水分配裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

水分配裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1鋼安全殼非能動(dòng)冷卻設(shè)計(jì)非動(dòng)態(tài)托盤壓裂系統(tǒng)（pcs）是先進(jìn)壓力處理廠（ac600）非動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可見,在雙層安全殼之間的操作平臺(tái)上方環(huán)形空間內(nèi)設(shè)置有空氣導(dǎo)流板,在屏蔽廠房頂部設(shè)置有冷卻水貯存箱?？諝鈱?dǎo)流板將環(huán)形空間分隔為內(nèi)外兩側(cè)流道,冷空氣從混凝土屏蔽廠房上部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入環(huán)形流道的外側(cè),并向下流動(dòng),繞過(guò)空氣導(dǎo)流板底端的導(dǎo)流葉片后,又向上流入環(huán)形流道的內(nèi)側(cè),并經(jīng)空氣出口排向大氣。在核電站發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(如冷卻劑喪失事故或主蒸汽管道破裂事故)后,鋼安全殼內(nèi)的壓力和溫度逐漸升高,冷卻水依靠重力從屏蔽廠房頂部的冷卻水貯存箱流進(jìn)鋼安全殼穹頂上的水分配裝置中,在鋼安全殼外表面上形成均勻水膜以冷卻鋼安全殼,降低鋼安全殼內(nèi)部壓力和溫度,確保鋼安全殼結(jié)構(gòu)和功能的完整性。鋼安全殼非能動(dòng)冷卻主要采用水冷和空冷相結(jié)合的方式,而水分配裝置是實(shí)現(xiàn)鋼安全殼水冷的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。該裝置的作用是接受冷卻水,并將其均勻分布在鋼安全殼外壁四周,形成均勻水膜,冷卻鋼安全殼。本文將對(duì)水分配裝置的設(shè)計(jì)原則、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)等作簡(jiǎn)單介紹。2鋼安全殼內(nèi)水膜的分布根據(jù)PCCS系統(tǒng)功能要求,水分配裝置按以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì):(1)冷卻水流經(jīng)水分配裝置后,應(yīng)盡可能均勻地分布在鋼安全殼容器四周,并在容器壁上形成穩(wěn)定、均勻的水膜,并應(yīng)防止條狀或扇狀水流產(chǎn)生,從而避免在安全殼壁上產(chǎn)生干區(qū)。(2)鋼安全殼壁在初次潤(rùn)濕蒸發(fā)后,能夠比較容易地再次形成水膜。(3)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮制造、安裝、事故工況(冷卻水受熱沸騰)等對(duì)水均勻分配所造成的不利影響。3彎頂部位不凝結(jié)氣體對(duì)傳熱的影響事故發(fā)生后,安全殼容器內(nèi)大氣因自然對(duì)流作用,熱空氣/水蒸汽上升到容器上部,導(dǎo)致容器頂部(穹頂)位置處溫升明顯高于其它地方。通過(guò)程序計(jì)算,該處壁溫甚至高于常溫常壓下水的沸點(diǎn)。同時(shí),在事故發(fā)生一段時(shí)間后,彎頂部位也集聚有不凝結(jié)氣體(如氫氣)。由于其密度遠(yuǎn)低于容器上部的熱空氣,無(wú)法參與容器內(nèi)部的大氣循環(huán),不利于安全殼容器通過(guò)壁面向外傳熱。程序計(jì)算也顯示穹頂部位散熱所占份額較大。因此,在裝置設(shè)計(jì)中,既要避免由于穹頂溫度過(guò)高對(duì)水流分布的不利影響(如沸騰、干區(qū)等)和穹頂內(nèi)側(cè)不凝結(jié)氣體行為對(duì)散熱的不利影響,又要充分利用穹頂部位散熱有利于容器內(nèi)部自然對(duì)流以及穹頂散熱明顯的優(yōu)勢(shì),加速傳熱傳質(zhì)進(jìn)行。水分配裝置主要由穹頂水分配箱、兩道圍堰及相關(guān)結(jié)構(gòu)件組成。下面對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)單介紹。