王 凱 蔡創(chuàng)雄 何兆忠 陳 堃

硝酸鹽自然循環(huán)回路系統(tǒng)特性分析

王 凱 蔡創(chuàng)雄 何兆忠 陳 堃

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

硝酸鹽自然循環(huán)回路(Nitrate natural circulation loop, NNCL)是研究熔鹽自然循環(huán)特性的重要實(shí)驗(yàn)平臺，可為氟鹽冷卻高溫堆的非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證積累經(jīng)驗(yàn)。通過修改RELAP5/MOD4.0程序，對NNCL進(jìn)行了系統(tǒng)分析，分析了不同加熱功率、空氣流量和入口溫度等情況下的系統(tǒng)特性。結(jié)果表明，加熱功率和空氣流量是影響NNCL系統(tǒng)平衡溫度和質(zhì)量流量的重要因素，對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度和流量有很大影響；自然循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間較長，不同工況下需要8?27 h的穩(wěn)定時(shí)間；在空氣設(shè)計(jì)流量下，為了防止硝酸鹽因溫度過高而變質(zhì)或因溫度過低而凝結(jié)，加熱功率應(yīng)保持在20?40 kW。

自然循環(huán)，RELAP5/MOD4.0，非能動余熱排出，硝酸鹽

中國科學(xué)院釷基熔鹽核能系統(tǒng)研究中心(Center for Thorium-based Molten Salt Reactor System, TMSR中心)自2012年以來，在中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)的支持下開展了固態(tài)熔鹽堆的研究和設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，開展了一系列的實(shí)驗(yàn)回路建造和實(shí)驗(yàn)研究。硝酸鹽自然循環(huán)回路(Nitrate natural circulation loop, NNCL)是TMSR中心為研究熔鹽自然循環(huán)特性而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺。NNCL自然循環(huán)試驗(yàn)回路的目的在于研究非能動余熱排除系統(tǒng)的散熱能力，驗(yàn)證NNCL自然循環(huán)回路的設(shè)計(jì)，解決非能動余熱排出系統(tǒng)在待命、啟動以及穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可能遇到的問題。NNCL自然循環(huán)試驗(yàn)回路可以為氟鹽冷卻高溫堆非能動余熱排出系統(tǒng)[1?3]的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)輸入和積累經(jīng)驗(yàn)，并提供驗(yàn)證平臺。本文利用修改后的RELAP5/MOD4.0程序?qū)NCL系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分析硝酸鹽自然循環(huán)的特征以及功率、空氣流量、空氣入口溫度等對NNCL系統(tǒng)的影響，為實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)開展提供支持和指導(dǎo)。

1 NNCL系統(tǒng)簡介

NNCL由熔鹽池、雙熔鹽換熱器(DRACS (Direct Reactor Auxiliary Cooling System) heat exchanger, DHX)、空冷塔、空氣-硝酸鹽換熱器(Natural draft air-cooled heat exchanger, NDHX)、風(fēng)門、膨脹罐、減壓器、熔鹽注入系統(tǒng)、保護(hù)氣體系統(tǒng)等組成[4]。另外，在空冷塔底部裝有風(fēng)門和風(fēng)機(jī)，用于調(diào)節(jié)空氣流量，如圖1所示。電加熱器位于熔鹽罐底部，用于加熱罐中的熔鹽。

圖1 TMSR-SF1系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of TMSR-SF1.

NNCL系統(tǒng)加熱段(DHX)熔鹽吸收熱量，溫度升高，密度減小，沿管路上升，流入散熱段(NDHX)。熔鹽在散熱段被冷卻，密度增大，沿下降管段流回加熱段，再次被加熱，從而形成循環(huán)。該過程完全依靠對流、重力等自然規(guī)律形成。本文采用系統(tǒng)安全分析程序(RELAP5/MOD4.0)對NNCL自然循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行整體模擬和計(jì)算分析。

2 計(jì)算方法

本文采用系統(tǒng)安全分析RELAP5/MOD4.0程序進(jìn)行建模和計(jì)算，同時(shí)對程序作一定的修改，以保證模擬的準(zhǔn)確性。

