基于CFD的安全壳局部隔间非能动氢气复合器布置方案研究

李精精，蔡盟利，林盛盛，王 辉

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

压水堆核电厂发生严重事故后，由于锆水反应产生大量氢气，严重威胁反应堆安全。目前，为了缓解事故后的氢气风险，国际通用做法为在安全壳内隔间不同位置布置非能动氢气复合器(PAR)。在安全壳内消氢效果的研究中，多采用集总参数程序或理论计算方法开展[1-5]，然而集总参数程序很难给出氢气分布的效果。随着计算机技术的发展，计算流体力学(CFD)方法在核电安全领域得到越来越多的应用[6-8]。国内外有不少学者采用CFD方法对非能动氢气复合器进行研究。Park等[9]采用CFD程序对非能动氢气复合器结构进行优化设计，以提高非能动氢气复合器的复合效率。Gera等[10]和Orszulik等[11]对不同环境条件下非能动氢气复合器工作特性进行数值计算，并与实验值进行对比。吉宇等[12]针对现有非能动氢气复合器的特点，依据其工作原理，在一定假设的条件下建立相应的理论模型，开展CFD计算分析，并对现有的非能动氢气复合器结构做出优化设计，以提高非能动氢气复合器的复合能力与复合效率。李霄玺[13]采用简化方法对已有的非能动氢气复合器反应速率公式进行CFD数值模拟。已有研究表明，通过采用CFD方法对非能动氢气复合器进行详细建模是可行的。但对非能动氢气复合器模型进行详细建模需要采用较好的网格质量，特别是参与化学反应的表面，考虑到安全壳与非能动氢气复合器在尺度上存在较大差异，过细的网格质量将带来过大的计算负担。安全壳内安装的非能动氢气复合器的供应商均为对应型号的非能动氢气复合器提供了经过实验验证的消氢速率公式。

本文基于CFD方法对安全壳局部隔间非能动氢气复合器布置方案进行研究，在研究方案中，不对非能动氢气复合器的催化区进行详细建模，而是采用供应商提供的消氢速率公式对非能动复合器进行简化模拟。

1 研究对象与计算模型

1.1 研究对象

非能动氢气复合器如图1所示，由位于非能动氢气复合器底部的催化区和上部的烟囱区组成。非能动氢气复合器的消氢速率如式(1)所示，氢氧反应的化学方程式如式(2)所示。

图1 非能动氢气复合器Fig.1 Passive autocatalytic recombiner

mH2=ηV(k1p+k2)tanh(V-Vmin)

(1)

(2)

式中：mH2为消氢速率，g/s；V为计算消氢速率所采用的体积浓度，%，当VH2≤1.2VO2时，V=VH2，当VH2>1.2VO2时，V=2VO2，当VH2≥8%时，V=8%；η为复合器效率，当VH2≤1.2VO2时，η=1.0，当VH2>1.2VO2时，η=0.6；p为绝对压力，Pa；k1、k2为实验测量的复合器消氢常数，不同复合器该常数取不同的值；Vmin为复合器停止的氢气体积浓度，%。

(3)

(4)

式中：mΣ为通过非能动氢气复合器的混合物气体总流量，kg/s；ΔyH2为非能动氢气复合器进出口处的氢气质量份额；α为非能动氢气复合器的效率；MH2和MΣ为氢气和混合气体分子量；上标out表示出口。

由式(2)和复合器入口参数(即混合气体组分、温度)根据能量守恒可计算出复合器出口的气体组分及其温度：

(5)

(cpT)out=(cpT)in+ΔyH2Q

(6)

式中：Q为氢气燃烧热，约为1.2×108J/kg；cp为混合气体的比定压热容，J/(kg·K)；T为混合气体温度，K。

因此，在计算过程中可将催化区作为“黑盒子”处理，即将催化区的入口作为计算域的出口边界，而催化区的出口作为计算域的入口边界处理。催化区入口的气体组分即为边界网格节点内的气体组分，催化区出口的气体组分和温度可根据质量守恒通过式(1)～(6)计算求得。

1.2 控制方程

计算过程中采用的流动、传热及组分传输方程如下。

1) 连续性方程

(7)

式中：x、y、z为坐标轴方向；ρ为密度；u、v、w为x、y、z方向的速度。

2) 动量方程

(8)

(9)

(10)

式中，μ为动力黏度，N·s/m2。

3) 能量方程

(11)

式中：k为热导率，W/(m·K)；T为混合物温度，K；ST为源项。

4) 组分(氢气、氧气、水蒸气)传输方程

(12)

式中：Yi为第i项组分的质量份额；D为扩散系数，m2/s；SYi为第i项组分的源项。

2 计算结果与分析

2.1 氢气复合器模型验证

在中国核电工程有限公司开展的非能动氢气复合器设备鉴定实验中采用某小型试验样机进行消氢速率验证实验。为了验证氢气复合器简化方案的合理性，对比数值计算结果与实验结果如图2所示。

