[發明專利]基于三維瞬態傳熱機理的核電站穩壓器電加熱元件布置方法

在審

• 申請號: 202010793828.2
• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN112001068A
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 張繼國;陳勇;郝達榮;殷智峰;宋長遠;陳大瑋;唐旭;張煜坤
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T17/00;G06F119/08
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種基于三維瞬態傳熱機理的核電站穩壓器電加熱元件布置方法，首先對穩壓器進行合理的三維建模并進行網格劃分，然后基于CFD方法，使用RKE模型結合VOF多相流傳熱模型對正波動時穩壓器內冷熱流體的混合現象進行數值模擬，最后對數值模擬的結果進行時均無量綱和均方根無量綱處理用來表征混合過程中速度和溫度的平均值及波動情況，通過分析速度、溫度的波動強度得到穩壓器下封頭內電加熱元件合理布置的精確范圍，本發明從數值模擬的角度對穩壓器波入過程中冷卻劑的流動特性與傳熱特性進行分析，得到穩壓器下封頭內電加熱元件合理布置的精確范圍，為實際工程中電加熱元件的布置優化提供參考。

技術領域

本發明涉及的是一種核電站智能控制領域的技術，具體是一種基于三維瞬態傳熱機理的核電站穩壓器電加熱元件布置方法。

背景技術

穩壓器是壓水堆核電站壓力安全系統的主要設備，而電加熱器是穩壓器設備的核心元件，在運行過程中，由于電加熱元件直接浸泡在水中，熱量直接進行交換，將承受超高水壓、瞬時的極端溫差變化、放射劑量高、長期穩定運行等苛刻考驗。電加熱器一旦發生故障，將影響電廠維持和控制反應堆冷卻劑系統運行壓力的能力，甚至導致一回路超壓停堆。目前三代核電站壓水堆穩壓器的電加熱元件還沒有成熟的運行業績，以典型的三代核電機組AP1000為例，通過對比二代加熱器的技術參數，發現AP1000電加熱器的功率偏差是二代加熱器的5倍左右，其實際功率負荷更加難以控制，這樣的偏差會加強運行時電加熱器包殼的冷熱交變應力，使電加熱器包殼更容易膨脹破裂，從而導致套管發生機械變形，加大下封頭產生破口導致反應堆冷卻劑泄露的概率，而且近幾年國內外核電站陸續發生的電加熱器失效案例，已經引起越來越多的學者關注。因此，在保證電加熱器元件質量的基礎上，還應盡量避免波入波出的冷熱流體對電加熱棒的直接沖擊，減小冷熱流體混合過程中產生的速度和溫度振蕩對電加熱器的影響，防止電加熱器包殼和套管表面發生的反復振動、熱疲勞失效、貫穿性裂紋破壞電加熱器與套管、電加熱器套管與穩壓器下封頭之間的焊縫。

國內外對穩壓器的研究尚停留在通過建立數學模型的方式對核電站穩壓器進行動態特性研究，主要有兩相平衡態模型、兩相非平衡模型、三區非平衡模型及多區非平衡模型。但數學模型的方法并不能夠體現出穩壓器內的流場分布及熱工水力特性，對于穩壓器內部電加熱元件的布置缺乏指導作用。考慮到三代穩壓器相比于二代穩壓器，發生了較大改動，如果按照以往的經驗值來布置其內的電加熱元件難免有所不足，因此，將CFD模擬技術引入到穩壓器的動態過程分析中去，從穩壓器中冷熱流體混合過程的波動機理出發，來尋求適合電加熱元件布置的最佳范圍，對于了解穩壓器內的流動傳熱過程、優化設計、三代核電機組的安全運行都具有重要意義。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于三維瞬態傳熱機理的核電站穩壓器電加熱元件布置方法，從數值模擬的角度對穩壓器波入過程中冷卻劑的流動特性與傳熱特性進行分析，得到穩壓器下封頭內電加熱元件合理布置的精確范圍，為實際工程中電加熱元件的布置優化提供參考。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種基于三維瞬態傳熱機理的核電站穩壓器電加熱元件布置方法，首先對穩壓器進行合理的三維建模并進行網格劃分，然后基于CFD(計算流體動力學)方法，使用RKE(可實現k-ε湍流)模型結合VOF(流體體積法)多相流傳熱模型對正波動時穩壓器內冷熱流體的混合現象進行數值模擬，最后對數值模擬的結果進行時均無量綱和均方根無量綱處理用來表征混合過程中速度和溫度的平均值及波動情況，通過分析速度、溫度的波動強度得到穩壓器下封頭內電加熱元件合理布置的精確范圍，為工程實踐提供合理可靠的理論指導。

所述的三維建模是指：建立簡化的核電站穩壓器空腔三維全尺寸幾何模型，從源頭分析穩壓器內冷熱流體混合波動的情況，忽略穩壓器內的電加熱器棒及其支撐板、導流板、篩網、波動管與穩壓器的接管等結構，將穩壓器下封頭處理為空腔，穩壓器內汽液兩相交界面的瞬變流動采用基于VOF多相流模型的RANS方程描述，耦合RKE湍流模型使得整個求解系統封閉，模型以穩壓器筒體中部截面的圓心為坐標原點建立坐標系，波動管流體方向為y正方向。