[发明专利]一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况模型建立方法

说明书

本发明公开了一种能够对核电厂大型自然循环蒸汽发生器一次侧系统在一定传热管道堵塞事故工况下，对其快速建立三维精细热工水力计算模型的方法。模型建立过程为：1、进行蒸汽发生器完整一次侧水力学分析，分析管板处流量分配规律；2、根据上一步结果选择堵管方案；3、堵管份额及堵管位置的确定；4、真实蒸汽发生器中大量传热管进行几何简化及整体几何建模；5、进行初步计算节点划分；6、建立堵管方程追踪标记管束区域，采用网格标记方法对管束区域进行计算域网格的标记，实现堵管功能；7、采用初步建立的模型进行堵流工况计算，并分析结果的精度，若满足要求则建模完成，若不满足要求则至步骤5对计算节点进行加密处理，直至模型满足计算精度要求为止。

技术领域

本发明属于核电厂蒸汽发生器传热管技术领域，具体涉及一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况的模型建立方法。

背景技术

U型管式自然循环蒸汽发生器(图1)是核电厂反应堆系统大型重要换热设备，在反应堆系统中起到一回路与二回路之间的能量交换导出反应堆堆芯能量的重要作用。其数量庞大的传热管是核电厂一回路最为薄弱的压力边界，管壁厚度仅为1毫米左右，呈现出高且长的特点。传热管两侧分布有高温、高压、高腐蚀性、高速振动流体，正常运行过程中一直受到热应力及机械应力外加材料腐蚀等作用，一般情况下，在长达50年的服役过程中管壁不断发生传热管降质，核电厂经常出现的传热管破裂事故，容易导致一回路泄压、堆芯失冷、放射性冷却剂向二回路释放，容易造成难以控制的瞬态工况，对反应堆安全系统产生较大影响。据统计，蒸汽发生器的事故发生率是反应堆一回路系统中最高的。

至1977年末世界上运行的79座压水核电站有34座发生了蒸汽发生器传热管泄漏事故，1982年美国48座运行核电站中40座发生了蒸汽发生器事故，一般核电站蒸汽发生器运行不到15年就被迫更换，运行最短的蒸汽发生器只有7年。据统计，目前各国运行的多数蒸汽发生器传热管已经发生了严重破损，世界上接近半数的蒸汽发生器是带着损伤传热管运行。堵管过程中除去维修费用仅是停堆维修的经济损失已经相当大，更换蒸汽发生器的代价更高，因此蒸汽发生器传热管破裂事故对核电系统造成的经济损失相当大。

而蒸汽发生器是一回路和二回路的中间枢纽，其运行性能对整个系统的热能转换效率至关重要，一般蒸汽发生器发生传热管破裂事故后首先考虑堵管方法，一般采用爆炸堵管、焊接堵管和机械堵管方法。堵管成功后，其相较于完整蒸汽发生器在输热方面性能有所下降，又因蒸汽发生器在整个核电站回路中能量转换中间枢纽的关键作用，需要对不同堵管工况下蒸汽发生器一次侧的流量及形阻变化及其对整个一回路堆芯换热系统及二回路冷却系统的影响进行分析。

目前已有的反应堆大型商业程序均能够对反应堆回路系统中产生的瞬态事故进行数值模拟分析，这些程序在传热管堵管事故分析过程中，一般均采用一回路流量随时间的变化来粗略模拟。而传热管堵管事故下，对SG整体三维局部影响或对系统回路影响数值模拟分析的关键在于不同堵管工况的精确建立。因此采用合理的数值模拟方法对蒸汽发生器进行建模，并根据蒸汽发生器正常工况下的流量分配情况对其不同堵管工况进行模型建立非常重要。

核电厂蒸汽发生器一般为成千上万根传热管，如AP1000蒸汽发生器中设计有10025根传热管，其一次侧具体结构如图1所示，一回路冷却剂由下腔式入口流入蒸汽发生器，冷却剂经由入口下腔式、U型管、出口下腔式流出蒸汽发生器，其在传热管束区域与二回路冷却剂进行能量交换。当传热管发生破裂事故时，一般采用特定方式在蒸汽发生器管板位置进行堵管操作，损坏的传热管经过堵管操作后不再具有原有换热功能，对于一回路而言，堵管区域可以看作流体完全封闭区域。

国内外研究