非能動壓水堆試驗臺架兩相流分離測量技術探析

石 洋，郝博濤

（國核華清（北京）核電技術研發中心有限公司 非能動堆芯技術研究室，北京 102209）

0 前言

對于非能動核電站破口失水事故一般采用建造不同尺寸的試驗臺架進行模擬試驗研究，試驗破口發生時系統會噴放大量的汽液兩相流，精確的測量出汽、液的流量，特別是蒸汽的流量對于核電站設計及事故分析有著重要的意義。因直接進行兩相流的測量在技術上尚未完全成熟，目前應用較多且現實可行的方式是采用汽水分離裝置將系統噴放后的汽、液進行分離，然后分別測量其流量[1]。但由于臺架模擬的事故工況下系統的狀態跨度較大，從前期的系統高溫高壓噴放直至后期的長期冷卻自然循環階段，其噴放流量的變化范圍很大，已大大超出了一般流量計的設計量程比。因此如何通過汽水分離裝置，同時設置不同流通管線對噴放流量進行精確的測量變得十分關鍵。

本文針對上述問題，給出了通過汽水分離系統進行大量程比流量測量的研究與設計說明，給出了利用汽水分離裝置進行超大量程比的蒸汽測量的技術要點，為大量程比的兩相流測量提供一定的參考借鑒。

1 研究目的

核電站破口失水事故中會噴放大量的汽液兩相流，精確的得出噴放的汽、液流量曲線，對于非能動核電站設計及事故分析有著重要的意義。目前多采用縮比的試驗臺架作為非能動核電站設計及程序驗證的有效平臺，因此如何精確測量臺架系統在事故工況下噴放的汽、液兩相流量是一個重要且值得探討的問題。事故工況下試驗臺架破口噴放的流量范圍很廣，具有超大的流量量程比，已經遠遠超出常規流量計的量程比范圍，因此僅通過單個流量計進行流量的精確測量變得非常困難。而針對不同的汽液流量采用不同的流量計進行測量的方法已被證明是可行的，即采用流量切換測量方法進行試驗臺架噴放測量，汽水分離測量系統的流程簡圖如下圖所示：

圖1 汽水分離多管線測量流程示意圖

汽水分離多管線設計中需關注多個方面的問題。本文針對兩相流分離測量，重點就設計復雜且極具代表性的大量程比蒸汽測量的設計進行說明闡述。

流量切換測量方法的核心是針對不同的流量，采用不同測量管線的有機組合，并通過合理的管線切換完成復雜且精確的流量測量。而這其中的重點之一即為管線的設計。流量切換測量的管線設計，需兼顧考慮測量要求、工藝參數以及工程實際等條件進行綜合的設計。首先，需要明確測量的范圍及測量精度要求，保證全量程范圍的流量均能精確測量，其次需根據系統工藝參數及流量測量要求進行管線的工藝設計，再次還需兼顧管線的工程設計，通過綜合考慮上述條件，才能完成符合測量要求的大量程比蒸汽流量測量的管線設計方案。

