極端氣象條件對(duì)非能動(dòng)安全殼空氣冷卻系統(tǒng)換熱性能影響

王洪亮, 馮雨, 李云屹, 馬屹松, 于明銳, 劉卓, 韓旭, 郭強(qiáng), 元一單

(中國(guó)核電工程有限公司 中核核電安全嚴(yán)重事故研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100840)

2021年7月,模塊化小型壓水堆核電廠(ACP100)在海南昌江正式開工,成為全球首個(gè)開工的陸上商用模塊化小堆[1]。海南昌江核電廠位于海南省昌江縣海尾鎮(zhèn)塘興村,毗鄰北部灣;東北距海頭鎮(zhèn)約4.5 km,西南距海尾鎮(zhèn)約9.5 km,為典型的沿海丘陵臺(tái)地地貌;冬季以東北風(fēng)為主,夏季則主要盛行東南風(fēng)和西南風(fēng),年平均風(fēng)速3～5 m/s,主雨季;臺(tái)風(fēng)、暴雨、干旱是當(dāng)?shù)氐闹饕獨(dú)庀鬄?zāi)害。

環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對(duì)ACP100非能動(dòng)安全殼空氣冷卻系統(tǒng)(passive containment air cooling system,PAS)的運(yùn)行有著不可忽視的影響[2-5]：除常態(tài)化氣象條件下,PAS受到環(huán)境風(fēng)向角度和風(fēng)速條件的影響外,還可能遭到極端氣象(如臺(tái)風(fēng)、暴雨)產(chǎn)生的威脅,導(dǎo)致風(fēng)向飄忽不定、甚至可以與地面成一定傾角,因此產(chǎn)生了風(fēng)向傾斜;此外,由狂風(fēng)暴雨帶來的雜物,如樹枝、石子、海水等或是進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)損壞等情況,可能會(huì)導(dǎo)致某些方向的進(jìn)風(fēng)口堵塞。

本文通過在風(fēng)洞平臺(tái)內(nèi)搭建ACP100小比例模型,探究?jī)A斜風(fēng)和進(jìn)風(fēng)口阻塞條件對(duì)PAS運(yùn)行的影響;同時(shí)采用ANSYS FLUENT對(duì)ACP100原廠模型進(jìn)行數(shù)值模擬,旨在為ACP100的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)臺(tái)架與計(jì)算模型

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

ACP100試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑张c原型1∶126的比例采用鋁合金、不銹鋼等材料加工制成。將試驗(yàn)?zāi)Ｐ头胖迷陲L(fēng)洞平臺(tái)[6]內(nèi),開展極端氣象條件下PAS換熱性能影響研究。風(fēng)洞平臺(tái)內(nèi)將水平風(fēng)速設(shè)置為15 m/s,通過旋轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整ACP100試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠L(fēng)面、通過支撐板調(diào)整ACP100試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬A斜角度,以便模擬不同傾斜風(fēng)條件下各迎風(fēng)面所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)工況。圖1為ACP100試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D,模型底座設(shè)置有支撐架、支撐板。

圖1 ACP100試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽釬ig.1 ACP100 test model diagrammatic sketch

研究?jī)A斜風(fēng)條件對(duì)PAS換熱影響時(shí),調(diào)節(jié)支撐架與支撐板可以將ACP100試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬A角α調(diào)節(jié)至與水平面成0°～30°,從而模擬不同工況的傾斜風(fēng),圖2為各個(gè)進(jìn)風(fēng)口環(huán)境方位示意圖,配合風(fēng)洞平臺(tái)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)臺(tái),可以將ACP100試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿我庖幻嬲{(diào)節(jié)成迎風(fēng)面,從而模擬環(huán)境風(fēng)的不同風(fēng)向條件。在研究進(jìn)風(fēng)口阻塞條件對(duì)PAS換熱的影響時(shí),可將ACP100試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪M(jìn)風(fēng)口采用硅膠塞堵塞,從而模擬不同極端條件下的堵塞工況。

