（热能工程专业论文）大型先进压水堆“四进四出两蒸汽发生器”的主环路方案.pdf

摘要 lilr ll1i i iii ii i i ii iiii y 17 9 7 0 3 3 压水堆由于其经济性安全性好而被世界主要核电国家所青睐。本文提出了大型 先进压水堆一回路系统的一种布置方案，即“四进四出两蒸汽发生器 的主环路方 案，并对该方案下的主容器及蒸汽发生器的结构特点进行了较为详尽的说明；同时 通过对比a p l 0 0 0 和本方案下的主容器上腔室流场分布情况、接管附近的应力分布 情况，以及两方案下的蒸汽发生器的隔板之间、管板之间的热工水力学情况和下封 头之白j 的应力分布情况，从数值模拟的角度验证了本方案的优越性。 关键词：压水堆，主容器，蒸汽发生器，数值模拟 a b s t r a c t t h ep w r ( p r e s s u r i z e dw a t e rr e a c t o r ) h a db e e nb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp o p u l a ri n t h en u c l e a rd o m i n a t e dc o u n t r i e sf o ri t s e c o n o m ya n ds e c u r i t y o n e s c h e m eo f a r r a n g e m e n tf o rt h el a r g e s c a l ea d v a n c e dp w r sp r i m a r yc i r c u i tw a sp r o p o s e dw i t hf o u r i n l e t s ，f o u ro u t l e t s ，a n dt w os t e a mg e n e r a t o r si nt h em a i nc o o l a n tl o o p t h es t r u c t u r e f e a t u r e so ft h er v ( r e a c t o rv e s s e l ) a n dt h es g ( s t e a mg e n e r a t o r ) u s e di nt h i ss c h e m e w e r ea l s oe l a b o r a t e d t h i sp a p e rv a l i d a t e dt h es u p e r i o r i t yo ft h es c h e m ep r o p o s e di nt h i s a r t i c l ef r o mt h ep e r s p e c t i v eo fn u m e r i c a la n a l y s i sb ym e a n so fc o m p a r i s o no ft h ef l o w f i l e dd i s t r i b u t i o ni nt h eu p p e rp l e n u m ，t h et h e r m a lh y a r a u l i cp e r f o r m a n c eo ft h eb a f f l e a n dt h et u b es h e e to ft h es qa n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h em a i nv e s s e l sw a l ln e a rt h e n o z z l e sa n dt h el o w e rh e a d e ro ft h es gb e t w e e nt h ea pi0 0 0s y s t e ma n dt h es c h e m e p r e s e n t e di nt h i sa r t i c l e z h a n gx i a o r u ( t h e r m a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ud a o g a n g 、k e yw o r d s ：p w r ( p r e s s u r i z e dw a t e rr e a c t o r ) ，m a i nv e s s e l ，s g ( s t e a mg e n e r a t o r ) ， n u m e r i c a la n a l y s i s 中 英 第 第二章数值计算理论7 2 1 计算流体力学简介。7 2 2 有限体积法在计算流体力学软件中的应用7 2 3 计算结构力学简介9 2 4 有限元法及其在结构力学软件中的应用9 第三章大型先进压水堆的一回路布置方案及分析1 2 3 1 一回路方案。12 3 2 堆芯上腔室热工水力分析1 5 3 3 压力容器接管处静应力分析2 0 第四章蒸汽发生器的改进方案及分析。2 9 4 1 蒸汽发生器方案k 3 0 4 2 蒸汽发生器下封头热工水力分析3 5 4 2 1 隔板。