李 伟，孙中宁，高 力，堵树宏，宿吉强，孟兆明，张 楠，丁 铭

(1.哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001；2.中国核电工程有限公司，北京 100840)

在我国研制的具有完全自主知识产权的第3代某先进压水堆核电技术中，安全系统的设计采用了能动与非能动相结合的技术路线，其中非能动安全壳热量导出系统(PCS)作为重要的非能动安全系统，对确保安全壳在事故工况下仍能得到有效的冷却，防止安全壳超温、超压，对事故后安全壳完整性的保持以及放射性物质的包容具有重要意义[1-2]。

安全壳内PCS的运行，可能会对事故工况下壳内的热工水力行为产生影响，如安全壳大空间内工质的流动情况、温度分层以及不凝性气体的分布情况等。与此同时，安全壳内热工水力行为又会反过来影响PCS的排热能力和动态特性，如安全壳内大空间中可能存在的温度、气体浓度不均匀性等都可能造成不同系列PCS的运行特性出现差异。这种安全壳内热工水力特性与PCS的耦合行为直接影响到事故工况下安全壳是否会发生超温、超压[3-10]。此外，在工程实际中，PCS附近可能还会布置一些附属系统及设备，如用于冷凝水收集的凝水盘、防止飞射物及氢气爆炸造成换热管破裂的防护装置等。这些设备的存在是否会对PCS换热器附近流场、温度场、浓度场产生显著影响，进而影响PCS的排热能力，都需要进一步研究确认。

目前我国已对AP系列压水堆核电技术的研发建立了一系列验证性试验装置，这些试验装置对系统验证、程序开发和安全评审发挥了重要的支撑作用[11-15]。本文以我国研制的具有完全自主知识产权的第3代某先进压水堆核电技术中建立的安全壳综合试验装置为研究对象，通过试验考察PCS换热器下方安装的冷凝水收集装置对系统换热能力的影响。

1 安全壳综合试验装置和试验方法

1.1 试验装置

安全壳综合试验装置主要包括安全壳模拟体、蒸汽供应系统、PCS回路、试验测量与数据采集系统以及其他附属设施。

安全壳模拟体为一总体积为1 010 m3的全钢制压力容器，相关参数列于表1。安全壳模拟体自下而上分别由下封头、隔间区、直段空间以及上封头4部分组成，如图1a所示，分别模拟原型安全壳0 m以下空间、0 m至操作平台之间的隔间空间、操作平台以上直段空间和穹顶空间。隔间按六面体简化布置、喷口布置于不同隔间的不同区域，如图1b所示。

表1 安全壳主要模拟参数Table 1 Main simulated scale parameter of containment

图1 安全壳模拟体设计Fig.1 Containment simulator design

蒸汽供应系统主要包括1台电锅炉和2台燃气锅炉，额定最大供汽流量为9.5 t/h，压力为1.0 MPa，用来给安全壳模拟体内提供试验需要的饱和蒸汽，模拟事故工况下进入安全壳内的气相质能释放源项。PCS回路由换热器、水箱以及连接两者的冷热管路组成。

安全壳模拟体内混合气体空间、PCS水箱和PCS自然循环回路的各温度测量点均采用Ⅰ级K型热电偶进行测量，其测量的相对误差为0.4%。模拟体内气体压力、水箱气空间压力和自然循环回路测点压力等参数均采用相对误差为0.1%的罗斯蒙特压力传感器进行测量。自然循环流量采用0.2级的电磁流量计进行测量，其仪表测量的相对误差为0.2%。

PCS回路主要包括冷却水箱、安全壳内置换热器以及连接二者的冷热管段。该系统由冷热管段内的冷却水密度差提供驱动力。冷水由冷管段进入换热器后受热，密度降低，受系统自然循环驱动力的作用，流回冷却水箱。该系统能在无外部提供能源的情况下，将热量带出安全壳，使安全壳的压力和温度维持在可接受范围内，保障了安全壳的完整性。系统结构简图如图2所示。

图2 PCS简图Fig.2 PCS sketch

1.2 数据处理

由于PCS内部换热器内流体始终为单相水，因此PCS的排热功率Q可根据内部换热器进出口处流体的焓差进行计算：

Q=M(hout-hin)

(1)

式中：Q为PCS排热功率，kW；M为PCS回路循环流量，kg/s，直接由PCS回路冷管段的电磁流量计测得；hout、hin分别为内部换热器出口水与进口水的比焓，kJ/kg。

PCS内部换热器下方设置有冷凝水收集装置，用于收集PCS换热器的凝水。冷凝水收集率r是衡量冷凝水收集装置性能的一个重要指标，其定义如下：

(2)

式中：W为试验测得的冷凝水收集量，kg/s；hfg为汽化潜热，kJ/kg；Q由换热器进出口温差计算得到。

2 结果与讨论

2.1 冷凝水收集装置影响试验

冷凝水收集装置是一中间有缝隙的长方形铁盘，位于PCS换热器下方，水蒸气在换热器管壁冷凝成水后落入冷凝水收集装置，汇流入收集口并最终储存在凝液罐中，如图3所示。

图3 PCS回路与凝水盘的相对位置Fig.3 Relative position of PCS circuit and condensate pan

本试验主要目的是考察冷凝水收集装置对壳内汽流流动的阻挡作用是否会对PCS排热产生明显影响。试验选择中心喷口进行喷放，以便排除喷口位置不均匀性对PCS排热功率的影响。同时考虑1#、2#、3#PCS换热器围绕中心喷口呈均匀布置，并只在1#PCS换热器下方配置凝水盘，通过对比1#和3#PCS换热器的排热功率来考察凝水盘对PCS排热功率的影响。

