海洋条件下非能动余热排出系统运行特性研究

发布时间：2020-09-17 14:02

　　非能动余热排出系统因其固有安全性高而广泛应用于核动力装置中,然而对于航行的船舶而言,由于海洋条件引入的运动会对船用反应堆及其非能动安全系统的运行造成潜在的影响,因此,开展海洋条件下非能动安全系统运行特性的相关研究具有重要意义。本文针对船用核动力装置非能动余热排出系统在海洋条件下的运行特性进行了仿真研究。本文对船舶运动条件进行了数学描述,通过介绍非惯性系下的动量方程,引入海洋条件下流体质量力及附加惯性力的概念。基于海洋条件下流体的受力分析,建立了适用于任意非惯性坐标系原点位置、能够描述任意船体运动形式的流体的质量力与附加惯性力的通用计算模型。针对在船舶核动力装置一回路侧、二回路侧分别布置非能动余热排处换热器的情况,基于基本热工水力模型,结合运动条件,建立能够描述海洋条件下船舶核动力装置一、二次侧非能动余热排出系统的数学物理模型。通过选取合适的数值算法,基于MATLAB平台,开发了海洋条件下非能动余热排出系统热工水力分析程序。对一、二侧非能动余热排出系统在海洋条件下的运行特性进行了计算分析,研究了两种布置形式在海洋运动条件下的适应性,计算结果表明:对一次侧非能动余热排出系统来说,横摇及纵摇运动会引起回路冷热源有效高度差的改变并引入了附加惯性力,导致系统平均流量减小,造成流量及水温的周期性波动;增大运动幅值或减少运动周期均会导致非能动系统及堆芯流量的进一步减小。在剧烈横摇工况下,由于引入的附加惯性力过大,导致非能动系统不能正常启动,严重影响堆芯余热排出。船舶的艏摇及直线运动仅会引入附加惯性力而不改变回路冷热源有效高度差,对非能动系统及堆芯余热排出能力的影响有限;垂荡条件下,环路流量波动在堆芯处叠加,堆芯流量波动增大。对二次侧非能动余热排出系统来说,倾斜运动造成了系统冷热源高差改变,导致非能动系统自然循环流量的变化。在纵摇条件下,系统能够正常启动运行并安全导出堆芯余热,海洋条件对系统的运行影响较小;随着运动幅值的增大或运动周期的减小,海洋条件的影响程度增加。在横摇、艏摇及纵荡运动时,系统冷热源高差不变,运动引入的附加压降较小,对系统运行的影响程度有限。在本文的计算工况中,与一次侧非能动余热排出系统运行特性相比,二次侧非能动余排系统在海洋条件下的适应性较好。因此,在实际船舶系统设计中,建议根据具体海况及船舶运动形式的最大幅值与最小周期,选择海洋条件影响程度最小的二次侧非能动余排系统布置方案。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TL413.31
【部分图文】：

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（１）逦一次侧非能动余热排出。主要考虑对反应堆一回路冷却剂的直接冷却来进行逡逑堆芯余热的导出，通过换热设备将主回路冷却剂的热量排到最终热阱。典型设计包括美逡逑国西屋公司的ＡＰ６００／ＡＰ１０００邋（图１．１）、欧洲的ＥＰＰ１０００、日本的ＪＰＳＲ和ＳＰＷＲ等。逡逑ｏｅｍｅｓｓｕｔｕｚＡＴｉｏＮ逡逑—一逡逑ＵｄＦ邋Ｉ邋１．０ＯＰ逦ＶＥＳＳＥＬ逡逑＾逦１邋ＣＯＭＰＡＲＴＭＥＮＴ逡逑ＡＣＣＵＭＵＬＡＴＯＲ邋－邋Ａ邋■逡逑Ｖ逡逑图１．邋１邋ＡＰ１０００邋—次侧非能动余热排出系统示意图逡逑（２）

非能动余热排出系统,反应堆,二次侧,现状

１、一次侧非能动余热排出系统研宄现状逡逑美国西屋公司的ＡＰ６００／ＡＰ１０００压水反应堆是应用一次侧非能动余热排出的典型代逡逑表，如图１．邋１所示。作为非能动余热排出系统中的关键设备，非能动余热排出换热器逡逑（ＰＲＨＲ）被布置在安全壳内部的换料水箱（ＩＲＷＳＴ）中，水箱中的水作为非能动余热逡逑排出的热阱。在非能动余热排出系统运行阶段，反应堆一回路冷却剂在堆芯与非能动余逡逑热排出换热器（ＰＲＨＲ）入口处流体的密度差推动下，在管内形成自然循环流动；在ＰＲＨＲ逡逑运行初始阶段，其管外换料水箱中发生的是自然对流和过冷沸腾，随着换热的进行，管逡逑外水箱逐渐进入饱和沸腾状态［２］。逡逑Ｙｏｎｏｍｏｔｏ等丨４］搭建了一个全压、全长度、功率与体积成比例的一体化非能动余热排逡逑出换热器试验装置ＲＯＳＡ－Ｖ，对小破口失水事故下非能动余热排出系统进行了模拟实验逡逑研宄。以实验得到的热负荷为己知条件，管内应用Ｄｉｔｔｕｓ－Ｂｏｅｌｔｅｒ公式、管外应用Ｌａｎｇｍｕｉｒ逡逑和Ｃｈｕｒｃｈｉｌｌ－Ｃｈｕ公式对非能动余热排出换热器（ＰＲＨＲ）的传热性能进行了分析。Ｃｈｕｎｇ逡逑等对一体化反应堆的非能动余热排出换热器（ＰＲＨＲ）的自然循环进行了实验研究，逡逑并应用ＭＡＲＳ程序处理实验结果

船舶运动,形式,艏摇,船舶

海洋条件是指船舶在海洋中航行时，受到风、浪、涌等影响，将产生倾斜（Ｔｉｌｔ）、逡逑横摇（Ｒｏｌｌ）、纵摇（Ｐｉｔｃｈ）、艏摇（Ｙａｗ）、横荡（Ｓｗａｙ）、纵荡（Ｓｕｒｇｅ）、垂荡（Ｈｅａｖｅ）逡逑等一系列运动，如图２．１所示。图中，Ｘ轴、Ｙ轴和Ｚ轴所形成的坐标系即为非惯性坐逡逑标系。此外，船舶自身的机动也可能引起上述形式的运动。逡逑Ｚ逡逑艏摇吟１逦ｙ邋Ｙ逡逑图２．１船舶运动形式逡逑２．１．１摇摆运动及倾斜条件的数学描述逡逑摇摆是指船舶绕某一轴线做往复摆动，分为横摇、纵摇和艏摇。一般假设摇摆运动逡逑的角度的变化规律为：逡逑即）Ｏｎ（２对／Ｇ）逦（２－１）逡逑因此，角速度及角加速度可分别表示为：逡逑＾（０邋＝邋ｄｍａ，邋｛２ｎｌｔＲ）ｃｏｓ｛２ｎｔｌｔＲ）逦（２－２）逡逑外）＝－Ｕ咖）：ｓｉｎ（２邋对Ａ？）逦（２－３）逡逑１３逡逑

【参考文献】