CN104713695B - 一种临界流稳态试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种临界流稳态试验系统，该系统包括依次连通的柱塞泵(1)、稳压器(2)、加热器(3)以及试验段(4)，所述加热器(3)上设有功率控制模块和数据采集模块，所述功率控制模块用于控制加热器(3)的功率大小，所述数据采集模块用于实时采集加热器(3)进口温度和流量。采用该临界流稳态试验系统，在稳定的流动情况下研究临界流动特性，能够得到大量系统的、可靠的、准确的临界流试验数据，为分析反应堆破口事故提供试验依据，为建立和评价临界流量计算模型提供必要依据。

Description

一种临界流稳态试验系统

技术领域

本发明属于核工业技术领域，具体涉及一种临界流稳态试验系统。

背景技术

压水堆运行在高温高压条件下，破口失水事故(LOCA)被列为反应堆的设计基准事故。在破口处，高温高压流体经受急剧降压和汽化，流动出现壅塞现象，即临界流动现象。此时的流动特性决定着系统冷却剂的质量和能量丧失速率，进而强烈地影响着系统压力、堆芯冷却剂温度和燃料包壳温度的变化规律，从而对事故后果起重要作用。因此，临界流试验数据是核反应堆安全分析程序开发的重要基础，对反应堆设计和安全分析均起重要作用，这就需要开展临界流试验。

临界流试验可分为瞬态试验和稳态试验两种。瞬态试验大致模拟反应堆发生破口时的现象，这一过程系统的压力和温度均随喷放过程快速变化，限于仪表响应等原因无法准确测量，且试验过程中试验段进口参数不受控，仅取决于初始条件；而稳态试验则通过一定的技术手段，使临界流动现象稳定以方便测量，并有效地控制试验段进口参数，从而获得准确、可靠、系统的数据。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种临界流稳态试验系统，在稳定的流动情况下研究临界流动特性，从而得到大量系统的、可靠的以及准确的临界流试验数据，为分析反应堆破口事故提供试验依据，为建立和评价临界流量计算模型提供必要依据，也是核反应堆安全分析程序开发的重要基础。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种临界流稳态试验系统，包括供水设备、与所述供水设备相连通的稳压器、与所述稳压器相连通的加热器以及与所述加热器相连通的试验段；所述加热器上设有用于调节加热器功率大小的功率控制模块；所述稳压器与加热器之间的连接管线上设有用于调节试验段入口压力的调节阀。

进一步，还包括冷却装置，所述冷却装置的一端与所述试验段的出口端相连通，所述冷却装置的另一端与所述供水设备相连通。

进一步，所述加热器进口端设有数据采集模块，该数据采集模块能够实时采集加热器进口的温度T03和流量F01。

进一步，该试验系统对于过冷工况下，加热器的功率应采用下列公式进行计算：

P＝(h(Pset，Tset)-h(Pset，T03))×F01

P:为加热器功率；

Pset：为加热器预定的压力；

Tset：为加热器预定的温度；

h(Pset，T03)：为加热器进口的焓；

h(Pset，Tset)：为加热器出口的焓；

F01：为加热器进口流量。

进一步，该试验系统对于饱和工况下，加热器的功率应采用下列公式进行计算：

P＝(h(Pset，Xset)-h(Pset，T03))×F01

P:为加热器功率；

Pset：为加热器预定的压力；

Xset：为加热器预定的含汽率；

h(Pset，T03)：为加热器进口的焓；

h(Pset，Tset)：为加热器出口的焓；

F01：为加热器进口流量。

进一步，所述稳压器和加热器之间的连接管线上设有流量计，当系统达到稳定后，该流量计用于测量加热器前的冷态补水流量。

进一步，所述冷却装置包括冷凝器和热交换器，所述冷凝器和热交换器相连通。

进一步，所述冷却装置上设有冷却水循环系统。

进一步，所述供水设备包括柱塞泵和与所述柱塞泵相连通的水箱。

进一步，所述柱塞泵的出口管线与水箱之间设有旁通管线，该旁通管线用于将主路多余的补水量流回水箱。

本发明的有益技术效果在于：

本发明提供的试验系统，通过在加热器上设有功率控制模块，可根据不同的工况调整功率的大小，可以控制试验段进口的温度；通过在加热器与稳压器之间设有调节阀以及旁通管线上设有调节阀，可以调节试验段入口的压力；由此，本发明通过设有功率控制模块和调节阀，确保试验段前的温度和压力稳定，实现临界流的稳态试验；从而获得可靠的、准确的试验数据，为分析反应堆破口事故提供了可靠的试验依据，同时为核反应堆安全分析程序的开发提供了大量的、可靠的数据。