2.1 程序簡介

RELAP5/MOD4.0是由Innovative System Software (ISS)開發(fā)的RELAP5系列中最新版的輕水堆瞬態(tài)分析程序，RELAP5程序于20世紀(jì)80年代逐漸開發(fā)，為美國核管會批準(zhǔn)的用于工程安全審評的核電站大型瞬態(tài)熱工水力分析程序，RELAP5程序采用一維、瞬態(tài)、雙流體、六方程水力學(xué)模型，可用于輕水堆系統(tǒng)安全及熱工水力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算分析[5]。

RELAP5程序廣泛應(yīng)用于輕水堆核電廠的系統(tǒng)安全分析，被用于對失水事故、未能緊急停堆的預(yù)計(jì)瞬態(tài)、給水喪失、失去場外電源和全廠斷電等輕水堆事故進(jìn)行模擬計(jì)算。RELAP5/MOD4.0相對于其他版本，增加了換熱模型的接口和更多的流體工質(zhì)特性，如FLiBe、Na、Pb-Bi等，但是該程序流體模型中并沒有硝酸鹽，也沒有適用于NDHX換熱器空氣側(cè)表面換熱系數(shù)的計(jì)算公式。

2.2 程序修改

根據(jù)上文所述，目前RELAP5/MOD4.0尚不能完全滿足NNCL系統(tǒng)分析的需要，因此本文對程序進(jìn)行了修改，包括：硝酸鹽物性和空氣表面換熱模型植入，使程序能夠適用于NNCL系統(tǒng)分析。

硝酸鹽物性的植入采用并行于程序原有流體模型的模式進(jìn)行修改，不破壞程序原有的結(jié)構(gòu)，包括飽和壓力、密度、比熱、內(nèi)能、焓、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、等溫膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù)[6?7]。

NNCL系統(tǒng)的熔鹽-空氣換熱器采用蛇形盤管結(jié)構(gòu)，本文將空氣側(cè)對應(yīng)的表面換熱系數(shù)也植入到RELAP5/MOD4.0程序中，空氣換熱系數(shù)計(jì)算公式為[4]：

式中，sT/sL為修正系數(shù)，sT/sL≤2，根據(jù)換熱管的設(shè)計(jì)修正系數(shù)取值為0.986；Res為雷諾數(shù)；Prs為基于空氣主流溫度的普朗特?cái)?shù)；Prw為基于壁面溫度的普朗特?cái)?shù)。

3 NNCL系統(tǒng)建模

3.1 NNCL系統(tǒng)基本參數(shù)

NNCL系統(tǒng)中DHX換熱器為蛇形盤管換熱器，共30根換熱管，NDHX換熱器的形狀與之類似，采用相同的換熱管道，但換熱管數(shù)目為15根。熔鹽池中有電加熱器，電加熱器功率最高可達(dá)40 kW，本文主要研究功率在20?40 kW NNCL自然循環(huán)系統(tǒng)的特性。表1給出了NCCL系統(tǒng)主要參數(shù)[4]。

表1 NNCL系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of NNCL system.

3.2 計(jì)算模型

RELAP5程序模擬NCCL系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示。系統(tǒng)主要包括：熔鹽池、硝酸鹽回路、空冷塔和膨脹罐。其中膨脹罐用于吸收和補(bǔ)償由于溫度升高和降低導(dǎo)致的硝酸鹽體積的變化，同時(shí)起到調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的作用。

3.2.1 系統(tǒng)阻力設(shè)置

根據(jù)NNCL系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]，本文將DHX換熱器和NDHX換熱器的局部阻力集中到出口，能量損失系數(shù)均設(shè)為27.0；將硝酸鹽回路中彎頭等部位的局部阻力等效到上部和下部的水平管的兩個(gè)接管處，能量損失系數(shù)均設(shè)為3.0。

3.2.2 初始條件設(shè)定

管道中DHX換熱器進(jìn)口到NDHX換熱器進(jìn)口之間的硝酸鹽初始溫度定為573.15 K；其他管道內(nèi)硝酸鹽設(shè)為543.15 K；壓力均為一個(gè)大氣壓力；空氣側(cè)壓力設(shè)為一個(gè)大氣壓力；同時(shí)不考慮管道散熱（管道包有保溫層）；將膨脹罐的壓力設(shè)為1.1×105Pa。

圖2 NNCL系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖Fig.2 Nodalization of NNCL system.

