ADS自动降压系统阀门设计研究

施祥兰 李波

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摘要：随着我国能源需求的持续增长，核电在我国已经进入了批量化发展与技术更新换代并举的新阶段。核电阀设备是核电站的关键设备和配套产品，其运行可靠性将直接关系到核电站的安全运行，已成为核电装备国产化工作中各方面十分关注的焦点和难点。AP1000核电机组在主回路中设置了4列可控的自动卸压系统（即ADS自动降压系统）来应对高压熔堆事故，当中有3列卸压管线是通向核电厂安全壳内的换料水储存箱，有1列卸压管线是通向核电厂安全壳大气。

关键词：可控降压；数值模拟；分析

1绪论

随着我国能源需求的持续增长，核电在我国已经进入了批量化发展与技术更新换代并举的新阶段。根据国家核电中长期发展规划，到2020年我国核电总装机容量将从目前不到1000万千瓦增加到4000万千瓦以上。为了达到核电发展的总体规划目标，在继续建造适当数量二代加机组的同时，要加快技术升级换代步伐，在引进AP1000核电机组的技术与消化吸收基础上，通过我国的自主再创新，尽快形成设计、制造、建设和运营具有自主知识产权的三代核电CAP1400核电机组的综合能力，进而拥有先进的、标准化的、能批量建造的核电产业规模，实现核电技术的跨越式发展，迎头赶上世界核电先进水平。

2设计参数要求

ADS自动降压系统阀门是反应堆冷却剂系统的一部分，并且与非能动堆芯冷却系统（PXS）连接，被分为四个降压级，其分别连接到反应堆冷却剂系统（RCS）的三个不同位置。第1、第2和第3级ADS自动降压系统阀门作为稳压器安全和卸压阀（PSARV）模块的一部分，连接到稳压器顶部的管嘴上。

2.1功能要求

功能：反应堆冷却剂系统（RCS）卸压。

2.2设备分级

阀门设备分级为A级，A级：被用于限制厂房区外照射、保证冷却剂压力边界的完成性，或用于反应堆安全停堆并保持其处于安全停堆状态的安全构筑物、系统和设备的分级，相当于安全1级。

2.3设计要求

2.3.1设计功能

阀门的基本设计功能是切断或控制流量，属于截止控制阀类型，具有可控降压、缓慢开启的特点。

2.3.2设计寿命

除了易损件（如填料、垫片、弹性材料等）以外，阀门在规定环境和正常维修使用条件下的设计寿命应为60年。

2.3.3设计压力

设计温度为17.2MPa。

2.3.4设计温度

设计温度为360°C。

2.3.5压差

具体运行工况时压差应根据本任务书附录A规定的进口和出口压力来确定。阀门应按ASME BPVC-III NB-3500（核1级）要求进行设计和制造。

2.3.6固有频率

阀门整机的固有频率应不小于33Hz。

2.4载荷和抗震要求

阀门组件应设计成能保持结构完整性和在A、B、C和D级载荷工况下实施功能。在A、B、C和D级载荷期间和之后不应丧失功能。当处在指定工况时，阀门应保持结构完好并具有本任务书中规定的功能。不丧失功能至少意味着压力边界不破坏；支架、框架和类似结构不会破裂；电动装置不会冻结或卡死；阀门内件的性能不会被削弱。

2.5运行工况

ADS自动降压系统阀门的运行工况如表1所示

图1运行工况

（1）该阀门常关，无流量。该阀门入口有环路密封形成冷水滞留区。根据实际运行工况实际温度在10°C到360°C间变化。

（2）如果上游的ADS隔离阀和控制阀都泄漏，热水将如工况2所示进入阀门。

（3）阀门运行初期将排放上游环形水封。在环形水封通过阀门后，能看到工况3、5、6所示饱和蒸汽。蒸汽通过后，可看到携带液滴的两相流工况。

（4）工况3、5、6分别表示控制降压饱和蒸汽临界流、最小ADS流量、最大ADS流量。尽管对于不同的ADS运行工况，含汽量和入口压力是不同的。但阀门的流通要求设置基于上述工况。

