[发明专利]一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法

说明书

本发明涉及一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法，包括：首先对稳压器及电加热器进行三维几何建模、网格划分；然后选用RPI壁面沸腾数学模型，进行UDF编写，并和欧拉‑欧拉双流体模型相耦合，从而实现对稳压器内超高压下过冷流动沸腾现象的数值模拟；再设置不同电加热器布置方式，并对相应的流动传热控制方程进行求解；最后通过比较不同电加热器布置方案下稳压器内部温度场及空泡份额分布情况来展现其加热效果，以确定出最优的加热器布置方式。与现有技术相比，本发明方法能够全面有效地模拟出稳压器内复杂的汽液两相流动，实现三维稳压器内过冷沸腾流动传热过程的模拟计算，从而能够可靠地确定出稳压器电加热元件的最佳布置方式。

技术领域

本发明涉及核电站稳压器优化设计技术领域，尤其是涉及一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法。

背景技术

AP1000是Westinghouse公司研发的百万千瓦级、双环路的第三代先进压水堆核电机组，也是我国将来较长一段时间内核电建设的主力机型之一。截止2017年5月，中国在建AP1000堆型4座，拟建AP1000反应堆12座，其计划的装机容量占我国拟建反应堆总装机容量的53％。目前，国际上尚无AP1000机组运行的成熟经验，因此安全高效地推动我国三代核电自主化进程、确保机组的安全稳定运行具有重要意义。

在压水堆核电站中，稳压器是维护系统压力安全的重要设备，其在正常工作时，水腔内会发生频繁的流体波入-波出过程，并且伴随着复杂的冷热流体混合和过冷沸腾传热现象。而电加热器是稳压器设备的核心元件，主要功能是在额定工况和变负荷运行中，对稳压器中的反应堆冷却剂进行加热，使其维持在满足运行压力的饱和温度，从而控制及调节反应堆冷却剂的压力波动。由于电加热元件直接浸泡在水中，将承受超高水压、瞬时的极端温差变化、放射剂量高、长期稳定运行等苛刻考验，一旦发生故障，将影响电厂维持和控制反应堆冷却剂系统运行压力的能力，甚至导致一回路超压停堆。因此，稳压器下封头内电加热器的布置应能够保证波入的低温冷却剂在最短的时间内被加热至饱和温度，防止低温的冷却剂直接冲击向汽液交界面，加剧电加热器表面的热疲劳造成安全事故的发生，近几年国内外核电站陆续发生的电加热器失效案例，已经引起越来越多的学者关注。

目前，国内外对稳压器的研究主要集中在通过建立数学模型研究稳压器动态特性；压力、液位控制调节系统；稳压器整体重量的优化设计上，但是这些研究并不能够体现出稳压器内复杂的流场分布及热工水力特性，也不能够体现稳压器内部电加热元件的加热效果，难以对电加热元件的具体布置形成科学有效的指导作用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法，从过冷沸腾两相流传热的角度出发探索稳压器内电加热元件的加热均匀性，以确定出稳压器电加热元件的最佳布置方式。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法，包括以下步骤：

S1、确定压水堆核电站稳压器及其内部电加热器的结构，根据工程实际，建立包含电加热器的核电站稳压器三维全尺寸几何模型，并采用CFD前处理软件进行网格划分以及网格无关性验证；

S2、根据稳压器内的流动、传热和相变过程，构建超高压过冷沸腾流动传热模拟的数学物理模型，确定出欧拉-欧拉双流体模型和RPI壁面沸腾模型的耦合关系；

S3、将步骤S2构建的数学物理模型转化为计算机语言，并嵌入到计算流体动力学软件中，以实现高压环境下沸腾传热的模拟计算；

S4、根据电加热器和冷却剂之间的热量耦合关系，确定冷却剂波入速度、温度和压力，并设定电加热器元件的加热方式及功率大小，从而确定出初始工况及边界条件；

S5、根据实际稳压器内部电加热器的分组及数量，结合典型的电加热器布置方式，以分别设置通断式电加热器和比例式电加热器的工作模式；

S6、根据全局库朗数，设定迭代时间步长，对不同布置方式对应的流动传热控制方程进行求解，当满足过冷沸腾模拟收敛条件之后，通过CFD后处理软件分析稳压器内部不同截面的流场、温度场及空泡份额分布情况，得出最佳的比例式电加热器布置方式。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：