圖2 環(huán)境方位示意Fig.2 Environmental orientation diagrammatic sketch

1.2 計(jì)算模型

當(dāng)風(fēng)洞平臺(tái)內(nèi)的風(fēng)速為15 m/s時(shí),試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合[6];本文數(shù)值模擬研究采用與試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯肯嗤姆椒?建立ACP100原廠模型、各進(jìn)風(fēng)口阻塞模型,探究極端條件對(duì)PAS換熱性能的影響;圖3為各個(gè)進(jìn)風(fēng)廊道的模型結(jié)構(gòu)示意圖,當(dāng)以ACP100的PAS流道為研究對(duì)象時(shí),各個(gè)進(jìn)風(fēng)廊道的阻力系數(shù)在數(shù)值上大體相同[7],且數(shù)值關(guān)系為ξin,3≥ξin,1≥ξin,4≥ξin,2,因此阻塞1個(gè)進(jìn)風(fēng)口工況選取進(jìn)風(fēng)口3,阻塞2個(gè)進(jìn)風(fēng)口工況選取進(jìn)風(fēng)口1、3,阻塞3個(gè)進(jìn)風(fēng)口工況選取進(jìn)風(fēng)口1、3、4。

圖3 進(jìn)風(fēng)廊道結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Air inlet construction diagrammatic sketch

研究?jī)A斜風(fēng)條件對(duì)PAS換熱的影響時(shí),在原廠模型的基礎(chǔ)上,將風(fēng)向角度與水平面的夾角設(shè)置為0°～45°,計(jì)算間隔不大于9°;研究進(jìn)風(fēng)口阻塞條件以及傾斜風(fēng)與進(jìn)風(fēng)口阻塞條件耦合作用時(shí),依照選定的工況,分別阻塞各個(gè)進(jìn)風(fēng)廊道的進(jìn)風(fēng)口。圖4為ACP100進(jìn)風(fēng)口阻塞模型結(jié)構(gòu)示意圖,以阻塞1個(gè)進(jìn)風(fēng)口為例,進(jìn)風(fēng)廊道1、2、4保持不變,將進(jìn)風(fēng)廊道3的進(jìn)風(fēng)口阻塞,依照研究工況,分別改變環(huán)境風(fēng)向條件,從而研究進(jìn)風(fēng)口阻塞條件以及傾斜風(fēng)與進(jìn)風(fēng)口阻塞條件耦合作用對(duì)PAS換熱的影響。

圖4 ACP100進(jìn)風(fēng)口阻塞模型示意Fig.4 ACP100 inlet blockage model diagrammatic sketch

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

極端條件對(duì)PAS風(fēng)載荷性能影響試驗(yàn)研究將ACP100小比例模型放置與風(fēng)洞平臺(tái)內(nèi),設(shè)定風(fēng)速為15 m/s(誤差為±0.1 m/s);通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撞恐渭苁蛊渑c風(fēng)洞風(fēng)場(chǎng)成一定角度(0°～45°),同時(shí)對(duì)于不同研究工況,阻塞相應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口。

2.1 傾斜風(fēng)影響試驗(yàn)研究

各組傾斜風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果較為相似,以南向15°傾斜風(fēng)為例,闡述其進(jìn)出口壓力變化規(guī)律。如圖5所示,隨著風(fēng)速的增加,進(jìn)出口壓力逐漸減小且各個(gè)進(jìn)風(fēng)口壓力均大于出風(fēng)口壓力,表明在傾斜風(fēng)條件下環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對(duì)PAS換熱仍有利。

圖5 南向傾斜15°進(jìn)出口壓力隨環(huán)境風(fēng)速變化Fig.5 The air inlet and outlet pressure changing with south 15° pitched wind velocity diagrammatic sketch

2.2 進(jìn)風(fēng)口阻塞影響試驗(yàn)研究

分別進(jìn)行各個(gè)進(jìn)風(fēng)口阻塞試驗(yàn),阻塞1個(gè)進(jìn)風(fēng)口工況選取進(jìn)風(fēng)口3,阻塞2個(gè)進(jìn)風(fēng)口工況選取進(jìn)風(fēng)口1、3,阻塞3個(gè)進(jìn)風(fēng)口工況選取進(jìn)風(fēng)口1、3、4,得到北風(fēng)條件試驗(yàn)結(jié)果如圖6。

