曾　暢，趙　禹，段永強(qiáng)，于德勇

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川　成都　610041）

大亞灣核電站氫冷器冷卻水流量分析及改進(jìn)

曾暢，趙禹，段永強(qiáng)，于德勇

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041）

大亞灣核電站發(fā)電機(jī)4臺(tái)氫冷卻器在啟機(jī)階段及滿功率期間冷卻水流量分配不均，導(dǎo)致氫冷器氫溫差偏大，影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。文章采用CFX及Flowmaster對(duì)氫冷器冷卻水系統(tǒng)及阻力影響因素進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)處理方案。結(jié)果表明，仿真模型能較好地模擬系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況，提出的處理方案有效地解決了氫冷器冷卻水分配不均的問(wèn)題。

氫冷器；冷卻水系統(tǒng)；大亞灣核電站

發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)（GRH）的功能是利用常規(guī)島閉路冷卻水系統(tǒng)的水冷卻發(fā)電機(jī)內(nèi)循環(huán)的氫氣，以及勵(lì)磁機(jī)內(nèi)循環(huán)的空氣來(lái)冷卻。大亞灣核電站發(fā)電機(jī)4臺(tái)氫冷卻器在啟機(jī)階段及滿功率期間冷卻水流量分配不均，導(dǎo)致氫冷器冷氫溫差偏大，影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

文章對(duì)系統(tǒng)管路中影響流量分配的部件進(jìn)行了CFD分析，利用流體仿真軟件Flowmaster對(duì)氫冷器冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，并根據(jù)仿真結(jié)果提出了解決方案。

1　系統(tǒng)簡(jiǎn)介

發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣冷卻依賴裝在發(fā)電機(jī)兩端的4臺(tái)容量各為25%的冷卻器完成，冷卻器為管式熱交換器。常規(guī)島閉路冷卻水系統(tǒng)提供冷卻水，由GRH021VD調(diào)節(jié)設(shè)冷水總流量以便控制氫氣出口的溫度。常規(guī)島閉路冷卻水經(jīng)入口母管分配到4條支路，每條支路上1臺(tái)氫冷器，氫冷器的熱側(cè)為氫氣，冷側(cè)為冷卻水，冷卻水帶走氫冷器的熱量后匯總至出口母管，最后回流至常規(guī)島閉路冷卻水系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)如圖1所示。

根據(jù)核電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，機(jī)組正常運(yùn)行期間，氫冷器GRH401RF出口的氫氣溫度比其余3臺(tái)氫冷器GRH101RF～GRH301RF出口的氫氣溫度高3～5 ℃。初步判斷GRH401RF所在的支路阻力偏大引起流量偏低。可能導(dǎo)致流量分配不均的影響因素有支管長(zhǎng)度、母管結(jié)構(gòu)以及管道上設(shè)備阻力偏差等。

圖1　GRH系統(tǒng)流程示意圖Fig.1　Sketch of GRH system flow

2　控制方程

發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)為不可壓縮流體系統(tǒng)，在不考慮系統(tǒng)與環(huán)境傳熱的情況下，針對(duì)管路上單個(gè)設(shè)備建立的三維仿真計(jì)算模型，其流動(dòng)狀態(tài)滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程［1］。

（1）連續(xù)性方程：

（2）動(dòng)量守恒方程：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u為速度，m/s；p為平均壓力，Pa；t為時(shí)間，s；x為空間坐標(biāo)；μ為動(dòng)力黏度，Pa· s；S為源項(xiàng)；i、j為坐標(biāo)軸方向分量。

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，引入關(guān)于湍動(dòng)能（k）和湍動(dòng)耗散率（ε）的通用輸運(yùn)方程，與方程（1）和方程（2）構(gòu)成封閉方程組，其控制方程形式見(jiàn)參考文獻(xiàn)［2］。

3　問(wèn)題分析

采用超聲波流量計(jì)對(duì)各支管流量進(jìn)行了測(cè)量，并使用Flowmaster軟件，建立了氫冷卻器冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)仿真模型。計(jì)算結(jié)果表明，GRH401RF所在支管實(shí)測(cè)流量最低，與該氫冷卻出口氫氣溫度偏高的現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。

為比較各支管的阻力系數(shù)，采用流體力學(xué)經(jīng)典公式計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，4根支管的阻力系數(shù)基本一致，GRH401RF的出口流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較大，達(dá)到22.4%。分析認(rèn)為，其主要原因是仿真模型中對(duì)母管的模擬采用4個(gè)三通串聯(lián)進(jìn)行近似計(jì)算，但母管尺寸較大，支管間隔太短（母管直徑355.6 mm，支管直徑219.1 mm，支管間距500 mm，入口離支管700 mm），所以導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在較大的不確定度。

為獲取母管的流量分配特性，使用CFX軟件建立入口母管三維仿真模型。入口邊界采用平均速度入口條件；出口邊界認(rèn)為水流已充分發(fā)展，給定靜壓，并假設(shè)各支管出口靜壓相同；壁面邊界采用無(wú)滑移條件和標(biāo)準(zhǔn)壁面參數(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε不可壓縮模型，不考慮壁面與環(huán)境的傳熱，計(jì)算邊界條件如表1所示。

