AP1000核电厂二回路主管道双端断裂流体喷射力计算分析.docx

第卷 第期年月原 子 能 科 学 技 术，核电厂二回路主管道双端断裂 流体喷射力计算分析 刘军良，隋丹婷，邵杰，陆道纲，洪阳（国核电力规划设计研究院 ，北 京 ；华北电力大学 核科学与工程学院 ，北 京 ）摘 要 ：是先进的第三代压水堆核电厂 ，为确保核电厂在事故工况下的安全性 ，需 对 二 回 路 主 管 道发生双端断裂的工况进行研究 。 本 文 采 用 软件对核电厂二回路突发主管道双端断 裂的事故工况进行了数值模拟 ，计算得到断裂后 管 道 破口处的喷放流量 、压 强 、空泡份额及喷射力等物 理 参 数 的 变 化 特 性 ，并将计算结果与 简化计算方法的结果进行了比较分析 。 结 果 表 明 ， 计算所得的喷射力小于简化计算方法所得结果 。 本文分析结果为进行 核 电 厂的破裂管道甩击防护提供了基础 。关 键 词 ：核 电 厂 ；二 回 路 主 管 道 ；双 端 断 裂 ；喷 射 力 计 算中 图 分 类 号 ：文 献 标 志 码 ：文 章 编 号 ：（）： ， ， （ ，； ，）： （）， ， ， ， 收 稿 日 期 ：；修 回 日 期 ：基 金 项 目 ：国家科技重大专项资助项目 （）作 者 简 介 ：刘 军 良 （），男 ，河 北 赵 县 人 ，教授级高级工程师 ，从事火电厂及核电厂常规岛规划设计研究 原子能科学技术 第卷 ： ； ； ；随 着 能 源 供 应 的 日 益 紧 张 ，核 能 作 为 目 前公认的可替 代 常规化石 能 源的新型清洁能源在 世 界 范 围 内 得 到 广 泛 的 发 展。但 在 核 电 发 展 过 程 中 ，也 发 生 了 诸 如 切 尔 诺 贝 利 、三 哩 岛 、福 岛 等 严 重 的 核 电 安 全 事 故 ， 对 环 境 造 成 了 严 重 破 坏 ，从 而 人 们 对 核 电 安 全 提 出 了 更 高 的 标 准 和 要 求 。目前我国引进并大 力 发 展 的 核 电 技 术 属 于第三代新型核 电 技 术 ，具 有 更 加 可 靠 、安 全 的 技 术 特 点，因此 对 核 电 厂 的 安 全 性 研究具有重要意 义 。一 回 路 发 生 冷 却 剂 系 统 失 水 事 故 （）造成管道双 端 断裂的喷 射 力已有学者进行了研 究，但 对 二 回 路 管 道 双 端 断 裂 的 喷 射 力 还 鲜 有 研 究 成 果 可 借 鉴 。二 回 路 主 管 道 双 端 断 裂 工 况 是 核 电 厂 设 计 的 极 限 事 故 工 况 。管道一旦发生破裂 （尤 其 是 双 端 断 裂 ），管道中输送的介质将迅速 喷 放 ，形 成 巨 大 的 喷 射 力 。在喷射力的作用下 ， 破 裂 管 道 将 会 发 生 甩 摆 振 动 ，对 管 道 周 边 的 仪 器 仪 表 、构筑物及人 员造成破坏和损伤 ，后 果 极 为 严 重 。因 此 ，研究 管道破裂事故的动态过程 ， 采 取 适 当 的 工 程 安 全 措 施 ，对 于 减 少 事 故 工 况 下 破 裂 管 道 的 甩 击破坏具有重要意义 。管道双 端 断裂后流 体 喷放过程中喷射力的 计 算 是 进 行 管 道 甩 击 防 护 设 计 的 前 提 和 基 础 ， 喷射力计算 的 准确性直 接 影响管道甩击防护设 计 的 安 全 性 与 经 济 性 。 程 序 作 为 轻 水 反 应 堆 假想事故期 间 冷却剂系 统 瞬态工况的最佳评估 程 序 ，已 有 众 多 成 功 的 应 用 实 例 和 试 验 数 据 进行 验 证 比 较。 