刘 浩，马在勇，姜张锐，唐 瑜，张卢腾，徐建军，孙 皖，袁德文，潘良明

(1.重庆大学 低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044；2.中国核动力研究设计院 中核核反应堆热工水力技术重点实验室，四川 成都 610041)

在压水堆(PWR)核电站中，U型管式蒸汽发生器(UTSG)承担着一、二回路的能量交换和保证一回路压力边界完整性的重要功能[1]。Walter等[2]指出：UTSG在不同运行参数下的流动不稳定性和倒流临界分析具有重要意义，因此，在U型管倒流问题中，只有了解不同几何参数和热工参数对倒流临界点的影响规律，才能准确判断出倒流临界点，避免UTSG运行过程中出现U型管倒流现象，从而保证UTSG的安全与稳定运行。

部分学者开展了不同参数对U型管倒流临界特性影响的研究。Kukita等[3]在实验中发现当一次侧流量减少时，长管比短管出现倒流现象的时间更早；Xu等[4]采用数值计算在自然循环工况下研究了入口质量流量对UTSG倒流特性的影响，发现入口初始质量流量小的U型管更容易发生倒流；Jiang等[5]在自然循环条件下研究了管壁导热系数对管内倒流临界的影响，结果表明，壁面导热系数越大，流动稳定性越好，倒流临界点也越小；Bian等[6]采用RELAP5/MOD3.3研究了自然循环工况下一次侧总流量由高到低和由低到高两种质量流量的加载方式对倒流临界点的影响；Hao等[7]通过实验研究发现，在自然循环下U型管进口温度升高或二次侧温度降低的过程中，临界质量流量增加，更容易出现倒流现象，并得出倒流临界点和UTSG一次侧入口质量流量呈线性关系的结论；Shen等[8]应用小扰动理论，采用数值计算的方法分析了二次侧水位高度对UTSG中倒流临界的影响，并与Chu等[9]的实验结果进行了对比验证，结果表明，当UTSG二次侧水位下降时，倒流临界流速增大，倒流更容易发生；储玺等[10]采用RELAP5/MOD3.3研究二次侧流体温度和入口含气率对自然循环下倒流现象的影响规律，发现较高的二次侧压力可以减少倒流现象，而入口含气率越高倒流越容易发生；叶磊等[11]采用RELAP5/MOD3.2对自然循环工况非对称U型管的倒流特性进行研究，发现非对称U型管的下降段与上升段的高度差越大，发生倒流的U型管数减少，而自然循环总流量增加；赵鹏程等[12]利用流量分配程序研究了管长、管高以及一二次侧换热系数对UTSG流量分配的影响；唐瑜等[13]研究了不同一次侧入口流量以及不同U型管长度对倒流特性的影响，并得到了一次侧倒流的总流量以及发生倒流的U型管数目；Li等[14-15]在瞬态工况下开展了UTSG倒流特性的研究，在保持恒温的情况下，逐步升高一回路的质量流量，从而使得U型管发生倒流，结果表明发生倒流的U型管对其他U型管产生重大影响，并进而导致最高温度下降约35%。

综上所述，在低流量强迫循环条件下，研究不同参数对倒流临界点的影响较少。本文通过实验研究低流量强迫循环条件下一次侧入口温度、一回路总流速、电动调节阀阻力系数及二次侧冷却水流量对3根不同长度U型管倒流临界点的影响。

1 实验装置及实验方法

1.1 实验回路

实验系统主要由一次侧实验回路和二次侧实验回路组成，如图1所示。一次侧实验回路的设计压力为2.0 MPa，设计温度为250 ℃，通过预热器和加热段(直流电加热，最大加热功率为78 kW)来模拟堆芯释热，工质为去离子水，并通过氮气稳压器进行稳压，回路流量通过电动调节阀和主泵频率进行控制，回路中自然循环阀的开闭能实现系统的自然循环与强迫循环的切换，实验本体为回路冷端，通过3根U型管将热量传递给二次侧，沿程布置有各种测量仪表，以监测一次侧回路参数变化。二次侧实验回路主要由冷却塔、冷却水箱、冷却水泵、流量计和阀门组成。二次侧回路冷却能力与一次侧回路加热功率相匹配，保证一次侧回路能够达到热力平衡状态。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic of experiment system

