安全壳地坑过滤器的碎渣层压损计算研究.pdf

613Jun.2023Nuclear Science and Engineering2023 年 6 月No.3Vo1.43工程核科学与第3期第4 3卷安全壳地坑过滤器的碎渣层压损计算研究黄若琳，龚钊，张卫，宋让霖（中国核电工程有限公司，北京1 0 0 8 4 0）摘要：NUREG/CR-6224公式广泛应用于安全壳地坑过滤器的碎渣层压损计算。本文首先研究了碎渣层压损的具体迭代计算方法，其次重点分析了最小纤维层厚度、极限压缩比、过压缩、薄层效应、未压缩等特殊工况及计算解决方法。根据计算值与试验结果的对比，指出应当考虑滤网有效面积随碎渣量的变化，并针对折弯板式滤网提出了1.3的压损修正系数。关键词：地坑过滤器；碎渣层；压损；压缩比；滤网有效面积中图分类号：TL48文章标志码：A文章编号：0 2 58-0 91 8（2 0 2 3）0 3-0 6 1 3-0 7Study on Debris Bed Head Loss Calculation of theContainment Sump StrainerHUANG Ruolin,GONG Zhao,ZHANG Wei,SONG Zhilin(China Nuclear Power Engineering Co.Ltd,Beijing 100840,China)Abstract:The NUREG/CR-6224 formula is widely used to calculate the debris bed head lossof the containment sump strainer.Firstly,the specific iterative calculation method of debris bedhead loss is studied.Secondly,the special conditions such as the minimum fiber layerthickness,ultimate compression ratio,over compression,thin-bed effect and uncompressedcondition are analyzed and their calculation solutions are provided.According to thecomparison between calculation and test results,it is pointed out that the change of theeffective screen area with the debris amount shall be considered,and a correction coefficient of1.3 is proposed for the bent plate strainer screen head loss.Key words:Sump strainer;Debris bed;Head loss;Compression ratio;Effective screen area核电厂发生冷却剂丧失事故（LOCA）或高能管道破裂事故（HELB）后，大量的碎渣被水流传递至地坑滤网，滤网碎渣层引起的压损可能导致安注泵、安全壳喷淋泵的汽蚀，进而威胁到核电厂的安全1 。自1 992 年瑞典Barseback核电厂发生地坑过滤器堵塞事故后，核电厂地收稿日期：2 0 2 2-0 7-0 4作者简介：黄若琳（1 991 一），男，浙江温州人，工程师，硕士研究生，现主要从事核电厂核岛设备设计相关研究614坑滤网设计和事故后长期冷却循环水源的性能评价成为核安全审评的重点关注问题2 。美国完成了大部分核电厂的过滤器改造工作，在大量工程经验和试验分析研究的基础上，美国核管会（NR C）于2 0 1 2 年发布了RG1.82第4 版3，作为堆芯长期冷却设计的指导原则。中国国家核安全局在2 0 1 2 年发布国核安发（2 0 1 2）52 号文件明确运行核电厂需要进行地坑过滤器改造，并进行相关性能评价工作。过滤器压损计算是地坑过滤器设备设计的重要内容，其计算结果可用于初步确定地坑过滤器的滤网面积，并进一步作为性能试验的输入，确定试验样机比例、试验碎渣量与流量等重要参数。其中汇流槽的压损可通过经验公式或CFD数值模拟获得较为准确的结果。滤网碎渣层的压损则一般根据NUREG/CR-6224：Parametric study of the potential for BWR ECCSstrainer blockage due to LOCA generated debris7附录B中推荐的公式进行计算，但计算结果最终需要通过试验进行验证。如李石磊、谢洪虎等4.5采用Fluent对某核电厂过滤器的汇流槽流道与压损进行了模拟计算，滤筒碎渣层的压损则采用了试验测量；龚钊6 等采用流体力学经验公式对某“华龙一号”核电厂内置换料水箱过滤器汇流槽压损进行了计算，采用NUREG/CR-6224公式计算滤网碎渣层压损并进行试验验证。多个核电厂的工程经验表明，碎渣层压损在地坑过滤器的总压损中占据主导地位4-6 。因此准确计算碎渣层压损，有助于选择合适的滤网面积，可显著降低地坑过滤器样机型式试验的风险。本研究主要是对NUREG/CR-6224公式的具体应用方法及应用时需关注的要点进行分析。1NUREG/CR-6224计算公式安全壳内发生高能管道破口事故后，纤维类碎渣首先汇聚在滤网上形成纤维层，颗粒类碎渣被纤维层进一步捕集并压实，导致显著的压力损失。在NUREG/CR-6224的研究工作中，对碎渣层压损进行了一系列试验研究，试验数据如下：（1）试验滤网：平板滤网；（2）试验碎渣：NukonTM纤维与颗粒碎渣（硅酸钙、砂砾等）；（3）试验水温范围：2 4 52；（4）碎渣层厚度范围：3.2 1 0 2 mm；（5）流速：50 50 0 mm/s;（6）颗粒与纤维碎渣质量比：0 6 0。