毕业论文（设计）反应堆高位堆顶排气系统水力载荷分析

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1、反应堆高位堆顶排气系统水力载荷分析摘要：反应堆高位堆顶排气系统用于排出圧力容器内聚集的不凝气体，由于上下游压差巨大导致堆顶排气系统管系内产生巨人的水力载荷。两相临界流下的水力载荷是本文研究的难点，作者釆用瞬变流理论结合RELAP5分析了瞬态水力载荷，评估了其对管系应力的影响。针对排气阀开闭时间、水封对水力载荷的影响进行对比分析，结果表明：1）水封设置方式及排气阀开闭时间是影响水力载荷的关键因素；2）去除水封或者提高水封温度、延长阀门开闭吋间将会大大降低水力载荷及应力水平；3）水力载荷峰值直接影响管系最人应力，峰值越人最大应力比越大。本文研究成果对堆顶

2、排气系统的设计及优化有重要参考价值。关键词：高位堆顶排气系统；水力载荷；RELAP5；瞬变流。0前言反应堆严重事故后期，部分不凝气体累积在压力容器顶部，将会帯来诸多不利彤响:1）阻碍堆芯传热；2）破坏反应堆冷却剂的自然循环；3）冷却剂系统中存在两个白由界面，影响系统卸压和再充水。国内HAD102-08新版征求意见稿C经明确要求在反应堆冷却剂系统高位设置远距离操作阀，以便在事故工况下排出堆顶不凝气体，因此M310机组改进项增设了高位堆顶排气系统提高安全性。反应堆高位堆顶排气系统通过安全级的远距离操作电磁排气阀及所在管系，将压力容器顶部聚集的不凝气体排放

3、至稳压器泄压箱。排气主管在进入排气阀前分成两列并联的管线，每列管线串联两个电磁阀，两列排放管线重新汇集后最终流入稳压器泄压箱。反应堆高位堆顶排气系统管系与压力容器顶盖相连，是一回路承压边界，流经介质为一回路放射性冷却剂。排气阀上游直接与一冋路相连，下游连通泄压箱，上下游压差巨大。在排气阀开闭时压力波在整个管系中传播，急剧变化的压力梯度在管道上产生很大的瞬态水力载荷，是影响管道结构可靠性的重要因素。ASME规范对管道冲击动力效应做了如下定义：管道分析屮必须考虑因外部、内部条件一起的冲击力山。通常冲击水力载荷的计算方法有两种，一种是根据ASME等规范中给

4、出的经验公式进行计算。另一种是热工水力时程计算方法，先计算出水力参数（压力、流速）的值，再将英转换为力的值，本文采用后一种方法。国外方面，美国电力学会（EPRI）及美国核管会（NRC）均对采用RELAP5进行稳压器排放管系的水力载荷计算进行了评估，发表了相关文献创引。针对压水堆核电站稳压器排放系统建立了“TRACTBEL”实验模型，将实验结果与RELAP5仿真得到的水力载荷时程结果对比，基金项目：核电安全监控技术与装备国家重点实验室得到较好的近似结果，认为可以用于商业反应堆的类似计算中。国内方面，国家能源部标准NB/T20268-2014压水堆核电厂

5、安全阀和卸压阀管设计准则⑷，对典型的突开的安全阀导致的开式排放系统载荷计算方法做了介绍，但没有对闭式排放系统水力载荷计算的经验方法。余红星⑸计算了蒸汽发生器隔板和传热管束LOCA下的水力学载荷。刘叔千⑹针对安全阀排放瞬态力提出了一种简便的计算方法和程序，评价了其与实验和RELAP5计算结果的差异认为符合较好。本文利用RELAP5程序对M310压水堆核电站高位堆顶排气改进系统管系进行瞬态水力参数计算，利用瞬变流理论公式得到排气电磁阀快速开闭导致管系各关键点处受到的水力载荷时程曲线。利用管道有限元软件PIPESTRESS评估了水力载荷对排气管系的力学影响

6、。1计算模型和方法1.1计算程序本文采用RELAP5程序计算瞬态水力参数。RELAP5是美国爱达荷州国家工程实验室(INEL)为美国核管会(US・NRC)开发的一维反应堆瞬态水力分析程序。它以两相非均匀非平衡模型为基础，应用汽相、液相完全独立的六个质量、动量、能量守恒方程求解系统各处的热工水力参数的变化。RELAP5程序包括许多通用的部件模型从而使得真实模拟核电厂更方便容易，这些部件模型包括：燃料元件棒、泵、阀门、管道、电加热器、蒸汽发生器汽水分离器和安注箱等部件。它还包括了一些特殊过程模型如截面突然变化造成的形阻损失及流量计算、临界流(壅塞流)、硼

7、浓度跟踪和非凝结气体迁移等。它用由Ransom-Trapplife界流模型来计算破口处的流体质量释放，该模型能更好地描述从过冷临界流动到两相临界流动的过渡，同时能更好地符合两相流动的情况。可用于模拟核电厂反应堆冷却剂系统及其辅助系统的热工水力行为、反应堆屮子动力学、控制与保护系统的响应，以及不凝气体的传输等。1.2物理模型RELAP5程序假定流体在由管道连接起来的网络中流动，这些管道由它们的长度、流通截面和阻力特性來定义。流体流动遵循以下方程⑺：1)质量守恒方程鲁do)++彩「2)动量守恒方程=F绘+叭PQA-+rgA(ve/-{a?p^A)FTG{

8、vg-vf)-Ca^a^p^一dvedvfdtfdxgdxd（vf_卩&）3）能量守恒方程+丫丿:+也+『打