非能動(dòng)安全殼空氣冷卻系統(tǒng)換熱影響因素研究

孫超杰，劉長(zhǎng)亮，朱京梅，劉嘉維

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

小型堆因其高度的安全性、良好的經(jīng)濟(jì)性、功率規(guī)模的靈活性和特殊廠址的適應(yīng)性，受到了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，我國(guó)也開展了小型堆的設(shè)計(jì)和研發(fā)，并取得了豐碩的成果［1］。

我國(guó)小型堆主要技術(shù)特點(diǎn)包括：一體化反應(yīng)堆、高效直流蒸發(fā)器及專設(shè)安全系統(tǒng)能動(dòng)+非能動(dòng)設(shè)計(jì)等，采用雙層安全殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)鋼制安全殼，外置混凝土安全殼。安全殼作為放射性物質(zhì)釋放的最后一道屏障，保證其完整性尤為重要。小型堆安全殼冷卻采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念，為了開展系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行了大量的調(diào)研［2］和分析。目前，安全殼非能動(dòng)冷卻的主要介質(zhì)為水，輔助介質(zhì)為空氣，對(duì)于鋼制安全殼，其冷卻方案包括高位水箱的外部噴淋［3］、環(huán)繞水池冷卻方案、地面水箱噴淋冷卻［4］等；對(duì)于混凝土安全殼，其冷卻方案包括干濕井-抑壓池設(shè)計(jì)、外部冷凝式噴淋、閉式虹吸等。目前，工程應(yīng)用中的安全殼非能動(dòng)冷卻手段使用的介質(zhì)依然主要是水，而對(duì)于以空氣冷卻為主的方案，曾有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，提出了基于內(nèi)置鋼殼的空冷方案［5］，但只處于科研階段，并未應(yīng)用于實(shí)際工程。經(jīng)過(guò)前期的設(shè)計(jì)和計(jì)算，小型堆由于反應(yīng)堆額定功率小、鋼殼自身?yè)Q熱特性好、鋼殼內(nèi)自由容積大等優(yōu)勢(shì)，其安全殼可以依靠非能動(dòng)空氣自然循環(huán)進(jìn)行冷卻以保證安全殼的完整性。

對(duì)于非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)學(xué)者大多針對(duì)水冷加空氣輔助冷卻的設(shè)計(jì)開展計(jì)算和研究［6-7］，專門針對(duì)空氣冷卻的設(shè)計(jì)研究偏少，因此開展小型堆安全殼非能動(dòng)空氣冷卻的研究具有重要意義。本文針對(duì)小型堆安全殼采用非能動(dòng)空氣導(dǎo)流板的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)三維建模，計(jì)算和分析入口傾角、入口面積、空氣導(dǎo)流板距鋼殼間距、擴(kuò)散區(qū)域高度對(duì)系統(tǒng)換熱特性的影響，以指導(dǎo)空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 系統(tǒng)及模型描述

小型堆非能動(dòng)安全殼空氣冷卻系統(tǒng)利用鋼制安全殼殼體作為一個(gè)傳熱表面，鋼制安全殼內(nèi)表面受蒸汽冷凝、蒸汽及殼內(nèi)大氣的對(duì)流及輻射等影響而被加熱，然后通過(guò)導(dǎo)熱將熱量傳遞至鋼殼體，受熱的鋼殼外表面通過(guò)輻射將熱量傳遞給混凝土殼及空氣導(dǎo)流板，而自然循環(huán)的冷空氣流經(jīng)兩側(cè)表面時(shí)以對(duì)流及熱傳導(dǎo)的方式將熱量帶走。來(lái)自環(huán)境的冷空氣通過(guò)空氣入口進(jìn)入，沿空氣導(dǎo)流板經(jīng)過(guò)底部導(dǎo)流筒后，流經(jīng)鋼殼外表面，沿鋼殼外壁上升，最終通過(guò)一個(gè)高位排氣口返回環(huán)境。

空氣入口設(shè)置在混凝土安全殼上方肩部位置，采用雙層等間距環(huán)向均勻布置，為了防止飛機(jī)撞擊后燃油等異物進(jìn)入殼內(nèi)，每個(gè)空氣入口開孔都應(yīng)采取傾斜向上的方式。鋼殼與混凝土殼之間間距為1.3 m，其間設(shè)置空氣導(dǎo)流板，以構(gòu)建流經(jīng)鋼殼外表面的空氣流道，導(dǎo)流板由一系列面板及底部導(dǎo)流筒組成，沿鋼殼周向布置，通過(guò)鋼殼表面的U型支撐進(jìn)行固定。空氣出口設(shè)置在混凝土殼頂部，其設(shè)計(jì)主要考慮防飛機(jī)撞擊、雨雪等異物進(jìn)入。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，圖中箭頭表示空氣的流動(dòng)路徑。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)圖Fig.1 System design scheme sketch

