CN105225706A - 自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法，包括混凝器的设计参数、结构设计、热工计算，稳压器的设计参数、结构设计和容积计算，该方法根据自然循环及强迫循环实验回路的设计参数和功能需求，确定实验回路系统混凝器和稳压器的设计参数，再分别对混凝器和稳压器进行设计和分析计算。本发明提高了超设计基准事故设置的措施的可靠性和核电厂安全系统的多样化，具有很高的工程价值。

Description

自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法

技术领域

本发明属于反应堆热工水利领域，尤其涉及一种自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法。

背景技术

反应堆可以利用自然循环不依赖外部动力就将热量导出的能力，实现反应堆非能动安全设施在事故下的运行，从而提高反应堆的安全性。

自日本福岛事件后，国际和国内社会对核能安全提出了更高的要求，特别针对全厂断电和完全丧失冷却链等超设计基准事故缓解措施的可靠性给予了越来越多的关注。2012年6月国家核安全局对外发布的《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求(试行)》中，多次提出对在运和在建核电机组在核电厂部分或全部安全系统功能丧失的情况下，如超设计基准洪水事件条件下，应该采取更多措施以带出余热。新近发布的《“十二五”期间新建核电厂安全要求和审评原则》中，明确要求十二五期间新建核电厂须增加反应堆堆芯的余热排出、应急冷却和最终热阱的考虑，应设置多样化的最终热阱。

ACPR1000项目目前的技术方案，尽管已经针对超设计基准事故设置了一些缓解措施，但在核电厂安全系统多样化设计方面尚有较大欠缺。根据目前确定论安全分析和PSA分析结果，蒸汽发生器二次侧相关事故具有重大贡献。因此，需要针对完全丧失给水、主蒸汽管道破裂及主给水管道破裂叠加辅助给水丧失、全厂断电、完全丧失冷却链等超设计基准事故设置可靠性更高的多样化缓解系统，而二次侧非能动余热排除系统正符合该要求。本发明正是针对上述问题而设计。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法，旨在解决对超设计基准事故设置的措施可靠性不够高，核电厂安全系统多样化存在较大欠缺的问题。

本发明是这样实现的，一种自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法包括混凝器的设计参数、结构设计、热工计算，稳压器的设计参数、结构设计和容积计算，该方法根据自然循环及强迫循环实验回路的设计参数和功能需求，确定实验回路系统混凝器和稳压器的设计参数，再分别对混凝器和稳压器进行设计和分析计算。

进一步，混凝器的设计参数为：

设计压力：17.2MPa；

运行压力：15.5MPa；

设计流速：2m/s；

设计温度：352℃；

工作介质：去离子水两相混合物；

使用寿命：30年。

进一步，稳压器的设计参数为：

设计压力：17.2MPa；

运行压力：15.5MPa；

设计流速：2m/s；

设计温度：360℃；

工作介质：去离子水两相混合物；

使用寿命：30年。

进一步，混凝器由上封头组件、内筒体组件、筒体组件、下封头组件和支座组件组成；

上封头组件包括螺纹法兰、透镜垫和上封头，上封头采用0Cr18Ni10Ti锻制，一端通过螺纹法兰与回路系统进行连接，采用透镜垫密封结构形式，一端与筒体进行对焊连接，上封头组件的内径为DN65mm；

内筒体组件由管接头、喷射管、定位杆和喷射管封盖组成，该内筒体组件的尺寸为Ф80×7.5mm，喷射管的顶部采用封盖堵死，从顶部10mm开始，在喷射管圆周上开210个φ8的孔，所有孔的流通面积为汽液两相流体流动面积的2.5倍；

从喷射管与上封头锻件的焊接点开始，喷射管共分4段对汽液两相流体进行冷却；第1段称为无孔段，主要使汽液两相流体通过不锈钢管壁与冷流体进行初步接触，避免汽相与冷流体的直接接触而造成对混凝器及回路系统的冲击，仅从对流换热和导热角度对汽液两相流体的温度进行降低；第2段称为低密度孔段，每个断面沿轴向开5个φ10孔，每个孔断面之间轴向间隔30mm，共6个断面，主要使得部分汽相进入环腔与冷流体进行初步的直接接触和混合，汽液两相流体的温度进一步降低；第3段称为中等密度孔段，每个断面沿轴向开8个φ8孔，每个孔断面之间轴向间隔30mm，共10个断面，主要使得大量汽相进入环腔与冷流体进行直接接触、混合和冷凝，汽液两相流体的温度更进一步地得到降低；第4段为高密度孔段，每个断面沿轴向开10个φ8孔，每个孔端面之间轴向间隔30mm，共12个断面，主要使得温度较低的大量汽相进入环腔与冷流体进行直接接触、混合和冷凝，汽相全部得到湮灭，流体温度得到降低。