圖3 DHX換熱器進(jìn)/出口溫度Fig.3 Inlet and outlet temperature of DHX.

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

本文采用修改后的RELAP5/MOD4.0程序模擬：(1) 不同功率水平下，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；(2) 相同功率水平，不同空氣質(zhì)量流量下的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；(3) 相同功率水平和空氣質(zhì)量流量下，空氣入口溫度對系統(tǒng)的影響。

4.1.1 不同功率水平下NNCL系統(tǒng)運(yùn)行特性

本文計(jì)算研究在額定空氣流量(0.5 kg·s?1)下，加熱功率分別為20 kW、25 kW、30 kW、35 kW、40 kW時(shí)，NNCL系統(tǒng)的特性。圖3為額定空氣質(zhì)量流量下，從初始時(shí)刻到穩(wěn)態(tài)時(shí)DHX換熱器進(jìn)出口溫度的變化。圖4給出了穩(wěn)態(tài)時(shí)硝酸鹽回路的流量和DHX換熱器進(jìn)出溫差隨加熱功率的變化，表2列出了不同功率下，硝酸鹽系統(tǒng)溫度差和流量等參數(shù)。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，NNCL自然循環(huán)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間較長（本文計(jì)算結(jié)果顯示，不同的工況達(dá)到穩(wěn)定時(shí)約需要8?27h），且臨近穩(wěn)態(tài)時(shí)回路溫度變化量較小。

圖4 不同功率水平下硝酸鹽回路質(zhì)量流量(a)和溫差(b)Fig.4 Mass flow rate of nitrate salt loop (a) and temperature difference (b) between inlet and outlet of DHX at different power.

表2 不同功率下NNCL系統(tǒng)的主要運(yùn)行參數(shù)Table 2 Main parameters of NNCL at different power.

4.1.2 不同空氣流量下NNCL系統(tǒng)運(yùn)行特性

為了研究不同空氣流量下NNCL系統(tǒng)的運(yùn)行特性，本文分別模擬在加熱功率為20 kW、30 kW、40 kW時(shí)，不同空氣流量下NNCL自然循環(huán)的運(yùn)行特性。

圖5 不同空氣流量下硝酸鹽回路的質(zhì)量流量(a)和DHX換熱器進(jìn)出口溫差(b)Fig.5 Mass flow rate of nitrate salt loop (a) and temperature difference between inlet and outlet of DHX (b) at different air mass flow rate.

為了防止硝酸鹽溫度過高或過低，本文根據(jù)不同的功率水平選取不同的空氣流量作為研究對象。表3給出了不同空氣流量下對應(yīng)的NNCL硝酸鹽系統(tǒng)的主要參數(shù)。圖5給出了不同空氣流量對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)時(shí)硝酸鹽回路的質(zhì)量流量和DHX換熱器進(jìn)出口溫差。

表3 不同空氣流量下NNCL系統(tǒng)的主要運(yùn)行參數(shù)Table 3 Main parameters of NNCL at different air mass flow rate.

4.1.3 空氣進(jìn)口溫度對NNCL系統(tǒng)的影響

不同時(shí)間段的風(fēng)冷塔入口空氣溫度不相同，為了研究其對NNCL系統(tǒng)的影響進(jìn)行計(jì)算分析，本文選取加熱功率為20 kW，入口溫度分別為283.15 K、293.15 K、303.15 K、313.15 K、323.15 K、333.15 K。圖6為不同空氣進(jìn)口溫度下的硝酸鹽回路的質(zhì)量流量和DHX換熱器進(jìn)出口溫差。從圖6中可以看出，空氣入口溫度越高，回路流量越大，空氣入口溫度對回路溫差的影響較小，表4給出了不同空氣進(jìn)口溫度下NNCL系統(tǒng)運(yùn)行的詳細(xì)參數(shù)。

圖6 不同空氣進(jìn)口溫度下硝酸鹽回路質(zhì)量流量(a)和DHX換熱器進(jìn)出口溫差(b)Fig.6 Mass flow rate of nitrate salt loop (a) and temperature difference between inlet and outlet of DHX (b) at different air inlet temperature.