3.1安全殼體內(nèi)部阻燃整理穹頂水分配箱布置在鋼安全殼穹頂正中,呈圓柱筒體狀,該水分配箱以鋼安全殼穹頂為底部,筒體部分直接焊接在穹頂上。其作用是接收非能動(dòng)安全殼冷卻水貯存箱的冷卻水,并將其均勻分布在穹頂?shù)乃闹?。由于筒體部分直接焊接在穹頂上,這樣,一旦發(fā)生基準(zhǔn)事故,冷卻水即可迅速達(dá)到穹頂,直接冷卻鋼安全殼壁,并可通過(guò)圍水(水分配箱蓄水)不間斷地冷卻穹頂內(nèi)側(cè)的不凝結(jié)氣體,避免穹頂部位出現(xiàn)高溫過(guò)熱點(diǎn)。穹頂水分配箱周圍開有淹沒(méi)出流小孔(矩形槽孔)。淹沒(méi)出流小孔設(shè)計(jì)考慮了水表面張力對(duì)小孔溢流的影響,其開口尺寸按最小流量下淹沒(méi)出流要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。水分配箱上邊緣“V”形溢流口(每一淹沒(méi)出流小孔對(duì)應(yīng)一個(gè)“V”形溢流口)尺寸按最大給水流量設(shè)計(jì)?？紤]在事故發(fā)生后其它供水設(shè)施可直接向水分配箱供水,在“V”形溢流口上端設(shè)置了平溢流口(圖2)。這樣,即使在安全殼容器稍有偏斜(如制造偏差、軸向不均勻膨脹等)的情況下,也能滿足最小流量、最大流量和加大流量下水量均勻分配的要求。當(dāng)圓柱筒體水分配箱接受到的冷卻水達(dá)到一定水位時(shí),就向圍堰溢流。3.2緯向街邊中方段,采用“v”形溢流口,封頭與鋼安全殼內(nèi)b鋼安全殼穹頂上共設(shè)置了兩道結(jié)構(gòu)相似的圍堰,其目的是防止水流分配不均和出現(xiàn)干區(qū)。各圍堰均處于相同的水平高度,并將穹頂劃分為完全相同的多個(gè)扇形單元。每個(gè)扇形單元對(duì)應(yīng)一個(gè)淹沒(méi)出流小孔(從水分配箱溢流下來(lái)的水進(jìn)入到相應(yīng)的扇形單元內(nèi)),由徑向隔板、緯向隔板、集水箱和溢流槽組成。由于封頭為半橢球形,其穹頂部位的曲率半徑較大,而封頭邊緣區(qū)曲率半徑較小。因此,第二道圍堰緯向隔板比第一道圍堰緯向隔板要高。另外,考慮到冷卻水溢流在鋼安全殼壁上需流一段距離才能形成水膜,將第二道圍堰位置布置在離筒體與封頭連接處的一定高度位置。當(dāng)水位高于緯向隔板后,水就溢流入懸空集水箱,在此緩沖因鋼安全殼壁溫和重力作用所引起水流波動(dòng)。在該集水箱其余三個(gè)面上的同一高度開有相同的“V“形溢流口。該“V“形溢流口按最大流量要求設(shè)計(jì)。緩沖后的水流經(jīng)過(guò)這些溢流口進(jìn)入各自的懸空溢流槽。懸空溢流槽槽底標(biāo)高低于集水箱箱底標(biāo)高,以避免集水箱和溢流槽之間水流的相互影響。考慮加大水流量要求(如其它設(shè)備可用),在“V”形溢流口上部還設(shè)平溢流口。在懸空集水箱底部,如果不進(jìn)行冷卻,此干區(qū)將形成一過(guò)熱區(qū)。為消除這一現(xiàn)象,將接收前部“V“形溢流口冷卻水的溢流槽布置在集水箱下部(圖3)。各溢流槽仍開“V“形溢流口,但開口角度由于流量減少而變小,開口朝向內(nèi)側(cè)。同時(shí)在各溢流槽“V“形溢流口處設(shè)置導(dǎo)流弧段,以借助導(dǎo)流弧段的展布作用和水流的沖擊形成穩(wěn)定均勻水膜。3.3鋼安全殼水膜的形成為減少空氣/水蒸汽的流道阻力和導(dǎo)流板下端的干區(qū),焊接在安全殼壁上的導(dǎo)流板支撐桿按流線形設(shè)計(jì)。從第二道圍堰溢流的水經(jīng)過(guò)展布后,沿鋼安全殼壁向下流動(dòng),并在筒體部位形成薄薄的一層水膜,經(jīng)過(guò)一系列的傳熱行為(傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射、傳質(zhì))冷卻鋼安全殼。另外,由于容器涂料對(duì)水膜的形成至關(guān)重要。因此,除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中予以考慮外,還選擇了一種已經(jīng)試驗(yàn)證明的、能夠較好地促進(jìn)水膜形成和容器壁加熱蒸干后能再形成水膜的核級(jí)無(wú)機(jī)鋅涂料作為冷卻水流經(jīng)鋼表面的涂層。4水分配裝置設(shè)計(jì)的特點(diǎn)PCCS水分配裝置的設(shè)計(jì)是在進(jìn)行部分試驗(yàn)和程序計(jì)算分析的指導(dǎo)下開展的。