本 文 采 用 对 某 在 建 核 电 厂 二 回 路主管道双端断 裂 后 的 流 体 喷 放 特 性 进 行 计 算 分 析 ，以 期 为 后续 的 破 裂 管 道 防 甩 击 分 析 提 供 基 础 。控 制 体 ，如 图 所 示 。图 双端断裂管道内流体控制体 根据牛顿第二运动定律，管道发生双端 断 裂后，管内介质喷放对管道的作用力可表示为：（） 式 中 ： 为 作 用 在 管道上的喷射力 ，；为 控 制 体 ； 为 管 道 内 流 体 密 度 ，； 为 控 制 体 方 向 速 度 ，； 为 断 口 处 流 体 的 喷 射 速 度 ，； 为 断 口 处 流 体 的 压 力 ，； 为 外 界 环 境 压 力 ，； 为 断 口 处 破 裂 面积 ，；为 时 间 ，； 为 控 制 体 体 积 ，。上 式 右 侧 积分项为加速度随时间的变化 项 ，对于稳态喷放的情况 ，加 速 度 随 时 间 的 变 化 为 零 。剩 余 项为稳态喷射力 的 计 算公 式 。若要 求出存在加速度项 的瞬态喷 射力 ，必 须 首 先 计 算出发生双端断裂后主管道 中 各 流动 相关 参 数 的 瞬 态 值 。双端断裂主管道中的流动 相 关 参数 的瞬 态值 可 通 过 来 进 行 求 解 。解 算 的 基 本 方 程如 下 ：（） （） （ ）（） 喷射力计算方法 选取发 生 断裂管段 弯 头后的管道作为研究 （）（）第期刘 军 良 等 ：核电厂二回路主管道双端断裂流体喷射力计算分析 （ ） （）（ ）本 文 利 用 建 立 核 电厂二回路模型 ，计算在发生主管道 双端断 裂 工况下的流体喷放速度 、压 强 、空 泡 份 额 等 热 工 水力学参数的变化特性 。根 据 流 体 喷 射 力 的 计 算 公 式 ，通 过 离 散 差 分 的 数 值 方 法 得 到 喷 射 力 的 变 化 曲 线 。 （ ） （）（）（ ） （）（ ）数 值 计 算 方 法核 电 厂 二回路主管道主要是指连 接 蒸汽发生器的常规岛主蒸汽 管 道 和主 给水 管道 。应 用 分析正常运行工 况 下突发的二回路主 管道双端 断裂工 况 ，可 采用 两 种 建 模 方 式 。第 种 是 采 用 “ ”的 方 式 （ 方 式 ）建 模 ，即通 过设置阀门的开关 逻辑 ，使 得 正 常 运 行 工 况下 流体在管道内流动 ，而断裂工况下流 体自管 道 向 外 界 喷 放 ；第 种 方 式 是 采 用 “稳 态 计 算 ”功 能（ 方 式 ）进 行 分 析 ，首 先 通 过 稳 态 计 算 得 到 电 厂 的 稳 态 运 行 工 况 ，之 后 进 行 计 算 ，改 变 系 统 的 几 何 模 型 使得流体的流道自管道内流 动 改 变为 向环 境的 喷 放 。如 图 所 示 ，建 立 二 回 路 主蒸汽管道局部 断 裂的两种计算模型 ，计算时控制体长 度的选 取 基于保证破口面积不发生改 变 的 原则 。（ ）（） （） （）， ， （） （） （）， ， 式 中 ： 为 空 泡 份 额 ； 为 表 面 积 ； 为 比 容 ； 为 热 流 密 度 ； 为 比 焓 ； 为 质 量 交 换 率 ； 为 方 向 单 位 质 量 的 体 积 力 ； 为 附 加 质 量系 数 ； 和 为 壁 面 摩 擦 系 数 ； 和 分 别 为气液两相间的 气 相 阻力系数和液相 阻 力 系 数 ；为 能 量 耗 散 项 ； 为 质 量 流 量 ；下 标 为 气 相 ，为 液 相 ，为 控 制 体 交 界 面 上的 气 相 ，为 控 制 体 交 界 面 上 的 液 相 ， 为 混 合 物 ，为 初 始 态 ；上 标 表示显式计算结果 。