CN104269196B - 一种核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置及方法，其特征在于，包括蒸汽发生器，蒸汽发生器通过管道连接储汽罐，储汽罐分别通过管道连接至少一个蓄能器，所述的蓄能器设于试验仓周围且其蒸汽出口与试验仓的蒸汽入口通过管道相连，所述的蓄能器的蒸汽出口与试验仓的蒸汽入口之间的连接管道上设有快开气动阀组，试验仓连接喷淋系统。本发明的核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置可以满足AP/CAP系列三代核电厂最严酷高能管道破裂事故初始热冲击环境条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置及方法，该装置的主要功能是：可实现模拟AP1000、CAP1000、CAP1400及其它压水堆核电厂发生高能管道破裂事故环境，用于核安全设备的设计基准事故环境鉴定，以验证事故环境条件下设备的功能可运行性。
背景技术
我国奉行在确保安全的基础上高效发展核电的方针，非能动安全先进压水堆核电技术(AP/CAP系列)以其固有安全特性，将是我国未来核电建设的主要堆型之一，包括从美国西屋公司引进AP1000核电技术、我国消化吸收的CAP1000核电技术，以及具有完全自主知识产权的CAP1400核电技术。AP/CAP系列核电厂满足第三代核电技术的要求，其安全性和经济性均优于我国现有的二代加核电厂。同时，AP/CAP系列核安全设备鉴定要求很高，其中高能管道破裂的设计基准事故环境鉴定难度最大。高能管道破裂事故环境鉴定通常在试验室搭建的密封容器内产生模拟核电厂蒸汽介质从管道喷发的环境条件，包括：温度、压力、化学喷淋等条件及其随时间变化过程，置于试验容器内的设备样机经受此环境条件，并造成性能衰退。安全壳内的高能管道破裂事故最为严酷，此环境条件的模拟试验曲线可分为三个阶段：(1)拉峰瞬态阶段，即温度、压力急速上升，并在20秒左右达到峰值(最高220℃以上)；(2)温度、压力从峰值下降阶段，这一过程持续时间约为24小时，并且通常在此阶段完成24小时化学喷淋模拟；(3)温度、压力缓慢下降阶段，这一过程持续时间最长为1年，实际试验可通过提高温度的加速方法缩短至数周或数月。上述试验最大的难度在于：试验起始瞬间，蒸汽喷入试验容器内，容器内的温度和压力急速上升，以AP1000核电厂为例，第1秒内温度从51℃上升至149℃(含8℃裕度)，压力从0.122MPa上升到0.177MPa，对于大型设备，这一拉峰过程尤为困难。相比之下，安全壳外的高能管道破裂事故条件不那么严酷，环境条件处于常压状态，并且没有化学喷淋，初始的拉峰速率也稍低一些，也以AP1000核电厂为例，第1.9秒内温度从41℃上升至157℃(含8℃裕度)，但峰值温度较高(最高250℃以上)，事故持续时间只有两周。现有的试验装置大多数不能达到上述的初始热冲击过程，仅有个别实验室小型试验容器可以达到，只能用于一些小型设备的试验，无法满足大量的更大尺寸设备的试验需求，如：核电厂安全壳电气贯穿件、核级阀门执行机构等。
发明内容
本发明的目的是针对现有试验装置的不足，提供一种核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置及方法，以满足AP/CAP系列三代核电设备环境鉴定试验要求。
为了达到上述目的，本发明提供了一种核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置，其特征在于，包括蒸汽发生器，蒸汽发生器通过管道连接储汽罐，储汽罐分别通过管道连接至少一个蓄能器，储汽罐与蓄能器之间的管道上设有隔离阀，所述的蓄能器的蒸汽出口与试验仓的蒸汽入口通过管道相连，所述的蓄能器的蒸汽出口与试验仓的蒸汽入口之间的连接管道上设有快开气动阀组，所述的试验仓设有排汽阀和疏水阀，所述的储汽罐和蓄能器分别内置储汽罐电加热器和蓄能器电加热器。
