CN103545000A - 二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置和模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置和模拟方法；二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，包括具备开口端和封闭端的手孔筒体，手孔筒体的封闭端采用管板进行封闭，还包括贯穿管板延伸进手孔筒体内部的换热管，手孔筒体外壁设置有手孔和手孔组件，手孔组件通过手孔与手孔筒体内部连通，手孔组件主要由连通手孔的直管和封闭直管远离手孔一端的法兰组成。能够模拟原型热交换器传热管中一次侧单相汽、汽水两相及单相水与二次侧的单相水之间的流动换热，从而研究热交换器传热管换热面积对系统自然循环流动及系统性能参数的影响。

Description

二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置和模拟方法

技术领域

本技术涉及一种非能动余热排出热交换器模拟装置，可以实现二次侧非能动余热排出系统（PRS）实验研究中对热交换器进行模拟，以用于研究热交换器传热管换热面积对系统自然循环流动及系统性能参数（流量、温度、压力）的影响。

背景技术

核电站二次侧非能动余热排出系统采用可靠性更高的非能动技术，非能动安全系统的应用，使得系统处于失效安全状态，提高了系统安全性，使堆芯熔化概率降低1至2个数量级。同时，通过减少能动设备，取消或减少对应急电源的要求，减少设备的在役检查及维护，提高了系统的经济性。ACP1000作为我国自主研发并预备投入工程应用的第三代核电站，需要开展“PRS系统设计与实验研究”，通过分析研究和实验验证，取得具有说服力的研究成果，使系统设计能够应用于工程实施。有必要针对ACP1000反应堆全厂断电同时辅助给水气动泵失效事故工况下，对PRS系统的运行能力和特性进行研究，验证应急余热排出热交换器的设计能力，并为设计改进提供实验数据基础。

原型ACP1000 PRS系统设置有三台蒸汽发生器（SG），每台SG二次侧均设置一个非能动余热排出系列，每个PRS系列包括一台SG、部分主蒸汽管道、蒸汽管道、一台冷却器、凝水管道、部分主给水管道、一台事故冷却水箱、两台应急补水箱以及必要的阀门、管道和仪表。原型每个系列的PRS系统均设置有一台热交换器，该热交换器为C型管束换热器，由正方形排列的换热管组成，换热管尺寸为Ф20mm，管中心间距为40mm，换热管材料为Z5CN18-10(304)。换热器垂直放置在事故冷却水箱的环形腔内，热交换器是非能动余热排出系统中热传递影响较大的一个关键部件，热交换器传热管中存在着一次侧单相汽、汽水两相及单相水与二次侧的单相水之间的流动换热，且对系统瞬态特性影响非常大。为了满足工程验证性试验的要求，设计一套行之有效的热交换器模拟装置是验证试验研究的关键技术之一。

查新结果显示，关于二次侧非能动余热排出热交换器装置的研究多为数值研究，如文献“非能动余热排出热交换器数值模拟”（文献号：1000-6931(2010)44:4<429:FNDYRP>2.0.TX;2-W），用FLUENT软件对AP1000非能动余热排出热交换器进行非稳态数值模拟，研究其传热和流动特性；文献“余热排出热交换器管束间自然对流的CFD模拟”（文献号：1671-4512(2003)31:9<9:YRPCRJ>2.0.TX;2-Q），应用FLUENT计算软件对某型号船舶余热排出热交换器进行数值模拟；文献“非能动余热排出热交换器两相流自然对流数值模拟热交换器”根据已有的余热排出热交换器的结构进行几何建模，对大空间的竖直管壁附近流场进行理论分析并建立冷却水的自然对流数学模型进行研究。还有资料介绍了一些特殊换热装置的设计，例如“非能动自然循环铅铋换热装置”（专利号：201120502918.8）介绍了属于核能换热设备领域的涉及利用铅铋流体传热的一种非能动自然循环铅铋换热装置；“非能动安全壳热量导出系统”（专利号：201110437864.6）介绍了一种非能动安全壳热量导出系统。

综上所述，以上文献、专利均没有涉及核电站的二次侧非能动余热排出换热器设计，且目前的热交换器模拟装置的设计不满足非能动余热排出系统实验要求。因此，有必要研制一套热交换器模拟装置，并能集成在非能动余热排出综合试验装置上，能够实现二次侧非能动余热排出系统实验研究中对热交换器进行模拟，用于研究热交换器传热管换热面积对系统自然循环流动及系统性能参数的影响。以验证设计的合理性和可行性，为ACP1000核电工程的设计提供必要的支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置和模拟方法，能够模拟原型热交换器传热管中一次侧单相汽、汽水两相及单相水与二次侧的单相水之间的流动换热，从而研究热交换器传热管换热面积对系统自然循环流动及系统性能参数的影响。