1.2 实验段

图2 实验段本体示意图Fig.2 Schematic of experiment section nonmenon

实验段本体如图2所示，内部有3根不同长度的U型管(分别为6.605 m、7.225 m、7.825 m)，排列在同一平面内，最短管在最内侧，最长管在最外侧。在一次侧进出口腔室的3根U型管处各设置3个温度测点和压力测点，以获得U型管进出口压力、温度及压差；U型管中部各设置1个温度测点，进一步获得U型管温度的变化；在二次侧箱体的上、中、下3个位置设置温度测点，以监测二次侧冷却水温度的变化。

实验回路采用的压差流量计测量相对误差为0.074%，实验段进出口压差变送器的测量相对误差为0.05%，实验回路采用的T型铠装热电偶和实验段采用的N型铠装热电偶测量误差±0.5 ℃，实验回路采用的孔板流量计精度为1级，实验段采用的超声波流量计测量相对误差为0.05%。

1.3 实验工况及方法

实验工况范围列于表1。实验过程中主要通过以下方法在低流量强迫循环条件下寻找倒流临界点。

表1 实验工况范围Table 1 Range of experiment operating condition

1) 保持U型管进口温度和电动调节阀阻力系数(阀门开度)一定，在缓慢降低流量的过程中，寻找U型管倒流临界点。再将一次侧入口温度调整至其他温度，从而获得U型管进口温度与临界流速的关系曲线。

2) 保持回路总流量与U型管进口温度一定，在缓慢增加电动调节阀阻力系数(减小阀门开度)的过程中，寻找U型管倒流临界点。再通过主泵将回路中总流量调整至其他流量，从而获得回路总流量与倒流临界点入口温度的关系曲线。

3) 保持回路总流量和电动调节阀阻力系数(阀门开度)一定，在缓慢增加加热功率的过程中，寻找U型管倒流临界点。再将电动调节阀调整至其他开度，从而获得电动调节阀阻力系数与临界流速的关系曲线。

2 回路阻力分析

在进行实验前，首先进行冷态工况实验，以了解实验回路阻力特性。回路总阻力系数主要分为回路局部阻力系数和沿程阻力系数。而回路总阻力系数通过泵前后压差进行计算，沿程阻力系数和其他局部阻力系数(除电动调节阀阻力系数)通过经验关系式进行计算，电动调节阀阻力系数由回路总阻力系数减去沿程阻力系数和其他局部阻力系数得到。

回路总Re、总阻力系数、沿程阻力系数、局部阻力系数和电动调节阀阻力系数随阀门开度的变化如图3、4所示。由图3a可知，不同泵频率下，回路总Re的差异较大，在相同的泵频率下，当阀门开度大于30%时，回路总Re的变化随阀门开度的变化并不明显，只有当阀门开度小于30%时，回路总Re随着阀门开度的减小而减小。其中，回路总Re定义为Re=uDe/ν，其中u为一次侧回路平均流速，De为当量直径，ν为运动黏度。在冷态情况下，通过调节阀门开度获得如图3b所示不同主泵频率下回路总阻力系数随阀门开度的变化。由图3b可发现，当阀门开度小于30%后，阀门开度对回路阻力的影响开始显著，此时电动调节阀的阻力占整个回路阻力的比重开始显著增大。通过计算获得了如图3b和图4所示不同主泵频率下回路沿程阻力系数和回路局部阻力系数随阀门开度的变化。用回路总阻力系数减去回路沿程阻力系数和回路局部阻力系数，获得如图4所示电动调节阀阻力系数随阀门开度的变化，即电动调节阀阻力特性曲线。

图3 回路总Re、总阻力系数及沿程阻力系数随阀门开度的变化Fig.3 Total Reynolds number, total resistance coefficient of loop and frictional resistance coefficient of loop vs. valve opening

3 实验参数影响分析

本文分别研究分析了一次侧入口温度、一回路总流速、电动调节阀阻力系数及二次侧冷却水流量对倒流临界点的影响。

图5示出系统压力为1 MPa、二次侧冷却水流量为37 t/h、电动调节阀阻力系数分别为766.81和331.05(开度分别为13.5%和14.7%)时一次侧入口温度对倒流临界的影响。由图5可知，倒流临界流速随一次侧入口温度的升高而增大。这主要是因为随着一次侧入口温度的增加，一二次侧温差也不断增加，因此换热量随温差的增大而增加。因此重位压降会随一次侧入口温度的增加而增加，由一次侧入口温度变化引起的黏度变化进而影响到摩擦阻力，但对摩擦阻力的影响较小，所以临界流速随一次侧入口温度的上升而增大。另外，电动调节阀阻力系数为766.81和331.05时，相同一次侧入口温度下倒流临界流速较为接近；一次侧入口温度较高时，倒流临界流速增加较快。

