CN103471810A

CN103471810A - 甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置

Info

Publication number: CN103471810A
Application number: CN2013104212885A
Authority: CN
Inventors: 孙宝芝; 杨柳; 李彦军; 宋福元; 杨龙滨; 张国磊; 李晓明; 张鹏
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-16
Also published as: CN103471810B

Abstract

本发明的目的在于提供甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，预热器和汽水分离器分别安装在实验段的两端，储水箱通过管路分别与冷凝器和预热器相连，预热器通过高压泵与实验段相连，实验段出口安装自力式压力流量组合阀。实验段上安装有双头电导探针、压力传感器、孔板流量计、应力应变片以及铠装热电偶。本发明采用一次侧高温、高压流体加热二次侧流体的方法，实验段U型管束采用正方形布置，能更好的反映实际蒸汽发生器汽液两相流的特点，通过对同一位置温度和应力的测量，研究传热管在外力、温度共同作用下，应力应变的变化规律，揭示甩负荷引起的特定扰动下蒸汽发生器传热管破损机制。

Description

甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种试验装置，具体地说是两相流试验装置。

背景技术

蒸汽发生器是核动力一、二回路进行换热的关键设备，其传热管壁厚仅为1mm左右，是一回路压力边界最薄弱的环节。船用核动力蒸汽发生器由于船舶机动性要求和汽轮机甩负荷条件的影响，运行功率变化频繁且幅度较大，蒸汽发生器流量多发生高频周期性波动，促使管壁温度热力型脉动，进而引发热应力的周期性交替变化，导致传热管应力破损。交变热应力不仅受汽液两相流流动不稳定性单独作用，还与沸腾危机、临界热负荷等传热恶化现象密切相关。当沸腾传热发生恶化时，传热管表面汽、液交替接触，导致换热系数急剧变化，引起热流密度大幅度振荡，传热管壁产生交变热应力，从而导致传热管应力破裂。在这种甩负荷扰动的运行条件下，船用蒸汽发生器传热管破损是常发事故。甩负荷扰动下蒸汽发生器传热管应力腐蚀破损的研究仍存在诸多问题，单纯二次侧应力腐蚀及晶间应力腐蚀实验与机理层面的研究不能从本质上揭示甩负荷引起的特定扰动下蒸汽发生器传热管破损机制，传热管破损的诱发机理亟待进一步探究。

目前，国内外学者对核电站甩负荷进行了研究，但是，研究主要集中在对陆基核电站负荷变化时，控制系统和调节系统随负荷变化的应变能力的验证，甩负荷对蒸汽发生器内的两相流动不稳定性与交变热应力的影响尚不清楚。越来越多的国内外专家认识到甩负荷特定扰动下蒸汽发生器二回路复杂的汽液两相流动不稳定性、沸腾传热恶化与交变热应力作用机制及规律等方面的研究是短缺的，而这些正是解析甩负荷扰动对传热管交变热应力作用规律、防止传热管应力破损及提高蒸汽发生器安全性的关键。然而，对甩负荷条件下的两相流动不稳定性和交变热应力的研究未见公开发表的文献，没有现成的可实现相关功能的实验装置。

本发明通过采用PLC系统控制的快开快关阀门实现不同做功方式甩负荷条件下两相流动不稳定性和交变热应力的研究。旨在揭示甩负荷扰动对蒸汽发生器汽液两相流动不稳定性、热力型脉动及交变热应力变化特征与影响因素，最终提出蒸汽发生器两相流不稳定性与传热管交变热应力预测模型与方法。

发明内容

本发明的目的在于提供揭示甩负荷扰动对蒸汽发生器汽液两相流动不稳定性、热力型脉动及交变热应力变化特征与影响因素的甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，其特征是：包括实验段、预热器、冷凝器、汽水分离器、储水箱，预热器和汽水分离器分别与实验段的入口端和出口端连通，储水箱通过分别与冷凝器和预热器连通，汽水分离器与冷凝器和储水箱分别连通；实验段包括筒体和安装在筒体内的U型管束，实验段的入口端包括一次侧入口和二次侧入口，出口端包括汽水分离出口和一次侧出口，所述的一次侧入口与U型管的一端连通，一次侧出口与U型管的另一端相连通，从而形成一次侧回路，预热器与二次侧入口连通，汽水分离器与汽水分离出口连通，U型管与筒体之间形成二次侧流域，预热器、二次侧入口、二次侧流域、汽水分离出口、汽水分离器、冷凝器、预热器依次连通形成二次侧回路。

