球床堆燃料元件循环系统任务剖面的建立.docx

1、文章编号：0258-0926(2011)042010-04球床堆燃料元件循环系统任务剖面的建立曾凯，沈鹏I都东I张海泉2,刘继国2（I.清华大学机械工程系先进成形制造教育部直点实验室，北京.100084；2.清华大学核能与新能源技术研究院.北京，100084）摘要：研究了球床堆燃料元件输送的关键子系统一环系统。针对循环系统的“近等径”球流管路气力输送的动力特性，建立了气动推力表达式以及竖直弯管提升、直管提升等典型管段球流运动模型；在分析系统任务可靠性框图的基础之上，结合管路球流运动分析，建立了循环系统的任务剖面。关键词：球床堆；燃料元件循环系统；运动分析；可靠性设计；任务剖面中图分类号：TL3

2、64+.1文献标志码：A1引言燃料元件输送系统是模块式球床高温气冷堆（简称：球床堆）堆芯循环的关键系统。该系统主要实现3个功能：燃料元件的循环输送、新燃料的加入和乏燃料的卸出。燃料元件的循环系统是燃料元件输送系统的关键子系统。根据堆芯运行要求，整个循环系统每天都安全、可靠地完成上千次的燃料元件循环任务。循环过程中单个燃料元件输送失败将影响整个输送系统的正常运行，甚至停堆事故，为此，对燃料元件循环系统进行可靠性设计显得尤为重要，而精确和完整的任务剖面是进行系统可靠性设计分析的基础。循环系统任务剖面是指：系统完成单个燃料元件循环任务所经历的事件和环境的时序描述。尽管此前有球床反应堆燃料元件气力输送

3、实验研究的报导田，但未见有关针对该输送系统可靠性设计分析的文献。本文针对球床堆燃料元件循环系统，基于可靠性设计理论，研究“近等径”管路球流运动特性，以及建立循环系统任务剖面，以期为球床反应堆燃料元件循环系统的可靠性设计提供理论依据。2循环系统任务可靠性框图根据球床堆燃料元件输送系统的工艺要求，循环系统在堆芯运行过程中需要完成多项任务。图1循环系统可靠性框图Fig.1ReliabilityBlockDiagramofCyclingSystem图1为典型的循环回路任务可靠性框图，燃料元件从堆芯单列化引出后依次经过缓冲、计数、燃耗测fit以及测速等事件，最后返回至堆芯。对于图1所示的多条并联回路组成

4、的循环系统，系统可靠度可表示为：nm/用|/）式中，为回路的并联总数；m为单个循环回路输送单元的个数；&为第i条回路，个单元的可据度；h为第i条回路的工作时间，s；电为第i条回路第/个单元循环输送过程占用的时间，s；/为反应堆期望的燃料元件循环总数。气力提升是循环系统中的一个重要环节，它的作用是通过氢气流将燃料元件从堆芯底部输送至顶部。本文重点研究燃料元件经历各个单元的时序描述及相关参数的求取。3“近等径”球流管路气力输送气动推力球床堆燃料元件的提升采用特殊的气力输送收稿日期：2010-04-06;修回日期：20KMJ9-16基金项目：国家直大科技专项经费资助项目（ZX06901）Cd

5、方式，球形燃料元件的外径与输送管道内径十分接近，直径比接近0.99,称其为“近等径”球流管路气力输送。对于“近等径”球流管路气力输送，气动推力可以只考虑轴向推力：=lcDpg(v0-vb)2(2)式中，Cd为燃料元件绕流阻力系数；4为燃料元件截面积，n?；&为气体密度，kg/m3；为气流速度，m/s；*为燃料元件运动速度，m/so从式(2)可以看出，当燃料元件相对气流速度一定时，气动推力的大小只由物体的Cd决定。根据“近等径”球形燃料元件管道气力提升的特点(图2),提出如下假设：(1)气流流过燃料元件在其前后形成的压差阻力是产生气动推力的主要原因。(2)燃料元件气流分离点接近球体的赤道

