程莎莉, 王 迎

(1. 重慶理工大學(xué) 工程訓(xùn)練與經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心, 重慶 400054; 2. 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院, 四川 成都 610041)

核電站發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí),鋯與水或水蒸氣發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)而釋放大量的氫氣,產(chǎn)生的氫氣會(huì)釋放到安全殼,發(fā)生氫氣在安全殼中大量聚集的現(xiàn)象[1],安全殼是核電廠與環(huán)境之間的最后一道實(shí)體屏障,安全殼的破裂會(huì)造成核輻射的泄露,從而對(duì)環(huán)境和人體造成巨大傷害[2-3].為避免裂變產(chǎn)物對(duì)環(huán)境和人體的輻射危害,核電站嚴(yán)重事故管理的基本目標(biāo)是保證安全殼的完整性[4].在核電站嚴(yán)重事故中,有各種威脅安全殼完整性的因素,其中泄漏到安全殼中的氫氣燃燒后產(chǎn)生的壓力可能超過(guò)安全殼的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,是威脅安全殼完整性的一個(gè)重要因素[5-7],因此需要避免氫氣在安全殼中的積聚和燃燒.國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)在《核電廠安全設(shè)計(jì)》中明確規(guī)定:必須考慮嚴(yán)重事故下保持安全殼完整性的措施,特別是必須考慮預(yù)計(jì)發(fā)生的各種可燃?xì)怏w的燃燒效應(yīng).而氫氣是核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)產(chǎn)生的主要可燃?xì)怏w,因此也需要重點(diǎn)考慮嚴(yán)重事故下氫氣的生成、擴(kuò)散以及燃燒爆炸等問(wèn)題[8-9].

當(dāng)嚴(yán)重事故發(fā)生時(shí),鋯水反應(yīng)釋放大量氫氣的同時(shí),不同的初始?jí)毫?huì)導(dǎo)致氫氣燃燒具有不同的燃燒模式,低初始?jí)毫?huì)產(chǎn)生氫氣的緩慢燃燒,對(duì)安全殼的壓力和熱沖擊也比較小[10],而較高的初始?jí)毫?huì)形成爆燃甚至爆炸,對(duì)安全殼完整性造成巨大威脅[11-12].筆者構(gòu)建氫氣燃燒試驗(yàn)回路,獲得氫氣在不同初始?jí)毫ο氯紵臏囟取毫σ约叭急M率等試驗(yàn)數(shù)據(jù),研究不同初始?jí)毫?duì)氫氣燃燒火焰的傳播速度、最高燃燒溫度、峰值壓力以及氫氣燃盡率的影響.

1 試驗(yàn)裝置

氫氣燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示. 試驗(yàn)系統(tǒng)由回路系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成.試驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行氫氣、氧氣以及水蒸氣混合物的燃燒試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)可獲得反應(yīng)容器中溫度、壓力和氣體產(chǎn)物的成分等參數(shù),對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析,可進(jìn)一步得到氫氣燃燒過(guò)程中的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃盡率、燃燒過(guò)程中的壓力變化曲線和溫度變化曲線,從而對(duì)氫氣的燃燒特性進(jìn)行研究.通過(guò)改變反應(yīng)初始時(shí)的壓力,對(duì)比分析初始?jí)毫?duì)氫氣燃燒特性的影響.

圖1 氫氣燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.1 回路系統(tǒng)

回路系統(tǒng)是氫氣及其混合氣體進(jìn)行送氣、清洗、反應(yīng)等過(guò)程的系統(tǒng),包括反應(yīng)容器、加熱與保溫系統(tǒng)、送氣及清洗系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)等.反應(yīng)容器形狀為圓柱形,上下為橢球形封頭,總?cè)莘e約為0.25 m3,圓柱段高為2.1 m,內(nèi)徑為402 mm,外徑為426 mm,設(shè)計(jì)壓力為2 MPa.其作用是在反應(yīng)容器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)混合氣體的燃燒以及燃燒過(guò)程中試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量.反應(yīng)容器壁面上安裝快速響應(yīng)熱電偶、壓力傳感器以及混合氣取樣探頭等主要的測(cè)量?jī)x器,以測(cè)量混合氣體燃燒過(guò)程中氣體的溫度、壓力以及體積分?jǐn)?shù)等參數(shù).通過(guò)在容器壁面不同高度布置熱電偶,依據(jù)火焰前鋒到達(dá)熱電偶的時(shí)刻以及不同熱電偶之間的間距,即可計(jì)算出火焰?zhèn)鞑ニ俣?

