盛 程，王韻婷

（1.上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240；2.華北電力大學核熱工安全與標準化研究所，北京 102206；3.上海電氣燃氣輪機有限公司，上海 200240）

0 引言

隨著我國“碳達峰、碳中和”綠色低碳戰(zhàn)略的推進，以光伏、風電為代表的新能源產(chǎn)業(yè)迎來了跨越式發(fā)展，清潔能源電力裝機規(guī)?？焖偬嵘齕1]。核能以其顯著的綠色低碳屬性，可以替代煤炭、天然氣等化石能源發(fā)電。其中自然循環(huán)在不依靠其他外在驅動力的前提下，利用工質自身密度差作為驅動源將熱量導出發(fā)熱設備，已在我國自主三代核電機組中得到了廣泛應用，是核電站嚴重事故后堆芯冷卻的重要方式。在事故工況及自然循環(huán)工況下壓水堆回路介質的流速較低，會出現(xiàn)流動不穩(wěn)定問題，易導致系統(tǒng)發(fā)生傳熱惡化，危及設備的安全運行。臨界熱流密度（Critical Heat Flux Density，CHF）決定了反應堆運行工況的最高界限，掌握其發(fā)生特征，能夠為預測設備安全運行的影響因素提供理論和實驗基礎。目前對于CHF的判斷多以理論計算和實驗觀察為主[2-6]，小波分析在核工程領域已有應用[7]，包括核電站實時監(jiān)測、功率譜信號和總流量信號分析等。早期已有學者從理論上提出應用小波分析檢測CHF[8]，但將小波分析應用到自然循環(huán)條件下的CHF研究還相對較少，也缺乏實際工程應用的相關報道，是一種比較新穎的檢測及CHF數(shù)據(jù)處理方法。本文應用小波函數(shù)對自然循環(huán)窄通道內(nèi)的CHF實驗溫升數(shù)據(jù)進行分析，并提出相關建議。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置介紹

自然循環(huán)試驗回路和豎直向上的試驗段結構分別見圖1和圖2。自然循環(huán)試驗回路主要包括試驗段、預熱器、穩(wěn)壓器和冷凝器等設備。試驗臺架高約3.3m，寬約2m。加熱通道是橫截面為40mm×5mm（寬×高）、總長度為1000mm的窄矩形通道。此外，在加熱板豎直側面等距離插入12根總功率為30 kW的加熱管，在出口距離通道內(nèi)壁0.5 cm處插入高溫熱電偶。除正面視窗外，試驗段其余各面均包覆超細玻璃棉進行保溫，熱效率為60%。

圖1 自然循環(huán)試驗回路Fig.1 Experimental loop of natural circulation

圖2 試驗段結構Fig.2 Structure of test section

1.2 試驗方法

本次試驗在常壓下進行，采用去離子水作為工質。首先向試驗回路注入去離子水，開啟回路上部的安全閥以排除難溶氣體；接著調節(jié)預熱段功率，使試驗段進口工質的過冷度穩(wěn)定在預定值；然后以0.25 kW/min的速率逐漸增大試驗段功率，并啟動數(shù)據(jù)采集軟件進行數(shù)據(jù)記錄。通過設置溫度自動保護，當壁面溫度或升溫速率達到設定值時，自動斷開功率保護，以保證試驗設備安全。此時保存相關數(shù)據(jù)，并記錄發(fā)生CHF時的熱流密度。

2 試驗可視化觀察與分析

CHF發(fā)生的判斷依據(jù)是加熱面壁溫發(fā)生突升。通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)，當通道內(nèi)出現(xiàn)流動停滯以及壁溫突升時，幾乎同時伴隨著試驗段出口附近加熱面的干涸現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 自然循環(huán)壁面可視化拍攝圖片F(xiàn)ig.3 Visual photographs of wall in natural circulation

由圖3可以看出，隨著時間的推移，同一位置壁面的干涸區(qū)域面積逐漸增大，在干涸現(xiàn)象發(fā)生的同時，還伴隨著間歇性的流動停滯。當t=20ms時，干涸區(qū)域幾乎覆蓋整個壁面。由于壁溫突升是在加熱面得不到良好冷卻的條件下發(fā)生，因此壁面干涸通常稍早于壁溫突升，這可以作為判斷CHF是否發(fā)生的一個依據(jù)。在試驗過程中，要提前設置加熱金屬保護溫度，當壁溫突升并超過保護溫度時，回路自動斷開功率保護；同時觀察試驗段內(nèi)的流動情況，當干涸區(qū)域完全覆蓋出口附近加熱面時，認為干涸型CHF發(fā)生。