6、线。(3)管道中流体流动属于湍流，在所研究的工况范围以内，认为流动已进入自模化区，Cd与雷诺数Re无关。(4)由于球形燃料元件迎风面具有较好的流线形，可忽略气流的压缩损失。a气流边界层分离点示意bCd与*的关系图2近等径球流管路气力输送Fig.2PneumaticTransportationofNear-DiametcrSphere基于以上的几点分析，针对图2中的2个截面，由伯努力方程及连续方程，可得：p+yPg(vivb)2=2+Pg(v2vb)2-为)=&-廿2又-Vb)(4)式中，O为管道内径，m；d为燃料元件外径，m；/为1-1截面流体速度，m/s；光为22截面流体速度，m/s

7、；A为1-1截面流体静压，Pa；P2为2.2截面流体静压，Pao由式(2)式(4),并接合气动推力入=40-心)，可得4的表达式：(5)式中，上为燃料元件外径与管道内径比(吻)。与文献3报道的实验数据相比较，理论计算公式(5)与实际情况比较吻合。从图2b可以看出，当A>0.9时，Cd急剧增大。4循环系统球流运动建模单个燃料元件在气体推动下沿输送管路系统运行时，根据输送工艺要求以及不同结构的管段，表现出不同的运行状态，其中包括起动加速、匀速运行、弯管减速、停球检测等。各管段燃料元件运动建模是进行全过程运动描述的基础，典型管段包括：竖直弯管提升段、直管提升段等。燃料元件管路运动建模基本假设如

8、下：(1)忽略燃料元件的径向运动及冲击碰撞，运动过程当作刚体紧贴管壁的一维运动。(2)输送过程提升气流速度保持不变，气体密度恒定。4.1竖直弯管提升段球流运动方程竖直弯管提升段燃料元件受力示意图见图3O根据动力学基本方程，可得如下联立方程组：机华=rco4：(vo-*)2-mgsin伊-加(6)at2m=N_mgcos<p(7)R式中，/n为燃料元件质量，kg；/为摩擦系数；N为管壁正压力，N；°为正压力与重力夹角；g为图3竖直弯管提升段燃料元件运动示意图Fig.3SchematicDiagramofSphereMotioninLiftingElbowPipe重力加速度，m/s

9、2o联立式（6）式（7）,燃料元件在竖直弯管提升段中的运动方程表示如下：重力加速度，m/s2o联立式（6）式（7）,燃料元件在竖直弯管提升段中的运动方程表示如下：普=恭时。7一角2妲-g（/cos°+sin<p）R角坐标下的表达式为：(8)vb条=f$4&7b尸-A：-&g（/cos0+sin。）（9）式中，&为燃料元件转弯半径，m。式（8）、式（9）是非线性微分方程，不能直接积分得到解析解，可利用龙格库塔法进行数值积分得到数值解。4.2直管提升球流运动方程令式（8）右边第二项为零，可得直管提升段球流运动方程，其中，。为直管的水平倾角。图4建立循环系统任

10、务剖面程序流程Fig.4FlowProcessforEstablishmentofCyclingSystem'sMissionProfile2W_妒2-k2m4（为-疽-参数名称参数值气体罡度/kgnf4.56,体流速/ms2-15燃料元件密度/kgm-1730燃料元件外径/mm60管道内役/mm62管段长度/m19管段水平倾角10。90。表1球流运动计算基本输入参数Table1CalculationInputg(/cos8+sin0)(10)用管道长度进行坐标变换式（10）可改写为:g(/cos。+sin。)(11)5循环系统任务剖面图的建立在典型管段运动建模及分析基础之上编写了循环