表示时间相关控制体 ，表 示 阀 门 ，都是用来设置软件计算的边界条件 图 管道双端断裂的两种计算方式 发生双 端 断裂时两 种 方式计算结果的比较 如 图 所 示 。 从 图 可 看 出 ，使 用 两 种 方 式 计 算 得 到 的 喷 放 过 程 基 本 相 似 ，但 由 于 使 用 方 式 所 得 的 喷 放 流 量 是 从 开 始 ，而 方 式 则 是 从 正 常 流 量 开 始 喷 放 ，因 此 导 致 计 算 在 以 内 ， 方 式 所 得 的流 量 变 化 落 后 于 方 式 ，破 口 处 压 强也 低 于 方 式 。考虑到喷放过程数值计算 的 准 确性 和控 制体 变 量 位 置 选 取 的 灵 活 性 ， 方 式 更 加 合 理 。具 体 计 算 过 程 为 ：系 统 稳 态 初 始 化 之后 ，进 行 第 次 计 算 ，得 到 破 口 控原子能科学技术 第卷制 体 中 心 处 的 压 强 、弯管处的平均密度 、平 均 质量 流 量 等 参 数 ；之后 将破口控制体尺寸减半 ，进行 第 次 计 算 ，得 到 控 制 界 面 处 的 质 量 流 量 ；最 后 结 合 两 次 计 算 的 参数 ，代 入 离 散 差 分 的 喷 射 力 计 算 公 式 从 而 得 到喷 射 力 的 变 化 曲 线 。个 单 独 的 控 制 体 和 个 出 口 接 管 组 成 ，除 规定 普通控制体的所有 参数外 ，还 要 规 定 泵 的 归 一 化 特 性 曲 线 。 流体流经泵模型后 ，获 得 相 应 的 压 头 。主给水泵组的主要参 数 列 于表 。表 蒸汽发生器主要设计参数 参 数参 数 值一 次 侧 压 力 ，一 次 侧 温 度 ，二 次 侧 压 力 ，二 次 侧 温 度 ，每 台 传 热 面 积 ，每 台 蒸 汽 流 量 ，蒸汽发生器出口温度 ，给 水 温 度 ，蒸汽发生器出口蒸汽压力 ，图 两种方式计算结果的比较 表 主给水泵组主要设计参数 使 用 计 算 时 ，对 包 含蒸 汽 发 生 器 一 次 侧 在 内 的 二 回 路 系 统 进 行 建 模 。主 要 的 部 件 模 型 描 述 如 下 。）蒸 汽 发 生 器 模 型单台机 组 配置 两台蒸汽发生器，其 一次侧的冷却剂通过热段接管流入 一 次 侧 腔 室，之后通过 管 板 流 入 倒 型 管，在 流 动 过 程 中 将 热量传递给二次侧，然后回到一次侧 腔 室 的 冷 段接管。给水通过水平高 度 比 倒 型 管 顶 部 高 的 给水接管进入蒸汽发生器，之后进入 一 个 通 过 热套管连接的给水环。然后，从连接在 给 水 环 顶 部的倒型喷管中流出，与由汽水分离器分离出的 饱和水混合。混 合 后 的 给 水 进 入蒸汽发生器套 筒与壳体之 间 的 下 降 管，之 后 流 动 转 向，在 蒸 汽 发生器 换热管外向上流动，经 过 换 热 后 产 生 蒸 汽。最终，产生的蒸汽通过最上面的 蒸 汽 出 口 管流出，经主蒸汽管道进入汽轮发电 机 组。蒸 汽 发生器主要设计参数列于表。）主 给 水 泵 组 模 型二 回 路 的 给 水 由 主 给 水 泵 组 来 输 送 ，主 给 水 泵 组 由 前 置 泵 和 主 给 水 泵 串 联 组 成 。二 回 路 单 台 机 组 配 置 台 流 量 的 定 速 电 动 给 水 泵 组 。 