附图说明

图1是本发明临界流稳态试验系统的结构示意图；

图2为试验中的温度变化曲线；

图3为试验中的压力变化曲线；

图4为计算得到的所需加热功率随试验段进口温度变化曲线；

图5为功率自动控制情况下的温度稳定曲线；

图6功率自动控制程序框图；

图7 13MPa时功率自动控制下温度稳定曲线；

图8 16MPa时功率自动控制下温度稳定曲线。

图中：

1-柱塞泵 2-稳压器 3-加热器 4-试验段

5-冷凝器 6-热交换器 7-水箱 8-流量计

9-气压瓶 10-调节阀 11-隔离阀 12-安全阀

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

本试验是模拟反应堆发生破口时的现象，设置的一套模拟试验系统，该系统若装水量一定，则随着高温高压流体的喷放，系统的压力必然下降，因此，要想使试验段前的压力稳定，必须在试验过程中持续补水，并确保补水量等于喷放量；由于新补入系统的水温度很低，为保证试验段前温度稳定，还需使新补入系统的水通过加热器加热，并确保加热至预定温度或预定含汽率，才能够实现稳态试验。

基于此原理，本发明提供了一套临界流稳态试验系统。如图1所示，该系统包括依次连通的柱塞泵1、稳压器2、加热器3、试验段4、冷凝器5以及热交换器6。其中，柱塞泵1通过供水箱7提供水源，稳压器2通过气压瓶9补充压力，热交换器6的出水端与水箱7连接。另外，柱塞泵1的出口和加热器3上均设有安全阀12，保证系统的安全。由此，整个系统形成一个回路系统。

为了能够保证试验段入口的温度，加热器3上设有功率控制模块；为了保证试验段4入口压力，在稳压器2与加热器3之间的连接管线上设有调节阀10；为了能够测量加热器3前的冷态补水流量，在稳压器2与加热器3之间的连接管线上还设有流量计8。

为了能够实时监测到加热器进口的温度和流量，在加热器进口设有数据采集模块。

本试验采用去离子水，该去离子水由柱塞泵1送出，经稳压器2稳流后，通过加热器3，然后流过试验段4，喷放流体，该流体经冷凝器5及热交换器6分别通过冷却水循环系统冷却至接近常温后回到供水泵1入口。所述冷却水循环系统的供水管线和排水管线上均设有隔离阀11。

回路依靠柱塞泵1驱动，可使水从常压升高到试验压力；柱塞泵1具有流量恒定的特性，而主回路所需要的补水量应等于试验段4喷放流量，二者之差可通过旁通阀流回水箱；稳压器2可补偿回路压力变化，减小系统压力的变化速度和波动幅度，同时还起到平稳流量的作用，使柱塞泵1的脉动流量转变为均匀稳定的流量；加热器3功率通过设有功率控制模块，可在很大的范围内连续可调，以确保可以将稳压器2流出的常温水加热至试验温度(或含汽率)；试验段4用于模拟反应堆破口；冷凝器5和热交换器6则将喷放后的汽水混合物通过循环水系统冷却，可循环使用。当系统达到稳定状态后，通过流量计8测量加热器3前的冷态补水流量，即可得到该工况下的临界流量。

由此，本试验的关键技术在于如何实现稳态，即如何将系统调节至稳定。根据试验原理，达到稳态必须确保补水量等于喷放量，且补入系统的水经过加热器3后恰好加热至预定温度(或含汽率)；但由于事先不知道喷放流量，也就无法知道所需的加热功率，只能通过观察温度变化情况实时调整。