壳初始温度约45 ℃，3列PCS水箱的初始水温为21 ℃、初始水位为2.23 m。试验中在壳内不同高度、不同周向方向均布有温度测点，图4为大壳热电偶径向测点分布，图中的温度均由大壳同一高度处的热电偶测得。

图4 大壳热电偶径向测点分布Fig.4 Distribution of radial measuring points of large-shell thermocouple

图5 2列PCS换热器周边的温度分布Fig.5 Temperature distribution around 2 PCS heat exchangers

安装凝水盘后换热器周围的温度分布如图5所示。其中，T1GF3H304、T1GB3H304和T1GJ3H304分别为图4中1#、2#以及3#PCS换热器处的温度。由图5可见，试验中1#和3#PCS换热器周围的温度随时间的变化进程基本一致，表明凝水盘的安装并未对换热器周围的温度分布产生明显影响，且事故后安全壳空间内各处的温度与蒸汽和其他气体组分相关，因此可推测安装凝水盘对换热器附近气体的流动和组分分布几乎不产生影响，进而可得出PCS换热器换热功率亦不受明显影响的结论。

图6为1#PCS换热器和3#PCS换热器排热功率的变化情况。可看出，2列PCS换热器排热功率的变化进程基本一致，且两者总排热量相差仅约为3%。这说明冷凝水收集装置的设置未对PCS换热器排热能力产生明显影响。

图6 凝水盘对PCS排热的影响Fig.6 Effect of condensate tray on heat removal of PCS

分析产生以上现象的原因主要是由于PCS换热器布置于安全壳上部大空间靠近壳壁的位置，而其附近区域的大气环流主流为自上而下的流动方向，且流速相对较低，基本无强迫对流，如图7所示。因此，在PCS换热器下方安装冷凝水收集装置对换热器附近区域(无论是内侧还是外侧)的大气流动尤其是蒸汽在换热器表面的冷凝作用影响较小，从而对PCS的换热影响较小。

2.2 凝水收集率试验

第1次和第2次凝水收集率试验结果列于表2。由表2可知，1#、2#与3#凝水盘的凝水收集率分别为65.2%、69.8%和70.2%。

基于试验观察和分析，推测凝水盘的实际凝水收集率应在90%以上，导致测量值偏低的原因可能如下：1) PCS回路所处的壳内主管道上也会有蒸汽凝结，所产生的凝水只有位于凝水盘上方的部分能落入盘中，还有很大一部分落到凝水盘的外部。2) 由于空气会在传热表面聚集、浓缩，导致PCS换热器及壳内主管道上产生的凝水的温度会明显低于大空间主流温度，存在很大的过冷度。这些凝水在下落和流动过程中会被大空间中的蒸汽再次加热至接近饱和状态，使得相应产生的凝水以质量较小的小雾滴形式弥散在空间中，大部分都没有由于重力作用落入位于换热器正下方的凝水盘中。3) 壳内空间存在大量空气，蒸汽通过冷凝对空气加热，这些空气再以对流的方式将热量传递给PCS换热器和其他构件。在此过程中，所产生的大量小雾滴大部分分散在空间中而未被凝水盘收集。4) 蒸汽并非热辐射透明体，其与PCS换热器之间存在辐射换热，由此会使部分蒸汽凝结成小雾滴，散落在空间中而没有被凝水盘所收集。5) 由于存在流动与温差，空气和水蒸气混合气体也会与换热器通过对流方式换热。

以上5项换热效应产生的凝水均未被凝水盘所收集，在计算凝水收集率时，式(1)中的换热量是PCS的排热功率，它不仅包含PCS换热器传热管上凝结蒸汽所释放出的汽化潜热，而且包括以上5项的换热量，这可能是导致凝水收集率测量值偏小的主要原因。

图7 安全壳内大气流动情况Fig.7 Atmospheric flow in containment

表2 第1、2次凝水收集试验结果Table 2 The first and second condensate collection test results

3 结论

本文利用大型安全壳综合试验装置开展了PCS换热器冷凝水收集装置对PCS排热影响及收集率试验。结果表明：在本文的研究工况范围内，换热器下方安装冷凝水收集装置的情况下，1#PCS和3#PCS换热器排热功率的变化进程基本一致，冷凝水收集装置对PCS换热器的换热能力没有明显的不利影响，且两者总排热量相差仅约3%。各冷凝水收集装置的凝水收集率近乎相等，约为70%，考虑到PCS运行过程中无法有效收集的冷凝水量，修正后的实际冷凝水收集装置凝水收集率可达90%以上。在PCS下方设置合理形式的冷凝水收集装置，不仅不会影响PCS排热功能，而且还能有效地利用PCS运行过程中换热器表面产生的冷凝水，通过收集管路送至其他非能动系统，从而提高三代先进核电厂的非能动自治时间。