不同參數(shù)對(duì)U型管式蒸汽發(fā)生器倒流影響的實(shí)驗(yàn)研究

劉 浩，馬在勇，姜張銳，唐 瑜，張盧騰，徐建軍，孫 皖，袁德文，潘良明

(1.重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

在壓水堆(PWR)核電站中，U型管式蒸汽發(fā)生器(UTSG)承擔(dān)著一、二回路的能量交換和保證一回路壓力邊界完整性的重要功能[1]。Walter等[2]指出：UTSG在不同運(yùn)行參數(shù)下的流動(dòng)不穩(wěn)定性和倒流臨界分析具有重要意義，因此，在U型管倒流問(wèn)題中，只有了解不同幾何參數(shù)和熱工參數(shù)對(duì)倒流臨界點(diǎn)的影響規(guī)律，才能準(zhǔn)確判斷出倒流臨界點(diǎn)，避免UTSG運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)U型管倒流現(xiàn)象，從而保證UTSG的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。

部分學(xué)者開(kāi)展了不同參數(shù)對(duì)U型管倒流臨界特性影響的研究。Kukita等[3]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)一次側(cè)流量減少時(shí)，長(zhǎng)管比短管出現(xiàn)倒流現(xiàn)象的時(shí)間更早；Xu等[4]采用數(shù)值計(jì)算在自然循環(huán)工況下研究了入口質(zhì)量流量對(duì)UTSG倒流特性的影響，發(fā)現(xiàn)入口初始質(zhì)量流量小的U型管更容易發(fā)生倒流；Jiang等[5]在自然循環(huán)條件下研究了管壁導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)管內(nèi)倒流臨界的影響，結(jié)果表明，壁面導(dǎo)熱系數(shù)越大，流動(dòng)穩(wěn)定性越好，倒流臨界點(diǎn)也越?。籅ian等[6]采用RELAP5/MOD3.3研究了自然循環(huán)工況下一次側(cè)總流量由高到低和由低到高兩種質(zhì)量流量的加載方式對(duì)倒流臨界點(diǎn)的影響；Hao等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在自然循環(huán)下U型管進(jìn)口溫度升高或二次側(cè)溫度降低的過(guò)程中，臨界質(zhì)量流量增加，更容易出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，并得出倒流臨界點(diǎn)和UTSG一次側(cè)入口質(zhì)量流量呈線性關(guān)系的結(jié)論；Shen等[8]應(yīng)用小擾動(dòng)理論，采用數(shù)值計(jì)算的方法分析了二次側(cè)水位高度對(duì)UTSG中倒流臨界的影響，并與Chu等[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明，當(dāng)UTSG二次側(cè)水位下降時(shí)，倒流臨界流速增大，倒流更容易發(fā)生；儲(chǔ)璽等[10]采用RELAP5/MOD3.3研究二次側(cè)流體溫度和入口含氣率對(duì)自然循環(huán)下倒流現(xiàn)象的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)較高的二次側(cè)壓力可以減少倒流現(xiàn)象，而入口含氣率越高倒流越容易發(fā)生；葉磊等[11]采用RELAP5/MOD3.2對(duì)自然循環(huán)工況非對(duì)稱U型管的倒流特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱U型管的下降段與上升段的高度差越大，發(fā)生倒流的U型管數(shù)減少，而自然循環(huán)總流量增加；趙鵬程等[12]利用流量分配程序研究了管長(zhǎng)、管高以及一二次側(cè)換熱系數(shù)對(duì)UTSG流量分配的影響；唐瑜等[13]研究了不同一次側(cè)入口流量以及不同U型管長(zhǎng)度對(duì)倒流特性的影響，并得到了一次側(cè)倒流的總流量以及發(fā)生倒流的U型管數(shù)目；Li等[14-15]在瞬態(tài)工況下開(kāi)展了UTSG倒流特性的研究，在保持恒溫的情況下，逐步升高一回路的質(zhì)量流量，從而使得U型管發(fā)生倒流，結(jié)果表明發(fā)生倒流的U型管對(duì)其他U型管產(chǎn)生重大影響，并進(jìn)而導(dǎo)致最高溫度下降約35%。

綜上所述，在低流量強(qiáng)迫循環(huán)條件下，研究不同參數(shù)對(duì)倒流臨界點(diǎn)的影響較少。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究低流量強(qiáng)迫循環(huán)條件下一次側(cè)入口溫度、一回路總流速、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)及二次側(cè)冷卻水流量對(duì)3根不同長(zhǎng)度U型管倒流臨界點(diǎn)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)回路