本文采用Flow Simulation軟件進(jìn)行三維建模，物理模型主要由鋼制安全殼和混凝土安全殼構(gòu)成，包括空氣入口、空氣流道和空氣出口三部分，如圖2所示。為了便于計(jì)算和保守分析，對(duì)物理模型、邊界條件和初始條件進(jìn)行了合理假設(shè)。對(duì)于輻射換熱，由于其定量計(jì)算存在較大的不確定性，因此從保守角度考慮可以忽略輻射換熱。鋼殼表面存在機(jī)械貫穿件，但為了便于計(jì)算且相對(duì)于鋼殼外表面積很小，因此也可以忽略不計(jì)。鋼殼外壁面依據(jù)保守的質(zhì)能釋放源項(xiàng)和堆芯衰變熱源項(xiàng)設(shè)置為恒溫壁面，除此之外其余壁面均采用絕熱真實(shí)壁面，所有壁面粗糙度依據(jù)工程設(shè)計(jì)保守選取為30μm，外部環(huán)境溫度保守選取45℃，計(jì)算采用k-ε湍流模型。以某一算例為對(duì)象研究了小堆鋼殼尺度下的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，不同網(wǎng)格級(jí)別下的計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差較小，表明該軟件五級(jí)精度下的網(wǎng)格已具備無(wú)關(guān)性，并具有自適應(yīng)性，如圖2所示。

圖2 三維模型（左）和網(wǎng)格示意圖（右）Fig.2 3D model（left）and grid schematic（right）

2 計(jì)算與分析

為了對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的研究和優(yōu)化，需要從影響系統(tǒng)換熱的主要因素入手，主要包括入口傾角、入口面積、空氣導(dǎo)流板距鋼殼間距和擴(kuò)散區(qū)域高度，分析其影響系統(tǒng)換熱的機(jī)理，以提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的理論支撐。本文從工程設(shè)計(jì)角度考慮各影響參數(shù)值的選取，對(duì)于入口傾角，為防止飛機(jī)撞擊后燃油灌入等，應(yīng)選擇45°及以上，而考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和現(xiàn)場(chǎng)施工，又不宜超過(guò)55°，故選取了45°和52°；對(duì)于入口面積，其受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度制約大，對(duì)于小型堆而言，一般不超過(guò)30 m2，因此選取了10 m2、20 m2和25 m2；對(duì)于導(dǎo)流板距鋼殼間距，該因素對(duì)系統(tǒng)換熱影響至關(guān)重要，因此依據(jù)兩殼間距（1.3 m）從230 mm到530 mm選取了10組參數(shù)；對(duì)于擴(kuò)散區(qū)域高度，主要受空氣入口結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及檢修等制約，此處選取4 m、7 m和10 m。影響參數(shù)選取值如表1所示，利用Flow Simulation軟件通過(guò)三維模型獲得各種工況下的換熱功率、溫度分布及速度分布，采用單一變量原則對(duì)各種工況下的換熱特性進(jìn)行分析和研究。

表1 數(shù)值計(jì)算案例Table 1 Numerical calculation case

2.1 入口傾角

空氣入口的設(shè)計(jì)與布置應(yīng)充分考慮使周邊環(huán)境對(duì)空氣自然循環(huán)的影響降到最低，并應(yīng)考慮外部的極端天氣條件。為了最大程度降低環(huán)境風(fēng)對(duì)空氣自然循環(huán)的影響，空氣入口采用雙層等間隔均勻多個(gè)開孔的方式。

為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防止飛機(jī)撞擊后燃油灌入等因素，入口傾角宜取45°及以上。計(jì)算結(jié)果表明傾角為45°時(shí)的系統(tǒng)換熱功率比52°時(shí)大3%，45°和52°傾角下的流量分別為41.6 kg·s-1和40.4 kg·s-1。入口流速矢量圖如圖3所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)傾角偏大時(shí)，入口處流動(dòng)損失較大，流速偏小，從而使得冷卻空氣的流量偏小，最終導(dǎo)致系統(tǒng)換熱量減小，因此入口傾角宜選取45°。

圖3 45°（左）和52°（右）傾角下入口處的流速矢量圖Fig.3 Flow velocity vector diagram at the entrance for 45°（left）and 52°（right）

