程會方　蘇夏　桂璐廷

【摘要】某壓水堆核電站設置了乏燃料池噴淋系統(tǒng)，應對極端事故工況下乏燃料池水排空和乏燃料裸露。為保證噴淋系統(tǒng)能夠覆蓋整個乏燃料池表面區(qū)域，并且提供足夠的冷卻流量，需對噴嘴進行合適的選型并深入研究其噴淋特性，在此基礎(chǔ)上開展噴淋系統(tǒng)的設置，包括噴嘴數(shù)量、間距、安裝角、扭轉(zhuǎn)角等。文章對選定的分體式離心噴嘴的性能進行了試驗研究，分析了高度、流量、扭轉(zhuǎn)角等關(guān)鍵因素對其噴淋流量密度分布特性的影響，試驗和分析結(jié)果為乏燃料池噴淋系統(tǒng)的設計提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】噴淋；離心式噴嘴；流量密度

1、背景

某壓水堆核電站設置了乏燃料池噴淋系統(tǒng)，以應對極端事故導致的池水排空、乏燃料組件裸露。在乏燃料池的東、西兩側(cè)墻上沿長度方向分別設置了一套噴淋管嘴，通過噴淋來冷卻乏燃料[1][2]。噴淋系統(tǒng)的設計應能保證噴淋能夠覆蓋整個乏燃料池表面區(qū)域，并且提供足夠的噴淋流量密度（單位面積上的有效噴淋流量，單位（m3/h）/m2）來帶走乏燃料組件產(chǎn)生的衰變熱，以保證燃料安全。單噴嘴的噴淋性能將直接影響到整個噴淋系統(tǒng)的設計，因此，本文結(jié)合系統(tǒng)設計要求對噴嘴進行了初步的試驗選型，并對選定的分體式離心噴嘴的噴淋特性開展了重點研究，分析噴淋高度、流量和扭轉(zhuǎn)角幾個因素對噴淋流量分布特性的影響，為乏燃料池噴淋系統(tǒng)的設計提供數(shù)據(jù)支撐和指導建議。

2、試驗介紹及噴嘴選型

2.1試驗介紹

測定噴嘴噴淋的流量密度分布特性在國內(nèi)尚屬首次，試驗臺架設計如圖2-1所示。在地面上噴淋覆蓋范圍內(nèi)以25cm×25cm的尺寸劃分試驗方格，并間隔擺放直徑為250mm的收集桶，該尺寸與單個乏燃料組件格架的截面尺寸相當，相鄰桶之間橫向縱向的間距均為500mm，空白單元格的噴淋流量按照周圍四個方格的流量平均值獲得。

水槽中的水經(jīng)過濾器3進入液泵1，為了保證管路的安全性，待旁通管路5出口水流穩(wěn)定后，同時打開常開電磁閥4和常閉電磁閥10的開關(guān)，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥2使流量達到各試驗工況要求的值后，開始擺桶收集噴淋流量。試驗結(jié)束后，用電子秤按集液桶的擺放順序稱重并記錄在表格中。

2.2噴嘴選型

對于乏燃料池噴淋系統(tǒng)的設計而言，噴淋覆蓋面積和噴淋流量密度是最關(guān)鍵的兩個指標。因此，單噴嘴的噴幅應滿足乏燃料池的寬度要求，且霧化顆粒不會在到達乏燃料組件之前因環(huán)境高溫直接蒸發(fā)，而是直接降落到燃料組件上，以足夠的流量密度保證其冷卻效果。根據(jù)噴嘴的功能和技術(shù)參數(shù)，本文以旋水心式離心噴嘴、整體式離心噴嘴和分體式離心噴嘴為試驗對象，首先進行了噴幅和霧化粒徑的測定。結(jié)合乏燃料池噴淋系統(tǒng)的設計要求，在額定壓力0.3MPa、噴淋高度大于7.8m時，噴嘴流量應達到5～5.7m3/h，噴幅應達到6.4m。本文根據(jù)試驗結(jié)果，選取了性能指標能夠滿足上述要求的分體式離心噴嘴，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-2。

該噴嘴的工作原理是：液體在壓力的作用下通過噴嘴入口加速并進入旋流室，在離心力作用下充分旋轉(zhuǎn)，再從噴口（收斂通道）內(nèi)加速噴出空心擴散錐狀液膜，利用液體與外界空氣的高速差而破碎、霧化。由于軸向速度受到自身結(jié)構(gòu)形式的限制，試驗測得該噴嘴的霧化粒徑大約為800～1400μm，液體能夠直接噴射到乏燃料組件上而提供充分的冷卻。

3、噴嘴性能分析

噴嘴的流量分布特性受自身結(jié)構(gòu)設計、噴淋高度、角度、流量等多重因素的影響，本文基于2.2節(jié)選定的噴嘴型號，重點開展了高度、流量和扭轉(zhuǎn)角的敏感性試驗和分析，研究其流量密度分布規(guī)律，噴淋覆蓋區(qū)域坐標示意圖見圖3-1。

3.1高度敏感性分析

在表3-1的試驗條件下，噴嘴在7.8m、8.4m和9m高度下X=0m（噴嘴中心線）及Y=3.25m（約1/2噴幅）的噴淋流量密度分布曲線如圖3-2。

由試驗結(jié)果可以看出，該噴嘴在3個不同高度下X=0m以及Y=3.25m的流量密度整體分布趨勢基本相同，說明當噴淋高度大于7.8m時，已處于噴幅和流量分布都相對穩(wěn)定的噴淋區(qū)域。但在此高度范圍內(nèi)，隨著噴淋高度的增加，流量密度的峰值沿縱向存在一定程度的偏移：當H=7.8m時，峰值出現(xiàn)在0.45m處；當H=9m時，峰值出現(xiàn)在0.95m處，向外擴展了0.5m，即兩個單元格的距離。