3 5 4 2 2 管板4 0 4 3 蒸汽发生器下封头静应力分析4 3 第五章结论5 0 参考文献51 j 2 疋谢5 4 在学期间发表论文和参加科研情况5 5 1 1 选题 核能作为一种高效清洁的能源，为当今世界提供约1 6 的电力，成为人类社会发 展的重要能源支柱之一。 我国是世界上少数几个拥有比较完整核工业体系的国家之一。为推进核能的和 平利用，上世纪七十年代国务院做出了发展核电的决定，经过三十多年的努力， 我国核电从无到有，得到了很大的发展。自1 9 8 3 年确定压水堆核电技术路线以来， 目前在压水堆核电站设计、设备制造、工程建设和运行管理等方面已经初步形成 了一定的能力，为实现规模化发展奠定了基础。尤其是2 0 0 6 年我国颁布了核电 中长期发展规划( 2 0 0 5 - - 2 0 2 0 ) 【i l ，国家决策核电发展战略从“适度发展 转向 “积极发展 ，我国核电事业进入了跨越式发展的春天。但是，我国核电发展过 程中仍面临一些亟待解决的问题，其中之一就是自主化程度低，商用核电站自主 研发、设备制造能力不强，未能摆脱对外国技术的依赖。为改善我国核电发展长 期受控于国外技术的处境，实现我国核电中长期自主化发展的目标，国务院发布 了国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 ) ，明确指出未来十五 年力争突破的1 6 个重大科技专项之一就是“大型先进压水堆 2 j 。压水堆技术成 熟，经济性好，是未来几十年内国际上的主力堆型，实施大型先进压水堆的研究 工作也是贯彻落实国家关于“积极发展核电 方针和提高自主创新能力的一大举 措。 从世界范围的核电技术发展来看，核电的发展自2 0 世纪5 0 年代以来，经历 了功率小、结构简单、安全设施薄弱的第一代，功率大、安全设施完备的第二代， 和设计理念及安全设施都更为先进的第三代。相较以往的压水堆核电机组，三代 和三代+ 核电机组为了进一步提高核电站的经济性，具有增大单堆电功率的大型化 和多环路发展趋势。 我国在建和现役核电站机组相比大型先进压水堆机组，功率和经济性有待提 高，它们可供借鉴的一回路布置方案可能不满足更大功率下核电站一回路布置的 安全性和经济性的要求；国外已有的大型核电站研究方案，、基本上属于第三代适 度改进型先进压水堆核电站，其经济性和安全性仍有进一步提高的余地。 因此，为从根本上解决制约我国核电发展的瓶颈问题，综合我国核电发展的 政策导向和世界范围内压水堆核电站的单机大功率化发展方向，一种基于成熟的 压水堆核电站一回路系统的改造方案有待提出。 华北电力人学硕十学位论文 1 2 研究应用动态 1 2 1 压水堆的研究应用动态 从2 0 世纪5 0 年代开始，核能的和平利用技术得到快速发展。压水堆由于其 经济性安全性好，得到了很多国家的青睐而发展最为迅速，已有2 5 0 多座压水堆 核电机组在全球范围内取得了良好的运营记录。 自1 9 5 7 年1 2 月，美国建成世界上第一座四环路四蒸汽发生器商用压水堆核 电站，功率为9 万千瓦的希平港核电站以来，世界主要核电国家对于压水堆核电 站的研发和建设工作都从未间断过。经过多年的研究、实验和运行经验积累，美 国早在6 0 年代初就选定压水堆为其发展核电的主力堆型之一，目前美国运行的 1 0 4 座核电机组中，压水堆就占了6 9 座，主要是二代主力机组，包括两环路两蒸 汽发生器的m o d e l 2 1 2 、m o d e l 3 1 2 、m o d e l 4 1 2 、m o d e l 4 1 4 t 羽，以及四环路两蒸汽发 生器的s y s t e m 8 0 ；9 0 年代中期，在二代核能系统研发的基础上，美国燃烧工程公 司( a b b c e ) 通过对“系统8 0 ”的进一步改进完善，形成了先进a l w r 设计“系 统8 0 + ，它沿承了“系统8 0 一回路系统的布置方案，采用两台蒸汽发生器， 而每一台蒸汽发生器通过一条“热段 和两条“冷段 与主容器相连，并研制出 n u p l e x 8 0 + 先进控制系统，该系统已在在韩国( k n g r ) 建造；9 0 年代术，西屋公 司与燃烧工程公司开发的先进压水堆a p 6 0 0 ，其一回路布置方式与“系统8 0 + 的 基本相同，后来出于经济性考虑，a p 6 0 0 型机组被发展为1 2 0 万千瓦的a p l 0 0 0 。 法国自6 0 年代末就从美国西屋公司引进单机功率为9 0 万千瓦级的压水堆核 电机组，实现高起点，走批量化、标准化、自主化的发展道路，这类机组在法国 境内已有3 4 座在运行发电，并有8 座出口国外：之后法国又从美国西屋引进单机 功率为1 3 0 万千瓦的核电机组，以提高核电经济性，至今已有2 0 套机组在法国运 行发电。在实现了9 0 万千瓦机组和1 3 0 千瓦机组自主发展的基础上，又自主创新， 设计建成了4 套1 4 5 万千瓦的n 4 机组，n 4 机组的主容器有4 进口4 出口，4 台蒸 汽发生器与4 台主泵通过冷热段及u 型主管段与主容器进出口相连接，形成一回 路系统的4 环路布置方式。1 9 9 1 年法国又与德国西门子合作，设计出单机功率为 1 6 0 万千瓦的第三代核电机组欧洲压水堆e p r ，其首堆已在芬兰建造【3 l 。 