表4 不同空氣進(jìn)口溫度下NNCL系統(tǒng)的主要運(yùn)行參數(shù)Table 4 Main parameters of NNCL at different air inlet temperature.

4.2 分析與討論

電廠的電氣設(shè)備主要有變壓器、電氣主接線及廠用電、配電裝置、變電站設(shè)備等組成。由于電廠輸出電壓較高、電流較大的原因，其電氣設(shè)備安裝要求也相應(yīng)較高。設(shè)備質(zhì)量以及設(shè)備的選型、施工質(zhì)量等多方面決定了電廠的運(yùn)行安全。電廠電氣設(shè)備接線牢固度、正確性，變電設(shè)備接地線的安裝，設(shè)備固定螺絲的旋緊、電氣儀表設(shè)備固定架的焊接等等多方面都是影響供電質(zhì)量的因素，因此，在進(jìn)行電廠電器設(shè)備檢查與修理過程中，必須通過健全的檢修控制體系來對運(yùn)行的電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，保障電氣設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，加熱功率是影響NNCL系統(tǒng)運(yùn)行特性最重要的因素。功率的增加使得系統(tǒng)吸收的熱量變多，硝酸鹽系統(tǒng)的溫度以及溫差變大，溫差變大系統(tǒng)的驅(qū)動壓頭變大，同時(shí)硝酸鹽溫度升高，粘度降低，如圖7所示。系統(tǒng)的沿程阻力降低，從而使得回路的流量增加，如圖4所示。

從本文模擬結(jié)果看，加熱功率25 kW時(shí)整個(gè)系統(tǒng)建立自然循環(huán)平衡的時(shí)間是最佳的，當(dāng)然這有待于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

空氣流量對NNCL系統(tǒng)平衡時(shí)硝酸鹽的溫度有較大的影響，空氣流量越大則空氣帶走的熱量越多，NNCL回路中硝酸鹽的溫度也就越低，溫度降低導(dǎo)致硝酸鹽的粘度增大，系統(tǒng)的摩擦阻力也就變大，因此回路的流量降低，如圖5(a)所示。

圖7 硝酸鹽粘度隨溫度的變化Fig.7 Nitrate salt viscosity at different temperature.

在加熱功率恒定的情況下，根據(jù)能量守恒(式(2))，DHX換熱器的溫差同質(zhì)量流量和硝酸鹽比熱有關(guān)?？諝饬髁吭黾?，硝酸鹽回路流量減小，但同時(shí)由于硝酸鹽溫度下降，導(dǎo)致硝酸鹽比熱變大，見圖8。綜合所有因素，在30 kW和40 kW加熱功率下，空氣流量增加，溫差有一定程度的減少，而在20 kW加熱功率下，硝酸鹽回路溫差同空氣流量之間無明顯規(guī)律，如圖5(b)所示。

圖8 硝酸鹽比熱隨溫度的變化Fig.8 Nitrate salt heat capacity at different temperature.

式中，P為加熱功率；m為硝酸鹽回路質(zhì)量流量；ΔT為換熱器溫差；CP為硝酸鹽比熱。

空氣入口溫度對NNCL系統(tǒng)的穩(wěn)定有一定程度的影響，空氣入口溫度越高，硝酸鹽回路的整體溫度上升，因此粘度降低，摩擦阻力變小，流量相對增大。相對于空氣流量和加熱功率，空氣入口溫度對硝酸鹽回路的溫度影響較小，因此不同空氣入口溫度下，硝酸鹽回路的流量和溫差變化相對較小，如圖6所示。

