一维开式自然循环系统分析程序的实验验证

　　摘要：基于华龙一号非能动安全壳热量导出系统(PCS)综合性能实验装置实验结果，对采用基于漂移流模型开发的华龙一号PCS程序(PCS-NCCP)进行验证，对比分析了设计工况及非设计工况下PCS-NCCP程序计算值与实验值之间的误差。结果显示，所开发的PCS-NCCP程序能模拟PCS的排热能力、稳态运行特性和动态响应特性，程序计算值能很好地跟踪实验的趋势和幅值变化，绝大部分计算误差落在±20%范围内，验证了PCS-NCCP程序的准确性。

　　关键词：华龙一号;开式自然循环系统;实验验证

　　安全壳是防止反应堆放射性物质外泄的最后一道实体屏障，其完整性对公众及外界环境十分重要。为进一步提升核电厂安全性能，在现有电厂成熟的能动技术基础上，新一代压水堆核电站广泛采用了非能动与能动相结合的方式，国内自主三代核电技术HPR1000即为典型代表。该电厂设计了开式自然循环系统以实现设计扩展工况下的安全壳长期排热，将安全壳压力和温度降至可接受的水平，防止超温超压对安全壳完整性构成威胁[1]。

　　针对这种以导出安全壳内部热量为目的非能动安全壳热量导出系统(PCS)，Xiao等[2]基于含有1根换热管的开式自然循环系统实验台架研究了系统的流动特性，指出闪蒸及间歇泉 现象是两种影响流动特性的基本现象，在此基础上，Hou等[3]进一步研究，确认了循环回路中6种不同的流动模式。

　　Hui等[4]通过模化分析设计建造了大比例实验台架以研究开式自然循环系统的瞬态热工水力行为，指出系统瞬态行为与安全壳初始压力和空气质量分数密切相关。在数值计算分析方面，黄政[5]基于均相流模型建立了一维开式自然循环系统分析程序，利用牛顿迭代法求解，模拟了稳态运行及在事故工况下安全壳和PCS的瞬态响应过程，得到自然循环系统的流动换热特性。Guo等[6]基于两相均匀流模型开发了模拟PCS自然循环的瞬态计算程序，并对PCS的循环流量、压降、温度及传热系数等热工水力参数进行分析研究。宋代勇[7]基于均相流假设开发了PCS分析程序，分析了结构参数、运行参数和初始状态等对系统运行性能的影响。

　　白晋华等[8]等基于RELAP5程序从启动时间、运行工况的稳定性等方面对多种PCS设计方案进行了评价。由于均相流模型本身限制，某些工况下的计算结果不能真实反映系统特性及状态参量的变化，而漂移流模型能更好地反映系统特性[9]。不同于上述均相流模型，笔者针对开式自然循环系统，基于两相漂移流模型开发了分析程序，并采用RELAP5程序进行了初步验证，证明了程序的正确性和可靠性[10]。为进一步评估该分析程序的计算能力，本文基于HPR1000PCS性能综合实验装置对该程序进行实验验证。

　　1PCS性能综合实验

　　为考核PCS的排热能力、稳态运行特性和动态响应特性，并检验换热器的性能，HPR1000研发设计团队建立了PCS性能综合实验装置，该装置主要由安全壳模拟体、冷却水箱、自然循环回路、汽-气供应系统与数据测量和采集系统组成，其中安全壳模拟体用于模拟事故后安全壳的热工环境，其容积约为120m3。PCS换热器内置于安全壳模拟体，上升段、下降段、管路附属部件(如阀门等)及冷却水箱组成了自然循环回路。

　　实验装置运行压力与HPR1000原型PCS一致，采用1∶1的全压运行方式，从而消除实验装置模化过程中因运行压力不同而引入的偏差。装置所有的管道、阀门及换热器均采用与原型一致的材料，避免了因材料不同而引起的传热性能模化偏差。在高度比方面，实验装置采用了1∶1全高度的布置方式，从而使得在等压力等温差的条件下，装置与原型PCS内流体的循环驱动压头一致，避免因装置与原型系统存在高度差而引入的流动与传热模化偏差。

　　为了验证PCS的综合性能，根据事故后安全壳内典型的热工状态参数(压力、温度、组分等)，HPR1000研发设计团队开展了多个工况下的实验研究。实验通过模拟实际运行参数，从而考核PCS的排热能力、稳态运行特性和动态响应特性。这些实验研究一方面检验了PCS的性能，为系统与设备的设计改进及最终工程设计提供可靠的依据;另一方面，获取了足够的实验数据以验证PCS热工分析程序。

　　2计算模型

　　2.1传热模型与阻力模型

　　PCS-NCCP程序采用漂移流模型计算开式系统的两相自然循环能力，在传热计算和阻力计算部分内嵌了多种经验关系式。

　　2.2节点划分

　　以PCS性能综合实验装置中的PCS为对象建模，开展PCS-NCCP程序的验证。程序计算时，节点的划分会影响数值模拟的精度。在建模过程中，本文开展了节点敏感性分析。结果表明，其中的下降段1(竖直段)、下降段2(水平段)、换热器和水箱的节点划分数量对自然循环流动计算影响较小，而上升段的节点划分数量影响较大。其原因在于，实际运行中，下降段和换热器等部位为单相流体，而上升段则出现闪蒸，为两相流动状态。根据节点敏感性分析结果，最终将下降段1划分为11个节点，下降段2划分为7个节点。上升段1划分为19个节点，上升段2划分为13个节点。换热器划分为20个节点。水箱划分为5个节点。