图2 非能动氢气复合器入口氢气浓度Fig.2 H2 concentration of PAR inlet

实验罐内的初始压力为0.15 MPa，初始氢气浓度为4%，空气湿度为100%。由于该容器同时承载了喷淋、气溶胶、毒物等相关实验的研究，罐体内底部空间放置较多的设备，在建模过程中，模型容积取25 m3。由图2可知，复合器布置位置对计算结果影响较大，在计算前期，不同布置高度计算结果较为接近，随氢气消除的进行，不同布置高度的计算结果出现差异，将复合器布置在较低位置时，计算结果与实验结果较为接近。实验中容器内复合器的布置位置与下部位置情况更为接近。氢气复合器不同布置位置时容器内的平均氢气浓度以及最终稳定状态下容器内氢气浓度的分布如图3、4所示。

图3 不同复合器布置高度下容器内平均氢气浓度分布Fig.3 Average H2 concentration distribution under different PAR heights

由图3、4可知，氢气复合器布置在不同高度情况下，容器内氢气分布出现较大差异。以复合器的布置高度为界，容器内形成了明显的氢气浓度分层现象，复合器上部氢气浓度迅速降低，而复合器下部一定高度处氢气浓度基本维持不变。这是由于当复合器处于较高位置处时，由于复合器的消氢效应并没有使气体在整个容器内形成一个很好的循环流动，因此，复合器下部一定高度处的氢气不能得到很好的消除，而复合器布置于较低位置处时，受水蒸气上升效应的影响，氢气被迫向容器底部流动，使空间内较大范围内氢气浓度得到较好消除效果。因此，复合器布置在容器中间高度位置时，消氢结束，容器内具有较高的平均氢气浓度，而布置在较低位置时，容器内平均氢气浓度较低。

图4 不同复合器布置高度下容器内氢气浓度分布Fig.4 H2 concentration distribution under different PAR heights

2.2 不同布置方案对比

对卸压箱隔间氢气复合器进行不同的布置方案设计，如图5所示。其中，方案1的布置中，两台氢气复合器均采用地装方式，复合器底部标高距地面约0.5 m；在方案2的布置方案中，抬高了两台复合器的布置，其中1台氢气复合器布置在卸压箱隔间与卸压箱上部隔间的流通通道中，另1台复合器布置在距地约1.6 m标高位置。计算过程中作如下假设：隔间初始条件为：压力0.1 MPa，氢气体积份额0.1，空气湿度0%，房间温度300 K；房间为封闭隔间，且不考虑卸压箱爆破阀的质能释放。

a——方案1；b——方案2图5 非能动氢气复合器布置方案Fig.5 Layout scheme of PAR

1) 复合器消氢速率对比

卸压箱隔间不同氢气复合器布置方案下，复合器消氢速率及隔间氢气浓度对比如图6所示。由图6可知，在消氢开始时，由于两种布置方案具有相同的环境条件，因此，不同方案消氢速率相当，随着消氢的进行，当复合器入口的氢气浓度低于8%时，复合器消氢效率随氢气浓度的降低而降低。在方案2的布置中，PAR1位于卸压箱隔间与卸压箱上部隔间的流通通道中，该通道作为气体的唯一流通通道，底部复合器产生的水蒸气会伴随着氢气和空气流过该通道，因此，此位置处的氢气复合器消氢效率会有所降低,而PAR2由于抬高了布置高度，随着消氢作用的进行，较低位置处的氢气会补充到氢气复合器的入口处，从而维持氢气复合器具有较高的消氢效率。方案1中复合器布置位置较低时，随着消氢作用的进行，较低位置处的氢气浓度急剧减少，周围气体不能得到及时补充，造成复合器效率降低。

2) 卸压箱隔间氢气浓度分布对比

卸压箱隔间内不同高度处氢气浓度如图7所示。由图7可知，两种布置方案出现了不同的氢气分布情况。方案1氢气浓度分布相对均匀，但是整体氢气浓度相对较高。由于隔间为封闭隔间，且不存在气流扰动，复合器只可以带动小范围内的气体循环流动，方案2出现了较为明显的气体浓度分层现象。局部隔间内气体浓度分布及氢气风险除受氢气复合器影响外，还与破口位置、质能释放源项以及隔间之间的流通情况均有较为密切的关系，后续将根据实际事故序列开展更多工况的研究。

图6 不同布置方案下消氢速率及隔间氢气浓度对比Fig.6 H2 depletion rate and hydrogen concentration comparison of different PAR layouts

a——方案1，t=400 s；b——方案2，t=400 s；c——方案1，t=600 s；d——方案2，t=600 s图7 卸压箱隔间内的氢气浓度Fig.7 H2 concentration in relief tank room

3 结论

采用CFD程序及经过实验验证的复合器消氢效率公式对复合器进行简化模拟，分析了卸压箱隔间内不同氢气复合器布置方案下，隔间内氢气浓度及复合器消氢效率，最终得出结论如下。

1) 根据消氢公式计算氢气复合器进出口的气体流量和气体组分，并作为氢气复合器的边界条件，将氢气复合器内部作为黑盒子的处理方法，可以很好地模拟复合器的消氢效果，其计算值与实验值符合良好。

2) 封闭容器内氢气复合器布置高度对氢气分布影响较大，以复合器的布置高度为界，容器内形成了明显的氢气浓度分层现象。

3) 考虑卸压箱隔间为封闭隔间，在同等环境条件下，将复合器布置在较高位置与布置在较低位置相比，复合器布置在较高位置时具有更高的消氢速率，但是将复合器布置在较高位置时，会造成明显的气体分层现象。

4) 局部隔间内布置氢气复合器时，建议兼顾隔间底部布置，以防局部氢气聚集现象的发生。