图4 回路局部阻力系数及电动调节阀阻力系数随阀门开度的变化Fig.4 Local resistance coefficient of loop and resistance coefficient of electric regulating valve vs. valve opening

图6示出系统压力为1 MPa、二次侧冷却水流量为37 t/h、电动调节阀阻力系数分别为766.81和331.05(开度分别为13.5%和14.7%)时一回路总流速对倒流临界的影响。由图6可见，随着一回路总流速的增大，发生倒流时的U型管入口温度也逐渐增大，且两者大致呈线性关系。这主要是因为当一回路总流速增大后，要达到倒流临界工况就需提高驱动压降，即增大流体密度差，从而使得发生倒流时的U型管入口温度增大，进而使一二次侧温差也不断增加，换热量也随之增加，因此重位压降增大，导致倒流临界流速增加。从图5、6可知，相同条件下，电动调节阀阻力系数为766.81和331.05时，倒流临界流速的变化并不显著。

图5 一次侧入口温度对倒流临界流速的影响Fig.5 Effect of primary side inlet temperature on reverse flow critical velocity

图7示出系统压力为1 MPa、二次侧冷却水流量为17 t/h、一次侧入口温度为145.5 ℃时电动调节阀阻力系数对倒流临界的影响。由图7可知，对于不为零的电动调节阀阻力系数，随电动调节阀阻力系数的增大，倒流临界流速增大，增加的幅度减小，这说明回路阻力越大，U型管内流体越容易发生倒流。从整体来说，电动调节阀阻力系数的变化对倒流临界点的影响并不显著。实验发现，当电动调节阀阻力系数为零时，实验中观察到了显著的流量脉动现象，脉动导致倒流临界流速突然增大。

图6 一回路总流速对倒流临界点入口温度和倒流临界流速的影响Fig.6 Effect of primary side total flow velocity on inlet temperature at reverse flow critical point and reverse flow critical velocity

图7 电动调节阀阻力系数对倒流临界流速的影响Fig.7 Effect of electric regulating valve resistance coefficient on reverse flow critical velocity

图8 二次侧冷却水流量对倒流临界流速的影响Fig.8 Effect of secondary side flow rate on reverse flow critical velocity

图8示出系统压力为1 MPa、一次侧入口温度为145.5 ℃、电动调节阀阻力系数为331.05(开度为14.7%)时二次侧冷却水流量对倒流临界的影响。由图8可知，在本实验工况下，二次侧冷却水流量对倒流临界的影响很小，倒流临界流速随二次侧冷却水流量的增大而缓慢下降。这是因为二次侧冷却水流量增加会使二次侧换热系数增大从而增大换热量，而管中重位压降受到换热量增加的影响相对较弱，对流换热热阻主要集中在管壁和一次侧，限制对流换热效果的因素为一二次侧温差等，因此换热量增加时，造成管内流动阻力的增加大于其重位压降的增加，因此倒流临界流速会缓慢下降。

4 结论

本文通过实验研究了一次侧入口温度、一回路总流速、电动调节阀阻力系数及二次侧冷却水流量对U型管倒流临界点的影响，在本实验工况下得出以下结论。

1) 随一次侧入口温度的增加，一二次侧温差增大导致换热量增加，重位压降的影响强于流动阻力的影响，因此倒流临界流速增大，且两者呈现线性关系；

2) 随一回路总流速的增大，倒流时U型管入口温度逐渐增大，因此一二次侧温差增大导致换热量增加，使得重位压降增加，进而使得倒流临界流速增加，且两者同样呈现出线性关系；

3) 当电动调节阀阻力系数不是很小时，随电动调节阀阻力系数的增大，倒流临界流速增大，但当电动调节阀阻力系数增加到一定程度时，这种增加趋势变缓，从整体来看电动调节阀阻力系数对倒流临界点的影响并不显著；

4) 由于二次侧冷却水流量增加会使二次侧换热系数增大从而增大换热量，而重位压降的增加小于管内流动阻力的增加，倒流临界流速缓慢下降。

实际上，在低流量强迫循环条件下，随着一次侧入口温度越小以及二次侧流量越大，蒸汽发生器一次侧平均温度越小，倒流临界流速越小，因此，减小一次侧平均温度能在一定程度上降低蒸汽发生器中流体发生倒流的风险。