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由一次側(cè)實(shí)驗(yàn)回路和二次側(cè)實(shí)驗(yàn)回路組成，如圖1所示。一次側(cè)實(shí)驗(yàn)回路的設(shè)計(jì)壓力為2.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度為250 ℃，通過(guò)預(yù)熱器和加熱段(直流電加熱，最大加熱功率為78 kW)來(lái)模擬堆芯釋熱，工質(zhì)為去離子水，并通過(guò)氮?dú)夥€(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓，回路流量通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和主泵頻率進(jìn)行控制，回路中自然循環(huán)閥的開(kāi)閉能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自然循環(huán)與強(qiáng)迫循環(huán)的切換，實(shí)驗(yàn)本體為回路冷端，通過(guò)3根U型管將熱量傳遞給二次側(cè)，沿程布置有各種測(cè)量?jī)x表，以監(jiān)測(cè)一次側(cè)回路參數(shù)變化。二次側(cè)實(shí)驗(yàn)回路主要由冷卻塔、冷卻水箱、冷卻水泵、流量計(jì)和閥門組成。二次側(cè)回路冷卻能力與一次側(cè)回路加熱功率相匹配，保證一次側(cè)回路能夠達(dá)到熱力平衡狀態(tài)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of experiment system

1.2 實(shí)驗(yàn)段

圖2 實(shí)驗(yàn)段本體示意圖Fig.2 Schematic of experiment section nonmenon

實(shí)驗(yàn)段本體如圖2所示，內(nèi)部有3根不同長(zhǎng)度的U型管(分別為6.605 m、7.225 m、7.825 m)，排列在同一平面內(nèi)，最短管在最內(nèi)側(cè)，最長(zhǎng)管在最外側(cè)。在一次側(cè)進(jìn)出口腔室的3根U型管處各設(shè)置3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)和壓力測(cè)點(diǎn)，以獲得U型管進(jìn)出口壓力、溫度及壓差；U型管中部各設(shè)置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，進(jìn)一步獲得U型管溫度的變化；在二次側(cè)箱體的上、中、下3個(gè)位置設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)二次側(cè)冷卻水溫度的變化。

實(shí)驗(yàn)回路采用的壓差流量計(jì)測(cè)量相對(duì)誤差為0.074%，實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口壓差變送器的測(cè)量相對(duì)誤差為0.05%，實(shí)驗(yàn)回路采用的T型鎧裝熱電偶和實(shí)驗(yàn)段采用的N型鎧裝熱電偶測(cè)量誤差±0.5 ℃，實(shí)驗(yàn)回路采用的孔板流量計(jì)精度為1級(jí)，實(shí)驗(yàn)段采用的超聲波流量計(jì)測(cè)量相對(duì)誤差為0.05%。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況及方法

實(shí)驗(yàn)工況范圍列于表1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要通過(guò)以下方法在低流量強(qiáng)迫循環(huán)條件下尋找倒流臨界點(diǎn)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況范圍Table 1 Range of experiment operating condition

1) 保持U型管進(jìn)口溫度和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)(閥門開(kāi)度)一定，在緩慢降低流量的過(guò)程中，尋找U型管倒流臨界點(diǎn)。再將一次側(cè)入口溫度調(diào)整至其他溫度，從而獲得U型管進(jìn)口溫度與臨界流速的關(guān)系曲線。

2) 保持回路總流量與U型管進(jìn)口溫度一定，在緩慢增加電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)(減小閥門開(kāi)度)的過(guò)程中，尋找U型管倒流臨界點(diǎn)。再通過(guò)主泵將回路中總流量調(diào)整至其他流量，從而獲得回路總流量與倒流臨界點(diǎn)入口溫度的關(guān)系曲線。

3) 保持回路總流量和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)(閥門開(kāi)度)一定，在緩慢增加加熱功率的過(guò)程中，尋找U型管倒流臨界點(diǎn)。再將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)整至其他開(kāi)度，從而獲得電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)與臨界流速的關(guān)系曲線。

