周楊平，郝鵬飛，李 富，石 磊，何 楓

（1.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084；2.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084）

2012年12月，作為國家科技重大專項的高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）在山東榮成正式開工建設(shè)。HTR-PM 是世界上首臺具備第4代核能系統(tǒng)安全特性的商用核電機組，具有熱效率高、固有安全性等特點。我國也在清華大學(xué)10MW高溫氣冷堆的基礎(chǔ)上，開展該示范工程的相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)的研發(fā)及驗證工作。

對于高溫氣冷堆，圓柱形堆芯活性區(qū)出口冷卻劑氦氣徑向溫度分布是不均勻的，存在溫度梯度，同時還存在旁流，與主流氦氣有更大的溫差。為保證蒸汽發(fā)生器部件技術(shù)上的可行性與安全，在冷卻劑氦氣進(jìn)入蒸汽發(fā)生器之前，在堆芯底部出口設(shè)置輻射狀流道、環(huán)形連箱以及與其連接的熱氣導(dǎo)管，對冷卻劑進(jìn)行充分的湍流混合。由于流道形狀的復(fù)雜性和雷諾數(shù)超過105的高度湍流，通常情況下難以用單純的數(shù)值計算方法準(zhǔn)確可靠地計算冷卻劑在堆底流道中的熱混合效果，而通過相應(yīng)的堆芯出口流道熱氣混合性能實驗裝置進(jìn)行模型驗證實驗［1-3］，以及結(jié)合相應(yīng)的模擬計算進(jìn)行分析［4］。

本工作在所建立的模型實驗臺架上進(jìn)行兩支路工況的系列實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理及分析。

1 模型實驗系統(tǒng)主要參數(shù)

根據(jù)理論分析和相似性分析，分析確定了堆芯出口熱氣混合實驗系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則和主要參數(shù)［5-6］。模型實驗系統(tǒng)與HTR-PM 的混合結(jié)構(gòu)的幾何比例為1∶2.5，模型實驗中采用空氣代替真實反應(yīng)堆中的氦氣作為流體介質(zhì)，因二者的Pr比較接近。模型實驗系統(tǒng)與HTRPM 實際混合結(jié)構(gòu)的主要熱工流體參數(shù)對比列于表1［5］。模型實驗系統(tǒng)中內(nèi)部混合結(jié)構(gòu)材料采用鋁合金（ZL101A）加工而成，鋁合金的密度、比熱及熱傳導(dǎo)系數(shù)等重要物理參數(shù)均與石墨相近，而且鋁合金具有重量輕、易于加工等特點，所以鋁合金材料（ZL101A）是替代石墨材料的較為合理的選擇。

2 模型實驗系統(tǒng)組成

根據(jù)實驗場地條件、市場調(diào)研和設(shè)計分析計算結(jié)果，確定了實驗系統(tǒng)總體布局（圖1）。整個實驗系統(tǒng)按照區(qū)域可劃分為3部分：風(fēng)機房、主實驗室、排氣室。

表1 模型實驗與HTR-PM 的相關(guān)參數(shù)對比Table 1 Comparison of parameters between model experiment and HTR-PM

圖1 實驗系統(tǒng)總體布局及組成Fig.1 Overall layout and composition of experiment system

2.1 風(fēng)機房

風(fēng)機房主要用來擺放風(fēng)機和變頻柜，并起到隔聲和過濾的作用，風(fēng)機房內(nèi)壁加裝保溫吸聲材料。風(fēng)機內(nèi)擺放3臺離心式風(fēng)機及3臺變頻器。其中兩臺大流量風(fēng)機分別為熱氣支路和冷氣支路提供流量，小流量風(fēng)機為漏流支路提供流量。風(fēng)機底部有減震墊，風(fēng)機出口與采用軟連接與管道相連，這些措施有利于衰減風(fēng)機的振動。為了保證熱氣聯(lián)箱及熱氣導(dǎo)管上的測量傳感器的安全和測量精度，從風(fēng)機出氣口流出的空氣不能含有較大的灰塵或其他固體顆粒，在風(fēng)機入口及風(fēng)機房的通風(fēng)窗上均安裝了過濾網(wǎng)。

2.2 熱氣混合實驗臺架及管道系統(tǒng)

