理论教育 焓升工程热管因子分析及优化策略

焓升工程热管因子分析及优化策略

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:对于压水堆,焓升工程热管因子由5个分因子组成。⑤考虑相邻通道间冷却剂相互交混的焓升工程热管分因子。最后综合各分因子求得总的焓升工程热管因子为在混合法中,把燃料元件和冷却剂通道的加工、安装及运行中产生的误差分成随机误差和非随机误差计算,比早期的乘积法将所有的误差全部作为非随机误差计算要先进。

焓升工程热管因子分析及优化策略

对于压水堆,焓升工程热管因子由5个分因子组成。

①由芯块直径、密度及裂变物质富集度的加工误差引起的焓升工程热管分因子

这几项均属随机误差,故类似于的求法,可写为

式中 ——由燃料芯块直径、密度和燃料富集度偏离名义值引起的热管冷却剂的焓升极限相对误差

由于热管焓升是对通道全长上的冷却剂焓升而言的,上式各均方差均有下标hc,即表示计算均方差应取热管全长上误差的平均值,如

最后可得

②由燃料元件冷却剂通道尺寸的加工误差引起的焓升工程热管分因子

在影响的3个因素中,燃料元件包壳外径的加工误差和燃料元件栅距的安装误差都属于随机误差,第三个因素是运行后燃料元件的弯曲变形。要想取得在燃料元件全长上由弯曲变形所造成的通道尺寸的平均误差,也是相当困难的。故从保守角度出发,弯曲变形量取最大值,并且作为非随机误差处理,也就是运用乘积法处理。

式中 Qn,max——热管中的名义最大积分输出功率

——平均管的冷却剂流量

Wh,min,2——上述3个工程上的不利因素所造成的热管中冷却剂最小流量。

热管的面积A和当量直径De分别为

上述两式中均包含燃料元件棒的栅距P和燃料棒的包壳外径dco两个参数,必须先分别求出P和dco的实际值。dco只存在加工误差,且属于随机误差,P则包含随机性质的安装误差及非随机性质的运行后完全变形而造成的误差。下面先对各项误差按其性质分别求出,然后再把它们综合起来。

燃料棒在安装中的栅距极限误差为3(σs,P/Pn),相应的焓升工程热管因子为

燃料棒在运行后弯曲变形使栅距产生误差,相应的焓升工程热管因子为Pn,Pmin,b为热管全长上燃料棒弯曲变形后的最小栅距;Pn为栅距名义值。此时,热管的流通面积变为:

假设其他热工参数为常量,单纯考虑燃料元件冷却剂通道尺寸偏差,并认为平均管和热管的冷却剂流动压降相等,即Δph=Δpm。为简便起见,流动压降只考虑沿程摩擦压降,则热管压降为

故热管中冷却剂的最小流量为

同理可得平均管的流量为:(www.daowen.com)

上两式的第一部分近似为常数并相等,又因为Δph=Δpm,故得

把A和De两个数值代入式(5-24)就可求得的值。

③堆芯下腔室冷却剂流量分配不均的焓升工程热管分因子

由于堆芯下腔室结构上的原因,分配到堆芯各冷却剂通道的流量是不均匀的。其不均匀程度难以用理论分析求出,一般需从堆本体的水力模拟装置中实验测出。现有的实测数据表明,堆芯各燃料元件冷却剂通道的流量与平均管流量相比,有大有小,但从热工设计安全要求出发,总是取热管分配到的流量小于平均管的流量。根据实测的热管流量,即可求得

式中 Wh,min,3——由堆芯下腔室分配到热管的冷却剂流量。

④考虑热管内冷却剂流量再分配时的焓升工程热管分因子

现代设计的压水反应堆,允许热管内的冷却剂发生过冷沸腾和饱和沸腾。这样,由于热管内有气泡生成,热管内冷却剂的流动压降就要比没有发生沸腾时的大。但由于加在热管两端的驱动压头没变,因此热管在发生沸腾时冷却剂流量就要减少,多出的这一部分冷却剂就要流到堆芯其他燃料元件冷却剂通道中去。上述现象通常称为并联平行通道间的冷却剂流量再分配。当燃料元件的释热量一定时,流量再分配会使热管冷却剂焓升增加。该因素对焓升的影响用表示,即

式中 Wh,min,4——发生流量再分配后的热管冷却剂流量。

确定热管在沸腾状态下的流量可以通过迭代法来确定。先根据下腔室的流量分配在热管内减少量计算其有效驱动压头Δph,e,然后假设一个考虑流量再分配时的热管冷却剂流量,根据该流量可以算出相应热管的压降Δph,经过若干次迭代后满足收敛条件即为流量的实际值。

⑤考虑相邻通道间冷却剂相互交混的焓升工程热管分因子

在相邻通道内冷却剂相互之间进行着横向的动量、质量和热量交换。热管中较热的冷却剂与相邻通道中较冷的冷却剂间的相互交混使热管中的冷却剂焓升降低,这将有利于热管的安全。该影响用表示,即

考虑横向交混后,热管冷却剂的实际最大焓升就不同于热管冷却剂名义最大焓升。这种误差也不属于随机误差,也很难从理论分析中得到,而只能直接进行实验测定或根据由实验整理出来的经验关系式计算得到。

最后综合各分因子求得总的焓升工程热管因子为

在混合法中,把燃料元件和冷却剂通道的加工、安装及运行中产生的误差分成随机误差和非随机误差计算,比早期的乘积法将所有的误差全部作为非随机误差计算要先进。将误差分类后算得的因子要比将误差全部作为非随机误差时的小;与之相应,用前者计算得到的燃料表面最大热流密度和燃料元件最高温度也比较低。这样,在满足堆热工设计准则要求的前提下,就可以提高堆的功率输出。总之,混合法既考虑了堆的安全要求,又考虑了堆的经济性,因此在反应堆设计中得到了广泛采用,这也是目前反应堆设计中的主流方法。

工程热管及热点因子的计算方法合理与否,将直接影响到堆的安全可靠性与经济性。如果计算方法太保守,把属于随机性质的误差当作非随机误差处理,则算得的工程热管和热点因子偏大,虽然安全,但会影响堆的经济性。反之,如果把非随机误差当作随机误差处理,就会影响堆的安全性。因此必须正确区分随机误差和非随机误差。

另外,燃料元件的加工误差值确定是否合适,也会影响到堆的经济性。例如把燃料元件芯块直径的加工误差定得太小,那么堆芯热工性能改善不多,而加工费用却要大幅度增加。因此必须合理确定加工误差。

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