俄罗斯发展的压水堆( v v e r ) ，基本上与西方发展的压水堆类似，单机功率 由早期的4 4 万千瓦发展到后来的1 0 0 万千瓦，至2 0 0 7 年又完成了新一代压水堆 1 5 0 万千瓦的v v e r 的设计工作，预计第一座v v e r - 1 5 0 0 型反应堆可在2 0 1 7 年投 运。 日本由于能源匮乏，早在2 0 世纪6 0 年代就着手发展核电，目前主导的技术 路线是沸水堆和压水堆，其中压水堆技术主要是从美国引进，进而消化吸收，逐 2 华北电力人学硕十学位论文 步达到了核电自主化，而且日本三菱公司和美国西屋公司共同开发的4 环路4 台 蒸汽发生器的大型先进压水堆核电站a p w r l 4 0 0 ，其设计也是在第二代压水堆技术 基础上考虑现有压水堆核电站的经验反馈进行的改进设计。 韩国2 0 世纪7 0 年代开始发展核电，当初以进口为主，分别从加拿大进口了 重水堆，从美国和法国进口了压水堆，都由外国厂商总包设计，韩国自己只分包 一些部件制造( 来图加工) ，以至到8 0 年代中期已有十套机组运行发电了，但仍 无自主能力。韩国政府意识到这点，决心依照法国模式，组织国内设计、研究、 制造单位实行自主化战略，从美国引进了1 0 0 万千瓦的s y s t e m 8 0 型压水堆核电机 组，通过四套机组与国外合作设计建设和转让技术，实现了设计自主化和设备国 产化。现正进行自主开发新型机组。 我国核电起始于1 9 7 4 年，经过3 0 多年的经验积累，已有起步进入发展阶段。 1 9 9 1 年，第一座由我国自主创新建成的两环路核电工程，秦山一期3 0 万千瓦压 水堆核电机组，为我国在核电方面的研究、设计、建造、运行，积累了一定的经 验；1 9 8 7 年我国从法国引进的两台9 0 万千瓦核电机组在大亚湾开工建设，1 9 9 3 、 1 9 9 4 年这两台三环路机组并网发电；秦山核电站和大亚湾核电站的建成发电，为 我国核电发展打下了良好的基础【4 j 。截至2 0 0 7 年，我国在役及在调试的核电项目 如下表格所示。 表1 1 我国在役及在调试的核电项目 项目名额定电功堆型备注 称率万千瓦 秦山一 3 1压水堆 无 期 秦山二 2 * 6 5压水堆 期 秦山三 2 * 7 2重水堆 期 大亚湾 2 * 9 8压水堆 岭澳一 2 * 9 9压水堆 期 田湾 2 1 0 6压水堆 其l 号机已商运 发电，2 号机组已 并网发电 秦山二期是秦山一期和大亚湾核电站技术和经验基础上建造而成的；秦山三 期虽是引进加拿大的重水堆机组，但它的建造为我国核电重水堆核电事业的发展 积累了可贵的经验；岭澳一期是在大亚湾核电站基础上改进的压水堆核电站，通 3 华北电力人学硕十学位论文 大亚湾和岭澳核电机组的建设和运行，积累了大型机组的技术和管理经验，增 了我国核电自主化的能力，为全面实现大型商用核电站的设计自主化和设各国 化打下了良好的基础【4 】。目前，我国在建的欧洲压水堆e p r 、首堆核电工程 1 0 0 0 ，不但是我国积极发展核电的一个风向标，而且也表明我国在加快发展世 范围内的大型先进压水堆的决心和早同实现先进压水堆核电技术“以我为主， 外合作 基础上的自主化和设备的国产化【5 l 。总之，我国核电在技术研发、工 设计、设备制造、工程建设、项目管理、营运管理等方面，具备了相当的基础 实力，为加快发展积累了经验、奠定了坚实的基础。加快核电发展的时机已经 熟，条件基本具备。 综上所述，国内外有关压水堆的研发与应用状况可以简要归结如下：- ( 1 ) 理论研究设计与试验验证相互结合，促进了压水堆核电站相关设备的开发 与应用不断迈上新的台阶； ( 2 ) 压水堆在高速推广、激烈竞争的发展过程中，技术上有很大的进步。为了 从规模效应获得最大经济效益，二十多年来装置功率从2 0 0 m w 猛增到了1 2 0 0 m w ，压 水堆核电机组的单机功率趋向大型化发展； ( 3 ) 主要核电国家不但积极引进他国先进的压水堆核电技术发展本国核电事业， 而且将引进的核电技术消化吸收之后进行再创新，走自主化的发展道路； ( 4 ) 为了降低基建投资，压水堆核电站的环路设备逐渐标准化，以2 ，3 ，4 ，2 x 4 几种环路适应6 0 0 ，9 0 0 ，1 2 0 0 ，a p l 0 0 0 m 1 】i 的不同规模。 1 2 2 计算流体力学、结构力学软件应用动态 热工水力学基础科学问题的研究和结构静力学的研究是本文的主要内容之一。纵 观任何一种堆型的核电站系统，它的安全分析一般都包括热工水力学和结构力学两大方 面的内容；但是，在核电站系统分析的研发阶段，工程设计人员大多都遵循由设计规划 到可行性理论研究和实验研究这样一个过程进行研究。因此本方案的理论可行性主要是 通过计算流体力学软件和结构有限元软件进行研究的。计算流体力学软件的优点是能以 较少的费用和较短的时问获得大量有价值的研究结果，对投资大、周期长、难度高的实 验研究来说，它的的优点就更为突出。因此，将计算流体力学软件与工程研究相结合， 不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量。可以说，计算流体力学软件是 一 种有效和经济的研究手段。 计算流体力学最初的应用于核工业领域，当时的数值计算受算法及计算机水平的限 制，计算的精度很低。自2 0 世纪8 0 年代后，计算机硬件技术和数值分析理论得到不断 的发展和丰富，高精度模拟已成为可能。