2 回路阻力分析

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，首先進(jìn)行冷態(tài)工況實(shí)驗(yàn)，以了解實(shí)驗(yàn)回路阻力特性?；芈房傋枇ο禂?shù)主要分為回路局部阻力系數(shù)和沿程阻力系數(shù)。而回路總阻力系數(shù)通過(guò)泵前后壓差進(jìn)行計(jì)算，沿程阻力系數(shù)和其他局部阻力系數(shù)(除電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù))通過(guò)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)由回路總阻力系數(shù)減去沿程阻力系數(shù)和其他局部阻力系數(shù)得到。

回路總Re、總阻力系數(shù)、沿程阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)隨閥門開(kāi)度的變化如圖3、4所示。由圖3a可知，不同泵頻率下，回路總Re的差異較大，在相同的泵頻率下，當(dāng)閥門開(kāi)度大于30%時(shí)，回路總Re的變化隨閥門開(kāi)度的變化并不明顯，只有當(dāng)閥門開(kāi)度小于30%時(shí)，回路總Re隨著閥門開(kāi)度的減小而減小。其中，回路總Re定義為Re=uDe/ν，其中u為一次側(cè)回路平均流速，De為當(dāng)量直徑，ν為運(yùn)動(dòng)黏度。在冷態(tài)情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度獲得如圖3b所示不同主泵頻率下回路總阻力系數(shù)隨閥門開(kāi)度的變化。由圖3b可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閥門開(kāi)度小于30%后，閥門開(kāi)度對(duì)回路阻力的影響開(kāi)始顯著，此時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的阻力占整個(gè)回路阻力的比重開(kāi)始顯著增大。通過(guò)計(jì)算獲得了如圖3b和圖4所示不同主泵頻率下回路沿程阻力系數(shù)和回路局部阻力系數(shù)隨閥門開(kāi)度的變化。用回路總阻力系數(shù)減去回路沿程阻力系數(shù)和回路局部阻力系數(shù)，獲得如圖4所示電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)隨閥門開(kāi)度的變化，即電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力特性曲線。

圖3 回路總Re、總阻力系數(shù)及沿程阻力系數(shù)隨閥門開(kāi)度的變化Fig.3 Total Reynolds number, total resistance coefficient of loop and frictional resistance coefficient of loop vs. valve opening

3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)影響分析

本文分別研究分析了一次側(cè)入口溫度、一回路總流速、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)及二次側(cè)冷卻水流量對(duì)倒流臨界點(diǎn)的影響。

圖5示出系統(tǒng)壓力為1 MPa、二次側(cè)冷卻水流量為37 t/h、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)分別為766.81和331.05(開(kāi)度分別為13.5%和14.7%)時(shí)一次側(cè)入口溫度對(duì)倒流臨界的影響。由圖5可知，倒流臨界流速隨一次側(cè)入口溫度的升高而增大。這主要是因?yàn)殡S著一次側(cè)入口溫度的增加，一二次側(cè)溫差也不斷增加，因此換熱量隨溫差的增大而增加。因此重位壓降會(huì)隨一次側(cè)入口溫度的增加而增加，由一次側(cè)入口溫度變化引起的黏度變化進(jìn)而影響到摩擦阻力，但對(duì)摩擦阻力的影響較小，所以臨界流速隨一次側(cè)入口溫度的上升而增大。另外，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)為766.81和331.05時(shí)，相同一次側(cè)入口溫度下倒流臨界流速較為接近；一次側(cè)入口溫度較高時(shí)，倒流臨界流速增加較快。

圖4 回路局部阻力系數(shù)及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)隨閥門開(kāi)度的變化Fig.4 Local resistance coefficient of loop and resistance coefficient of electric regulating valve vs. valve opening

圖6示出系統(tǒng)壓力為1 MPa、二次側(cè)冷卻水流量為37 t/h、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)分別為766.81和331.05(開(kāi)度分別為13.5%和14.7%)時(shí)一回路總流速對(duì)倒流臨界的影響。由圖6可見(jiàn)，隨著一回路總流速的增大，發(fā)生倒流時(shí)的U型管入口溫度也逐漸增大，且兩者大致呈線性關(guān)系。這主要是因?yàn)楫?dāng)一回路總流速增大后，要達(dá)到倒流臨界工況就需提高驅(qū)動(dòng)壓降，即增大流體密度差，從而使得發(fā)生倒流時(shí)的U型管入口溫度增大，進(jìn)而使一二次側(cè)溫差也不斷增加，換熱量也隨之增加，因此重位壓降增大，導(dǎo)致倒流臨界流速增加。從圖5、6可知，相同條件下，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)為766.81和331.05時(shí)，倒流臨界流速的變化并不顯著。

