水分配装置的设计与应用

水分配装置的设计与应用

1钢安全壳非能动冷却设计非动态托盘压裂系统（pcs）是先进压力处理厂（ac600）非动态系统的重要组成部分。结构如图1所示。由图可见,在双层安全壳之间的操作平台上方环形空间内设置有空气导流板,在屏蔽厂房顶部设置有冷却水贮存箱。空气导流板将环形空间分隔为内外两侧流道,冷空气从混凝土屏蔽厂房上部的进风口进入环形流道的外侧,并向下流动,绕过空气导流板底端的导流叶片后,又向上流入环形流道的内侧,并经空气出口排向大气。在核电站发生设计基准事故(如冷却剂丧失事故或主蒸汽管道破裂事故)后,钢安全壳内的压力和温度逐渐升高,冷却水依靠重力从屏蔽厂房顶部的冷却水贮存箱流进钢安全壳穹顶上的水分配装置中,在钢安全壳外表面上形成均匀水膜以冷却钢安全壳,降低钢安全壳内部压力和温度,确保钢安全壳结构和功能的完整性。钢安全壳非能动冷却主要采用水冷和空冷相结合的方式,而水分配装置是实现钢安全壳水冷的关键结构件。该装置的作用是接受冷却水,并将其均匀分布在钢安全壳外壁四周,形成均匀水膜,冷却钢安全壳。本文将对水分配装置的设计原则、结构设计和设计特点等作简单介绍。2钢安全壳内水膜的分布根据PCCS系统功能要求,水分配装置按以下原则进行设计:(1)冷却水流经水分配装置后,应尽可能均匀地分布在钢安全壳容器四周,并在容器壁上形成稳定、均匀的水膜,并应防止条状或扇状水流产生,从而避免在安全壳壁上产生干区。(2)钢安全壳壁在初次润湿蒸发后,能够比较容易地再次形成水膜。(3)设计中应考虑制造、安装、事故工况(冷却水受热沸腾)等对水均匀分配所造成的不利影响。3弯顶部位不凝结气体对传热的影响事故发生后,安全壳容器内大气因自然对流作用,热空气/水蒸汽上升到容器上部,导致容器顶部(穹顶)位置处温升明显高于其它地方。通过程序计算,该处壁温甚至高于常温常压下水的沸点。同时,在事故发生一段时间后,弯顶部位也集聚有不凝结气体(如氢气)。由于其密度远低于容器上部的热空气,无法参与容器内部的大气循环,不利于安全壳容器通过壁面向外传热。程序计算也显示穹顶部位散热所占份额较大。因此,在装置设计中,既要避免由于穹顶温度过高对水流分布的不利影响(如沸腾、干区等)和穹顶内侧不凝结气体行为对散热的不利影响,又要充分利用穹顶部位散热有利于容器内部自然对流以及穹顶散热明显的优势,加速传热传质进行。水分配装置主要由穹顶水分配箱、两道围堰及相关结构件组成。下面对装置的结构作简单介绍。3.1安全壳体内部阻燃整理穹顶水分配箱布置在钢安全壳穹顶正中,呈圆柱筒体状,该水分配箱以钢安全壳穹顶为底部,筒体部分直接焊接在穹顶上。其作用是接收非能动安全壳冷却水贮存箱的冷却水,并将其均匀分布在穹顶的四周。由于筒体部分直接焊接在穹顶上,这样,一旦发生基准事故,冷却水即可迅速达到穹顶,直接冷却钢安全壳壁,并可通过围水(水分配箱蓄水)不间断地冷却穹顶内侧的不凝结气体,避免穹顶部位出现高温过热点。穹顶水分配箱周围开有淹没出流小孔(矩形槽孔)。淹没出流小孔设计考虑了水表面张力对小孔溢流的影响,其开口尺寸按最小流量下淹没出流要求进行设计。水分配箱上边缘“V”形溢流口(每一淹没出流小孔对应一个“V”形溢流口)尺寸按最大给水流量设计。考虑在事故发生后其它供水设施可直接向水分配箱供水,在“V”形溢流口上端设置了平溢流口(图2)。这样,即使在安全壳容器稍有偏斜(如制造偏差、轴向不均匀膨胀等)的情况下,也能满足最小流量、最大流量和加大流量下水量均匀分配的要求。当圆柱筒体水分配箱接受到的冷却水达到一定水位时,就向围堰溢流。3.2纬向街边中方段,采用“v”形溢流口,封头与钢安全壳内b钢安全壳穹顶上共设置了两道结构相似的围堰,其目的是防止水流分配不均和出现干区。各围堰均处于相同的水平高度,并将穹顶划分为完全相同的多个扇形单元。每个扇形单元对应一个淹没出流小孔(从水分配箱溢流下来的水进入到相应的扇形单元内),由径向隔板、纬向隔板、集水箱和溢流槽组成。由于封头为半椭球形,其穹顶部位的曲率半径较大,而封头边缘区曲率半径较小。因此,第二道围堰纬向隔板比第一道围堰纬向隔板要高。另外,考虑到冷却水溢流在钢安全壳壁上需流一段距离才能形成水膜,将第二道围堰位置布置在离筒体与封头连接处的一定高度位置。