本发明的实现方案如下：二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，包括具备开口端和封闭端的手孔筒体，手孔筒体的封闭端采用管板进行封闭，还包括贯穿管板延伸进手孔筒体内部的换热管，手孔筒体外壁设置有手孔和手孔组件，手孔组件通过手孔与手孔筒体内部连通，手孔组件主要由连通手孔的直管和封闭直管远离手孔一端的法兰组成。

热交换器模拟装置整体采用“C”型结构，热交换器模拟装置设计中有多根换热管，为满足热交换器模拟装置与原型具有较好的几何相似和换热特性相似，热交换器模拟装置拟采用管径、管间距和排列方式均与原型相同的管束；在换热管的水平段和垂直段分别布置有支撑板，以保证换热管的间距。在原型的基础上增加手孔筒体，手孔筒体上开有手孔，通过手孔组件并从手孔组件处伸入其手孔筒体的内部，采用堵塞装置用于堵塞传热管从而实现换热面积的调节。以此进行多次的模拟实验，来研究换热面积的变化对原型热交换的影响，从而得出最佳的原型结构和换热面积。由于模拟环境为辐照环境，因此测控和面积调节装置均优选采用上述机械结构。

换热管延伸进手孔筒体内部的一端内径面设置有内螺纹。方便采用带外螺纹的堵塞装置来堵塞换热管，以此达到调节换热面积的目的。

手孔筒体的开口端设置有进口球壳封头，进口球壳封头设置有热交换器进口和测控组件。测控组件包括温度测控装置、压力测控装置、流量测控装置。

热交换器进口的轴线与手孔筒体中心轴线呈45度夹角。

换热管远离手孔筒体的一端连通有出口球壳封头，出口球壳封头上设置有热交换器出口。出口球壳封头处也可以设置温度测控装置、压力测控装置、流量测控装置，换热管路径上也可以设置温度测控装置、压力测控装置、流量测控装置，可根据具体的测量要求设置，以测定所要测量的换热前和换热后的数据对比值。

热交换器出口的轴线与手孔筒体中心轴线呈-45度夹角。

还包括联箱，换热管位于联箱内部。

换热管为“C”型结构，换热管的水平段和垂直段分别布置有支撑板。支撑板以保证换热管的间距。换热管包括2个水平段和1个垂直段。

所有换热管组成管束，管束横切面呈正方形或长方形。

模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：将所有的换热管的通路打开，进行热交换实验，记录好数据；

步骤2：待步骤1完成后，打开手孔组件，用手或机械手手持封堵螺栓，利用换热管的内螺纹，将封堵螺栓封堵好部分的换热管，然后再次进行热交换实验，记录好数据；

步骤3：重复步骤2多次，得到多组热交换面积变化后的实验数据；

步骤4：比较步骤1和步骤2、步骤3的数据，得出热交换面积对热交换效果的影响。

步骤1和步骤2、步骤3的数据为换热前的流量、压力、温度值和换热后的流量、压力、温度值，其中的变量为换热面积，其余条件一致。

为了充分的说明模拟的过程，特举例说明：

例如：换热管的数目为14，分别按照1、2、3、….进行排号，当进行步骤1时，所有的换热管均畅通没有封堵处理。步骤2时，可封闭1号的换热管，然后进行热交换实验，并得出实验数据，步骤3时，可封闭1号和2号、或1号和2号和3、或1号和2号和3号和4号….如此多次热交换实验，得出多组实验数据。最后对比上述所有的实验数据。

本发明的效果在于：二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置可以满足ACP1000 PRS系统实验研究任务的需求。为ACP1000 二次侧非能动余热排出系统工程设计提供了必要的技术支持。

附图说明

图1 为手孔筒体区域的结构示意图。

图2为图1中I区域加载封堵螺栓的放大图。

图3为本发明装置的结构图。

图中的附图标记为：1.联箱；2.管板；3.手孔组件；4. 热交换器进口；5.进口球壳封头；6.测控组件；7.出口球壳封头；8.热交换器出口；9. 支撑板；10. 换热管;11.封堵螺栓；12.手孔筒体。