另外，從縱向分布曲線走勢可以看出，流量密度在靠近噴嘴處出現(xiàn)峰值，隨后急劇下降，在Y=2.75m附近出現(xiàn)空心區(qū)，之后流量密度沿縱向有一定的回升，直到噴幅邊緣處又下降。結(jié)合橫向分布曲線以及H=8.4m的流量分布色階圖（圖3-3），可以看出空心區(qū)域大致位于噴淋覆蓋區(qū)域的中心處，且噴嘴右側(cè)的平均流量密度是左側(cè)的大約2倍。該分布特性跟噴嘴的離心結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，水流經(jīng)旋轉(zhuǎn)后形成空心錐狀液膜，在靠近噴嘴處與空氣碰撞后快速破碎并形成液滴降落。在離心力的作用下，左右兩側(cè)的分布也呈現(xiàn)出顯著的不均勻性。

因此，在開展乏燃料池噴淋系統(tǒng)設計時，應結(jié)合工程實際，盡量選取H≥7.8m的噴淋高度，以獲得最大的噴幅及穩(wěn)定的流量密度分布；相鄰噴嘴間距的設置應充分考慮消峰減谷的效應，減小空心區(qū)及不對稱性對整體流量密度分布的影響。

3.2流量敏感性分析

在表3-2的試驗條件下，噴嘴在5m3/h、5.5m3/h和6m3/h流量下X=0m及Y=3.25m的噴淋流量密度分布曲線如圖3-4。

噴嘴在不同流量下的橫向和縱向流量密度分布整體趨勢與3.1節(jié)的分析結(jié)果相似，峰值和空心區(qū)的現(xiàn)象仍然存在。隨著噴淋流量的增大，噴淋流量密度的峰值有所增加；且因入口壓力增大，出口處的噴射速度增大，液體能夠到達更遠的距離，因此峰值沿縱向有小幅度的外擴。另外，空心區(qū)域隨流量的增加逐漸收縮，且最小流量密度也有所增大，在Y=3.75m～6.5m范圍內(nèi)流量密度曲線漸趨展平，即此區(qū)域內(nèi)的流量分布漸趨均勻。

在噴淋水源確定的條件下，應盡量減小管路阻力，優(yōu)化乏燃料池噴淋系統(tǒng)的布置方案，獲得更大的有效噴淋流量。

3.3扭轉(zhuǎn)角敏感性分析

在表3-3的試驗條件下，噴嘴在0°、15°、30°和45°扭轉(zhuǎn)角下Y=1m及Y=3.25m的噴淋流量密度分布曲線如圖3-5。

不同扭轉(zhuǎn)角下的噴淋流量密度分布情況差別較大，比較Y=1m和Y=3.25m的流量密度分布曲線可以看出，當扭轉(zhuǎn)角θ≥30°時，噴淋流量向靠近噴嘴的一側(cè)集中，在5m3/h的噴淋流量下，1/2噴幅處的流量密度基本降至0.1（m3/h）/m2以下，這對乏燃料池內(nèi)與噴嘴縱向距離較遠的燃料組件冷卻而言是極其不利的，因此在開展噴淋系統(tǒng)的布置設計時應盡量避免使用≥30°的扭轉(zhuǎn)角。

4、結(jié)論

通過試驗研究及分析，選取了適用于該核電項目乏燃料池噴淋系統(tǒng)的分體式離心噴嘴，并針對性的開展了高度、流量和扭轉(zhuǎn)角敏感性分析，主要結(jié)論如下：（1）分體式離心式噴嘴在特定噴淋高度和流量下的噴幅能達到6.5m，霧化粒徑約為800～1400μm，滿足乏燃料池噴淋系統(tǒng)的基本性能要求。（2）當噴淋高度≥7.8m時，噴淋流量密度的分布已基本趨于穩(wěn)定，但隨著高度的增加，流量密度峰值會沿縱向稍微外擴；噴淋覆蓋區(qū)域內(nèi)會出現(xiàn)空心區(qū)，且噴嘴左右兩側(cè)的流量分布呈現(xiàn)出明顯的不對稱性。（3）隨著噴淋流量的增加，噴淋流量密度的峰值增大，空心區(qū)域逐漸收縮。（4）當扭轉(zhuǎn)角θ≥30°時，流量集中在噴嘴附近，1/2噴幅處的流量密度基本降至0.1（m3/h）/m2以下?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，在實際工程設計中，應結(jié)合噴嘴的上述特性，選取合適的噴淋高度以確保噴淋覆蓋區(qū)域位于噴嘴的穩(wěn)定噴幅范圍內(nèi)；噴嘴的布置應考慮多個噴嘴之間的疊加效應，以彌補單噴嘴空心區(qū)的低流量密度；對于因特殊原因不能設置噴嘴的局部區(qū)域，應考慮調(diào)整相鄰兩側(cè)噴嘴的扭轉(zhuǎn)角，對該區(qū)域的流量密度進行補充。

參考文獻

[1]孫漢虹等.第三代核電技術(shù)AP1000 [M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]鄭明光，杜圣華.壓水堆核電站工程設計[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2013.

作者簡介

程會方（1984—），女，漢，河南，工程師，碩士，核科學與技術(shù).