下面將主要針對汽水分離測量的蒸汽管線設計中的幾個重點問題進行說明與探討。

2 技術要點

2.1 量程全覆蓋

汽水分離器蒸汽管線流量測量的目的，即在滿足測量精度的前提下，得出核電站縮比試驗臺架主回路在破口事故下破口噴放的蒸汽流量。因噴放前期，破口的噴放為高溫高壓噴放，同時伴隨有閃蒸現象，此時的蒸汽流量非常大，記為Qmax，具體的可以通過絕熱等熵噴放進行蒸汽流量的估算，也可通過數值模擬進行相關的佐證。而噴放后期，在自動降壓系統打開后，破口處的噴放流量將會長期維持在降低水平，此時的測量可稱為小流量測量。汽水分離器的蒸汽管線設計需嚴格保證整個流量范圍的精確測量。當然，管線設計的前提是需明確需要精確測量的蒸汽流量范圍，確切的說即確定需精確測量的最小蒸汽流量，記為Qmin。最小流量的選取可以根據核電站設計驗證及程序驗證的實際需要確定。明確了小流量的下限值，再通過之前計算得出的流量上限值，即確定了想要精確測量的量程范圍，記為[Qmin，Qmax]。而對于這種大量程比（Qmax>>Qmin）的流量測量，想通過選取單個高精度的測量儀表進行精確測量目前來說是不現實的，本文建議通過不同管徑管線并聯的方式進行大量程比蒸汽流量的測量。試驗過程中通過管線的合理切換來實現破口噴放蒸汽的流量不同階段的精確測量。假設，測量過程中進行了三次流量測量的切換，第一個階段可精確測量的量程范圍為[Q1，Q2]，第二個階段可精確測量的量程范圍為[Q3，Q4]，第三個階段可精確測量的量程范圍為[Q5，Q6]，測量需滿足流量量程全覆蓋的要求，即需滿足以下關系：

在滿足了流量量程覆蓋的前提下，還需考慮管線管徑的設計選取。管徑的選取需考慮管線內流體的雷諾數范圍以及管線中所安裝流量計精確測量的流量范圍，只有滿足了這兩點，才能保證測量數據的精度滿足要求。

2.2 管線并聯的流量分流計算

通過多根管線同時開啟進行蒸汽測量時，因不同管線的阻力系數不同，將存在蒸汽在不同管線中流量不同的現象，即為蒸汽分流現象。對于汽水分離器的蒸汽管線設計，計算并考慮蒸汽的分流現象對于實際測量有著重要的意義。分流測量是并聯管線測量的關鍵，對于破口噴放的同一蒸汽流量，開啟不同的蒸汽管線，其蒸汽分流的流量是不同的。但因同一管線的流量計是不變的，其測量量程是固定的，所以在整個測量過程中，管線的不同切換過程中，均需保證管線分流后的流量滿足管線中流量計的精確測量的上下量程范圍，如果管線中實際蒸汽流量超出了流量計的測量范圍，則得到的數據的精確程度會降低，甚至造成數據的不可用。

對于并聯管線（如A、B、C三根管線首尾分別相接的并聯形式）的流量分配計算，可通過如下公式進行計算[2]：

管線設計中常會碰到A與B管線并聯匯合成一根管線后，又與C管線并聯的情況。對于這種情況，需要先將A與B管線當成一根管（A&B管）看待，這根A&B管與C管并聯。此時可根據A&B管的阻力系數和C管的阻力系數，得到這兩根管的流量分配情況。然后再根據A、B管的阻力系數關系，將A&B管中的流量再次進行流量分配。這樣就得到了A、B、C三根管線中的流量分配情況。

此情況下，需通過設計使得允許管線切換的流量范圍較寬，即給試驗者留出充足的操作時間和余度；管線切換應選取在流量變化較平緩的范圍內進行，避免選擇在流量有著較大反復波動的范圍內，以免造成部分試驗數據的精度下降甚至缺失。

3 結語

本文介紹了如何通過汽水分離測量系統精確測量大量程比蒸汽流量的設計要點，并對其中的關鍵技術問題進行了闡述說明。這些對大量程比兩相流分離測量的設計及研究有著一定的指導意義。通過汽水分離系統進行兩相流的精確測量是一個切實可行但又非常復雜的技術，其中的耦合設計較多，如測量方式的選取與工藝設計的耦合，工藝設計與工程設計的耦合，蒸汽管線設計與水封管線設計的耦合等，這些均需要在以后的設計及研究中進一步的豐富與發展，最終使得汽水分離測量技術趨于完善，更好的應用于兩相流的測量與研究。

[1]張福君，國金蓮.汽水分離器性能和結構設計特點[D].2012.3，33（01）.

[2]景思睿，張鳴遠.流體力學[J].西安交通大學出版社，2001.