计算流体力学的应用不断扩展到船舶、海洋、 化学、能源等多个领域。随着人类生产实践活动的不断发展，一大批高新技术产业对计 4 华北电力人学硕十学位论文 算流体力学提出了新的要求，同时也为计算流体力学的发展提供了新的机遇。实践与理 论的不断互动，形成计算流体力学的新热点、新动力，从而推动计算流体力学不断向前 发展。目前，计算流体力学研究的热点是：研究计算方法，包括并行算法和各种新型算 法；研究涡流运动和湍流，包括可压和不可压湍流的直接数值模拟、大涡模拟和湍流机 理；研究网格生成技术及计算机优化设计；研究计算流体力学用于解决实际流动问题， 包括计算生物力学、计算声学、微型机械流动、多相流及涡轮机械流动的数值模拟等【6 1 。 随着数值模拟方法及计算机技术的发展，计算流体力学在核电站系统中的应用越来 越广泛，应用计算流体力学方法及软件对核电站相关设备及结构件进行热工水力学方面 的分析已成为核电站系统分析时不可或缺的重要手段【7 。9 】。同本三菱公司推出的 a p w r l 4 0 0 核电机组的系统分析中，就应用到计算流体力学软件对系统的相关流场进行 了瞬态和稳态分析，为试验提供了可靠的理论依据；席志德、陈炳德等人用大涡模拟 ( l e s ) 方法计算了秦山核电站二期l ：5 模型实验的压力容器和吊篮之间环腔内的流场 【l o j ；胡军、赵华等人运用计算流体力学程序( c f x ) 对板型燃料元件表面结垢对堆芯最 热通道流量分配的影响进行了数值计算分析【i u ；贺慧宁、毛庆等人针对核反应堆冷却 剂系统中的主管道安注斜接管等温横向射流问题，应用计算流体力学商用软件c f x 进行 等温横向射流流动的数值模拟，得出了典型运行工况下的三维流场分布【1 2 】；田瑞峰等 人采用c f x 对棒束定位格架通道内三维流场进行了数值研究【1 3 】；张勇等人采用c f x 对 低流量下倒u 型管式蒸汽发生器一次侧内流动特性进行了数值研刭m 】；郭德鹏等人采 用c f x 进行了核电厂管线中的热分层现象研究【”】。 反应堆结构力学是5 0 年代随着商用核电厂的建造而发展起来的一门工程应用性学 科，它涉及到反应堆物理、屏蔽、热工水力学核材料科学等。结构力学的内容包括静力 学、热力学、疲劳和断裂分析，结构动力学中的地震响应分析、土和结构的相互作用、 流体和结构的相互作用等。反应堆结构力学是工程力学和应用力学的组成部分，是结构 力学的充满活力的新分支。它在中国的诞生和发展是与反应堆工程密切相关的，3 0 年 来，随着我国核反应堆特别是核动力的发展，逐步壮大起来。核反应堆结构力学在反应 堆工程设计和安全评审中都不可或缺的重要手段之一，包括i o m w 高温气冷堆、高通量 试验堆、中国脉冲堆、5 m w 低温供热堆、其他核动力装置设计、退役及“8 6 3 高技术 中反应堆的研究开发和先进压水堆的关键技术预先研究、我国自主设计的百万千万瓦级 反应堆c n p l 0 0 0 的开发工作等，这些工程设计、建造、调试和运行均离不开结构力学的 支撑和参与【l 们。 、 计算反应堆结构力学随着反应堆结构力学的发展也取得了长足进步。已由早期理论 计算和简单估算为主发展到现阶段有能力进行较为复杂大规模的有限元分析出了纠正 措施。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已较成熟，发展方向是结构非线 性、流体动力学和耦合场问题的求解。张征明，吴莘馨，何树延采用有限元分析软件对 核安全级阀门进行三维建模和结构力学分析，使设计人员直观及全面地了解结构的应力 5 华北电力人学硕十学位论文 分布和变形情况，这将使得非标设备的设计建立在更科学合理的基础上1 1 7 】；贺寅彪，曲 家棣，窦一康，秦承军，采用有限元法，建立了包含一组进出口接管的接管段模型，并 运用a n s y s 5 2 结构分析中的三维实体单元对模型单元进行了离散，模拟了模型的冷态和 热态温度场及应力场，取得核容器接管段温度场合应力场三维分布全貌f 1 8 】；杨雯，郑连 纲等人应用大型有限元程序a n s y s 对反应堆压力容器出口接管进行应力强度和疲劳分 析，得到出口接管的应力分布状况、最大应力及疲劳使用系数，并按照相关规范的应力 值对出口接管的计算结果进行评定【1 9 】；傅激扬等人用有限元法对高温气冷堆的主设备之 一的蒸汽发生器的蒸汽管箱进行分析，并结合a s m e 规范标准对有限元分析结果进行评价 1 2 0 l ；孙英学等人采用a n s y s 程序计算出各种瞬态作用下，出口接管管嘴不锈钢堆焊层出 现了局部表面损伤痕迹的大亚湾核电站l 号机组和2 号机组的主容器出口接管管嘴区域 的应力场，并据此对对堆焊层上的损伤缺陷进行断裂力学分析和评价1 2 i 】；陈敏等人针对 核电厂复杂管道系统应力分析中支吊架布置设计，基于有限元分析，以管道应力分析的 专业计算软件为平台，对其进行了大量的数值模拟计算，总结了管道应力分析中支吊架 布置过程和方法，并以设计实例验证了该方法的可靠性和有效性【2 2 1 。 