本发明还可以包括：

1、所述的U型管包括A类U型管和B类U型管，A类U型管上布置有测点，测点的位置包括：U型管的弯管顶点处以及该顶点的两侧各取一个截面，每个截面上各设置三个测点，在U型管的两个直管与弯管连接处各设置一个测点，在两个直管的中部各设置一个测点；测点均连接数据采集系统。

2、所述的U型管束包括8个U型管，采用正方形布置，其中包括3个A类U型管和5个B类U型管，U型管束的横截面组成圆形区域里，圆的一个直径上布置2个A类U型管，该直径上方位于圆的边缘处设置1个A类U型管，在该直径与该圆边缘处中间的横向位置处设置2个B类U型管，在直径下方对称布置有3个B类U型管。

3、筒体的上、中、下三个位置上设置引压孔，上、下引压孔安装压差传感器，中引压孔安装压力传感器，筒体上还装有液位传感器。

4、筒体的上引压孔下方和中引压孔下方均设置含汽率和表观流速测量设备。

5、预热器和二次侧入口之间的管路上依次安装Y型过滤器、孔板流量计；一次侧入口的入口管路上依次安装Y型过滤器、孔板流量计；汽水分离器和实验段之间的管路上安装自力式压力流量组合阀，自力式压力流量组合阀通过PLC控制系统调节。

本发明的优势在于：

1、本发明采用PLC控制系统通过控制阀门开关速度和阀门流通面积，调节快开快关阀门的运行特性，测量相关热工水力参数，实现不同做功方式引起的负荷扰动下两相流动不稳定性与交变热应力研究。

2、本发明不同于均匀热流的电加热方式，采用一次侧高温、高压流体加热二次侧流体的方法，同时，实验段U型管束采用正方形布置以研究管束间汽液两相流不稳定性。因此，实验段的设计能更好的反映实际蒸汽发生器汽液两相流的特点。

3、本发明通过对同一位置温度和应力的测量，研究传热管在外力、温度共同作用下，应力应变的变化规律，揭示甩负荷引起的特定扰动下蒸汽发生器传热管破损机制。

4、本发明通过对汽液两相流中温度、压力、应力、含汽率、表观流速等多个关键参数的测量，综合分析甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力的规律及影响因素。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的实验段示意图；

图3为本发明的U型管束截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～3，本发明包括储水箱1、预热器2、实验段3、自力式压力流量组合阀4、汽水分离器5、冷凝器6、数据采集系统及计算机7、高压泵8-9、Y型过滤器10-11、孔板流量计12-13、PLC控制系统14。温度和应力测量位置S1-S7，含汽率测量孔OP，压力、压差测量孔P。预热器2和汽水分离器5分别安装在实验段3的两端，储水箱1通过管路分别与冷凝器5和预热器2相连，实验段出口安装自力式压力流量组合阀4。实验段上设有含气率测量孔OP和压力压差测量孔P。二次侧给水与汽水分离器5分离出来的再循环水混合后，由高压泵8输送至预热器2预热，通过给水环分配到U型管束与筒体之间的实验段流道内，沿管间流道向上流动，吸收一次侧增压锅炉提供的高温、高压水的热量，被加热至沸腾，产生蒸汽，在离开管束时，含汽率达到最高值。然后汽水混合物离开实验段3后进入汽水分离器5，经汽水分离器5分离的蒸汽进入冷凝器6，分离出来的水直接通入给水管道，冷凝水与给水混合后，经过预热器2预热，由高压泵8输送到实验段3，形成循环。

启动甩负荷扰动综合实验台，采用流量调节阀和旁通阀控制一、二回路流体的质量流量和压力，控制预热器功率调节实验段进口的流体温度，在无甩负荷扰动条件下，进行管束间汽液两相流流动实验、水动力循环实验、热工性能实验，测量相关热工水力参数。

根据无甩负荷条件下实验测量系统测量的实验段压力、水位、质量流量、含汽率、壁温等参数，采用PLC控制系统在2～3s的工作时间按汽机甩负荷特性调节出口处快开快关阀门，改变实验段出口处的自力式压力流量组合阀的运行特性，即调节阀门开关速度和阀门流通面积，进行不同做功方式引起的甩负荷扰动实验。