在 建 模 时 ，泵 模 型 是 一 特 殊 部 件 ，由 个 进 口 接 管 、参 数 值参 数主 给 水 泵前 置 泵流 量 ，扬 程 ，转 速 ，温 度 ，）管 道 模 型本文对二回路主蒸汽和主 给 水 管道 系统 统 一 建 模 ，管道系统建模时 所 需的 主要数据有 ：长度 、内 径 、表 面 粗 糙 度 、流 动 角 度 、局 部 阻 力 系数 、管内流体初始压力 、温 度 、含 汽 率 和 流 量 等 。按 照 某 在 建 核 电 厂 二 回 路 的 具 体 布 置 情 况输入这些所需参数 。）阀 门 模 型本文所建模型中主要包含 ：主 蒸 汽 安 全 阀 、主 蒸 汽 隔 离 阀 、主 给 水 隔 离 阀 、主 给 水 调 节 阀 及 主 给 水 止 回 阀 。 中 阀 门 类 型 有 触 发 阀 、止 回 阀 、惯 性 阀 、伺 服 阀 等 。 建 模时 根据所需的功能进 行选择 ，阀 门 模 型 通 过 其 通 流 面 积 、局 部 阻 力 系 数 等 参 数 的 定 义 来 计 算 对 系统热工水力学特性的影响 。第期刘 军 良 等 ：核电厂二回路主管道双端断裂流体喷射力计算分析 ）控 制 系 统 模 型 中 的 控 制 变 量 通 过 执 行 数 学 运 算 和 逻 辑 运 算 模 拟 控 制 系 统 的 功 能 ，如 可 通 过 采 用 超 前 滞 后 部 件 、微 分 计 算 和 比 例 计 算 来 模 拟 一 个 单 元 控 制 器 ，也 可 由 控 制 变 量 组 成 不 同 的 控 制 逻 辑 ，以 此 来 模 拟 某 些 系 统 的行 为 ，如 偏 差 信 号 经 控 制 器 后 得 到 纠 正 信 号（），（）的 表 达 式 为 ：流 量 在 内 迅 速 达 到 临 界 状 态 ，此 后 ，压 力 波 继 续 向 上 游 传 播 ，蒸 汽 限 流 器 在 后 达 到 临 界 流 。 在初始喷放阶段 ，距 破 口 处 很 近 的控制体内流体的 状态发生 急剧变 化 ，这 种 急 剧变化严格限制了控制体选 取 的 尺寸 。 （）（） （） （） ）式 中 ：（）为 控 制 器 的 输 出 信 号 ；（）为 控 制 器的 输 入 信 号 ，等 于 给 定 值 与 测 量 值 的 差 值 ；、 、 分 别 为 控 制 器 的 比 例 增 益 、积 分 时 间 常 数 和 微 分 时 间 常 数 。主 蒸 汽 管 道 和 主 给水 管道发生双端断裂 后 ，二 回 路 内状态的改变会 触发控 制 系 统 和 保 护 系 统 动 作 。 当 主 蒸 汽 管 道 发 生 断 裂 后 ， 主 蒸 汽 隔 离 阀 及 相关 的主 蒸汽隔离旁路阀自 动 关 闭 ，阀 门动作保证向双 端断裂 的 破 口 供汽 的 蒸 汽 发 生 器 不 超 过 台 。 当 主 给 水 管 道 发 生 断 裂 后 ，主 给 水 隔 离 阀 和 主 给 水 调 节 阀自 动 关 闭 ，事故工况下不需 要凝结 水 和 主 给 水 系 统 供 水 作 为 电厂 停堆 或缓解事故后果的 条 件 ，但 启 动主给水系统作 为非安 全 相 关 系 统 向 蒸 汽 发 生 器 继 续 供 水 。 为了真实地评价 流 体 的 喷 射 力 ，本 文 在 计 算 时 亦 将 控 制 系 统 和 保 护 系 统 输 入 到 计 算 模 型 中 。图 主蒸汽管道破口处 压力和喷放流量随时间的变化 图 主蒸汽管道喷射力及喷射力分量随时间的变化 计算结果与分析 以 某 在 建 核 电 厂 为 基 础 ，建 立 计 算 模 型 进 行 二 回 路 双 端 断 裂 工 况 的 计 算 。