实践证明：当试验段4进口温度较低时，实时调整加热功率是可行的；但当试验段4进口温度较高时，实时调整加热功率的方式很难达到稳定，经常发生温度和压力失控陡升或陡降的现象。如图2、3所示，为试验过程中2000s长的一段时间内温度和压力的变化情况，本拟稳定在10MPa，265℃，但温度和压力均波动剧烈，无法稳住，或稳定至较低温度处。

分析发现：这是由系统的固有特性造成的。压力一定时，随着试验段4进口温度的升高，临界流量会下降；而加热器3进出口焓差会增大；所需加热功率为二者的乘积，故存在最大值，前半段加热功率随试验段4进口温度的升高而升高，后半段则随试验段4进口温度的升高而降低，如图4所示。

因此，温度较低时(曲线前半段)和温度较高时(曲线后半段)的稳定特性完全不同：假设系统已进入某一稳定工况，对于温度较低工况，若温度向上波动，则所需加热功率更高，由于实际加热功率不足，温度将下降回到原稳定温度，若温度向下波动，则所需加热功率更低，由于实际加热功率过剩，温度将上升回到原稳定温度，可见，该阶段系统为负反馈特性，具有自稳定性；而对于温度较高工况，若温度向上波动，则所需加热功率更低，由于实际加热功率过剩，温度将继续上升，温度上升越多，所需加热功率就越低，实际加热功率过剩程度也就越大，温度上升速度就越快，从而形成温度飞升，压力也由于热膨胀等原因随着温度一起飞升，反之，若温度向下波动，则所需加热功率更高，由于实际加热功率不足，温度将继续下降，并形成温度和压力的陡降，可见，该阶段系统为正反馈特性，难以稳定。

实际的试验操作过程中，试验段入口温度需要从常温逐渐升高。在负反馈区，只需将功率提升至一定值，温度将随之上升，调节阀门开度使压力稳定，则温度也将逐渐稳定至某值，若该值比期望值低，继续提升功率，若该值比期望值高，则降低功率，经过几次试探，即可稳定在预期值。而在正反馈区，要想升温也必须首先提升功率，待温度升高后，所需加热功率减小了，应降低功率，但由于不知道功率应降至多少，调节过程很困难：若降得不够低，则可能引起温度压力飞升；若降得过低，则可能引起温度压力陡降，因此，实际操作中仅偶尔能实现个别工况点的稳定，根本无法按预定工况序列逐个稳定。

根据以上分析可见：实现稳定的关键是加热功率匹配合适。正反馈区是由于临界流量随温度升高快速降低导致的，因此，应该基于流量反馈进行实时功率控制。

对于过冷工况，具体方法为：从控制界面上输入预定压力Pset和预定温度Tset，从数据采集系统采集到实时的加热器进口温度T03和流量F01(单位kg/s)，根据压力和温度查表可得到加热器进出口焓分别为：h(Pset，T03)和h(Pset，Tset)，则加热器功率应为：

P＝(h(Pset，Tset)-h(Pset，T03))×F01 (1)

对于饱和工况，输入参数由预定温度Tset改为预定含汽率Xset即可，加热器功率变为：

P＝(h(Pset，Xset)-h(Pset，T03))×F01 (2)

根据实时注水补偿喷放流量以稳压的原理建立了临界流稳态试验回路，通过基于流量反馈的功率自动控制方法，成功地实现了临界流现象的稳定，使准确地测量预定工况下的临界流量成为可能，为开展系统的临界流稳态试验(多种长径比试验段、多种压力)奠定了基础。

采用上述的基于流量反馈的功率自动控制方法后，系统可以很好地稳定在任意预定工况下，如图5所示，每次预定温度升高时，伴随着功率的变化和阀门开度的调节，系统会有短时间的波动(如图中陡升区)，之后很快进入稳定状态，若不继续升温，该稳定状态可一直持续任意长时间。这样，试验就可以方便地按预定的工况序列逐个开展了。

由此，在稳定的临界流动情况下得到的试验数据是可靠的，准确的，这为分析反应堆破口事故提供了可靠的试验依据，同时为核反应堆安全分析程序的开发提供了大量的、可靠的数据。