3 小波分析應用

小波分析是近年來新發(fā)展起來的一門數(shù)學理論方法，在信號處理、特征分析、資料壓縮等眾多領域得到了廣泛應用[8-9]。通過對信號進行函數(shù)變換，小波分析能夠在時頻域發(fā)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)局部特征。當發(fā)生CHF時，壁面?zhèn)鳠崽匦园l(fā)生變化，壁溫突升，熱工水力特性曲線在CHF附近發(fā)生轉折，溫度等熱工參數(shù)曲線的梯度也發(fā)生變化，從數(shù)學角度看，CHF發(fā)生點具備一定的奇異性。傳統(tǒng)的信號處理方法——傅里葉變換在信號奇異點檢測方面存在局限性。而小波變換在時域和頻域具有良好的局部化特性，在檢測信號發(fā)展規(guī)律的同時，能夠對信號中間斷點的各種奇異性質進行跟蹤，因此可應用于自然循環(huán)CHF發(fā)生點的分析。

3.1 小波基的選取

同傳統(tǒng)的傅里葉變換相比，小波變換幾乎可以描繪信號的所有特征，但在實際應用中，由于小波基是不規(guī)則的，不具有唯一性，不同類型的小波基波形差異較大，其支撐長度和規(guī)則性也不相同，因此小波基的選擇對信號分析的準確性有很大影響。結合自然循環(huán)流動的實際特征和要求，選擇小波基的基本原則具體如下[10]。

（1）自然循環(huán)流動數(shù)據(jù)量大，與強迫循環(huán)相比波動更為強烈，應采用具有直接小波變換（DWT）的小波基進行處理。

（2）若小波函數(shù)在有限區(qū)間以外的區(qū)域恒為零，則該小波函數(shù)具有緊支撐性。緊支撐性好的小波，局部化能力強，可以更好地得到具有波動特性信號的局部特征。

（3）為防止信號在多尺度分解和重構中過度失真，應采用對稱或近似對稱的雙正交小波基。

（4）消失矩反映小波基的光滑性。消失矩越高，小波越光滑，但同時也意味著緊支撐區(qū)間越大，不利于局部化分析。

不同類型小波基的特征如表1所示[11]。其中Haar小波基對自然循環(huán)流動沸騰中的奇異點定位非常精確，因此選取其對自然循環(huán)CHF壁面溫度信號進行奇異點檢測。表達式見式（1）。

表1 不同類型小波基的特征Tab.1 Characteristics of different types of wavelet functions

3.2 自然循環(huán)CHF的小波邊緣檢測

圖4為試驗段出口附近采集的壁面初始溫度信號變化情況。在0～600 s內(nèi)，溫度呈迅速上升態(tài)勢，此后上升幅度減小，這是由于自然循環(huán)流動的形成可以對壁面進行連續(xù)冷卻。當t=4300 s時，溫度再次快速增長。

圖4 初始溫度信號變化情況Fig.4 Initial temperature signal

利用Haar小波對自然循環(huán)試驗中得到的初始溫度信號進行分解，分解包含了3層高頻部分和1層低頻部分。分解形式見式（2）。

式中：s—原始信號；

a3—低頻部分的重構信號；

d1、d2、d3—高頻部分的3層重構信號。

圖5為溫度信號的小波邊緣檢測結果。從圖5可以看出，利用小波變換檢測溫度信號奇異點的結果非常明顯。當時間接近500 s時，重構信號的振幅達到峰值，對應自然循環(huán)的形成時刻。在高頻部分的各層重構信號中，均可以準確地判別出CHF的發(fā)生時刻約在4300 s，這與圖4中的溫度分布區(qū)間是一致的。

圖5 基于Haar小波基的溫度信號邊緣檢測Fig.5 Edge detection of temperature signal based on Haar wavelet function

4 結論及建議

對自然循環(huán)條件下窄通道內(nèi)的CHF進行了可視化觀察，在長度為1000mm的全尺寸可視化窄通道加熱段中觀察到干涸型CHF的發(fā)生，且CHF的發(fā)生伴隨著流動停滯的現(xiàn)象。引入小波分析理論對CHF的發(fā)生進行了邊緣檢測，發(fā)現(xiàn)Haar小波基具有良好的檢測信號不連續(xù)奇異點的特征。通過對溫度信號的分解及重構，可以準確判別出自然循環(huán)CHF的發(fā)生位置和時刻。建議進一步深入研究自然循環(huán)工況下流動停滯對于干涸型CHF的影響規(guī)律和熱力學機理；此外，由于無法沿整個通道流動方向布置足夠多的熱電偶，后期可考慮采用滑移式熱電偶，或應用可覆蓋一定面積區(qū)域的紅外測量等技術，實現(xiàn)對加熱面空間位置上的連續(xù)測溫，以更好地滿足實際工程應用需要。