1 3 研究的主要内容和方法 本研究借鉴三代及三代+ 核电技术，根据法国n 4 的4 环路布置方案及a p l 0 0 0 的简化2 x 4 环路布置方案，给出更大( 1 5 0 0 m w ) 单机功率下的核电站一回路布 置方案；本方案可行性的研究主要是应用计算流体力学软件c f x 及结构力学软 件a n s y s l1 o 对本方案的主设备主容器及蒸汽发生器的相关结构件进行热工水 力学及结构静力学方面的数值计算，对比相同功率条件下简化2 x 4 环路的主容 器及蒸汽发生器所对应的结构件的热力学参量及应力分布情况。 具体研究内容主要分为以下几部分： ( 1 ) 本研究所提出的“四迸四出两蒸汽发生器先进压水堆一回路 的具体内容 ( 2 ) 堆芯上腔室热工水力分析 ( 3 ) 压力容器接管处的应力分析 ( 4 ) 蒸汽发生器的结构改进方案 ( 5 ) 结构改进型s g 下封头热工水力分析 ( 6 ) 结构改进型s g 下封头静应力分析 6 华北电力人学硕十学位论文 2 1 计算流体力学简介 第二章数值计算理论 利用数值方法通过计算机求解描述流体运动、传热和传质的控制方程，揭示流 体运动的物理规律，研究流体运动的时一空物理特征，这样的学科称为计算流体力 学，简称c f d ，即c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 的缩写【2 3 l 。 其基本思想可归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和 压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立 起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的 近似值1 2 4 l 。 任何流体流动都要受物理守恒定律的支配，这些物理守恒定律的数学描述称为控制 方程，基本的控制方程包括：质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程【2 5 1 ，c f d 就 是在流动控制方程控制下对流动问题的数值计算。 连续性方程：挈4 - 璺箬尘：0 优 o s i 动量方程：掣一i 笔业：一要+ 晏叭晏+ 挈) 】+ s o t a ) c t o x i呶| 呶l 呶i 能量方程：了a ( p r ) + 塑笔盟：_ a ( 一k _ a t ) m 孤j魄j c p 呶j 式中， i ，j = l ，2 ，3 ，s 为方程的源项 2 2 有限体积法在计算流体力学软件中的应用 流体流动的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程可以由流体流动的控 制方程组描述。这些控制方程组的数值计算方法有很多种，其数学原理各不相同， 但所有方法都具备两大特点，即离散化和代数化：将原来连续的求解区域划分成网 格或单元子区域，在其中设置有限个离散点，将求解区域中的连续函数离散为这些 节点上的函数值；通过某种数学原理将作为控制方程的偏微分方程转化为联系节 点上待求函数值之间关系的代数方程，求解所建立起来的代表方程以获得求解函数 的节点值。不同的数值方法，其主要区别在于求解区域的离散方式和控制方程的离 散方式上。在流体力学数值方法中，应用比较广泛的是有限差分法、有限元法和有 限体积法【2 们。 大多情况下，流体流动是不稳定的，因此用有限体积法求解流场是比较合适的。 7 华北电力人学硕十学位论文 有限体积法导出离散方程的基本思路是： ( 1 ) 将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，每一个控制体积都有一个节 点作代表，将待求的守恒型微分方程在任一个控制体积及一定时间间隔内对空间与 时间作积分； ( 2 ) 对待求函数及其导数对时间及空间的变化型线或插值方式做出假设。 ( 3 ) 对步骤( 1 ) 中各项按选定的型线做出积分并整理成一组关于节点上未知量 的离散方程。 图2 1 所示为一个三维有限体积的示意图。采用有限体积法对控制方程进行离 散化，主要基于以下考虑：所得e 、w 、n 、s 、t 、b 为主节点到的结果将意味着 在任何一个控制容积内，亦即在整个计算区域内，诸如质量、动量及能量这样一些物 理量的积分守恒都可以精确地得到满足，对于任意数目的网格节，这一特征都存在， 因而即使是粗网格节点解也能保证严格的积分平衡，数值处理也比较简便。 有限体积法离散控制方程就是将计算区域划分为一系列的组，使其在不重合的 有限体积内包含有一个计算节点p ，将控制方程在每个有限体积内积分，得出一组离 散方程，其中的未知数是网格节点上的因变量巾的值。 图2 1 三维有限体积法示意图 为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之间的变化规律。从积分区域 的选取方法看来，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法；从未知解的近似方法 看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。简言之，子区域法属于有限体积 发的基本方法。离散方程才满足积分守恒；而有限体积法即使在粗网格情况下，也 显示出准确的积分守恒。就离散方法而言，有限体积法可视作有限单元法和有限差 分法的中间物。