表1　母管邊界條件Table 1　Boundary condition of inlet main pipe

計(jì)算得到母管流速及靜壓分布圖如圖2、圖3所示。在假定各支管出口靜壓一致的情況下，各支管的流動(dòng)狀態(tài)存在著較大的區(qū)別。由于母管入口端離各支管較近，母管中水流在母管中未得到充分發(fā)展就進(jìn)入各支管，造成各支管流動(dòng)不穩(wěn)定，離入口越近，流動(dòng)越不穩(wěn)定。離入口較遠(yuǎn)的支管3、支管4入口處?kù)o壓較高，流速偏高，且支管流動(dòng)較穩(wěn)定；離入口較近的支管1、支管2入口處?kù)o壓較低，且流動(dòng)不穩(wěn)定，特別是支管1，由于離母管入口端過(guò)近，入口處部分流量對(duì)支管1進(jìn)行了直接沖擊，造成支管1內(nèi)流動(dòng)呈現(xiàn)螺旋上升。分析認(rèn)為，母管入口處離各支管過(guò)近造成流動(dòng)不穩(wěn)定，從而引起了支管流量的不均勻。

圖2　入口母管流速分布圖Fig.2　Velocity distribution map of inlet pipe

圖3　入口母管靜壓分布圖Fig.3　Static pressure distribution map of inlet pipe

4　系統(tǒng)改進(jìn)措施

4.1模型修正

由于入口母管結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通過(guò)CFD方法無(wú)法得到管網(wǎng)仿真模型所需的輸入?yún)?shù)，根據(jù)以上分析結(jié)果，考慮對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)修正，使用實(shí)測(cè)流量186.845 m3/h作為計(jì)算輸入，并適當(dāng)增加GRH401RF所在管路的阻力件，使支管計(jì)算值趨近實(shí)測(cè)值。

根據(jù)業(yè)主的要求，GRH101RF、GRH201RF、GRH301RF增加115.3 mm的孔板，使用Flowmaster自帶孔板模型，結(jié)合修正后的仿真模型，利用Flowmaster流量配平計(jì)算模塊進(jìn)行流量配平計(jì)算，GRH401RF所在支管上增加的孔板孔徑初步確定為122 mm。

4.2孔板校驗(yàn)

采用CFX對(duì)孔板進(jìn)行仿真分析，孔板模型按孔板前5倍管道內(nèi)徑，下游10倍管道內(nèi)徑進(jìn)行建模，以保證孔板下游流體壓力能得以恢復(fù)。模擬采用的邊界條件設(shè)置如表2所示。

計(jì)算得到額定工況下孔板速度流線圖及孔板附近壓力、速度分布曲線如圖4、圖5所示。仿真分析得到的結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，采用Flowmaster計(jì)算出來(lái)的孔板壓降最小，因此，采用Flowmaster計(jì)算的孔板孔徑將最保守，保證了后續(xù)優(yōu)化調(diào)整的適當(dāng)裕量。綜合以上分析，確定在GRH401RF所在管路上增加孔徑為122 mm的孔板。

表2　孔板邊界條件Table 2　Boundary condition of orifice

圖4　孔板速度分布圖Fig.4　Velocity distribution map of orifice

圖5　孔板壓降（軸向）分布曲線Fig.5　Pressure reduction distribtution map（axial）

表3　孔板計(jì)算壓降對(duì)比Table 3　Comparison of calculated pressure reduction of orifice

4.3改進(jìn)效果

機(jī)組大修期間，在GRH101RF～GRH301RF出口管路上安裝孔徑為1 1 5.3 m m孔板，GRH401RF出口管路安裝孔徑為122 mm的孔板后，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，建立的仿真模型能較好地對(duì)系統(tǒng)管路進(jìn)行模擬仿真，計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量誤差較小，改進(jìn)措施有效地解決了冷卻水分配不均的問(wèn)題。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大亞灣發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)流量分配不均的問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算分析，得到結(jié)論如下：

1）管路流量的不均勻主要因母管入口端離各支管較近，水流在母管中未得到充分發(fā)展，造成各支管流動(dòng)不穩(wěn)定，離入口距離越近，支管流動(dòng)越不穩(wěn)定。

2）建立的仿真模型能較好地對(duì)系統(tǒng)管路進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)在各支路安裝合適孔徑的孔板，實(shí)現(xiàn)了各支路流量的平衡。

［1］ 孔繁余，張洪利，高翠蘭，等. 基于流場(chǎng)數(shù)值模擬的磁力驅(qū)動(dòng)冷凝泵入口流動(dòng)分析［J］. 核動(dòng)力工程，2010，31（2）：37-41.（KONG Fan-yu， ZHANG Hong-li， GAO Cui-lan， et. al. Inlet Flow Analysis for the Magnetic Driven Condenser Pump Based on Flow Field Numerical Simulation［J］. Nuclear Power Engineering， 2010， 31（2）：37-41.）

［2］ 何寧，趙振興. 某水電站2號(hào)孔板泄洪洞水流三維數(shù)值模擬［J］. 水電站設(shè)計(jì)，2010，26（3）：36-38.（HE Ning， ZHAO Zhen-xing. 3D Nmerical Smulation of Water Flow at the Flood Release Orifice of 2# Orifice Plate of Certain Hydropower Plant ［J］. Design of Hydropower Plant， 2010， 26（3）：36-38.）

Analysis and Improvement of Cooling Water System for Hydrogen Cooler of Daya Bay NPP

ZENG Chang，ZHAO Yu，DUAN Yong-qiang，YU De-yong
（National Key Laboratory for Reactor System Design Techniques，Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China）

Cooling water unbalanced distribution in the four hydrogen coolers of the electric generator of Daya Bay NPP results in big hydrogen temperature difference，so that the steady operation of NPP is influenced. CFX and flowmaster are adopted to analyze the hydrogen cooler cooling water system and resistance force influence factor， then an improved project has been proposed. As the analysis results show，the simulation model could precisely simulate the practical system operation condition，the improved project could effectively solve the problem of cooling water unbalanced distribution in hydrogen coolers.

hydrogen cooler； cooling water system； Daya Bay NPP

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0117-04

TM623

A

1674-1617（2015）02-0117-04

2015-01-02

曾 暢（1985—），男，工程師，碩士，從事核動(dòng)力裝置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。