具体实施方式

实施例1

如图1至图3所示。 

二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，包括具备开口端和封闭端的手孔筒体11，手孔筒体11的封闭端采用管板2进行封闭，还包括贯穿管板2延伸进手孔筒体11内部的换热管10，手孔筒体11外壁设置有手孔和手孔组件3，手孔组件通过手孔与手孔筒体11内部连通，手孔组件主要由连通手孔的直管和封闭直管远离手孔一端的法兰组成。法兰优先选用榫槽法兰，方便开启。

热交换器模拟装置整体采用“C”型结构，热交换器模拟装置设计中有多根换热管，为满足热交换器模拟装置与原型具有较好的几何相似和换热特性相似，热交换器模拟装置拟采用管径、管间距和排列方式均与原型相同的管束；在换热管的水平段和垂直段分别布置有支撑板，以保证换热管的间距。在原型的基础上增加手孔筒体11，手孔筒体11上开有手孔，通过手孔组件3并从手孔组件3处伸入其手孔筒体的内部，采用堵塞装置用于堵塞传热管从而实现换热面积的调节。以此进行多次的模拟实验，来研究换热面积的变化对原型热交换的影响，从而得出最佳的原型结构和换热面积。由于模拟环境为辐照环境，因此测控和面积调节装置均优选采用上述机械结构。

换热管10延伸进手孔筒体11内部的一端内径面设置有内螺纹。方便采用带外螺纹的堵塞装置来堵塞换热管10，以此达到调节换热面积的目的。

手孔筒体11的开口端设置有进口球壳封头5，进口球壳封头5设置有热交换器进口4和测控组件6。测控组件6包括温度测控装置、压力测控装置、流量测控装置。

热交换器进口4的轴线与手孔筒体11中心轴线呈45度夹角。

换热管10远离手孔筒体的一端连通有出口球壳封头7，出口球壳封头7上设置有热交换器出口8。出口球壳封头7处也可以设置温度测控装置、压力测控装置、流量测控装置，换热管10路径上也可以设置温度测控装置、压力测控装置、流量测控装置，可根据具体的测量要求设置，以测定所要测量的换热前和换热后的数据对比值。

热交换器出口8的轴线与手孔筒体11中心轴线呈-45度夹角。

还包括联箱1，换热管10位于联箱1内部。

换热管10为“C”型结构，换热管的水平段和垂直段分别布置有支撑板9。支撑板以保证换热管的间距。

所有换热管组成管束，管束横切面呈正方形或长方形。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：手孔和手孔组件3的数目均为2，2个手孔互相对称设置，2个手孔组件3互相对称设置。避免从一侧进入后不能封堵远距离的换热管。

余热排出热交换器模拟装置设计主要设计参数和主要结构尺寸见表1。

表1：主要参数和主要结构尺寸表

运行时，来自蒸汽发生器模拟装置的过热蒸汽经过蒸汽管道进入本发明的模拟装置，首先由热交换器进口4进入进口球壳封头5，在进口球壳封头5区域由测控组件进行测控检测，得到热交换前数据，过热蒸汽进入换热管中，工质由过热蒸汽最终变为过冷水，然后通过出口球壳封头7流出热交换器，最后通过冷凝管流回蒸汽发生器模拟装置。

本装置的封头包括进口封头和出口封头，均由一个半球壳和圆形堵头组成，即出口球壳封头7和进口球壳封头5，出口球壳封头7和进口球壳封头5采用标准球壳封头，内径为φ316mm。进口球壳封头5通过与手孔筒体11中心轴线呈45°夹角的位置开孔连接φ60×5 mm的热交换器进口4，出口球壳封头7通过与手孔筒体11中心轴线呈-45°夹角的位置开孔连接φ21×3 mm的热交换器出口。进、出口封头分别采用通径φ50mm和φ15mm的螺纹法兰与蒸汽接管进行连接，透镜垫密封，开孔部分堆焊厚度为10 mm。

手孔筒体11的内径为φ316mm，与进口球壳以及圆形堵头进行焊接。在手孔筒体径向轴线位置开两个φ149 mm的孔作为手孔，与φ145×10 mm的手孔接管进行连接，采用通径φ125mm的榫槽法兰进行密封连接，缠绕垫密封，开孔部分堆焊厚度为10 mm。