有限单元法必须假定值在网格点之间的变化规律( 既插值函数) ， 并将其作为近似解。有限差分法只考虑网格点上的数值而不考虑值在网格点之间如 何变化。有限体积法寻求结点的值，这与有限差分法相类似；但有限体积法在寻求 控制体积的积分时，必须假定值在网格点之间的分布，这又与有限单元法相类似。 在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可 忘掉插值函数；如果需要的话，可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。 为了避免应用计算流体力学时花费大量精力去考虑有关偏微分方程的求解过 8 华北电力人学硕十学位论文 程和计算机编程技巧，很多计算机软件公司相继开发出了不少计算流体力学软件 包，用户只要定义好计算对象的范围，输入对象的物理模型、求解方法、网络设定、 初始条件和边界条件等，计算流体力学就可以通过不断迭代计算求得结果。因此计 算流体力学与计算机相互结合起来的数值模拟方法就应运而生，即计算流体力学软 件。计算流体力学商用软件包目前主要有s t a r - c d 、f l u e n t 和c f x 等。借助c f d 商 用软件完成的计算过程，一般包括建模、前处理、求解和后处理几部分。 2 3 计算结构力学简介 计算结构力学是结构力学、数学和计算机科学交叉和综合的产物，因其紧密结 合最新力学理论成果，且直接服务于实际工程，被越来越多的研究人员、工程师所 重视。其中结构力学是研究结构受力性能与承载能力的科学1 27 1 ，内容包括静应力、 热应力、疲劳和断裂分析，结构动力学中的地震响应分析，土和结构的相互作用、 流体和结构的相互作用等。 计算结构力学所研究的内容十分广泛，凡是以计算机为工具，寻求结构一切问 题揭发的内容都是计算结构力学的范畴。但概括起来，其研究内容主要解决以下三 方面问题【2 8 】： ( 1 ) 离散化方法问题。客观力学量都是空间和时间的连续量，为了能被计算机处理， 必须变为离散量，即把描述力学过程的微分方程化为代数方程组。 ( 2 ) 算法。对于同一个结构力学问题，有不同的算法。 ( 3 ) 软件即程序编制工作。用于求解结构力学问题的通用程序较多，它包括有限元 分析软件以及前、后处理，图形显示以及各种人机对话的计算机辅助设计软 件等。 2 4 有限元法及其在结构力学软件中的应用 同一个离散化的结构力学问题，其算法有多种，选择哪种算法使计算效率更高 计算结果更准确，是计算结构力学研究者的重要研究内容之一。有限元法作为一种 近似求解连续性问题的数值方法，近年来被广泛应用于离散化的结构模型的数值计 算中。 有限元法的基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单 元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由 各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理 或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成 不同的有限元方法【2 引。 9 华北电力人学硕十学位论文 有限元系统主要由节点、单元、自由度三个基本元素构成。节点是构成有限元系统 的基本对象，也就是整个系统中的一个基本点。它包含了坐标位簧以及具有物理意义的 自由度信息。单元是由节点与节点相连接而成。是构成有限元系统的基础，一个有限元 系统必须有至少一个以上的单元，单元和单元之间由各节点相互连接。在具有不同特性 的材料和不同的具体结构当中，可选用不同种类的单元，单元中包含了物理对象的各种 特性。自由度是确定物体状态所需的独立坐标数，包括整个系统的自由度( 在有限元计 算中需要进行适当的约束) 和节点自由度，每个节点都有各自的节点坐标系和对应的节 点自由度，对于不同的单元上的节点，具有不同的自由度。 有限元方法的基本思路和解题步骤可归钠为【2 9 】： ( 1 ) 建立积分方程，根据变分原理或方程余量与权函数j 下交化原理，建立与微分 方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。 ( 2 ) 区域单元剖分，根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为 若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作， 这部分工作量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的关系之 外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号和 相应的边界值。 ( 3 ) 确定单元基函数，根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满足一 定插值条件的插值函数作为单元基函数。有限元方法中的基函数是在单元中选取 的，由于各单元具有规则的几何形状，在选取基函数时可遵循一定的法则。 ( 4 ) 单元分析：将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼 近：再将近似函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得含有待定系数( 即 单元中各节点的参数值) 的代数方程组，称为单元有限元方程。 ( 5 ) 总体合成：在得出单元有限元方程之后，将区域中所有单元有限元方程按一 定法则进行累加，形成总体有限元方程。 ( 6 ) 边界条件的处理：一般边界条件有三种形式，分为本质边界条件( 狄里克雷 边界条件) 、自然边界条件( 黎曼边界条件) 、混合边界条件( 柯西边界条件) 。对于自 然边界条件，一般在积分表达式中可自动得到满足。对于本质边界条件和混合边界 条件，需按一定法则对总体有限元方程进行修正满足。 ( 7 ) 解有限元方程：根据边界条件修正的总体有限元方程组，是含所有待定未知 量的封闭方程组，采用适当的数值计算方法求解，可求得各节点的函数值。 有限元方法的应用离不开计算机和有限单元法应用软件，随着有限单元法理论的发 展和完善，已经开发出了许多大型的通用有限元程序。a n s y s 即是基于有限元法的结 构、热传导和静电磁场分析的通用有限元程序( g e n e r a 卜p u r p o s e ，f i n i t e e l e m e n t p r o g r a m f o r s t r u c t u r a l ，h e a t t r a n s f e r ， a n ds t a t i c e l e c t r o m a g n e t i c a n a l y s i s ) ，被广泛应用于结构分析、热分析、流体分析、电分析和静电磁分析。结 1 0 合有限元法， 载，自动求解 华北电力人学硕十学位论文 第三章大型先进压水堆的一回路布置方案及分析 3 1 一回路方案 压水堆核电站一回路系统中核岛部分的主要设备包括：反应堆主容器、蒸汽发生器、 冷却剂泵、稳压器，以及连接这些设备的主管道。 广泛应用于在役或在建压水堆核电站的一回路布置方案，主要可分为两代四类方 案。其中第二代压水堆核电站的两类一回路布置方法有：反应堆主容器有两个对称分布 的进口和两个对称分布的出口，每个出口分别通过一条热段主管道与一台蒸汽发生器的 入口相连，每个主容器进口分别通过一条冷段主管道依次与冷却剂泵、蒸汽发生器出口 相连，以此构成主容器两进口两出口两台蒸汽发生器的两环路布置方案；我国秦山一期 3 0 0 m w 、秦山二期6 0 0 m w ，以及美国燃烧工程公司研发的9 0 0 m w 压水堆核电站，均 是此类主环路布置方式；第二类是反应堆主容器有三个均匀分布的进口和三个均匀分布 的出口，每两个相邻的进口和出口通过一条冷段、冷却剂泵、一条热段主管道与一台蒸 汽发生器相连，以此构成主容器三个进口三个出口三台蒸汽发生器的三环路布置方案。 我国引进法国核技术建造的9 0 0 m w 大亚湾核电站、国产化1 0 0 0 m w e 级压水堆核电机 组( c n p l 0 0 0 ) 都是3 环路的一回路布置方式。 第三代压水堆核电站具有代表性的一回路布置方法主要有两类：反应堆主容器有四 个进口四个出口，相邻的进口和出口通过一条冷段、冷却剂泵、一条热段主管道与一台 蒸汽发生器相连，以此构成主容器四个进口四个出口四台蒸汽发生器的四环路布置方 案，如图3 1 1 所示n 引；法国基于n 4 技术的舒兹核电机组、中国引进俄罗斯的v v e r 一1 0 0 0 技术建造的田湾一期、以及日本与西屋共同开发的a p w r l 4 0 0 ，均是这种4 环路布置 方式。另一类如图3 1 2 所示，是我国在建的首堆核电站a p l 0 0 0 的一回路布置方法一 简化的2 x 4 主环路，即主容器有四个进口两个出口，采用两台蒸汽发生器，四台冷却剂 泵实现一回路系统的冷却剂循环和热量传输，其中每台蒸汽发生器有两个出口分别与两 台冷却剂泵、两条冷段主管道与主容器的两个入口相连，一个入口通过一条热段与主容 器出口相连。 华北电力人学硕十学位论文 图3 1 1 四进四出四环路布置方式 图3 1 2 简化的2 x 4 环路布置方式 1 3 华北电力人学硕十学位论文 比较二代核电机组2 环路2 台蒸汽发生器或3 环路3 台蒸汽发生器，4 环路4 台蒸汽发生器的环路布置方案显然充分考虑了单机大功率机组在较大冷却剂流量 下的安全性，而4 环路4 台蒸汽发生器也相对增加了厂房占地、结构支撑等投资 成本；简化的2 x 4 主环路布置方式，实现了相同电功率下主容器保持4 个入口而 只使用2 台蒸汽发生器的回路方案的可靠性和经济性；但是如果压水堆单机功率 向经济性更好的大型先进压水堆发展，只有两个出口接管的a p l 0 0 0 主容器上腔 室流场的不均匀性将进一步加剧，有可能会带来控制棒导向筒等上腔室内部结构 件及出口接管处的流致振动问题。 因此，参考成熟的4 环路及简化的2 x 4 主环路布置方式，我们提出了一种能 够满足更大单机机组功率的压水堆的一回路的布置方案，“四进四出两蒸汽发生 器”布置方案：采用两台结构改进型( 立式自然循环) 蒸汽发生器，每台蒸汽发 生器有两条热段和两条冷段与主容器相连接，4 台反应堆冷却剂泵保证一回路冷 却剂的循环和热量传输。 