优选地，所述的蒸汽发生器包括第一压力容器以及设于第一压力容器中的蒸汽发生器电加热器，第一压力容器内还设有温度测量仪表和压力测量仪表。
优选地，所述的储汽罐包括第二压力容器，所述的储汽罐电加热器设于第二压力容器中，第二压力容器内还设有温度测量仪表和压力测量仪表；所述的蓄能器内置温度测量仪表和压力测量仪表。
优选地，所述的试验仓连接喷淋系统。
更优选地，所述的喷淋系统包括循环注入管路，所述的循环注入管路的一端连接试验仓的底部，另一端连接设于试验仓内部顶端的喷淋器，所述的循环注入管路上设有循环泵，所述的循环注入管路分别通过管道连接加药罐和储液罐。
优选地，所述的每个蓄能器的蒸汽出口与试验仓的蒸汽入口之间的连接管道的长度为0.5-1m。
优选地，所述的试验仓的容积为20-25m3。
优选地，所述的蒸汽发生器与储汽罐之间的管道设有阀门。
本发明还提供了一种AP/CAP系列三代核电厂高能管道破裂事故环境试验的方法，其特征在于，采用上述的核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置，包括以下试验步骤：
第一步，开启蒸汽发生器制备蒸汽，蒸汽发生器内水的温度达到180～200℃，压力达到1.0～1.5MPa时进入保温模式，将蒸汽发生器内的蒸汽充入蓄汽罐，蓄汽罐的蒸汽充入蓄能器，压力平衡后停止，充汽后，储汽罐和蓄能器启动电加热，至开始试验前，蓄汽罐的蒸汽温度为350～400℃，压力为1.0～1.5MPa，蓄能器的蒸汽温度为350～380℃，压力为1.0～1.5MPa；
第二步，初始拉峰试验：同时开启所有蓄能器的蒸汽出口与试验仓的蒸汽入口之间的连接管道上的快开气动阀组，将蒸汽充入试验仓，通过对快开气动阀组、试验仓的排汽阀以及蓄汽罐与蓄能器之间隔离阀的启闭控制完成初始拉峰过程中试验仓内的温度和压力的协调控制；
第三步，长期试验，通过蒸汽发生器制备蒸汽，依次经由蓄汽罐和蓄能器后向试验仓内补汽来维持试验仓内的温度和压力，或者，采用蓄能器中的蓄能器电加热器进行加热，并通过自然对流来实现向试验仓传输热量；
第四步：试验结束，开启疏水阀排水，疏水完结后，开启排汽阀释放蒸汽，待试验仓压力降至常压，开启试验仓，取出试验样件。
优选地，所述的试验步骤的第二步中，在初始拉峰试验之后还包括化学喷淋试验，具体包括：在峰值过后0.5-1.5小时开始化学喷淋，首先采用直接注入模式，循环泵将储液罐内的化学溶液直接注入试验仓，待试验仓内的液面达到规定高度后，转换到自循环模式，即储液罐与循环泵隔离，循环泵从试验仓底部抽取溶液通过喷淋器再注入试验仓。
优选地，所述的核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置还包括自动控制与数采系统，所述的自动控制与数采系统包括分别用于工艺过程的控制和数据的记录的自动控制系统和数据采集系统，所述的数据采集系统连接自动控制系统。
更优选地，所述的自动控制系统包括控制器以及与控制器连接的控制主机柜、控制端子柜、电源分配柜、UPS后备电源、电动门配电柜、气源分配柜、电气加热器调功柜和操作员站。
更优选地，所述的数据采集系统为快速采集系统，可以在1ms～50ms之间进行快速采集，并可同时接收热电偶信号和热电阻信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过打开快开阀从多个喷口同时向试验仓充入蒸汽，以实现短时(如：第1秒或前几秒)的拉峰过程。储汽罐内的蒸汽用于初始拉峰后的进一步补汽，以使试验仓参数达到峰值，并用于维持峰值后的短期或中期阶断。蒸汽发生器作为长期的蒸汽源，当试验仓内因散热导致温度和压力下降时为其适当补充蒸汽。喷淋系统在峰值过后启动，将处于与试验仓内温度相同的溶液注入试验仓。试验过程可由自动控制系统完成，并通过采集系统记录各类参数。