　　3程序验证

　　根据PCS性能综合实验研究内容。其中设计验证工况为研发设计团队针对PCS性能验证制定的两个工况，非设计工况则在更宽广的实验参数范围内对PCS的性能进行了验证，这些工况均为准稳态情形。在从一个准稳态工况过渡到另一个准稳态工况时，实验操作人员动态 调整了实验条件，这一过程为瞬态，数采系统也记录了这些过程的参数变化情况。为研究PCS-NCCP程序的瞬态跟踪能力，在设计工况和非设计工况之外，也采用程序对某一瞬态过程进行了模拟验证。

　　3.1设计工况验证

　　第1设计工况用于模拟事故前期安全壳内高温高压的环境条件，第2设计工况用于模拟事故后期安全壳内温度压力相对较低、水蒸气份额较少的环境条件，两个设计工况的环境条件列于，实验采用氦气以代替模拟实际严重事故场景下的氢气。PCS-NCCP程序对第1设计工况的计算结果较为准确，功率计算误差为-5.81%，自然循环流量计算误差为2.72%。PCS-NCCP程序对第2设计工况的计算结果自然循环流量误差相对较大，功率计算误差为2.10%，自然循环流量计算误差为17.99%。

　　实验时，自然循环流量为直接测量量，误差为±0.3%;功率为导出量，经公式传播后，误差为±7%。实验采用了瞬态逼近稳态的思路，当一段时间内关注的物理参量不再发生较大波动时，即认为达到了一个稳态，在该时间段内平均得到流量与功率，这一处理过程存在一定不确定性，因此实验结果的误差应大于±7%。总体而言，PCS-NCCP程序对两个设计工况的模拟与实验结果符合较好。

　　3.2非设计工况验证

　　非设计工况涵盖了不同的压力和气体(水蒸气、空气和氦气)配比组合条件下的实验。对131个稳态工况进行验证，计算值与实验值之间的误差，计算值与实验值之间的绝大部分误差落均在±20%范围内。其中，误差落在10%范围以内的有81个，占总数据的62%，误差落在10%～20%的有33个，占总数据的25%，误差超过20%的有17个，占总数据的13%。

　　对数据进行分析发现，误差超过20%的工况均为低压工况。其原因在于，当冷凝罐内压力较高时，由于水蒸气的份额和混合气体的温度较高，换热器管外具有较高的冷凝换热系数，使系统有能力在回路出口附近维持稳定的闪蒸进程，因而系统的流量比较大，且流动稳定。而随着冷凝罐压力的降低，不可凝性气体的相对份额升高，换热器的冷凝换热系数显著下降，导致自然循环流动逐步发生周期性波动，且波动周期越来越长，回路中呈现两相流-单相流交替流动状态。从而增加了实验测量误差和计算误差。

　　3.3瞬态工况验证

　　采用PCS-NCCP程序对实验过程中的某一瞬态工况进行计算，安全壳模拟体内部初始压力为0.53MPa，温度为138℃，水蒸气体积份额为0.645，氦气体积份额为0.10，冷却水箱初始水位为4.22m。瞬态过程通过改变向模拟体内注入的水蒸气质量流量来调整壳内热工环境条件，由于计算模型不涉及到壳内热工水力响应计算，因此模拟时只需将数采系统记录的壳内热工环境参数作为边界条件输入计算模型即可。

　　PCS回路内自然循环流量及功率的计算值与实验值在整体趋势上吻合较好。说明PCS-NCCP程序能很好地模拟PCS的排热能力、稳态运行特性和动态响应特性。但实验过程中出现了两次明显的流量震荡现象，程序计算值跟踪了自然循环流量和PCS功率的变化趋势，试验过程中出现的流动不稳定性现象跟踪能力欠佳。

　　4结论

　　采用华龙一号PCS性能试验结果对华龙一号PCS程序(PCS-NCCP)进行验证，得出主要结论如下：1)PCS-NCCP程序能很好地模拟PCS的排热能力、稳态运行特性和动态响应特性;2)对于不同试验工况下，PCS-NCCP程序均能很好地跟踪实验的趋势和幅值变化，绝大部分计算误差落在±20%范围内;3)与实验中出现的流量大幅震荡现象相比，程序计算得到的现象并不显著，程序对于流量不稳定性现象的跟踪能力需进一步改进;4)该系统程序为事故条件下华龙一号安全壳内热工水力行为研究提供了有力保障。

　　参考文献：

　　[1]邢继.“华龙一号”：能动与非能动相结合的先进压水堆核电厂[M].北京：中国原子能出版社，2016：178.

　　[2]XIAOYan，FANGuangming，SUNZhongning.Studyonflowcharacteristicsinanopentwo-phasenaturalcirculationloop[J].AnnalsofNu-clearEnergy，2017，104：291-300.

　　[3]HOUXiaofan，SUNZhongning，FANGuang-ming，etal.Experimentalandanalyticalinvesti-gationontheflowcharacteristicsinanopennatu-ralcirculationsystem[J].AppliedThermalEngi-neering，2017，124：673-687.

　　[4]HUIKai，CHENWeixiong，LIShaodan，etal.Experimentalstudyontransientthermal-hydrau-liccharacteristicsofanopennaturalcirculationforthepassivecontainmentcoolingsystem[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2021，179：121680.

　　[5]黄政.基于自然循环回路的非能动安全壳冷却系统数值模拟[J].原子能科学技术，2014，48(增刊)：330-335.

　　作者：王辉1，邢继1，李精精1，王明军2