实验中，调节自力式压力流量组合阀，同时观察壁温和流量的变化，当壁温呈现出大幅度波动，出口流量也随之进行振荡时，即出现热力型脉动。此时，沸腾传热发生恶化，传热管表面汽、液交替接触，导致换热系数急剧变化，引起热流密度大幅度振荡，管壁温度出现脉动，进而引发热应力的周期性交替变化。通过数据采集系统记录的数据，分析甩负荷引起的热力型脉动对交变热应力的影响规律。交变热应力不仅受汽液两相流流动不稳定性单独作用，还与沸腾危机、临界热负荷等传热恶化现象密切相关。结合温度和含汽率等参数，研究沸腾危机、临界热负荷等传热恶化现象对传热管交变热应力的影响。通过与无扰动实验测量数据的对比，揭示甩负荷扰动对流动振荡、热力脉动和交变热应力、应变的影响规律性。

基于汽机甩负荷运行特性调控实验段出口处快开快关阀门，进行不同做功方式引起的甩负荷扰动实验，测量表征流动不稳定性、热力型振荡及交变热应力的参数，研究不同做功方式对两相流不稳定性与传热管交变热应力的影响。

通过对不同做功方式甩负荷扰动下实验段流量、压力、温度、应力、含汽率、表观流速等关键参数的测量，进行甩负荷扰动下管束间汽液两相流动与传热特性的研究，探讨甩负荷扰动下管束间汽液两相流传热特性与常规通道传热特性的区别。通过对实验数据的处理与分析，研究甩负荷引起的特定扰动下通道压力、管壁温度、含汽率对传热管腐蚀破损的作用规律及其影响因素。

实验段由下封头、管板、U形管束、汽水分离装置及筒体组件等组成。包括一次侧和二次侧，U型管内为一次侧流域，通入高温高压的水，U型管与筒体之间为二次侧流域，二次侧入口为过冷水，二次侧给水由给水泵输送至给水接管，通过给水环分配到U型管束与外筒体之间的实验段通道内，在这里与由汽水分离器分离出来的再循环水混合后，一起向上流动，沿管间流道向上吸收一次侧的热量，被加热至沸腾，产生蒸汽，在离开管束时，含汽率达到最高值。然后汽水混合物离开传热管束后进入汽水分离器，经汽水分离器的蒸汽进入冷凝器，冷凝水经过预热器由给水泵输送到实验段，形成循环。

所述的实验段由筒体和U型管束组成，为准确反映实际蒸汽发生器两相流动特点，实验段由8根U型传热管与圆形筒体组成二次侧汽液两相流区域，U型管内为一次侧高温高压单相流体，用以加热二次侧流体，U型管外径22mm，壁厚2mm，管间距为28mm。筒体与管道之间采用法兰连接。

所述的甩负荷扰动系统采用实验段出口安装的自力式压力流量组合阀控制出口快开快关状态，模拟不同做功方式甩负荷扰动条件。阀门工作特性为快开快关特性；最大流量1.59m3/min，进口压力4MPa，出口压力0.1～4MPa。

所述的应力和温度测量设备分别采用镍铬合金应变片和铠装热电偶。为了捕捉并反映汽液两相流的不稳定性，根据计算结果，将测点布置在膜态沸腾区域以及临界热负荷可能发生的区域，以获得两相流不稳定性发生时管壁温度振荡和交变热应力的变化规律。如图3所示，在黑色的3根U型管同一位置上布置温度和应力测点，每根U型管直管段测量面(S1，S2，S6，S7)上布一个测点，弯管段每个测量截面（S3,S4,S5）上布三个测点，整个截面处的壁温取三个点温度的算术平均值。通过观察壁温和流量的变化来判断两相流不稳定性是否发生，当壁温呈现出大幅度波动，出口流量也随之进行振荡时，即出现热力型脉动。此时，沸腾传热发生恶化，传热管表面汽、液交替接触，导致换热系数急剧变化，引起热流密度大幅度振荡，管壁温度出现脉动，进而引发热应力的周期性交替变化。通过数据采集系统记录的数据，分析甩负荷引起的热力型脉动对交变热应力的影响规律。同时，铠装热电偶安装在实验段进出口管路上，测量进出口流体温度。

所述的一、二回路工质流量采用孔板流量计测量，安装在实验段的入口处，每个流量计用阀门进行开关和流量控制，在流量计上游安装“Y”型过滤器，防止杂质堵塞。

所述的压力及水位测量设备，在实验段筒体上、中、下三个位置上设引压孔，上、下引压孔接压差传感器，中间引压孔接压力传感器，实验段装有液位传感器测量实验段水位高度。两相流的不稳定性与压力和压差密切相关，通过温度和压力的变化来判断两相流不稳定性的类型。同时，观察水位来预测膜态沸腾发生的区域。