隨著風(fēng)速的增加,進(jìn)出口壓力逐漸減小,盡管進(jìn)出口壓差絕對(duì)值有一定的減小,但是各個(gè)進(jìn)風(fēng)口的壓力仍大于出風(fēng)口壓力;然而,對(duì)于堵塞工況下PAS流道流量明顯減小的情況,進(jìn)風(fēng)口壓力大于出風(fēng)口只能表明堵塞工況條件下能夠建立循環(huán),未出現(xiàn)逆流或旁通現(xiàn)象。此外,堵塞工況對(duì)PAS換熱能力的影響尚未可知。

2.3 傾斜風(fēng)、進(jìn)風(fēng)口阻塞耦合影響試驗(yàn)研究

對(duì)于傾斜風(fēng)與進(jìn)風(fēng)口阻塞耦合的影響試驗(yàn),仍以南風(fēng)風(fēng)向?yàn)槔?阻塞1、3、4這3個(gè)進(jìn)風(fēng)口,得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚉AS進(jìn)出口壓力。圖7為南風(fēng)傾斜15°、阻塞3個(gè)進(jìn)風(fēng)口,不同風(fēng)速條件下試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚉AS進(jìn)出口壓力變化關(guān)系示意圖,隨著環(huán)境風(fēng)速的增加,各個(gè)進(jìn)出口壓力逐漸減小,雖然出風(fēng)口壓力與進(jìn)風(fēng)口的壓差較小,但是各個(gè)進(jìn)風(fēng)口壓力仍大于出風(fēng)口壓力,表明該環(huán)境風(fēng)場(chǎng)條件下,PAS可以建立循環(huán)條件。

圖7 阻塞工況南向傾斜15°進(jìn)出口壓力隨環(huán)境風(fēng)速變化Fig.7 The diagrammatic sketch of air inlet and outlet pressure changing with south 15° inclined wind velocity for inlet blockage conditions

3 計(jì)算結(jié)果及分析

采用Ansys Fluent[8-9]對(duì)ACP100原廠模型進(jìn)行數(shù)值模擬,從而探究極端條件對(duì)PAS換熱的影響規(guī)律,為工程應(yīng)用提供參考。極端條件對(duì)PAS風(fēng)載荷性能影響計(jì)算依然遵循保守性原則[10],環(huán)境空氣溫度假設(shè)為45 ℃,鋼殼外表面采用定壁溫條件設(shè)置為130 ℃[11],環(huán)境風(fēng)速設(shè)定為15 m/s,計(jì)算忽略空氣濕度及輻射換熱的影響;采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和自適應(yīng)性網(wǎng)格相結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格,通過網(wǎng)格敏感性分析確定不同計(jì)算工況對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格總數(shù)分布區(qū)間為600～1 100萬(wàn)。

3.1 傾斜風(fēng)、進(jìn)風(fēng)口阻塞耦合影響試驗(yàn)研究

研究?jī)A斜風(fēng)對(duì)PAS換熱性能影響時(shí),選定的環(huán)境風(fēng)與水平面的傾斜角度范圍為0°～45°,且計(jì)算間隔不大于9°?？紤]到風(fēng)向角度的影響,每個(gè)傾斜角度均選取4個(gè)主方向,即北、南、東、西風(fēng);鋼殼總換熱功率P由鋼殼頂部換熱功率Pt、鋼殼中部換熱功率Pm、鋼殼底部換熱功率Pb共3個(gè)部分組成。

圖8為不同傾斜風(fēng)條件下PAS換熱功率計(jì)算結(jié)果：當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為15 m/s、各傾斜風(fēng)角度條件下,PAS換熱功率均較無(wú)風(fēng)條件下增強(qiáng),增強(qiáng)范圍為11.3%～33.9%;各風(fēng)向條件下(北、南、東、西風(fēng)),鋼殼頂部、中部、底部功率隨傾斜風(fēng)角度變化趨勢(shì)大體相同;當(dāng)傾斜風(fēng)角度在12.5°～17.5°時(shí),PAS總換熱功率增幅最小。