本文通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，由于硝酸鹽的熔點(diǎn)較高(142 °C)，在風(fēng)冷塔冷卻能力過大或加熱功率過低的情況下硝酸鹽有凝結(jié)的可能，硝酸鹽的局部凝結(jié)會導(dǎo)致回路的堵塞，導(dǎo)致NNCL回路中硝酸鹽無法流動，無法將熔鹽罐內(nèi)熱量帶出，從而導(dǎo)致局部過熱，影響安全。同時(shí)也要防止功率過高或冷卻能力不足導(dǎo)致硝酸鹽溫度過高而失效。從模擬結(jié)果上可以看出，在額定空氣流量(0.5 kg·s?1)下，加熱功率為40 kW時(shí)，硝酸鹽溫度已經(jīng)達(dá)到688 K，接近變質(zhì)溫度(700 K)[6]，因此在額定空氣流量下(0.5 kg·s?1)，為了防止硝酸鹽溫度過高變質(zhì)，加熱功率應(yīng)保持低于40 kW，同時(shí)為了防止硝酸鹽凍結(jié)，保守考慮，在額定空氣流量下，加熱功率不得低于20 kW。

5 結(jié)語

(1) NNCL自然循環(huán)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間較長，且臨近穩(wěn)態(tài)時(shí)，回路溫度隨時(shí)間的變化量非常小。

(2) 加熱功率的增加會使得系統(tǒng)吸收的熱量變多，溫度升高，溫差變大，回路的流量增加。

(3) 在額定空氣流量下，為了防止溫度過低硝酸鹽凝結(jié)或溫度過高硝酸鹽變質(zhì)，加熱功率應(yīng)在20?40kW之間。

(4) 空氣流量越大，NNCL回路中硝酸鹽的溫度越低，同時(shí)回路的流量也越低。由于硝酸鹽回路溫差同回路的質(zhì)量流量和硝酸鹽比熱有關(guān)，在二者作用下，空氣流量對硝酸鹽回路溫差影響相對較小。

(5) 空氣入口溫度越高，硝酸鹽回路溫度越高，回路流量相應(yīng)增大。相對于加熱功率和空氣流量而言，空氣入口溫度對NNCL回路的影響較小。

本文分析了不同參數(shù)對NNC系統(tǒng)自然循環(huán)性能的影響，為實(shí)驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)，同時(shí)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果提出了實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的問題。

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7 HITEC heat transfer salt. Coastal Chemical Co., L.L.C.

CLC TL364.4

Characteristics analysis of nitrate salt natural circulation loop

WANG Kai CAI Chuangxiong HE Zhaozhong CHEN Kun
(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

Background: Nitrate salt natural circulation loop (NNCL) system is an important platform for studying molten salt natural circulation characteristic. And the foundation for the design and verification passive residual heat removal system in the fluoride slat-cooled high temperature reactor might be obtained in this platform. Purpose: This study aims to analyze characteristics of NNCL system under different heating power, air flow, etc. Methods: The RELAP5/MOD4.0 code was employed with modification of applicability for NNCL. Simulation was performed for the NNCL system under various running conditions. Results: The calculation results show that air flow has an important effect on NNCL mass flow rate and an inverse relationship with mass flow rate; the steady temperature and mass flow rate of NNCL will increase with the heating power and the steady mass flow rate of NNCL will decrease with the air inlet temperature; NNCL system needs a long time to get a steady state, about 8?27 h. In order to keep the nitrate salt in liquid and not deteriorate, power should be limited in 20?40 kW at the rated air mass flow rate. Conclusion: Heating power and air mass flow rate are the most important factors to effect of the NNCL steady state, which can influence the temperature and the mass flow rate of NNCL system.

Natural circulation, RELAP5/MOD4.0, Passive residual heat removal system, Nitrate slat

TL364.4

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.040602

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(No.XDA02050100)資助

王凱，男，1987年出生，2012年于華北電力大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要從事反應(yīng)堆安全分析

何兆忠，E-mail: hezhaozhong@sinap.ac.cn

2014-11-14，

2014-12-16