（5）阀门必须能够进行蒸汽节流。为实现控制降压，执行机构带有阶梯控制，允许阀门部分开启，通过手动控制实现以2.38MPa的步长降压。

（6）长期运行工况下，通过的流体是蒸汽。在较低入口压力下，不会发生临界流。压差也比给定压差小。

（7）停堆运行期间，可以进行ADS自动降压系统阀门流量试验。出于设计考虑，假设在此工况下每两年进行该阀门的试验。试验期间，由与上游隔离阀并联安装的试验阀门限制流量。

3特性分析

3.1开启特性分析

ADS自动降压系统与非能动堆芯冷却系统（PXS）连接，是反应堆冷却剂系统（RCS）的一部分，ADS自动降压系统被分为4个降压级，分别与反应堆冷却剂系统中的3个不同位置相连接。ADS自动降压系统提供反应堆冷却剂系统的顺序降压，以满足从堆芯补水箱、安注箱和安全壳内置换料水箱的非能动注射，来减轻失水事故的影响。

第1级ADS阀门为DN100的电动阀门，第2和第3级为DN200的电动阀门，第4级为DN450的爆破阀。ADS阀门按顺序开启实现降压。当堆芯补水箱低水位时触发第1级ADS阀门开启，第1级ADS阀门开启信号加上时间延迟触发第2、3级ADS阀门，当堆芯补水箱达到低水位值且第3级ADS阀门时间延迟为最小时，触发第4级ADS阀门。

3.2排放能力特性分析

3.2.1多相流模型

FLUENT中常用的多相流模型有VOF模型、混合物模型、欧拉模型以及湿蒸汽模型。

VOF模型用于考察一种或多种互不相融流体间的交界面，常用于模拟自由面流动、晃动、液体中大气泡流动；混合物模型求解混合物的动量方程，并通过相对速度来描述离散相，也可用于没有离散相相对速度的均匀多相流；欧拉模型是一个复杂的多相流模型，建立一套包含n个动量方程和连续方程的方程组来求解每一项，常用于模拟颗粒悬浮、流化床。

3.2.2阀门三维流场的数值模拟

根据阀门的实际结构，建立阀门流道的几何模型，并在阀门进出口端增加过渡段，以保证流场充分发展，避免出口回流等不利现象的产生。

将建好的几何模型导入流体网格划分软件ICEM CFD中进行网格划分。ICEM CFD在生成网格时，可实现边界层网格自动加密、流场变化剧烈区域局部加密等功能以提高数值模拟的精度。在网格划分过程中，模型中不同空间位置的流道复杂程度不同，因此根据不同流道位置，采用不同的网格密度进行网格划分。

图2 流场液相质量百分数图

3.2.3两相流对阀门排放能力的影响

为研究两相流工况对阀门排放能力的影响，需分析同等工况下，介质为饱和蒸汽阀门的排放能力，并对两种情况下的质量流量进行对比。

选用饱和蒸汽（单相）模型进行数值模拟，导出模型的计算结果，得到阀门进口截面处平均总压（3.995MPa），并以该值作为单相模型下的入口边界条件；（单相）模型的出口边界条件类型为压力边界，出口压力设为l.3MPa，与两相流模型一致。

4结论

1、对ADS自动降压系统阀门进行了相关的力学分析和强度计算，保证了阀门的结构合理和强度要求。

2、对数值模拟方法与理论计算方法的分析，ADS自动降压系统阀门在饱和蒸汽临界流工况下，理论计算结果与数值模拟结果基本一致，证明数值模拟方法完全适用于阀门的控制降压分析。通过数值模拟方法针对阀门不同开度选取和流动特性进行分析，得到等步长压降下质量流与阀门开度的曲线，为实现反应堆冷却剂系统的降压提供相应的数据，避免在降压过程中上游管线压力下降过快。

参考文献

[1]卓家桂,张志超,周金跃.ADS自动降压系统阀门可控降压分析[J].通用机械,2019(12):4.

[2]卓家桂.ADS自动降压系统阀门设计研究[D].兰州理工大学,2019.

[3]郝东魁.自动降压系统截止阀的设计与分析[D].大连理工大学,2019.

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