圖8 PAS換熱功率隨傾斜風(fēng)角度變化示意Fig.8 The diagrammatic sketch of PAS heat exchange power changing with pitched wind angel

3.2 進(jìn)風(fēng)口阻塞對(duì)PAS換熱性能影響分析

與進(jìn)風(fēng)口阻塞試驗(yàn)相同,進(jìn)風(fēng)口阻塞對(duì)PAS換熱性能影響計(jì)算中,阻塞1個(gè)進(jìn)風(fēng)口工況依然選取進(jìn)風(fēng)口3,阻塞2個(gè)進(jìn)風(fēng)口工況選取進(jìn)風(fēng)口1、3,阻塞3個(gè)進(jìn)風(fēng)口工況選取進(jìn)風(fēng)口1、3、4,得到北、南、東、西風(fēng)4個(gè)主風(fēng)向條件下PAS換熱功率。圖9為不同阻塞條件下PAS換熱功率變化示意圖：在環(huán)境風(fēng)速為15 m/s時(shí)、堵塞1、2個(gè)進(jìn)風(fēng)口條件下,相對(duì)于無(wú)風(fēng)條件PAS換熱功率仍是增強(qiáng)的,即環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對(duì)PAS換熱是有利的;在環(huán)境風(fēng)速為15 m/s、堵塞3個(gè)進(jìn)風(fēng)口條件下,相對(duì)于無(wú)風(fēng)條件東西風(fēng)向的PAS換熱功率仍是增強(qiáng)的,而南北風(fēng)向的PAS換熱功率削弱約4.5%,即環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對(duì)PAS換熱是不利的。

圖9 不同阻塞條件下PAS換熱功率變化示意Fig.9 PAS heat exchange power changing with the inlets blocking conditions diagrammatic sketch

3.3 傾斜風(fēng)、進(jìn)風(fēng)口阻塞耦合條件對(duì)PAS換熱性能影響分析

由于北、南風(fēng)對(duì)進(jìn)風(fēng)口阻塞條件下PAS換熱影響較大,因此研究耦合條件影響時(shí),選取北風(fēng)為主風(fēng)向、阻塞1、3、4進(jìn)風(fēng)口,得到不同傾斜風(fēng)角度PAS換熱功率。如圖10所示,在傾斜風(fēng)、進(jìn)風(fēng)口阻塞耦合條件下,環(huán)境風(fēng)對(duì)PAS換熱功率的影響更加明顯,相對(duì)無(wú)風(fēng)條件PAS換熱功率最大削弱7.7%;由于進(jìn)風(fēng)口阻塞的影響,鋼殼中部、頂部換熱功率趨于穩(wěn)定,鋼殼底部換熱功率影響較大,進(jìn)而影響PAS換熱功率的趨勢(shì)走向。

圖10 耦合條件下PAS換熱功率隨傾斜風(fēng)角度變化示意Fig.10 The diagrammatic sketch of PAS heat exchange power changing with pitched wind angel by coupling conditions

4 結(jié)論

1)傾斜風(fēng)條件下,試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果均表明環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對(duì)PAS換熱是有利的。

2)進(jìn)風(fēng)口阻塞條件下,試驗(yàn)結(jié)果表明PAS循環(huán)條件可建立,無(wú)倒流或旁通現(xiàn)象,數(shù)值模擬結(jié)果表明,環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對(duì)PAS換熱可能會(huì)出現(xiàn)不利的情況,相對(duì)無(wú)風(fēng)條件最大削弱約4.5%。

3)傾斜風(fēng)、進(jìn)風(fēng)口阻塞耦合條件下,試驗(yàn)結(jié)果表明PAS仍可建立循環(huán)條件,數(shù)值模擬結(jié)果顯示環(huán)境風(fēng)對(duì)PAS換熱功率的影響更加明顯,相對(duì)無(wú)風(fēng)條件PAS換熱功率最大削弱7.7%。