本文所提出的大型先进压水堆一回路的布置方式如图3 1 3 所示，图中略去了 稳压器。另外图3 1 4 给出了本方案下的一回路示意图。本方案中的主容器有4 个进口4 个出口，进出口的孔中心不在同一高度上，与a p l 0 0 0 系统中主容器的 进出口中心孔不在同一高度上的设计思想保持一致。 图3 1 3 四进四出两蒸汽发生器的一回路布置方案的结构简化图 1 4 图3 i 4 四进四出两蒸汽发生器的一回路布置方案的示意图 卜主容器3 、4 一蒸汽发生器7 、1 l 、1 6 、1 9 - 热段8 、1 2 、1 5 、2 0 - 冷段2 9 、3 0 、3 1 、3 2 - 泵 3 2 堆芯上腔室热工水力分析 本次计算的目的是通过对比本文所提出的一回路布置方案和简化的2 x 4 主环 路布置方式两种方案下，堆芯上腔室的流场分布情况，以确定“四进四出两蒸汽 发生器 布置方案在热工水力学方面具有可行性。 ( 一) 堆芯上腔室计算模型 a p t 0 0 0 主容器的堆芯上腔室结构剖面图如图3 2 1 所示，经过堆芯加热的 高温高压冷却剂由上栅格板进入堆芯上腔室，被上腔室中的6 9 根控制棒导向筒和 4 1 根支撑柱搅浑后1 3 0 ，由对称分布的两个上腔室吊篮出口接管流出。其中红色箭 头标志的部分即为本次计算模型的计算域。 图3 2 1 包括主容器上封头在内的上腔室结构剖面示意图 图3 2 2 两出口主容器的上腔室计算模型 1 6 华北电力人学硕十学位论文 图3 2 3 四出口主容器的上腔室计算模型 这两个计算模型均由一个流体域和6 9 个固体域组成，流体域即为包括出口接管的 边界所包容的流域在内的上腔室计算模型的流场，固体域由简化的6 9 根实心导向筒构 成。流体域的入口边界为计算模型底部的堆芯出口，出口边界为计算模型的出口接管的 横截面。 上腔室内部的高温高压冷却水属于复杂的紊流流动，应用数值模拟软件对其计算时 需要选择合适的紊流模型来封闭n s 方程1 3 2 1 。本研究的数值模拟采用工程常用的k - 8 紊流模型3 3 】，其中的湍动能k 和耗散率8 均由计算软件自动设置。 取相同的堆芯热功率( 5 1 5 1 m w ( o ) 、一回路冷却水流量2 4 4 0 0k 幽，有效冷却剂流 量2 4 4 0 0 * 0 9 4 = 2 2 8 1 4k 的、主容器出口温度( 3 2 8 ) 及压力( 1 5 5 m p a ) 和其他运行条 件下，本计算模型的参考压力取1 5 5 m p a ，入口边界条件为质量流量2 2 8 1 4 k g s ，出i = l 边界条件均为相对压力0 m p a ；表3 1 给出了压力为1 5 5 m p a 、温度为3 2 8 时冷却水的 物性参数。 表3 1 冷却水的物性参数表 成分水 摩尔质量 1 8 0 2 k g m o l 密度 6 5 7 7 0 5 k g m 3 比热容 6 6 0 4 1 5 j k g k 运动黏度7 7 0 5 5 7 e 0 5 p a s 0 5 0 2 8 w m k 导热系数 线膨胀系数 0 0 0 4 5 8 8 7 21 k 1 7 华北电力人学硕| ：学位论文 ( 二) 计算结果 应用计算流体力学软件分别对两出口、四出口主容器的堆芯上腔室的计算模型进 行数值计算，得到如下图所示的模拟结果。 i ms 1 l 图3 2 4 两出u 主容器中，沿出u 接管横截面中心点处的上腔事 纵切面上冷却剂的流速分布 i mp 1 】 图3 2 5 四出u 主容器中，沿两对称两出口接管的横截面中心点处的上腔室 纵切面上冷却剂的流速分布( 0 - 3 3 6 田s ) 1 8 3 一2 2 2 1 ，1 9 6 3 o 华北电力人学硕十学位论文 图3 2 6 两出u 主容器出u 接管中心处的上腔窜横截面上的冷却剂流速分布 图3 2 7 四出u 主容器出u 接管中心处的上腔室横截面上的冷却剂流速分布( 0 - 3 3 6 m s ) 图3 2 4 、3 2 5 分别为两出口、四出口主容器中，沿出口接管横截面中心点处的 上腔室纵切面上冷却水的流速分布；图3 2 6 、3 2 7 分别为两出口、四出口主容器出 口接管中心处的上腔室横截面上的冷却剂流速分布。综合数值模拟的计算结果来看，两 种出口接管数量下的堆芯上腔室内，由于上腔室结构的对称性，上腔室入口处的冷却剂 对称地流向出口接管；而粘滞力的作用使得冷却剂沿上腔室轴向方向上的速度越来越小 刈控制棒导向简周围的冷却剂也因此出现流速几乎为零的情况；相同几何位置处的上 1 9 华北电力人学硕十学位论文 腔室切面上，四出口主容器的上腔室内冷却剂流速更小、流场更均匀。 对比两种出口数量下的计算结果可以得出以下结论和推论： ( 1 ) 相同几何位置处的上腔室切面上，四出口主容器上腔室的冷却剂流速在径向、 轴向、周向上的冷却剂流场更加均匀。径向、轴向和周向上的场越均匀，越有利于减小 水力载荷对于控制棒导向筒的冲击，降低控制棒导向筒长时间在高温高压环境下工作而 产生变形的风险f 3 5 1 ，为控制棒驱动机构顺利完成正常工况下的功率调节和危险工况下的 非能动落棒提供必要条件； ( 2 ) 四出口主容器上腔室内的均匀流场，可以大大减小流致振动对上腔室内控制 棒导向筒和支撑柱的影响； ( 3 ) 四出口主容器的管径较小，更易于铸造。 3 3 压力容器