水分配裝置的設(shè)計與應(yīng)用

水分配裝置的設(shè)計與應(yīng)用

1鋼安全殼非能動冷卻設(shè)計非動態(tài)托盤壓裂系統(tǒng)（pcs）是先進壓力處理廠（ac600）非動態(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風(fēng)口進入環(huán)形流道的外側(cè),并向下流動,繞過空氣導(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)計基準事故(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。本文將對水分配裝置的設(shè)計原則、結(jié)構(gòu)設(shè)計和設(shè)計特點等作簡單介紹。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行設(shè)計:(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濕蒸發(fā)后,能夠比較容易地再次形成水膜。(3)設(shè)計中應(yīng)考慮制造、安裝、事故工況(冷卻水受熱沸騰)等對水均勻分配所造成的不利影響。3彎頂部位不凝結(jié)氣體對傳熱的影響事故發(fā)生后,安全殼容器內(nèi)大氣因自然對流作用,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。通過程序計算,該處壁溫甚至高于常溫常壓下水的沸點。同時,在事故發(fā)生一段時間后,彎頂部位也集聚有不凝結(jié)氣體(如氫氣)。由于其密度遠低于容器上部的熱空氣,無法參與容器內(nèi)部的大氣循環(huán),不利于安全殼容器通過壁面向外傳熱。程序計算也顯示穹頂部位散熱所占份額較大。因此,在裝置設(shè)計中,既要避免由于穹頂溫度過高對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)部自然對流以及穹頂散熱明顯的優(yōu)勢,加速傳熱傳質(zhì)進行。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。下面對裝置的結(jié)構(gòu)作簡單介紹。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)生基準事故,冷卻水即可迅速達到穹頂,直接冷卻鋼安全殼壁,并可通過圍水(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)高溫過熱點。穹頂水分配箱周圍開有淹沒出流小孔(矩形槽孔)。淹沒出流小孔設(shè)計考慮了水表面張力對小孔溢流的影響,其開口尺寸按最小流量下淹沒出流要求進行設(shè)計。水分配箱上邊緣“V”形溢流口(每一淹沒出流小孔對應(yīng)一個“V”形溢流口)尺寸按最大給水流量設(shè)計?？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。當圓柱筒體水分配箱接受到的冷卻水達到一定水位時,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扇形單元。每個扇形單元對應(yīng)一個淹沒出流小孔(從水分配箱溢流下來的水進入到相應(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。在該集水箱其余三個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。緩沖后的水流經(jīng)過這些溢流口進入各自的懸空溢流槽。懸空溢流槽槽底標高低于集水箱箱底標高,以避免集水箱和溢流槽之間水流的相互影響?？紤]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,如果不進行冷卻,此干區(qū)將形成一過熱區(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。從第二道圍堰溢流的水經(jīng)過展布后,沿鋼安全殼壁向下流動,并在筒體部位形成薄薄的一層水膜,經(jīng)過一系列的傳熱行為(傳導(dǎo)、對流、輻射、傳質(zhì))冷卻鋼安全殼。另外,由于容器涂料對水膜的形成至關(guān)重要。因此,除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計中予以考慮外,還選擇了一種已經(jīng)試驗證明的、能夠較好地促進水膜形成和容器壁加熱蒸干后能再形成水膜的核級無機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)計的特點PCCS水分配裝置的設(shè)計是在進行部分試驗和程序計算分析的指導(dǎo)下開展的。其主要設(shè)計特點有:(1)裝置能在事故初期迅速對鋼安全殼進行冷卻。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)計必須首先解決的問題。而在水分配箱周壁按最小流量設(shè)置淹沒出流小孔,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)能夠避免這一問題。將集水箱前側(cè)的“V”形溢流口所對應(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)裝置針對鋼安全殼散熱的特點進行設(shè)計,能有效地促進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^短時間內(nèi)冷卻鋼安全殼,又能對穹頂內(nèi)部的不可凝結(jié)氣體進行長期的冷卻,同時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)計上,充分利用了穹頂部位散熱比較明顯的優(yōu)勢和自然循環(huán)的傳熱機理,有利于促進安全殼內(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)計完成后,利用非能動安全殼冷卻系統(tǒng)三維分析程序PCCSAC-3D,對水分配裝置的結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)功能的效果,在設(shè)計基準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行了初步的驗證分析。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到較高的水膜覆蓋率,并在設(shè)計初期預(yù)計可能出現(xiàn)干區(qū)的地方均達到良好的水膜覆蓋效果。因此,當事故初期鋼安全殼溫度升高較快時,一旦系統(tǒng)投入運行,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)計限值,保證了鋼安全殼在設(shè)計基準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)計是基本合理的。6設(shè)計合理性驗證水分配裝置是先進壓水堆核電站鋼安全殼非能動冷卻的重要結(jié)構(gòu)之一。本裝置的設(shè)計以程序分析計算結(jié)果為