所述的含汽率和表观流速测量设备，二回路平均截面含汽率和汽泡表观流速采用双头电导探针测量，装在实验段筒体中部和上部的测量孔OP处，其控制电路将测量信号转换为方波信号并判断信号的有效性，进行统计计算。含汽率和滑速比是汽液两相流动中的重要参数，两相流不稳定性中的热力型脉动一般发生在质量含汽率超过47%时，同时，含汽率还与膜态沸腾和临界热负荷密切相关。

所述的数据采集系统采用数据采集系统记录各个测量参数电信号，实现数据采集。

Claims

1.甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，其特征是：包括实验段、预热器、冷凝器、汽水分离器、储水箱，预热器和汽水分离器分别与实验段的入口端和出口端连通，储水箱通过分别与冷凝器和预热器连通，汽水分离器与冷凝器和储水箱分别连通；实验段包括筒体和安装在筒体内的U型管束，实验段的入口端包括一次侧入口和二次侧入口，出口端包括汽水分离出口和一次侧出口，所述的一次侧入口与U型管的一端连通，一次侧出口与U型管的另一端相连通，从而形成一次侧回路，预热器与二次侧入口连通，汽水分离器与汽水分离出口连通，U型管与筒体之间形成二次侧流域，预热器、二次侧入口、二次侧流域、汽水分离出口、汽水分离器、冷凝器、预热器依次连通形成二次侧回路。

2.根据权利要求1所述的甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，其特征是：所述的U型管包括A类U型管和B类U型管，A类U型管上布置有测点，测点的位置包括：U型管的弯管顶点处以及该顶点的两侧各取一个截面，每个截面上各设置三个测点，在U型管的两个直管与弯管连接处各设置一个测点，在两个直管的中部各设置一个测点；测点均连接数据采集系统。

3.根据权利要求2所述的甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，其特征是：所述的U型管束包括8个U型管，采用正方形布置，其中包括3个A类U型管和5个B类U型管，U型管束的横截面组成圆形区域里，圆的一个直径上布置2个A类U型管，该直径上方位于圆的边缘处设置1个A类U型管，在该直径与该圆边缘处中间的横向位置处设置2个B类U型管，在直径下方对称布置有3个B类U型管。

4.根据权利要求1-3任一所述的甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，其特征是：筒体的上、中、下三个位置上设置引压孔，上、下引压孔安装压差传感器，中引压孔安装压力传感器，筒体上还装有液位传感器。

5.根据权利要求1-3任一所述的甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，其特征是：筒体的上引压孔下方和中引压孔下方均设置含汽率和表观流速测量设备。

6.根据权利要求4所述的甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，其特征是：筒体的上引压孔下方和中引压孔下方均设置含汽率和表观流速测量设备。

7.根据权利要求1-3任一所述的甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，其特征是：预热器和二次侧入口之间的管路上依次安装Y型过滤器、孔板流量计；一次侧入口的入口管路上依次安装Y型过滤器、孔板流量计；汽水分离器和实验段之间的管路上安装自力式压力流量组合阀，自力式压力流量组合阀通过PLC控制系统调节。

8.根据权利要求4所述的甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，其特征是：预热器和二次侧入口之间的管路上依次安装Y型过滤器、孔板流量计；一次侧入口的入口管路上依次安装Y型过滤器、孔板流量计；汽水分离器和实验段之间的管路上安装自力式压力流量组合阀，自力式压力流量组合阀通过PLC控制系统调节。

9.根据权利要求5所述的甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，其特征是：预热器和二次侧入口之间的管路上依次安装Y型过滤器、孔板流量计；一次侧入口的入口管路上依次安装Y型过滤器、孔板流量计；汽水分离器和实验段之间的管路上安装自力式压力流量组合阀，自力式压力流量组合阀通过PLC控制系统调节。

10.根据权利要求6所述的甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，其特征是：预热器和二次侧入口之间的管路上依次安装Y型过滤器、孔板流量计；一次侧入口的入口管路上依次安装Y型过滤器、孔板流量计；汽水分离器和实验段之间的管路上安装自力式压力流量组合阀，自力式压力流量组合阀通过PLC控制系统调节。