整個實驗臺架系統(tǒng)分為進(jìn)氣管道系統(tǒng)、電加熱器、實驗臺架本體、熱氣導(dǎo)管、排氣管道系統(tǒng)和儀控系統(tǒng)6個部分（圖1）。除進(jìn)氣管道系統(tǒng)及排氣管道系統(tǒng)部分設(shè)備，熱氣混合實驗臺架安裝在主實驗室廠房內(nèi)。進(jìn)氣管道系統(tǒng)包括風(fēng)機、連接管道與閥門以及附屬設(shè)備（如電機、變頻器等）。進(jìn)氣管道系統(tǒng)主要有熱氣支路和冷氣支路：熱氣支路中常溫空氣從風(fēng)機出口經(jīng)過管道進(jìn)入大功率加熱器，加熱后經(jīng)實驗臺架本體上部的中心孔道進(jìn)入臺架本體；冷氣支路中常溫空氣從風(fēng)機出口經(jīng)過管道進(jìn)入小功率加熱器，不加熱（兩支路實驗不進(jìn)行加熱）并經(jīng)實驗臺架本體上部的中心孔道進(jìn)入臺架本體。冷熱支路空氣在實驗臺架本體混合后，從熱氣導(dǎo)管經(jīng)排氣管道系統(tǒng)進(jìn)入排氣室內(nèi)管道，最后從煙囪排出室外。基于兩臺計算機的儀控系統(tǒng)包括主控臺、相關(guān)就地控制設(shè)備、傳感器及其布線，主要用于實驗臺架的運行控制以及相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的測量和采集，計算機通過NI數(shù)據(jù)采集卡與相關(guān)探測器進(jìn)行連接。

2.3 實驗臺架本體

臺架本體是實驗系統(tǒng)的主體部分，它由上端蓋、外套筒、中間套筒、鋁塊通道和熱氣聯(lián)箱組成（圖2a）。上端蓋中間有1個大進(jìn)氣孔，熱氣支路的空氣由此進(jìn)入臺架本體，上端蓋四周有4個小氣孔，冷氣支路的空氣分4路進(jìn)入臺架本體，中間套筒的作用是將中間的熱氣和四周的冷氣隔開，外套筒外面包有保溫材料，并有測壓孔和測溫孔用來測量本體內(nèi)部的壓力和溫度分布。套筒和熱氣聯(lián)箱外壁采用不銹鋼板卷制和焊接制成。上端蓋和外套筒及外套筒和熱氣聯(lián)箱之間均采用法蘭連接。外套筒和內(nèi)部鋁合金構(gòu)件之間的縫隙采用耐高溫密封膠條進(jìn)行密封，防止低溫氣體從縫隙直接進(jìn)入熱氣聯(lián)箱。

圖2 實驗臺架本體Fig.2 Main body of experiment installation

鋁合金通道處于外套筒內(nèi)，由4層中間開槽的鋁合金組成，如圖2b所示。在通道的下面為呈花瓣狀分布的鋁合金混合組件，如圖2c所示?；旌辖M件置于熱氣聯(lián)箱內(nèi)，通過下面的鋁板與熱氣聯(lián)箱的底部連接。

2.4 熱氣導(dǎo)管

圖3為熱氣導(dǎo)管的三維設(shè)計圖，熱氣導(dǎo)管采用不銹鋼管道，兩端通過法蘭盤分別與熱氣聯(lián)箱出口和下游管道相連。在入口處安裝4支相互垂直的熱電偶組件，每只組件結(jié)構(gòu)主體為不銹鋼中空管，用來測量熱氣導(dǎo)管入口的溫度分布，在出口處安裝8支熱電偶組件用來測量熱氣導(dǎo)管出口的溫度分布，同時安裝在熱氣導(dǎo)管出口的皮托管（圖3右圖中管道上深灰色部分）用來測量出口處的速度分布。每個熱電偶支桿（外徑6mm）內(nèi)裝有5個T 型熱電偶，后面的導(dǎo)線直接與數(shù)據(jù)采集卡連接，可測量5個不同徑向位置的溫度。壓力傳感器與焊接在管道上的底座進(jìn)行螺紋連接并固定，用來測量管道及套筒內(nèi)的氣流靜壓。

圖3 熱氣導(dǎo)管Fig.3 Hot gas duct

2.5 測量系統(tǒng)

熱氣混合模型實驗中需要測量的熱工流體參數(shù)包括空氣流量、空氣溫度和壁面溫度、空氣壓力和空氣速度。表2列出了本實驗研究所用的各種傳感器的具體參數(shù)和數(shù)量。

在本實驗中對各種傳感器信號的測量有兩個特點：一是測量通道數(shù)多，總數(shù)超過160個，因此需將多個數(shù)據(jù)模塊組合起來應(yīng)用；另外本實驗對測量精度要求較高，特別是溫度測量，因此需選擇測量精度高的A／D 轉(zhuǎn)換模塊，本研究采用美國NI（National Instrument）公司的數(shù)據(jù)采集模塊及LabVIEW 軟件系統(tǒng)。

3 實驗及其結(jié)果

利用所設(shè)計和建立的HTR-PM 堆芯出口熱氣混合結(jié)構(gòu)模型實驗臺架，進(jìn)行了兩支路模型實驗，利用相應(yīng)測量系統(tǒng)進(jìn)行了熱工流體參數(shù)的數(shù)據(jù)測量和采集。

3.1 定流量變溫差實驗

該組實驗中熱氣支路流量和冷氣支路流量保持一定且大致相同，改變熱氣支路和冷氣支路的溫差（溫差為30～100℃，每次實驗的溫度變化間隔為10℃）。表3列出了在不同溫差條件下的實驗結(jié)果。

表2 實驗中所用的傳感器參數(shù)Table 2 Parameter of various sensors used in experiment

表3 定流量變溫差實驗結(jié)果Table 3 Experiment result with constant flow and variable temperature differences