2、本发明的试验装置的试验仓容积较大，可满足大型设备试验需求。试验装置可实现试验仓内温度在第1秒上升100℃以上，满足AP/CAP系列三代核电厂最严酷高能管道破裂事故初始热冲击环境条件。
附图说明
图1是核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置结构示意图。
其中：1-蒸汽发生器，2-蒸汽发生器电加热器，3-储汽罐，4-储汽罐电加热器，5-试验仓，6-第一蓄能器，7-第一蓄能器电加热器，8-第一蓄能器快开阀组，9-第二蓄能器，10-第二蓄能器电加热器，11-第二蓄能器快开阀组，12-第三蓄能器，13-第三蓄能器电加热器，14-第三蓄能器快开阀组，15-第四蓄能器，16-第四蓄能器电加热器，17-第四蓄能器快开阀组，18-喷淋器，19-排汽阀，20-循环泵，21-储液罐，22-储液罐电加热器，23-加药罐，24-疏水阀，25-自动控制与数采系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明装置的功能设计和工作原理作进一步的描述。
实施例
如图1所示，为核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置结构示意图，所述的核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置包括蒸汽发生器1、储汽罐3、试验仓5、第一蓄能器6、第二蓄能器9、第三蓄能器12、第四蓄能器15、喷淋系统、自动控制系统和数据采集系统。蒸汽发生器1通过管道连接储汽罐3，储汽罐3分别通过管道连接四个蓄能器，所述的蒸汽发生器1与储汽罐3之间的管道以及储汽罐3与蓄能器之间的管道上皆设有隔离阀。所述的蓄能器设于试验仓5周围且其蒸汽出口与试验仓5的蒸汽入口通过管道相连，试验仓5连接喷淋系统。
所述的蒸汽发生器1包括第一压力容器以及设于第一压力容器中的用于将第一压力容器内的水加热生成一定参数的饱和蒸汽的蒸汽发生器电加热器2，第一压力容器的容积为3m3，第一压力容器内还安装有温度、压力、液面等参数的测量仪表。
所述的储汽罐3包括第二压力容器以及设于第二压力容器中的储汽罐电加热器4，第二压力容器的容积为16m3，用于接收来自蒸汽发生器的饱和蒸汽并通过电加热器进一步加热，第二压力容器内还安装有温度、压力等参数的测量仪表。
所述的蓄能器组包括设于试验仓5四周的四个蓄能器，分别为第一蓄能器6、第二蓄能器9、第三蓄能器12和第四蓄能器15，所述的每个蓄能器的蒸汽出口与试验仓5的蒸汽入口之间的连接管道的长度为0.5m。蓄能器近邻于试验仓布置以减少沿程阻力。试验仓5的与第一蓄能器6、第二蓄能器9、第三蓄能器12和第四蓄能器15之间的连接管道上分别设有第一快开气动阀组8、第二快开气动阀组11、第三快开气动阀组14和第四快开气动阀组17，所述的第一蓄能器6、第二蓄能器9、第三蓄能器12和第四蓄能器15分别内置第一蓄能器电加热器7、第二蓄能器电加热器10、第三蓄能器电加热器14和第四蓄能器电加热器17，每个蓄能器的容积为2m3，其接收来自储汽罐3的过热蒸汽并根据需要进一步加热提高蒸汽参数，每个蓄能器内安装有温度、压力等参数的测量仪表。
所述的试验仓5的容积为24m3，内壁设隔热层，设置有多个蒸汽入口每个蒸汽入口连接一个蓄能器接收来自蓄能器的蒸汽，试验仓5安装有温度、压力、液面等参数的测量仪表，其中一部分温度和压力仪表为快速响应测量元件。所述的试验仓5的顶部设有排汽阀19，底部设有疏水阀24。