管板为圆形，管板外径366mm，厚80mm。在管板上根据换热管的布置位置开有多个φ20mm的孔，换热管采用强度焊加胀焊焊接在管板上。

换热管由水平段、弯管段和垂直段三部分组成。水平段的换热管由上至下共分n层，各层情况见附表2。换热管尺寸为20×2.5mm，管束呈正方形排列，管子中心距为40mm。垂直段的换热管由里至外共分n层，各层情况见附表2。换热管尺寸为20×2.5mm，管束呈长方形排列，管子中心距为80mm。弯管段的换热管用于连接水平段的换热管和垂直段的换热管，由里至外共分n层，每层两根，各层情况见附表2。弯管段的换热管尺寸为20×5mm，弯曲半径均为250mm。

附表2： 热交换器换热管尺寸表（部分换热管）

其它附件包括水箱连接件和换热管的支撑板等，热交换器模拟装置有上、下两个水箱连接件，用于换热管和冷却水池模拟装置的过渡连接，并对换热管进行定位。横截面尺寸为300mm×110mm，厚215mm，联箱上根据换热管的布置位置开有多个φ20.2mm的孔。管板采用焊接结构固定在事故水箱上。在换热管的水平段和垂直段共布置有5根支撑板，以保证换热管的间距，支撑板厚度为10mm。换热管采用螺纹结构封堵，通过手孔对换热管换热面积进行调整。

模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：将所有的换热管10的通路打开，进行热交换实验，记录好数据；

步骤2：待步骤1完成后，打开手孔组件3，用手或机械手手持封堵螺栓，利用换热管10的内螺纹，将封堵螺栓11封堵好部分的换热管10，然后再次进行热交换实验，记录好数据；

步骤3：重复步骤2多次，得到多组热交换面积变化后的实验数据；

步骤4：比较步骤1和步骤2、步骤3的数据，得出热交换面积对热交换效果的影响。

步骤1和步骤2、步骤3的数据为换热前的流量、压力、温度值和换热后的流量、压力、温度值，其中的变量为换热面积，其余条件一致。

为了充分的说明模拟的过程，特举例说明：

例如：换热管10的数目为14，分别按照1、2、3、….进行排号，当进行步骤1时，所有的换热管10均畅通没有封堵处理。步骤2时，可封闭1号的换热管，然后进行热交换实验，并得出实验数据，步骤3时，可封闭1号和2号、或1号和2号和3、或1号和2号和3号和4号….如此多次热交换实验，得出多组实验数据。最后对比上述所有的实验数据。

如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (10)

1.二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，其特征在于：包括具备开口端和封闭端的手孔筒体（11），手孔筒体（11）的封闭端采用管板（2）进行封闭，还包括贯穿管板（2）延伸进手孔筒体（11）内部的换热管（10），手孔筒体（11）外壁设置有手孔和手孔组件（3），手孔组件通过手孔与手孔筒体（11）内部连通，手孔组件主要由连通手孔的直管和封闭直管远离手孔一端的法兰组成。

2.根据权利要求1所述的二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，其特征在于：换热管（10）延伸进手孔筒体（11）内部的一端内径面设置有内螺纹。

3.根据权利要求1所述的二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，其特征在于：手孔筒体（11）的开口端设置有进口球壳封头（5），进口球壳封头（5）设置有热交换器进口（4）和测控组件（6）。

4.根据权利要求3所述的二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，其特征在于：热交换器进口（4）的轴线与手孔筒体（11）中心轴线呈45度夹角。

5.根据权利要求1所述的二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，其特征在于：换热管（10）远离手孔筒体的一端连通有出口球壳封头（7），出口球壳封头（7）上设置有热交换器出口（8）。

6.根据权利要求5所述的二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，其特征在于：热交换器出口（8）的轴线与手孔筒体（11）中心轴线呈-45度夹角。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，其特征在于：还包括联箱（1），换热管（10）位于联箱（1）内部。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，其特征在于：换热管（10）为“C”型结构，换热管的水平段和垂直段分别布置有支撑板（9）。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的二次侧非能动余热排出热交换器模拟装置，其特征在于：所有换热管组成管束，管束横切面呈正方形或长方形。

10.模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：将所有的换热管（10）的通路打开，进行热交换实验，记录好数据；

步骤2：待步骤1完成后，打开手孔组件（3），用手或机械手手持封堵螺栓，利用换热管（10）的内螺纹，将封堵螺栓（11）封堵好部分的换热管（10），然后再次进行热交换实验，记录好数据；

步骤3：重复步骤2多次，得到多组热交换面积变化后的实验数据；

步骤4：比较步骤1和步骤2、步骤3的数据，得出热交换面积对热交换效果的影响。

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