以溫度為指標(biāo)的熱混合效率ηt 定義為：

式中：Δto為熱氣導(dǎo)管出口橫截面上各點空氣溫差，℃；Δti為實驗臺架本體入口熱氣支路與冷氣支路的溫差，℃。

圖4 熱混合效率隨入口溫差的變化Fig.4 Mixing efficiency vs inlet temperature difference

圖4為入口溫差與熱混合效率之間的關(guān)系。可看出，隨入流冷熱氣體溫差的增加，出口截面的空氣最大溫差增加，但熱混合效率變化并不明顯，基本保持在98%左右，說明冷熱流體經(jīng)過實驗臺架本體及熱氣導(dǎo)管后得到了很好的熱混合。

3.2 定溫差變流量實驗

在本組實驗中，保持熱氣支路空氣和冷氣支路空氣的溫差一定（100 ℃），通過調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速同時改變熱氣支路和冷氣支路的氣體流量，并保持冷熱氣支路的流量大致相等，每次流量變化約為額定流量的10%。表4 列出在不同流量條件下的實驗結(jié)果。圖5為熱混合效率與熱氣導(dǎo)管雷諾數(shù)的關(guān)系。熱混合效率隨雷諾數(shù)的變化并不明顯，基本保持在98%左右，說明冷氣流和熱氣流經(jīng)過實驗臺架本體及熱氣導(dǎo)管后得到了較好的熱混合。

表4 定溫差變流量實驗結(jié)果Table 4 Experiment result with constant temperature difference and variable flows

圖5 熱混合效率隨熱氣導(dǎo)管中空氣流量的變化Fig.5 Mixing efficiency vs air flow in hot gas duct

3.3 定溫差與總流量變流量比實驗

在本組實驗中，保持熱氣和冷氣的溫差一定（100 ℃），通過調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速同時改變熱氣和冷氣的流量比，并保持熱氣和冷氣的總流量一定（3.1kg／s）。表5列出在不同熱冷流量比條件下的實驗結(jié)果。圖6為熱混合效率與入口熱冷氣體流量比之間的關(guān)系。當(dāng)熱氣流量與冷氣流量的比值較小（0.25）時，最大溫差較高，其他工況最大溫差都在1.5℃左右。熱混合率基本保持在98%左右，說明冷氣流和熱氣流經(jīng)過實驗臺架及熱氣導(dǎo)管后得到了較好的熱混合。

3.4 實驗結(jié)果討論

從兩支路（熱氣支路及冷氣支路）的3個系列工況的實驗結(jié)果來看，包括定流量變溫差實驗、定溫差變流量實驗、定溫差與總流量變流量比實驗，全部實驗的熱混合效率均在98%左右，熱混合效率最低的為定流量變溫差實驗的第1個工況，熱混合效率為97.53%。根據(jù)目前HTR-PM 堆芯出口橫截面上最大溫差約為150 ℃，蒸汽發(fā)生器要求的入口橫截面的溫差在±15℃以內(nèi)，此時要求的熱混合效率為80%以上，因此，HTR-PM堆芯出口熱氣混合結(jié)構(gòu)的混合效率滿足熱混合的要求。

表5 定溫差與總流量變流量比實驗結(jié)果Table 5 Experiment result with constant temperature difference and total flow and variable flow ratios

圖6 混合效率隨流量比的變化Fig.6 Mixing efficiency vs flow ratio

如果考慮HTR-PM 有一定流量的堆芯旁流的漏流，并作保守的假設(shè)，假設(shè)完全未經(jīng)堆芯加熱的冷卻劑直接漏流到堆芯出口，此時的出口冷卻劑的最大溫差約為550 ℃，而蒸汽發(fā)生器要求的入口橫截面的溫差在±15 ℃以內(nèi)，此時要求的熱混合效率為94.5%，HTR-PM 的熱氣混合結(jié)構(gòu)也滿足要求。

同時，由于從熱氣導(dǎo)管出口到蒸汽發(fā)生器入口還有一段管道和部分腔室，冷卻劑會進(jìn)一步混合，這就說明，即使進(jìn)行保守的假設(shè)，從模型實驗的兩支路工況來看，HTR-PM 堆芯出口熱氣混合結(jié)構(gòu)的熱混合效率滿足要求。

4 結(jié)論

利用所設(shè)計和建立的HTR-PM 堆芯出口熱氣混合結(jié)構(gòu)模型實驗臺架，進(jìn)行了相應(yīng)的兩支路模型實驗，利用測量系統(tǒng)進(jìn)行了熱工流體參數(shù)的數(shù)據(jù)測量和采集。研究包括3個系列工況的實驗：定流量變溫差實驗、定溫差變流量實驗和定溫差與總流量變流量比實驗。利用采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)蒸汽發(fā)生器入口橫截面溫差的要求研究，結(jié)果表明：由于其模型實驗臺架在所有工況下的混合效率均在98%左右，兩支路工況下，HTR-PM 堆芯出口熱氣混合結(jié)構(gòu)的混合效率滿足混合要求。

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