所述的喷淋系统包括循环注入管路，所述的循环注入管路的一端连接试验仓5的底部，另一端连接设于试验仓5内部顶端的喷淋器18，所述的循环注入管路上设有循环泵20，所述的循环注入管路分别通过管道连接加药罐23和储液罐21。储液罐21内置储液罐电加热器22，所述的循环注入管路、循环注入管路与加药罐23之间的连接管道以及循环注入管路与储液罐21之间的连接管道上皆设有阀门。所述的喷淋系统可以按两种方式工作，即将储液罐的溶液从喷淋管直接注入试验仓，或者将试验仓底部积蓄的溶液抽取再循环注入试验仓。
所述的核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置还包括自动控制与数采系统25，所述的自动控制与数采系统25包括分别用于工艺过程的控制和数据的记录的自动控制系统和数据采集系统。所述的数据采集系统为快速采集系统，可以在1ms～50ms之间进行快速采集，并可同时接收热电偶信号和热电阻信号，所述的数据采集系统与蒸汽发生器1、储汽罐3、试验仓5、第一蓄能器6、第二蓄能器9、第三蓄能器12和第四蓄能器15中的各测量仪表相连接。所述的数据采集系统连接自动控制系统。
本发明的核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置的各压力容器以及管道外设有保温层。
上述各组成部件共同配合实现试验过程的热工条件：从蒸汽发生器1至蓄能器逐级提高蒸汽参数并储存于各容器内，各容器内的蒸汽可以根据试验条件(如：不同试验对象)来调整参数。蓄能器近邻于试验仓5布置以减少沿程阻力，蒸汽参数最高可达400℃/2MPa，通过打开快开气动阀组从多个蒸汽入口同时向试验仓5充入蒸汽，以实现短时(如：第1秒或前几秒)的拉峰过程。储汽罐3内的蒸汽用于初始拉峰后的进一步补汽，以使试验仓5参数达到峰值，并用于维持峰值后的短期或中期阶断。蒸汽发生器1作为长期的蒸汽源，当试验仓5内因散热导致温度和压力下降时为其适当补充蒸汽。喷淋系统在峰值过后启动，将处于与试验仓内温度相同的溶液注入试验仓5。试验过程可由自动控制系统完成，并通过数据采集系统记录各类参数。
采用本发明装置开展核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验的过程通常可分为：试验前的蒸汽制备、初始拉峰试验、化学喷淋、长期试验等四个步骤。需要指出的是，对于事故后要求保持安全功能时间较短的设备(比如：24小时)，则不需要进行事故后的长期试验；安全壳外的高能管道破裂事故环境模拟试验无须化学喷淋。以下按照安全壳内最严酷的高能管道破裂事故模拟试验进行阐述。
本发明装置在试验前的蒸汽制备工艺为：蒸汽发生器1注入适量的除盐水，并保证蒸汽发生器电加热器2始终处于液面以下，开启蒸汽发生器电加热器2制备蒸汽，加热过程中蒸汽发生器1的各个管道接口应处于关闭状态。此时，储汽罐电加热器4和第一蓄能器电加热器7、第二蓄能器电加热器10、第三蓄能器电加热器13、第四蓄能器电加热器16也处于低功率模式，预热储汽罐3和第一蓄能器6、第二蓄能器9、第三蓄能器12、第四蓄能器15。待蒸汽发生器1内水的温度达到180～200℃范围，压力达到1.0～1.5MPa(饱和状态)时，可降低蒸汽发生器电加热器2的功率，使之处于保温模式。将蒸汽发生器1内的蒸汽充入储汽罐3，储汽罐3的蒸汽充入第一蓄能器6、第二蓄能器9、第三蓄能器12、第四蓄能器15，压力平衡后停止。储汽罐电加热器4和第一蓄能器电加热器7、第二蓄能器电加热器10、第三蓄能器电加热器13、第四蓄能器电加热器16分别启动加热，提高储汽罐3和第一蓄能器6、第二蓄能器9、第三蓄能器12、第四蓄能器15内的蒸汽参数。