11、系统任务剖面图绘制程序，程序流程框图见图4。首先，针对循环过程某一特定任务确定其任务可毒性框图；其次，输入气力提升、相关工艺要求以及结构特征参数；主程序提供计算基本参数输入、控制计算进程及区间参数传递、并调用管段运动模块计算程序，分段计算燃料元件管路的运行速度，并进行运动分析；最后，结合系统可靠性框图完成任务剖面图。用于运动计算的基本输入参数见表1【句。图5为最终建立的循环系统某一典型任务剖面图，剖面图采用分层结构表示，底层是基于可靠性任务框图建立的循环全过程事件时序层，其箭头对应事件的起始时间点；事件层之上是基于图5循环系统任务剖面图Fig.5MissionProfileofCyclingS

12、ystem“近等径”管路球流运动分析得到的燃料元件运行环境参数，如燃料元件管路运行速度和动力系统相关参数，如气流速度等。循环系统任务剖面图不但反映出整个循环过程内的事件及工作时序，而且较为精确地描述了燃料元件在管路中的运行状态。由循环系统任务剖面图可得如下重要输送参数：单个燃料元件循环过程总耗时9.8s；平均运行it度4.10m/s；提升平衡运行速度5.91m/s；延迟速度0.97m/s；最大冲击速度6.03m/s；运行终端出口速度5.90m/So球流运动分析理论计算结果与德国1967】988年运行的球床实验堆(AVR)实验结果相比较较为吻合，验证了理论分析模型具有较高的可信度。6结束语在进行

13、球床堆燃料元件循环系统可靠性设计分析时，应当以单个燃料元件输送历程为中心，将“近等径”球流管路运动分析与任务可靠性框图相结合建立球床堆燃料元件管路输送任务剖面。这种任务剖面能够简单、清晰地表达出燃料元件输送全过程各事件间的时间历程、燃料元件在管路中的运行状态以及输送过程系统运行的重要参数，可作为系统可靠性、安全性分析的基础。“近等径”球流运动分析也为球床反应堆燃料元件输送系统的结构设计提供了理论依据。参考文献：1 刘继国，孙德刚，关廷光，等.10MW高温气冷实验堆燃料元件装卸系统设计J.高技术通讯，1996,6(5):51-55.*2 曾声奎，赵延第.系统可靠性设计分析教程M.北京：北京航空航

14、天大学出版社，2001.3 FaberRR,MauersbergeruWRysy.FundamentalsofthePneumaticTransportofSphericalFuelElementsfJ.Kemtcchnik,1972,14(4):153-157.4 刘继国，梁锡华，黄鹏.HTR10燃料元件的气体输送J.核动力工程,2001,22:526-529.5 VbnWolfgangRysy,Schwetzingen.MathematicalDescriptionoftheSphereMovementinTubes,EspeciallyintheFuelElementCirculatin

15、gSystemofaPebbleBedReactorJ.ForschungimIngenieurwesen/EngineeringResearch.1973,39(1):29-34.EstablishmentofMissionProfileofFuelCyclingSysteminPebbleBedReactorZENGKai1,SHENGPeng1,DUDong1,ZHANGHai-quan2,LIUJi-guo2(1.KeyLaboratoryfbrAdvancedMaterialsProcessingTechnologj;MinistryofEducation,TsinghuaUnive

16、rsity,Beijing,100084,China;2.InstituteofNuclearEnergyTechnologyofTsinghuaUniversity,Beijing.100084,China)Abstract:Thecriticalsystem,i.e.,thefuelelementcyclingsystem,inpebblebedreactorswasanalyzed,andthedynamiccharacteristicsofpneumatictransportationofnear-diameterspherewasinvestigated.Theexpressiono

17、fpneumaticforceonsphereandtheequationofspherevelocityinelbowandstraightpipeswerederived.Missionprofileofcyclingsystemwasestablishedbasedonthemotionanalysisandthereliabilityblockdiagramofcyclingsystem.Keywords:Pebblebedreactors,Fuelcyclingsystem,Motionanalysis,Reliabilitydesign,Missionprofile作者简介：曾凯(1976-),男，博士研究生。2000年毕业于昆明理工大学热能及动力工程专业，获硕士学位。现主要从事球床堆核电站燃料元件循环系统可靠性研究工作。沈鹏(1985-),男，博士研究