核电厂大修期间蒸汽发生器U型管返水引发的安全风险及对策

核电厂大修期间,反应堆排水到压力容器法兰面水位后,蒸汽发生器U型管中吸附的水会大量返回到一回路,造成一回路水位控制困难并引发一系列安全风险,对大修人员、设备和反应堆堆芯安全都构成威胁。结合秦山第二核电厂换料大修中蒸汽发生器U型管返水的数据,对蒸汽发生器U型管返水的机理以及带来的安全风险进行了分析,并结合大修工作安排提出了对策。

立式倒U型管蒸汽发生器倒流现象及初步分析

文章涉及中国核动力研究设计院自然循环实验装置单相稳态自然循环实验过程中立式倒U型管蒸汽发生器(UTSG)模拟体一次侧流体的流动特性。实验观察到:1)UTSG模拟体进口腔室压力低于出口腔室压力;2)UTSG模拟体入口腔室温度较热段温度有一陡降。通过对该实验现象的分析可以判定,在单相自然循环工况下,UTSG模拟体中某些传热管内出现了倒流。实验结果表明,倒流的出现使UTSG模拟体自然循环工况下的流动阻力系数较强迫循环工况下的明显增大。

管长对立式倒U型管蒸汽发生器流动不稳定性的影响分析

自然循环条件下,立式倒U型管蒸汽发生器(UTSG)并联倒U型传热管内存在非均匀流动,部分传热管出现倒流。本工作建立一维、稳态条件下传热管内流动换热模型,采用线性微扰理论对倒流的发生机理进行研究,认为倒流是一种典型的Ledinegg流动不稳定性。结果表明,在进口条件一定时,传热管管长与发生流动不稳定性的特征压降呈非线性关系,存在具有最大特征压降的特征管长。

倒U型管蒸汽发生器自然循环回流特性研究

自然循环在核动力工业中有重要的应用。以AP1000自然循环压水反应堆一回路系统的蒸汽发生器为对象,建立自然循环系统蒸汽发生器倒U型管内单相水回流的数学模型,并进行了计算,得出了蒸汽发生器倒U型管内正流和回流流量、正流管管长和回流管管长分布等。研究结果表明,回流能大幅降低自然循环的重位压头、流量和放热量,不利于自然循环。

倒U型管蒸汽发生器单相管间脉动现象影响参数研究

本文给出了单相管间脉动起始点的判定准则,且通过实验方法研究了不同一次侧入口温度、二次侧流量及回路阻力系数下单相管间脉动的变化规律。结果表明,随一次侧入口温度的升高,脉动起始点流速会随之呈近乎线性增加;随二次侧流量的增加,脉动起始点流速变化不大,脉动周期变大;随回路阻力系数的增加,脉动起始点流速呈先减小后趋于稳定的趋势,且小的回路阻力系数主要影响脉动起始点流速,大的回路阻力系数主要影响流量的分配。此外,实验中发现局部阻力系数的空间分布对流量分配的影响差别不大。

自然循环工况下倒U型管蒸汽发生器的一次侧流量反转机理

在自然循环工况下,倒U型管蒸汽发生器(UTSG)的进出口存在负压降,使得UTSG内的部分倒U型管易发生倒流现象.针对特定的UTSG,定量地建立倒U型管进出口压差随一次侧质量流量变化的水动力曲线,并采用最佳估算程序Relap5对UTSG进行建模分析.针对同一给定的自然循环工况,分别采用UTSG入口总质量流量从高到低和从低到高两种质量流量加载方式趋近.研究发现,自然循环工况的质量流量加载方式对UTSG倒流的发生有显著影响;从低到高的质量流量加载方式会导致更多倒U型管发生倒流,产生更大的流动阻力;在其他运行参数相同的情况下,UTSG倒流反转为正流的临界质量流量远高于正流反转为倒流的临界质量流量;采用从高到低的质量流量加载方式到达自然循环工况更有利于避免UTSG倒流的发生.

自然循环工况下倒U型管蒸汽发生器管内倒流的数值计算分析

在自然循环工况下,倒U型管蒸汽发生器(inverted U-tube steam generator,UTSG)内有部分倒U型管会发生倒流现象,严重影响一回路系统的自然循环能力.采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对自然循环工况下UTSG一次侧流体的流动特性进行三维数值模拟研究.结果表明:在低质量流量下,倒流集中发生在短管侧,而等长倒U型管中同时出现了倒流和正流的现象,这与入口腔室分配给各个倒U型管的初始质量流量有关.随着UTSG入口质量流量的增加,UTSG倒流管数减少;随着一次侧入口温度的升高,UTSG进出口压降为负值,压降绝对值逐渐增大,倒流管数增多.