圖5 一次側(cè)入口溫度對(duì)倒流臨界流速的影響Fig.5 Effect of primary side inlet temperature on reverse flow critical velocity

圖7示出系統(tǒng)壓力為1 MPa、二次側(cè)冷卻水流量為17 t/h、一次側(cè)入口溫度為145.5 ℃時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)對(duì)倒流臨界的影響。由圖7可知，對(duì)于不為零的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)，隨電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)的增大，倒流臨界流速增大，增加的幅度減小，這說(shuō)明回路阻力越大，U型管內(nèi)流體越容易發(fā)生倒流。從整體來(lái)說(shuō)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)的變化對(duì)倒流臨界點(diǎn)的影響并不顯著。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)為零時(shí)，實(shí)驗(yàn)中觀察到了顯著的流量脈動(dòng)現(xiàn)象，脈動(dòng)導(dǎo)致倒流臨界流速突然增大。

圖6 一回路總流速對(duì)倒流臨界點(diǎn)入口溫度和倒流臨界流速的影響Fig.6 Effect of primary side total flow velocity on inlet temperature at reverse flow critical point and reverse flow critical velocity

圖7 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)對(duì)倒流臨界流速的影響Fig.7 Effect of electric regulating valve resistance coefficient on reverse flow critical velocity

圖8 二次側(cè)冷卻水流量對(duì)倒流臨界流速的影響Fig.8 Effect of secondary side flow rate on reverse flow critical velocity

圖8示出系統(tǒng)壓力為1 MPa、一次側(cè)入口溫度為145.5 ℃、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)為331.05(開(kāi)度為14.7%)時(shí)二次側(cè)冷卻水流量對(duì)倒流臨界的影響。由圖8可知，在本實(shí)驗(yàn)工況下，二次側(cè)冷卻水流量對(duì)倒流臨界的影響很小，倒流臨界流速隨二次側(cè)冷卻水流量的增大而緩慢下降。這是因?yàn)槎蝹?cè)冷卻水流量增加會(huì)使二次側(cè)換熱系數(shù)增大從而增大換熱量，而管中重位壓降受到換熱量增加的影響相對(duì)較弱，對(duì)流換熱熱阻主要集中在管壁和一次側(cè)，限制對(duì)流換熱效果的因素為一二次側(cè)溫差等，因此換熱量增加時(shí)，造成管內(nèi)流動(dòng)阻力的增加大于其重位壓降的增加，因此倒流臨界流速會(huì)緩慢下降。

4 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了一次側(cè)入口溫度、一回路總流速、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)及二次側(cè)冷卻水流量對(duì)U型管倒流臨界點(diǎn)的影響，在本實(shí)驗(yàn)工況下得出以下結(jié)論。

1) 隨一次側(cè)入口溫度的增加，一二次側(cè)溫差增大導(dǎo)致?lián)Q熱量增加，重位壓降的影響強(qiáng)于流動(dòng)阻力的影響，因此倒流臨界流速增大，且兩者呈現(xiàn)線性關(guān)系；

2) 隨一回路總流速的增大，倒流時(shí)U型管入口溫度逐漸增大，因此一二次側(cè)溫差增大導(dǎo)致?lián)Q熱量增加，使得重位壓降增加，進(jìn)而使得倒流臨界流速增加，且兩者同樣呈現(xiàn)出線性關(guān)系；

3) 當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)不是很小時(shí)，隨電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)的增大，倒流臨界流速增大，但當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)增加到一定程度時(shí)，這種增加趨勢(shì)變緩，從整體來(lái)看電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)對(duì)倒流臨界點(diǎn)的影響并不顯著；

4) 由于二次側(cè)冷卻水流量增加會(huì)使二次側(cè)換熱系數(shù)增大從而增大換熱量，而重位壓降的增加小于管內(nèi)流動(dòng)阻力的增加，倒流臨界流速緩慢下降。

實(shí)際上，在低流量強(qiáng)迫循環(huán)條件下，隨著一次側(cè)入口溫度越小以及二次側(cè)流量越大，蒸汽發(fā)生器一次側(cè)平均溫度越小，倒流臨界流速越小，因此，減小一次側(cè)平均溫度能在一定程度上降低蒸汽發(fā)生器中流體發(fā)生倒流的風(fēng)險(xiǎn)。