从图可看出，破口位置的压差力是决 定 喷射力的主要因素，出口动压力也是决 定 总 喷 射 力 的重要因素，而控制体内动量变化率 是 决 定 喷 射 力瞬态特性的主要分量，其随着时间 的 推 移 逐 渐 减小，流 动 趋 于 稳 定。 限流器发生临界流 时，计算出 的 流 体 稳 态 喷 射 力 为主 蒸 汽 管 道 双 端 断 裂主 蒸 汽 管 道 发 生 双端 断裂的位置选为距 离 某 弯 头 处 。 主 蒸 汽 管 道 双 端 断 裂 工 况 下 破 口 处 的 压力 和喷 放流量随时间的变 化 示 于 图 。 流 体 的喷射力 及喷射力分量随 时 间 的 变 化 示 于 图 。 图 中 最 终 喷 射 力 即为 喷 射 力 计 算 公 式 中 的 项 ，出 口 动 压 力 为 ，而 喷 射 力 的 初 始 值，即 流 体 初 始压力与破口面积的乘积，约为 。喷射力稳态值与初始值的 比 值 一般 称为 稳态 喷 放 系 数 ，本 文 计 算 出的稳态喷放系 数为 该 公 式 中 的 项，动 量 变 化 率 为 公 式 中 的（ ） 项 。，而 根 据 简 化 计 算 方 法 得到 的稳态喷放系数为 ，二 者 基 本 相 当 。从 图 可 看 出 ，发生双端断裂的瞬间 ，喷 放原子能科学技术 第卷主 给 水 管 道 双 端 断 裂与 主 蒸 汽 管 道 断 裂 位 置 的 选 取 相 同 ，主 给水 管 道 破 口 位 置 选 取 距 离 某 弯 头 处 ，管 道 破 口 事 故 触 发 后 ，保持给水压力不变 。图 示 出 主给水管 道 双端断裂工况下破口 处 的 压 力 和 喷 放 流 量 随 时 间 的 变 化 。图 示 出双端断裂工 况 下流体喷 射 力及喷射力分量随时 间 的 变 化 。图 主给水管道喷射力及喷射力分量 随 时 间 的 变 化 喷 射 力 和 压 力 的 数 值 小 于 的计 算 结 果 ，这 是 因 为 简 化 计 算 方 法 中 假 设 高 压 加 热器给水出口的温 度维持在 初始值 ，而 在 实 际 计 算 中 ，由 于 给 水 流 量 的 增 加 ，给 水 温 度 将 不 断 降 低 ，在 本 计 算 中 高 压 加 热 器 给 水 出 口 的 温度 降 低 约 。 本 文 计 算 结 果 证 明 了 简 化 计 算 结 果 的 保 守 性 。 与简化计算结果的对比 为 验 证 计 算 结 果 的 准 确 性 ，将 的 计 算 结 果 与 简 化 计 算 的 结 果 进 行 了 对 比 ，结 果 示 于 图 。 图 中 计 算 结 果 为 双 端 断 裂 上 游 处 的 喷 射 力 ，计 算 结果 为双端断裂下游处的喷射 力 。从图可看出，在双端断 裂 事故发生的初始 阶段，的 计 算 结 果 与 简 化 计 算 结果相当，随着喷放的持续，计算所得的喷射力小于简化计算方法 所 得 结 果 ，这也印证了简化计算方法得到的结果较保守 。图 主给水管道破口处压力和喷放流量随时间的变化 从 图 可 看 出 ，由 于 主 给 水 管 道 内 流 动 着过 冷 水 ，在 管 道 破 裂 的 初 始 阶 段 ，喷 放 到 环 境 的 过 冷 水 会 先 汽 化 ，从 而 出 现 一 个 自 破 口 处 向 给 水 源 以 声 速 传 播 的 减 压 波 ，在 波 后 液 体 的 压 力 降 为 给 水 温 度 下 的 饱 和 压 力 ，约 为 。该 过 程 稳 态 喷 射 力 为