其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)有:(1)裝置能在事故初期迅速對(duì)鋼安全殼進(jìn)行冷卻。如果將穹頂水分配箱懸吊在屏蔽廠房上,在事故發(fā)生初期,冷卻水流必須充滿水分配箱后才能向穹頂溢流。這樣,在事故發(fā)生后就不能迅速冷卻鋼安全殼,而且也容易在水分配箱下方形成干區(qū)?？紤]以上因素,將水分配箱直接焊接在鋼安全殼穹頂,既避免了上述情況的發(fā)生,也能有效地冷卻事故后在穹頂部位的不凝結(jié)氣體(如氫氣)。(2)裝置能在鋼安全殼外表面四周盡可能均勻地分配冷卻水。按屏蔽廠房頂部貯水箱水容量滿足72h的噴淋要求,分配到各扇形區(qū)域的水流量是有限的,如何使各扇形單元的水量分配均勻,是水分配裝置設(shè)計(jì)必須首先解決的問(wèn)題。而在水分配箱周壁按最小流量設(shè)置淹沒(méi)出流小孔,基本上能夠保證各分隔單元水量的基本均勻;如果事故后能夠人為加大水流量(啟動(dòng)給水泵等),設(shè)置的平溢流口能較好解決在此情況下水流量的均勻分配。而且,淹沒(méi)出流小孔和“V”形溢流口也能較好地解決制造、安裝和事故工況下可能出現(xiàn)的偏差對(duì)水流量均勻分配的不利影響。(3)裝置能最大限度地避免鋼安全殼冷卻過(guò)程中出現(xiàn)干區(qū)。事故發(fā)生后,安全殼內(nèi)熱空氣/水蒸汽上升,導(dǎo)致安全殼上封頭壁面溫度升高,較高的壁面溫度將直接影響水分配的效果(水體沸騰、水泡產(chǎn)生等),采用懸空結(jié)構(gòu)能夠避免這一問(wèn)題。將集水箱前側(cè)的“V”形溢流口所對(duì)應(yīng)的溢流槽布置在集水箱底下側(cè),溢流槽“V”形開口朝向圍堰一側(cè),更能有效冷卻鋼安全殼壁,避免集水箱下部產(chǎn)生干區(qū)。(4)裝置針對(duì)鋼安全殼散熱的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),能有效地促進(jìn)鋼安全殼的自然循環(huán)冷卻。布置在穹頂?shù)乃峙湎淠軌蛟谳^短時(shí)間內(nèi)冷卻鋼安全殼,又能對(duì)穹頂內(nèi)部的不可凝結(jié)氣體進(jìn)行長(zhǎng)期的冷卻,同時(shí)穹頂圍堰引起的大面積圍水能夠有效冷卻穹頂。因此,本裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,充分利用了穹頂部位散熱比較明顯的優(yōu)勢(shì)和自然循環(huán)的傳熱機(jī)理,有利于促進(jìn)安全殼內(nèi)、外氣體的自然循環(huán)。5事故工況初步分析結(jié)果裝置設(shè)計(jì)完成后,利用非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)三維分析程序PCCSAC-3D,對(duì)水分配裝置的結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)功能的效果,在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故冷段雙端斷裂大破口失水事故、熱段雙端斷裂大破口失水事故和主蒸汽管道斷裂事故工況下進(jìn)行了初步的驗(yàn)證分析。分析結(jié)果表明,該裝置能夠在事故發(fā)生后使鋼安全殼外表面達(dá)到較高的水膜覆蓋率,并在設(shè)計(jì)初期預(yù)計(jì)可能出現(xiàn)干區(qū)的地方均達(dá)到良好的水膜覆蓋效果。因此,當(dāng)事故初期鋼安全殼溫度升高較快時(shí),一旦系統(tǒng)投入運(yùn)行,利用本裝置就能夠有效地冷卻鋼安全殼,并能使各種事故后的峰值壓力和溫度均低于設(shè)計(jì)限值,保證了鋼安全殼在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下的安全可靠性和結(jié)構(gòu)完整性。由此可見,該裝置的設(shè)計(jì)是基本合理的。6設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證水分配裝置是先進(jìn)壓水堆核電站鋼安全殼非能動(dòng)冷卻的重要結(jié)構(gòu)之一。本裝置的設(shè)計(jì)以程序分析計(jì)算結(jié)果為