加熱保溫系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)容器的加熱和保溫.主要包括加熱帶、控制柜和保溫棉.采用加熱帶對(duì)反應(yīng)容器進(jìn)行分段加熱,加熱帶分為4段:筒體分3段加熱、下封頭1段加熱、上封頭只保溫、不加熱.用控制柜控制加熱帶的加熱溫度,控制柜的控溫精度為±5 ℃.保溫棉減少熱量的散失,保持加熱后的反應(yīng)容器溫度維持在設(shè)定的溫度附近.

送氣及清洗系統(tǒng)的作用是在點(diǎn)火前提供干凈清潔的混合氣體,主要包括空壓機(jī)、冷干機(jī)、油氣水過(guò)濾器和真空泵等.點(diǎn)火系統(tǒng)的作用是點(diǎn)燃充入反應(yīng)容器中的混合氣體.點(diǎn)火系統(tǒng)包括電壓轉(zhuǎn)換元件和點(diǎn)火電極.電壓轉(zhuǎn)換元件的作用是將24 V直流電源轉(zhuǎn)換成點(diǎn)火所需要的10 kV高壓電壓;點(diǎn)火電極的作用是在高壓電壓的作用下釋放電火花,點(diǎn)燃混合氣體.點(diǎn)火器采用24 V直流電源,所需功率約為10 W,經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換元件后的點(diǎn)火電壓為10 kV,點(diǎn)火器的點(diǎn)火能約為7 J.

1.2 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)的作用是測(cè)量和控制試驗(yàn)過(guò)程中的相關(guān)參數(shù).測(cè)控系統(tǒng)主要包括隔離式壓力變送器、動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)、快速響應(yīng)熱電偶、測(cè)靜溫?zé)犭娕?、氫氣分析儀、真空計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、量筒、大氣壓力計(jì)、NI數(shù)據(jù)采集板和計(jì)算機(jī)等.其中快速響應(yīng)熱電偶采用的是OMEGA公司的直徑為0.05 mm的R型細(xì)線熱電偶,測(cè)溫范圍為0～1 450 ℃,精度為±1.5 ℃,響應(yīng)時(shí)間約為50 ms.氫氣分析儀型號(hào)為T(mén)G-500,可測(cè)量混合氣體中的氫氣體積分?jǐn)?shù),體積分?jǐn)?shù)測(cè)量范圍為0～30%,滿量程精度為2%.

1.3 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要包括220 V交流電源、24 V直流電源(給點(diǎn)火器和隔離式壓力變送器供電)、控制加熱帶加熱溫度的加熱柜等.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為得到初始?jí)毫?duì)氫氣燃燒特性的影響,選取的試驗(yàn)工況分為2種情況:氫氣體積分?jǐn)?shù)較低和氫氣體積分?jǐn)?shù)較高.氫氣體積分?jǐn)?shù)(5.0%,5.2%)較低時(shí),初始絕對(duì)壓力為96.7 kPa(當(dāng)?shù)卮髿鈮?、200.0 kPa和300.0 kPa,其他的初始條件為溫度180 ℃(178～181 ℃,不同的初始?jí)毫ο職怏w初始溫度略有不同)、底部點(diǎn)火;氫氣體積分?jǐn)?shù)(10.0%)較高,初始絕對(duì)壓力分別為98.9 kPa(當(dāng)?shù)卮髿鈮?、150.0 kPa和200.0 kPa,其他的初始條件為溫度100 ℃(98～101 ℃,不同的初始?jí)毫ο職怏w初始溫度略有不同)、底部點(diǎn)火.