换热表面结垢对U型管蒸汽发生器传热性能的影响分析

U型管蒸汽发生器的壳侧沉积了来自二回路系统中的腐蚀产物,结垢导致热量聚积在金属换热管上,容易造成垢下热点腐蚀,危害设备安全。为了明确结垢对蒸汽发生器传热性能的影响,本研究基于仿真平台APROS建立了U型管蒸汽发生器的分布式模型,并根据已公开论文中的数据进行了模型准确性验证;推导了污垢热阻与表面换热系数之间的关系式,分析了不同结垢厚度、位置对U型管蒸汽发生器换热区域的传热管壁面温度、流体温度、传热系数、热流密度等的影响程度。研究结果表明:随着结垢程度的加剧,蒸汽发生器的换热效率不断降低,出口蒸汽品质不断下降;结垢对沸腾段换热效率的影响比对过冷段换热效率的影响更大。

低流量下蒸汽发生器一次侧流量分配研究

采用CFD方法对低流量下倒U型管式蒸汽发生器一次侧内的流动特性进行了分析研究。结果表明,在自然循环模拟试验装置的U型管结构参数条件下,倒流只发生在内层的短管内。低流量时,随单管平均流量的增大,倒流管内的流量相对减小,倒流管数量相对减少,最终倒流消失;随二次侧温度升高,倒流管内的流量也相对减小,倒流管数量相对减少。

倒U型管蒸汽发生器单相管间脉动临界流速与倒流临界流速的对比分析

为了提高核反应堆系统的安全性与经济性,本文通过实验研究了单相工况下倒U型管管间脉动临界与倒流临界之间的关系。基于对实验数据的处理,获得了不同工况下的管间脉动临界流速与倒流临界流速,并对2种不稳定性的临界流速进行了比较。结果表明,在本实验工况下,管间脉动临界流速总是高于倒流临界流速,其比值最高可达1.46;该比值随着一次侧入口温度的升高和回路阻力的减小而增大,随着二次侧冷却水流量的增大而增大,但增幅逐渐减小;回路阻力对脉动具有显著的抑制作用,在回路阻力较小时,可能发生较为严重的管间脉动。

U型管式蒸汽发生器内改性壁面强化传热数值研究

为了达到较好的传热效果以及减少传热恶化造成管道破裂等事故的可能,本文基于改进的格子Boltzmann方法(LBM)相变传热模型,对蒸汽发生器U型传热管内工质的气泡动力学行为和壁面的传热性能进行了数值研究。结果表明:与纯亲水壁面相比,疏水区域促进气泡成核,混合润湿性壁面可以显著提高沸腾传热量。混合润湿性壁面可以提高临界热流密度(CHF),并延迟CHF点的出现,可以有效地减小传热恶化的可能。总体上,疏水点间距和个数决定气泡的生长状态,存在一个最佳疏水点设置可以获得最佳沸腾传热性能,选择合适的疏水点间距和个数可以得到理想的传热壁面。

低流量单相工况下倒U型管蒸汽发生器内倒流现象的数值模拟研究

针对倒U型管蒸汽发生器(UTSG)中的单相倒流现象实验结果,采用三维计算流体力学(CFD)数值模拟的方法对实验段的一次侧和二次侧进行等比例建模,选取Realizable k-ε模型进行湍流计算,完成了网格独立性验证。将数值模拟结果与实验数据进行对比发现计算值与实验值吻合良好。同时对热工参数的影响进行研究,研究结果表明:临界流速随UTSG一次侧入口温度的升高以及二次侧温度的降低而增大;一次侧操作压力对临界流速的影响很小。

自然循环U型管蒸汽发生器管内倒流受管长影响的理论研究

自然循环U型管蒸汽发生器(UTSG)在一次侧处于自然循环工况下其部分U型管可能会出现倒流现象,这对自然循环带来不利影响。本文通过理论分析UTSG的U型管的水动力学曲线,获得U型管内发生流动不稳定时的临界压降与管长的关系,并利用系统分析程序RELAP5进行数值验证,验证结果表明:当管长增加时,临界压降呈先减后增的趋势,即小型的UTSG的最短U型管先出现倒流,而大型的UTSG最长管先出现倒流。所得结论解释了不同的仿真模拟研究得到的倒流管的分布不同的现象,为UTSG管内倒流及其管空间分布的预测提供理论依据。

自然循环条件下倒U型管蒸汽发生器一次侧倒流现象关键影响因素研究

倒U型管蒸汽发生器(UTSG)在自然循环条件下存在倒流现象,影响一回路冷却剂系统载热能力及自然循环能力。本文参照芬兰压水堆热工实验装置(PWR PACTEL)中UTSG设计参数,利用计算流体力学(CFD)软件Fluent模拟流量匀速下降工况下UTSG中的倒流现象,研究一次侧运行参数、UTSG设计参数以及二次侧运行参数对于倒流现象的影响。结果表明,提高UTSG一次侧温度、一次侧运行压力、倒U型管热导率将增大UTSG的临界质量流量,使得UTSG更易发生倒流;提高UTSG二次侧给水量、二次侧温度以及倒U型管内壁粗糙度将使得UTSG临界质量流量下降,抑制倒流现象发生;而倒U型管壁厚对倒流现象几乎无影响;相较于改变二回路温度,改变一回路温度对于倒流现象的影响更为显著。本研究结果可为UTSG的参数优化提供一定参考。

管长对UTSG倒流管空间分布的影响分析

自然循环条件下,自然循环U型管蒸汽发生器(UTSG)并联倒U型传热管内存在非均匀流动,部分传热管出现倒流;现有研究对倒流管的空间分布存在不同认识。通过建立一维、稳态条件下的传热管内流动换热模型,发现传热管管长对并联倒U型管间的流量压降对比关系产生影响,进而对倒流管的空间分布产生影响。传热管管长较小的UTSG,短管将先于长管发生流量漂移;反之,长管将先于短管发生流量漂移。采用最佳评估程序RELAP5/MOD3.3对研究结果进行了验证。