当水位高于纬向隔板后,水就溢流入悬空集水箱,在此缓冲因钢安全壳壁温和重力作用所引起水流波动。在该集水箱其余三个面上的同一高度开有相同的“V“形溢流口。该“V“形溢流口按最大流量要求设计。缓冲后的水流经过这些溢流口进入各自的悬空溢流槽。悬空溢流槽槽底标高低于集水箱箱底标高,以避免集水箱和溢流槽之间水流的相互影响。考虑加大水流量要求(如其它设备可用),在“V”形溢流口上部还设平溢流口。在悬空集水箱底部,如果不进行冷却,此干区将形成一过热区。为消除这一现象,将接收前部“V“形溢流口冷却水的溢流槽布置在集水箱下部(图3)。各溢流槽仍开“V“形溢流口,但开口角度由于流量减少而变小,开口朝向内侧。同时在各溢流槽“V“形溢流口处设置导流弧段,以借助导流弧段的展布作用和水流的冲击形成稳定均匀水膜。3.3钢安全壳水膜的形成为减少空气/水蒸汽的流道阻力和导流板下端的干区,焊接在安全壳壁上的导流板支撑杆按流线形设计。从第二道围堰溢流的水经过展布后,沿钢安全壳壁向下流动,并在筒体部位形成薄薄的一层水膜,经过一系列的传热行为(传导、对流、辐射、传质)冷却钢安全壳。另外,由于容器涂料对水膜的形成至关重要。因此,除了在结构设计中予以考虑外,还选择了一种已经试验证明的、能够较好地促进水膜形成和容器壁加热蒸干后能再形成水膜的核级无机锌涂料作为冷却水流经钢表面的涂层。4水分配装置设计的特点PCCS水分配装置的设计是在进行部分试验和程序计算分析的指导下开展的。其主要设计特点有:(1)装置能在事故初期迅速对钢安全壳进行冷却。如果将穹顶水分配箱悬吊在屏蔽厂房上,在事故发生初期,冷却水流必须充满水分配箱后才能向穹顶溢流。这样,在事故发生后就不能迅速冷却钢安全壳,而且也容易在水分配箱下方形成干区。考虑以上因素,将水分配箱直接焊接在钢安全壳穹顶,既避免了上述情况的发生,也能有效地冷却事故后在穹顶部位的不凝结气体(如氢气)。(2)装置能在钢安全壳外表面四周尽可能均匀地分配冷却水。按屏蔽厂房顶部贮水箱水容量满足72h的喷淋要求,分配到各扇形区域的水流量是有限的,如何使各扇形单元的水量分配均匀,是水分配装置设计必须首先解决的问题。而在水分配箱周壁按最小流量设置淹没出流小孔,基本上能够保证各分隔单元水量的基本均匀;如果事故后能够人为加大水流量(启动给水泵等),设置的平溢流口能较好解决在此情况下水流量的均匀分配。而且,淹没出流小孔和“V”形溢流口也能较好地解决制造、安装和事故工况下可能出现的偏差对水流量均匀分配的不利影响。(3)装置能最大限度地避免钢安全壳冷却过程中出现干区。事故发生后,安全壳内热空气/水蒸汽上升,导致安全壳上封头壁面温度升高,较高的壁面温度将直接影响水分配的效果(水体沸腾、水泡产生等),采用悬空结构能够避免这一问题。将集水箱前侧的“V”形溢流口所对应的溢流槽布置在集水箱底下侧,溢流槽“V”形开口朝向围堰一侧,更能有效冷却钢安全壳壁,避免集水箱下部产生干区。(4)装置针对钢安全壳散热的特点进行设计,能有效地促进钢安全壳的自然循环冷却。布置在穹顶的水分配箱能够在较短时间内冷却钢安全壳,又能对穹顶内部的不可凝结气体进行长期的冷却,同时穹顶围堰引起的大面积围水能够有效冷却穹顶。因此,本装置在结构设计上,充分利用了穹顶部位散热比较明显的优势和自然循环的传热机理,有利于促进安全壳内、外气体的自然循环。5事故工况初步分析结果装置设计完成后,利用非能动安全壳冷却系统三维分析程序PCCSAC-3D,对水分配装置的结构及其实现功能的效果,在设计基准事故冷段双端断裂大破口失水事故、热段双端断裂大破口失水事故和主蒸汽管道断裂事故工况下进行了初步的验证分析。分析结果表明,该装置能够在事故发生后使钢安全壳外表面达到较高的水膜覆盖率,并在设计初期预计可能出现干区的地方均达到良好的水膜覆盖效果。因此,当事故初期钢安全壳温度升高较快时,一旦系统投入运行,利用本装置就能够有效地冷却钢安全壳,并能使各种事故后的峰值压力和温度均低于设计限值,保证了钢安全壳在设计基准事故下的安全可靠性和结构完整性。由此可见,该装置的设计是基本合理的。6设计合理性验证水分配装置是先进压水堆核电站钢安全壳非能动冷却的重要结构之一。本装置的设计以程序分析计算结果为