蒸汽发生器1向储汽罐3充汽，以及储汽罐3向第一蓄能器6、第二蓄能器9、第三蓄能器12、第四蓄能器15的充汽可分多次进行，以保证各压力容器内的蒸汽温度和压力逐步调整到目标值。至开始试验前，储汽罐3的蒸汽温度在350～400℃，压力1.0～1.5MPa范围(过热状态)，第一蓄能器6、第二蓄能器9、第三蓄能器12、第四蓄能器15的蒸汽温度在350～380℃，压力1.0～1.5MPa范围(过热状态)。试验仓5的初始温度(约50℃)可通过其中某个蓄能器向其内充入少量蒸汽来实现。试验前的蒸汽制备时，储液罐21内的化学喷淋液也可事先预热到试验曲线在喷淋时刻所对应的温度(150-170℃范围)，储液罐21内压力应高于温度对应的饱和压力，化学药剂可事先加入至储液罐21中，也可通过加药罐23加入。
本发明装置的初始拉峰试验的工艺为：可通过自动控制与数采系统25控制试验过程，同时开启第一蓄能器快开阀组8、第二蓄能器快开阀组11、第三蓄能器快开阀组14、第四蓄能器快开阀组17，试验仓5内的温度和压力通过快速响应测量元件将信号传送至自动控制与数采系统25的数据采集系统。自动控制与数采系统25通过对第一蓄能器快开阀组8、第二蓄能器快开阀组11、第三蓄能器快开阀组14、第四蓄能器快开阀组17、试验仓5的排汽阀19以及储汽罐3与第一蓄能器6、第二蓄能器9、第三蓄能器12、第四蓄能器15之间隔离阀的启闭控制完成初始拉峰过程中试验仓5内温度和压力的协调控制，确保试验曲线贴合目标曲线。
本发明装置的化学喷淋试验的工艺为：峰值过后1小时开始化学喷淋，首先采用直接注入模式，循环泵20将储液罐21内的化学溶液通过喷淋器18直接注入试验仓5，待试验仓5内的液面达到规定高度后，转换到自循环模式，即储液罐21与循环泵20隔离，循环泵20从试验仓5底部抽取溶液通过喷淋器18再注入试验仓5。喷淋过程中化学溶液的pH值的测量通过取样管取样后进行分析，如需添加药剂，可将药剂置于加药罐23内，通过流经溶液携带逐步混和至喷淋液中。
本发明装置的长期试验的工艺为：长期试验的目标温度和压力曲线通常为缓慢下降或者保持恒定，试验仓5内的温度和压力由于容器向外界散热而逐渐下降，当降温过快时，通过蒸汽发生器1制备蒸汽，依次经由蓄汽罐3和蓄能器后向试验仓5内补汽来维持试验仓5内的温度和压力，也可采用第一蓄能器电加热器7、第二蓄能器电加热器10、第三蓄能器电加热器13、第四蓄能器电加热器16的加热并通过自然对流来实现向试验仓5传输热量。
本发明装置在试验过程中，样机的通电试验或动作试验通过额外配置的设备和仪器实现。
整个试验结束后，开启试验仓5的疏水阀24排水，疏水完结后，开启排汽阀19慢慢释放蒸汽，试验仓5内的温度和压力下降，待压力降至常压可开启试验仓内5的仓孔门或顶盖，取出试验样件。
采用本发明装置可以完满实现AP/CAP系列核电厂大型安全级设备的高能管道破裂设计基准事故的模拟试验，也可以用于二代核电厂和其它三代核电厂的同类试验。本发明装置也可再增加小型试验仓及其蓄能器，用于小型设备的试验，以提高蒸汽供给部分的利用率和试验的经济性。
Claims (9)
1.一种AP/CAP系列三代核电厂高能管道破裂事故环境试验的方法，其特征在于，采用核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置，所述的核电厂高能管道破裂事故环境模拟试验装置，包括蒸汽发生器（1），蒸汽发生器（1）通过管道连接储汽罐（3），储汽罐（3）分别通过管道连接至少一个蓄能器，储汽罐（3）与蓄能器之间的管道上设有隔离阀，所述的蓄能器的蒸汽出口与试验仓（5）的蒸汽入口通过管道相连，所述的蓄能器的蒸汽出口与试验仓（5）的蒸汽入口之间的连接管道上设有快开气动阀组，所述的试验仓（5）设有排汽阀（19）和疏水阀（24），所述的储汽罐（3）和蓄能器分别内置储汽罐电加热器（4）和蓄能器电加热器，所述方法包括以下试验步骤：