本发明试验系统中的主要设备全部选用标准产品，根据具体试验工况适当选型即可。例如试验工况中最高压力为16MPa，最大流量预计为2m³/h，则选用压力20MPa，流量2.5m³/h的柱塞泵即可。

本发明试验控制程序使用LabView2011编制，关键技术为其中的功率控制模块。如图6所示，为功率自动控制程序框图。图中上半部分为过冷工况，Pset为输入预定压力，Tset为输入预定温度(加热器出口温度)，T03为监测的加热器入口温度，根据Pset和T03查表得到加热器入口焓值h,in；根据Pset和Tset查表得到加热器出口焓值h,out；两者差值为加热器进出口焓差，焓差与监测的流量F01相乘便得到了加热器功率。图中下半部分为饱和工况，根据Pset和T03查表得到加热器入口焓值h,in；根据Pset查表得到饱和水的焓值和汽化潜热；饱和水焓值加上汽化潜热与含汽率之积得到加热器出口焓值h,out，两者差值为加热器进出口焓差，焓差与监测的流量F01相乘便得到了加热器功率。

功率自动控制下实现的稳态如图7、8所示，图7为压力13MPa下，温度随时间的变化曲线，图8为压力16MPa下，温度随时间的变化曲线。每次预定温度升高时，伴随着功率的变化和阀门开度的调节，系统会迅速升高至预定值附近，经短时间的波动达稳定状态；之后，若不继续升温，该稳定状态可一直持续任意长时间。可见，通过功率自动控制，可以实现稳定的临界流现象，而且可以稳定在各种预定工况下。

本发明的临界流稳态试验系统并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (8)

1.一种临界流稳态试验系统，其特征是：包括供水设备、与所述供水设备相连通的稳压器(2)、与所述稳压器(2)相连通的加热器(3)以及与所述加热器(3)相连通的试验段(4)；所述加热器(3)上设有用于调节加热器功率大小的功率控制模块；所述稳压器(2)与加热器(3)之间的连接管线上设有用于调节试验段(4)入口压力的调节阀(10)；所述加热器(3)进口端设有数据采集模块，该数据采集模块能够实时采集加热器进口的温度T03和流量F01；

该试验系统对于饱和工况下，加热器的功率应采用下列公式进行计算：

P＝(h(Pset，Xset)-h(Pset，T03))×F01

P:为加热器功率；

Pset：为加热器预定的压力；

Xset：为加热器预定的含汽率；

h(Pset，T03)：为加热器进口的焓；

h(Pset，Xset)：为加热器出口的焓；

F01：为加热器进口流量。

2.如权利要求1所述的一种临界流稳态试验系统，其特征是：还包括冷却装置，所述冷却装置的一端与所述试验段(4)的出口端相连通，所述冷却装置的另一端与所述供水设备相连通。

3.如权利要求2所述的一种临界流稳态试验系统，其特征是：该试验系统对于过冷工况下，加热器的功率应采用下列公式进行计算：

P＝(h(Pset，Tset)-h(Pset，T03))×F01

P:为加热器功率；

Pset：为加热器预定的压力；

Tset：为加热器预定的温度；

h(Pset，T03)：为加热器进口的焓；

h(Pset，Tset)：为加热器出口的焓；

F01：为加热器进口流量。

4.如权利要求3所述的一种临界流稳态试验系统，其特征是：所述稳压器(2)和加热器(3)之间的连接管线上设有流量计(8)，当系统达到稳定后，该流量计用于测量加热器前的冷态补水流量。

5.如权利要求4所述的一种临界流稳态试验系统，其特征是：所述冷却装置包括冷凝器(5)和热交换器(6)，所述冷凝器(5)和热交换器(6)相连通。

6.如权利要求5所述的一种临界流稳态试验系统，其特征是：所述冷却装置上设有冷却水循环系统。

7.如权利要求6所述的一种临界流稳态试验系统，其特征是：所述供水设备包括柱塞泵(1)和与所述柱塞泵(1)相连通的水箱(7)。

8.如权利要求7所述的一种临界流稳态试验系统，其特征是：所述柱塞泵(1)的出口管线与水箱(7)之间设有旁通管线，该旁通管线用于将主路多余的补水量流回水箱。