在分析中进行了以下简化假设：（1）假设滤网上形成厚度均匀的纤维层，没有局部穿孔；（2）假设碎渣层是单层的，颗粒被纤维层捕集后平均地混合在纤维层的空隙中；（3）假设纤维层受水流作用后发生均匀的压缩；分析获得碎渣层压损的半理论计算公式如下所示：AH=A3.5S;(1-m)-1+57(1-m)JuU+AL(1)小）(1-&m0.66SvOU2mL8m=11+P(1-(2)ALoPC=1-C(3)PfCoLNLo(4)mC0.38AHc=1.3co兴(5)L式中：一一单位换算系数；Sv一碎渣的比面积；&m碎渣的实际孔隙率；碎渣的初始孔隙率；水的动力黏度，应根据试验水温参考流体力学手册进行取值；U一一水流在碎渣层内的平均流速；P水的密度；L。一纤维层初始厚度；ALm一碎渣层实际厚度；AH一碎渣层压损；615PtPp纤维与颗粒的实体密度；n一颗粒与纤维碎渣质量比;c与c一纤维初始堆积密度、纤维实际堆积密度。公式（1）中的3.5、57、0.6 6 和公式（5）中的1.3、0.38 等常系数，来自NUREG/CR-6224试验拟合的经验系数。式中：H、A L、m、c 为有关联的未知参数，其余为已知参数。H的初始值采用、NL。、c 计算获得，后续对H、L、8 m、c 进行不断迭代计算，最终各个参数逐渐收敛，获得收敛的压损H值。根据式（4）、式（5），碎渣层压缩公式可转化为式（6)：1AHL0.381.3(6)NL。mALAL4H此时以压缩比为横坐标，为纵坐AL标，绘制碎渣层压损公式（1）与碎渣层压缩公式（6)，其交点即为迭代计算的收敛结果，如图1 所示。100001一碎渣层压损公式一碎渣层压缩公式一留一计算结果1000AH-一极限压缩比0.38NLo11(u/OH w)TV/HV10010AH=(3.5SV2(1-8m)-51+57(1-8m)1uU+NLo0.66Sv(1-&mNL0.10.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2ALm/L o/(m/m)图1碎渣层压损计算-正常压缩工况示例Fig.1The example of debris bed head loss calculation under normal compressive condition2计算应考虑的特殊工况2.1最小纤维层厚度根据大量试验结果，滤网上形成均匀纤维层的最小厚度为3.2 mm。若碎渣层初始厚度L。小于3.2 mm，则薄纤维层上存在局部孔洞（见图2），颗粒碎渣易旁通孔洞穿过滤网，此时滤网碎渣层的压损应接近于0。2.2极限压缩比纤维的压缩存在极限。当大量颗粒嵌入纤维层中时，纤维层的孔隙率降低，其可能的压缩性程度受到颗粒成分的限制。碎渣层的最大密度不应超过颗粒的压实密度c.lm，因此纤维层的极限压缩比为：图2 丝纤维层的局部孔洞Fig.2LocalholesinthefiberbedLCo(1+n)(7)ALo.immp,lim616颗粒的压实密度c.与颗粒类碎渣的形状、尺寸、实体密度等有关，可通过试验测得。根据NUREG/CR-6224，核电厂中颗粒类碎渣一般考虑cp.lim为1 0 4 1 kg/m3（6 5 1 b m/f 3)。通常而言，核电厂中的碎渣以纤维为主，且纤维的初始堆积密度较小，因此极限压缩比AL远小于1，式（1）、式（6）中压缩比的ALo.limLmL代计算结果应位于与1 之间,如NLo.solALo.imm图3所示。10000一碎渣层压损公式一碎渣层压缩公式一毫一计算结果AH一极限压缩比10000.38NL1LoAH(u/Hw)/0TV/HV=(3.5Sv(1-8m)-51+57(18m)1uU+100AL(1-8m)0.66Sv2m6m1100.10.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2ALm/L/(m/m)图3碎渣层压损计算-未压缩工况示例Fig.3The example of debris bed head loss calculation under non-compression condition2.3未压缩工况在目前新建核电厂的地坑过滤器一般采用较大的滤网面积（一般大于2 0 0 m），滤网的平均流速较小（一般不大于5mm/s）。由于流速较低，水流作用在碎渣层上的压损较小，纤维层不易压缩。在这种初始参数下，迭代计算中可L能会出现压缩比计算结果m大于1 的情况。NLo.o0l导致这一现象的原因可能是：纤维层压缩公式（5）、式（6）的系数是根据流速50 50 0 mm/s范围内的测量结果拟合获得的，不完全适用于小流速。纤维层实际厚度L大于纤维层初始厚度L。意味着纤维层的膨胀，显然这在物理上是不L成立的。此时应取=1并代入式（1）计算NLo.o0l压损。2.4过压缩工况与薄层效应在正常压缩工况参数的基础上，如果将平均流速、颗粒碎渣量进一步增大，纤维量进一步减少，将可能出现过压缩工况。此时（1）、LL，说明计算（6）的迭代计算结果NLo.solNLo.im结果超出了碎渣层的压缩极限，迭代计算结果L失真。在过压缩工况下应当选取代入式ALo.imm（1）计算碎渣层压损。进一步地，纤维类碎渣量继续减小（折算的滤网纤维层的厚度接近3.2 mm时）且颗粒类碎L.渣量较大时，粒纤比n1，极限压缩比mNLo.im大于1，滤网上将出现薄层效应工况（见图4)。此时碎渣层厚度大于纤维层的初始厚度，纤维层被颗粒填充后趋于极限压缩的状态，压损取ALm决于颗粒的压实密度。将直接代入式（1)ALo.im后的结果是滤网可能出现的压损极限值，但实际压损只能通过试验方式进一步测量。6172.5滤网有效面积的变化NUREG/CR-6224试验采用了平板式滤网。核电厂中地坑过滤器的滤网一般具有特定的形状尺寸以尽量增大滤网表面积，随着碎渣对空间的填充，碎渣层的平均厚度不断变大，滤网有效面积会逐渐缩小，在计算时应当考虑不同碎渣体积下的滤网有效