第一步，开启蒸汽发生器（1）制备蒸汽，蒸汽发生器（1）内水的温度达到180～200℃，压力达到1.0～1.5MPa时进入保温模式，将蒸汽发生器（1）内的蒸汽充入储汽罐（3），储汽罐（3）的蒸汽充入蓄能器，压力平衡后停止，充汽后，储汽罐（3）和蓄能器启动电加热，至开始试验前，储汽罐（3）的蒸汽温度为350～400℃，压力为1.0～1.5MPa，蓄能器的蒸汽温度为350～380℃，压力为1.0～1.5MPa；
第二步，初始拉峰试验：同时开启所有蓄能器的蒸汽出口与试验仓（5）的蒸汽入口之间的连接管道上的快开气动阀组，将蒸汽充入试验仓（5），通过对快开气动阀组、试验仓的排汽阀（19）以及储汽罐（3）与蓄能器之间隔离阀的启闭控制完成初始拉峰过程中试验仓（5）内的温度和压力的协调控制；
第三步，长期试验，通过蒸汽发生器（1）制备蒸汽，依次经由储汽罐（3）和蓄能器后向试验仓（5）内补汽来维持试验仓（5）内的温度和压力，或者，采用蓄能器中的蓄能器电加热器进行加热，并通过自然对流来实现向试验仓（5）传输热量；
第四步：试验结束，开启疏水阀（24）排水，疏水完结后，开启排汽阀（19）释放蒸汽，待试验仓（5）压力降至常压，开启试验仓（5），取出试验样件。
2.如权利要求1所述的AP/CAP系列三代核电厂高能管道破裂事故环境试验的方法，其特征在于，所述的蒸汽发生器（1）包括第一压力容器以及设于第一压力容器中的蒸汽发生器电加热器（2），第一压力容器内还设有温度测量仪表和压力测量仪表。
3.如权利要求1所述的AP/CAP系列三代核电厂高能管道破裂事故环境试验的方法，其特征在于，所述的储汽罐（3）包括第二压力容器，所述的储汽罐电加热器（4）设于第二压力容器中，第二压力容器内还设有温度测量仪表和压力测量仪表；所述的蓄能器内置温度测量仪表和压力测量仪表。
4.如权利要求1所述的AP/CAP系列三代核电厂高能管道破裂事故环境试验的方法，其特征在于，所述的试验仓（5）连接喷淋系统。
5.如权利要求4所述的AP/CAP系列三代核电厂高能管道破裂事故环境试验的方法，其特征在于，所述的喷淋系统包括循环注入管路，所述的循环注入管路的一端连接试验仓（5）的底部，另一端连接设于试验仓（5）内部顶端的喷淋器（18），所述的循环注入管路上设有循环泵（20），所述的循环注入管路分别通过管道连接加药罐（23）和储液罐（21）。
6.如权利要求1所述的AP/CAP系列三代核电厂高能管道破裂事故环境试验的方法，其特征在于，每个所述的蓄能器的蒸汽出口与试验仓（5）的蒸汽入口之间的连接管道的长度为0.5-1m。
7.如权利要求1所述的AP/CAP系列三代核电厂高能管道破裂事故环境试验的方法，其特征在于，所述的试验仓（5）的容积为20-25m3。
8.如权利要求1所述的AP/CAP系列三代核电厂高能管道破裂事故环境试验的方法，其特征在于，所述的蒸汽发生器（1）与储汽罐（3）之间的管道设有阀门。
9.如权利要求1所述的AP/CAP系列三代核电厂高能管道破裂事故环境试验的方法，其特征在于，所述的试验步骤的第二步中，在初始拉峰试验之后还包括化学喷淋试验，具体包括：在峰值过后0.5-1.5小时开始化学喷淋，首先采用直接注入模式，循环泵（20）将储液罐（21）内的化学溶液直接注入试验仓（5），待试验仓（5）内的液面达到规定高度后，转换到自循环模式，即储液罐（21）与循环泵（20）隔离，循环泵（20）从试验仓（5）底部抽取溶液通过喷淋器（18）再注入试验仓（5）。
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