2.1 初始?jí)毫?duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

不同初始?jí)毫ο碌钠骄鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣纫?jiàn)圖2.

圖2 不同初始?jí)毫ο碌钠骄鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?/p>

從圖2可以看出： 在氫氣體積分?jǐn)?shù)較低時(shí),隨著初始?jí)毫Φ纳?火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之升高.在氫氣體積分?jǐn)?shù)較低、反應(yīng)器體積不變時(shí),初始?jí)毫Φ纳呤沟脝挝惑w積內(nèi)的氫氣體積分?jǐn)?shù)升高,體積分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒速率變大的影響較為顯著,為燃燒速率的主要控制因素,壓力的升高雖然使得單位體積內(nèi)的可燃物質(zhì)量增多,但燃盡率降低使得平均火焰?zhèn)鞑ニ俣纫搽S之升高.從圖2c可以看出： 在氫氣體積分?jǐn)?shù)較高時(shí),燃盡率基本為100%,隨著初始?jí)毫Φ纳?火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂薪档?這是由于初始?jí)毫^低時(shí),未燃?xì)怏w的絕壓較小,火焰膨脹向前傳播時(shí)火焰鋒面受到未燃?xì)怏w的阻礙較小,從而使初始?jí)毫^低時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷钥?，壓力升?這種阻礙作用越明顯,從而火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?

2.2 初始?jí)毫?duì)燃燒過(guò)程中最高溫度的影響

燃燒過(guò)程中修正后的最高溫度隨初始?jí)毫Φ淖兓鐖D3所示.氫氣體積分?jǐn)?shù)為5.0%,初始?jí)毫Ψ謩e為96.7,200.0 kPa時(shí),熱電偶測(cè)得的最高溫度分別為469,336 ℃,修正后的溫度分別為472,337 ℃;氫氣體積分?jǐn)?shù)為5.2%,初始?jí)毫Ψ謩e為96.7,300.0 kPa時(shí),熱電偶測(cè)得的最高溫度分別為501,326 ℃,修正后的溫度分別505,327 ℃;氫氣體積分?jǐn)?shù)為10.0%,初始?jí)毫Ψ謩e為98.9,150.0,200.0 kPa時(shí),燃燒過(guò)程中熱電偶測(cè)得的最高溫度分別為823,829,838 ℃,修正后的最高溫度分別為837,843,852 ℃.在氫氣體積分?jǐn)?shù)(5.0%,5.2%)較低時(shí),修正溫度最大差值為4 ℃,在氫氣體積分?jǐn)?shù)(10.0%)較高時(shí),修正后溫度的最大差值為14 ℃.

圖3 燃燒過(guò)程中最高溫度隨初始?jí)毫Φ淖兓?/p>

從圖3可以看出:在氫氣體積分?jǐn)?shù)(5.0%,5.2%)較低時(shí),燃燒過(guò)程中的最高溫度隨著初始?jí)毫Φ脑黾佣饾u減小;在氫氣體積分?jǐn)?shù)(10.0%)較高時(shí),燃燒過(guò)程中的最高溫度隨著初始?jí)毫Φ脑黾佣黾?但是初始?jí)毫?duì)燃燒過(guò)程中的最高溫度的影響并不明顯.在氫氣體積分?jǐn)?shù)分別為5.0%,5.2%時(shí),隨著初始?jí)毫Φ纳?物質(zhì)的量增加,但是參與燃燒放熱的氫氣相對(duì)減少,即燃盡率降低,燃燒放熱量相對(duì)變低,導(dǎo)致最高溫度降低;氫氣體積分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí),隨著初始?jí)毫Φ脑黾?反應(yīng)器內(nèi)的氫氣仍可完全燃燒,物質(zhì)的量增加,燃燒放熱量增加,而燃燒時(shí)間基本不變,散熱相對(duì)減少,所以最高溫度略有升高.

