型化、模块化及可移动等。其中，稳 压器作为控制其反应堆冷却剂系统压力 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 稳定的关键设备，其主要功能是在反应 堆启堆、停堆、稳态运行、正常功率变 化及各种事故工况下，它与相应的系统 协调工作，借助电加热元件的加热形成 蒸汽和喷淋系统喷淋冷水冷凝蒸汽使饱 和水饱和汽处于两相平衡状态，维持 和控制冷却剂系统压力稳定。而稳压器 内介质为 60%的饱和水和 40%的饱和蒸 汽，因此存在汽水界面。在海洋工况下， 稳压器会随浮动平台一起在风、浪、流 等环境载荷的作用下，会产生横荡、纵 荡、横摇、纵摇、升沉、平摇 6 个自由 度的运动。同时稳压器内自由液面会随 船体的摇摆而发生晃荡现象。 稳压器自由液面晃荡会造成稳压 器内水位的变化，稳压器的重心也随之 变化，对应稳压器底部的裙式支座会受 到一个周期性的疲劳载荷，日积月累连 续晃动会对支承的连接件松动，同时长 时间的晃荡会对稳压器容器内壁面的堆 焊层造成疲劳冲击及磨损，对稳压器的 结构强度及可靠性造成影响；此外，由 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 于稳压器本身功能是用于一回路压力稳 定和调节，其水空间与一回路系统通过 波动管连通，液面的晃动会对一回路的 压力稳定和平衡造成冲击和影响，同时 水跃现象会造成位于稳压器筒体上的高 水位液位测量仪表的误报警，造成反应 堆误停堆，从而影响反应堆的正常运行。 2 稳压器液体晃荡效应分析 稳压器内液体的晃荡效应取决于 稳压器的几何形状（高径比） 、内部构 件（阻尼板的设置与否、数量、形状、 布置等） 、自由液面的高度、液体的物 理属性（如密度、粘度等）及外部海洋 条件、运行状况等环境载荷激励，根据 不同条件，稳压器内通常会产生四种不 同的晃荡波：驻波、行进波、水跃及三 者的组合波，如图 1。 稳压器的几何形状根据其功能要 求为立式高温高压的圆柱型容器，一般 高径比为 35。其内部液体为 15.5MPa 压力和 343的饱和水和饱和蒸汽，考 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 虑到稳压器顶部的喷淋及饱和水的汽化， 稳压器内部自由液面不宜设置阻尼板； 本文中海上小堆核电厂其使用场景与海 上浮式生产储油装置（FPSO）相近， 因此海洋环境参数参考海上浮式装置 入级规范及相关国标确定，小堆稳压 器的振动环境要求如下表： 研究自由液面晃荡问题的方法主 要有试验方法、理论方法和数值方法。 其中理论研究一般针对具体工况作一些 相应假设，建立数学模型，利用连续方 程、动量方程和能量方程，通过采用线 性势流理论求出问题的解析解（如液体 晃荡的振型、固有频率） ；试验方法相 对精确和直观，也更为可靠和有效，但 需要较大的试验费用投入和较长的周期， 需要选择相似的试验模型及相似的试验 条件；目前随之计算机水平的发展，数 值模拟方法已成为自由液面晃荡的重要 方法，尤其对晃动的非线性特性研究有 较大的优势。如边界元法、有限元法、 有限体积法、VOF 法、MAC 法等。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 通过有限元法计算及 CFD 数值 模拟，在稳压器高径比约为 3.5，液面 深度为 5m 的情况下，稳压器内自由液 面的固有频率为 1.05Hz，在海洋小堆外 部振动载荷激励下表现为组合波，由于 海洋工况的复杂性和随机性，在突发冲 击载荷情况下，会发生水跃现象。为防 止该现象对稳压器和一回路反应堆系统 正常运行的影响，需要采取合理的措施。 3 稳压器防晃措施研究 通过调研发现在航空、航海及路 上运输工程上，对自由液面防晃措施的 设计一般是通过设计合理的容器形状和 对容器内部结构进行合理改进来实现的。 由于稳压器本身的设计及工艺要求，其 容器结构必须为立式圆柱形细长结构， 容器内的充液比为 60%左右，此外稳压 器在平台上的布置高度相对较高，因此 其晃动相对其他设备还要剧烈；因此， 较为可行的措施是在稳压器自由液面以 下设置合理的阻尼装置（如防晃荡挡板 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 结构）来提高其阻尼，以达到对晃荡的 抑制。常用的防晃荡装置包括水平挡板 和竖直挡板，水平的有圆环形挡板、非 对称半圆形挡板、Z 型挡板、非金属弹 性板等，竖直挡板也包括矩形板、圆柱 形板、锥形板等。根据具体的容器结构 和工艺需求选择合理的阻尼结构。 稳压器阻尼结构在设计时需要考 虑其顶部的喷雾头喷淋和底部的电加热 器加热均匀性，以及自由液面部分的汽 液转变（饱和水汽化和蒸汽冷凝）等特 殊要求，还要考虑到安装检修的可达性 及加工制造难度。此外还要通过数值模 拟和理论计算选择合理的板厚、开孔直 径、支承位置等。通过迭代计算和分析， 本稳压器阻尼装置为水平圆形隔板为主， 其表面焊有竖直圆环形翅片板的结构， 如图 2 所示。通过计算模拟，该结构极 大的提高了稳压器内液体的阻尼，克服 了海洋摇摆工况下自由液面的水跃现象， 并对晃荡现象也起到抑制作用。在水平 隔板上均布有供流水的过水圆孔，保证 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 了汽水的连通及相变转换。另外整个装 置通过螺栓螺母紧固件固定在设置与稳 压器筒体内壁上的四个支承组件上面， 为防止长期振动过程中紧固件的松脱， 对紧固件进行了点焊处理。 4 小结 本文针对海洋摇摆工况下稳压器 自由液面的晃荡问题，进行了理论分析 数值计算研究，并对晃动特性及研究方 法进行了阐述和比较，在此基础上设计 了适用于稳压器结构的防晃液阻尼装置， 并用 CFD 软件对该结构进行了数值模 拟，从而为稳压器晃荡效应预防提供了 可靠的结构参考。对海洋条件下稳压器 防晃装置的设计具有一定的参考性。 参 考 文 献 1 刘士海，岑康，伍绍国. 油 气水分离器内液相的晃荡固有频率研究 J. 石油矿产机械， 2014，43（9）： 13-17. 2 刘富， 童明波， 陈建平. 贮箱内液体晃动动力学分析及防晃结构 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 优化J.计算机应用与软件， 2011，28（12）：202-205. 3 方华灿，余雄鹰.海上浮式采 油