2.2 入口面積

計(jì)算結(jié)果如表2所示，得出20 m2時(shí)換熱功率比10 m2時(shí)大35%，而25 m2時(shí)換熱功率與20 m2時(shí)相差不到2%，這說(shuō)明換熱功率隨入口面積增大而增大，當(dāng)達(dá)到一定值后，換熱功率受其影響很小。這是由于入口面積偏小時(shí)，冷卻空氣質(zhì)量流量偏小，帶熱量偏??；隨著入口面積增大，質(zhì)量流量增大，總體帶熱量增大，但是當(dāng)其達(dá)到一定值后，質(zhì)量流量受對(duì)流換熱、流動(dòng)損失等綜合耦合因素影響而趨于穩(wěn)定，使得系統(tǒng)整體換熱量趨于穩(wěn)定，因此換熱功率也趨于穩(wěn)定。

表2 不同入口面積下的換熱功率Table 2 Heat transfer power under different inlet area

2.3 導(dǎo)流板距鋼殼間距

導(dǎo)流板布置在鋼殼與混凝土殼之間（間距1.3 m），與鋼殼的距離應(yīng)合適，過(guò)小既嚴(yán)重增大流動(dòng)阻力又因鋼殼或?qū)Я靼遄冃味赡軐?dǎo)致流道堵塞；過(guò)大導(dǎo)致對(duì)流換熱效果差且增加支撐難度，因此適宜選取的間距范圍為230-530 mm。由圖4可知，系統(tǒng)換熱功率隨導(dǎo)流板距鋼殼間距增大先增大而后又減小，導(dǎo)流板與鋼殼間距存在一個(gè)最佳距離，此時(shí)系統(tǒng)換熱功率達(dá)到最大。本文計(jì)算結(jié)果顯示，該值在405 mm附近。

圖4 不同間距下的換熱功率曲線Fig.4 Heat transfer power curve under different spacing

為分析不同間距下的換熱特性，對(duì)比和分析了不同工況下的質(zhì)量流量和出口溫度變化，如圖5所示?？芍?，當(dāng)間距過(guò)小時(shí)，質(zhì)量流量受到嚴(yán)重影響，盡管此時(shí)出口溫度較高，但是系統(tǒng)整體換熱功率較低；隨著間距的增大，質(zhì)量流量先增大后減小，而出口溫度增加趨勢(shì)并不明顯。這是由于系統(tǒng)換熱受到各種因素的影響，這些因素之間存在復(fù)雜的耦合和相互作用。隨著間距增大，流道流動(dòng)阻力減小，質(zhì)量流量增大；但當(dāng)間距增大到一定值后，雖然流動(dòng)阻力小，但此時(shí)對(duì)流換熱效果差，使得自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力減小，從而導(dǎo)致質(zhì)量流量減小。同時(shí)說(shuō)明不同間距工況下，質(zhì)量流量的作用對(duì)系統(tǒng)整體換熱的影響占主導(dǎo)地位，使得換熱功率先增大而后又減小，因此存在著一個(gè)最佳間距使得此時(shí)換熱功率達(dá)到最大。

圖5 不同間距下的質(zhì)量流量和出口溫度曲線Fig.5 Mass flow and outlet temperature curves under different spacing

2.4 擴(kuò)散區(qū)域高度

擴(kuò)散區(qū)域高度是指鋼殼頂部與混凝土殼頂部出口下端之間的距離，本文計(jì)算分析了4 m、7 m和10 m對(duì)系統(tǒng)換熱的影響。計(jì)算結(jié)果如圖6所示，從中發(fā)現(xiàn)隨著擴(kuò)散區(qū)域高度逐漸減小，系統(tǒng)換熱功率逐漸增大，這是由于擴(kuò)散區(qū)域高度增大時(shí)，冷卻空氣流經(jīng)鋼殼頂部空間區(qū)域時(shí)，對(duì)流換熱作用減弱，盡管此時(shí)空氣循環(huán)驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，但該增強(qiáng)作用比對(duì)流換熱的減弱作用小，從而導(dǎo)致對(duì)流換熱量減小，因此減小擴(kuò)散區(qū)域高度有助于系統(tǒng)換熱。

圖6 不同擴(kuò)散區(qū)域高度下的換熱功率曲線Fig.6 Heat transfer power curve under different height of the diffusion area

3 結(jié)論

對(duì)于采用鋼制安全殼和混凝土安全殼雙層設(shè)計(jì)的小型堆，其非能動(dòng)安全殼空氣冷卻系統(tǒng)可以使用空氣導(dǎo)流板構(gòu)建自然循環(huán)冷卻通道?？諝馊肟趦A角宜選取45°；空氣入口面積受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響，不宜選取過(guò)大的入口面積，選取換熱功率恰好趨于穩(wěn)定時(shí)的入口面積即可；導(dǎo)流板距鋼殼的間距存在一個(gè)最佳值，此時(shí)系統(tǒng)換熱功率達(dá)到最大；系統(tǒng)換熱功率隨擴(kuò)散區(qū)域高度減小而增大，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及檢修等要求的前提下，應(yīng)盡量減小擴(kuò)散區(qū)域高度。