2.3 初始?jí)毫?duì)燃燒過(guò)程中峰值壓力的影響

燃燒過(guò)程中峰值壓力隨初始?jí)毫Φ淖兓鐖D4所示,氫氣體積分?jǐn)?shù)為5.0%,初始?jí)毫Ψ謩e為96.7,200.0 kPa時(shí),對(duì)應(yīng)的峰值壓力分別為146.0, 234.0 kPa,對(duì)應(yīng)的壓比分別為1.50,1.20;氫氣體積分?jǐn)?shù)為5.2%,初始?jí)毫Ψ謩e為96.7,300.0 kPa時(shí),對(duì)應(yīng)的峰值壓力分別為145.0,352.0 kPa,對(duì)應(yīng)的壓比分別為1.50,1.20;氫氣體積分?jǐn)?shù)為10.0%,初始?jí)毫Ψ謩e為98.9,150.0,200.0 kPa時(shí),對(duì)應(yīng)的最大峰值壓力分別為257.0,394.0,487.0 kPa,壓比分別為2.59,2.63,2.44,基本維持在2.50左右.

圖4 燃燒過(guò)程中峰值壓力隨初始?jí)毫Φ淖兓?/p>

從圖4可以看出:最大絕對(duì)壓力隨著初始?jí)毫Φ脑黾佣黾?初始?jí)毫υ酱?相同體積內(nèi)含有的氣體的量越多,氣體燃燒越劇烈,氣體的壓力增加越大;在氫氣體積分?jǐn)?shù)(5.0%,5.2%)較低時(shí),壓比隨著壓力的增加有所下降,這是由于氫氣體積分?jǐn)?shù)低,不能完全燃燒,隨著初始?jí)毫Φ纳?物質(zhì)的量增加,但是參與燃燒放熱的氫氣相對(duì)量減少;在氫氣體積分?jǐn)?shù)(10.0%)較高時(shí),壓比基本維持不變,因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)的氫氣完全反應(yīng),參與燃燒的氫氣相對(duì)量不變.

2.4 初始?jí)毫?duì)燃盡率的影響

燃盡率隨初始溫度的變化如圖5所示,在氫氣體積分?jǐn)?shù)(5.0%)較低時(shí),燃盡率隨著壓力的升高而降低;在氫氣體積分?jǐn)?shù)(10.0%)較高、初始?jí)毫Ψ謩e為98.9,150.0,200.0 kPa時(shí),氫氣均能燃燒完全,壓力沒(méi)有對(duì)燃盡率產(chǎn)生影響.分析認(rèn)為:在氫氣體積分?jǐn)?shù)為5.0%、反應(yīng)器體積不變時(shí),初始?jí)毫ι?使得單位體積內(nèi)的氫氣物質(zhì)的量增加,但由于氫氣體積分?jǐn)?shù)較低,火焰自持能力較弱,使得單位體積的氫氣剩余量增加,從而燃盡率降低;在氫氣體積分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí),由于氫氣體積分?jǐn)?shù)較高,反應(yīng)器內(nèi)的氫氣可完全燃盡,所以壓力升高對(duì)其燃盡率并未產(chǎn)生影響.

圖5 燃盡率隨初始?jí)毫Φ淖兓?/p>

3 結(jié) 論

在氫氣體積分?jǐn)?shù)較低時(shí),隨著初始?jí)毫Φ纳?火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之升高,燃燒過(guò)程中的最高溫度隨初始?jí)毫Φ纳叨饾u減小;在氫氣體積分?jǐn)?shù)較高時(shí),隨著初始?jí)毫Φ纳?火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂薪档?燃燒過(guò)程中的最高溫度隨初始?jí)毫Φ脑黾佣黾?但是初始?jí)毫?duì)燃燒過(guò)程中的最高溫度的影響并不明顯;峰值壓力隨初始?jí)毫Φ纳叨?初始?jí)毫?duì)氫氣燃盡率沒(méi)有影響.