筒体组件包括筒体、侧管、螺纹法兰和透镜垫，下封头组件主要包括螺纹法兰、透镜垫和下封头，下封头采用0Cr18Ni10Ti锻制，一端通过螺纹法兰与回路系统进行连接，采用透镜垫密封结构形式，一端与筒体进行对焊连接，下封头组件的内径为DN65mm。

进一步，喷射管上，凡开10孔相邻两断面错开15°，凡开8孔相邻两断面错开20°，凡开5孔相邻两断面错开36°。

进一步，稳压器的设计容积为1.5m³，液相空间所占比例为60％，容积为0.9m³，气相空间所占比例为40％，容积为0.6m³。

进一步，稳压器容积的计算包括管道容积计算、设备容积计算、回路系统总容积计算、稳压器容积计算。

本发明提高了超设计基准事故设置的措施的可靠性和核电厂安全系统的多样化，具有很高的工程价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的混凝器结构示意图；

图2是本发明实施例提供的喷射管结构示意图；

图3是本发明实施例提供的稳压器结构示意图；

图中：1-上封头组件；2-筒体组件；3-内筒体组件；4-下封头组件；5-阀门；6-筒体；7-接管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本本发明，并不用于限定本发明。

1、混凝器设计参数

强迫回路系统设置一台混凝器，位于实验段之后，其主要功能是湮灭两相流动，降低流体温度，其设计参数为：

2、混凝器结构设计

如图1所示为混凝器的设计结构图。混凝器主要由上封头组件1、内筒体组件3、筒体组件2、下封头组件4和支座组件组成。

上封头组件1主要包括螺纹法兰、透镜垫和上封头，上封头采用0Cr18Ni10Ti锻制，一端通过螺纹法兰与回路系统进行连接，采用透镜垫密封结构形式，一端与筒体进行对焊连接。上封头组件1的内径为DN65mm。

内筒体组件3由管接头、喷射管、定位杆和喷射管封盖组成。考虑到管接头不承受压力但需要一定的焊接强度，其设计尺寸为Ф80×7.5mm。为确保汽液两相流体的温度逐步地得到降低、汽泡得到湮灭，喷射管的顶部采用封盖堵死，从顶部10mm开始，在喷射管圆周上开210个φ8的孔，所有孔的流通面积约为汽液两相流体流动面积的2.5倍。为确保汽液两相流体在喷射管内与侧管流进的冷流体达到缓慢混合和冷凝的目的，沿喷射管轴向所开的φ8孔按图2所示的规则进行排列。

从喷射管与上封头锻件的焊接点开始，喷射管共分4段对汽液两相流体进行冷却。第1段称为无孔段，主要使汽液两相流体通过不锈钢管壁与冷流体进行初步接触，避免汽相与冷流体的直接接触而造成对混凝器及回路系统的冲击，仅从对流换热和导热角度对汽液两相流体的温度进行降低；第2段称为低密度孔段，每个断面沿轴向开5个φ10孔，每个孔断面之间轴向间隔30mm，共6个断面，合计5×6＝30个孔，主要使得部分汽相进入环腔与冷流体进行初步的直接接触和混合，汽液两相流体的温度进一步降低；第3段称为中等密度孔段，每个断面沿轴向开8个φ8孔，每个孔断面之间轴向间隔30mm，共10个断面，合计8×10＝80个孔，主要使得大量汽相进入环腔与冷流体进行直接接触、混合和冷凝，汽液两相流体的温度更进一步地得到降低；第4段为高密度孔段，每个断面沿轴向开10个φ8孔，每个孔端面之间轴向间隔30mm，共12个断面，合计10×12＝120个孔，主要使得温度较低的大量汽相进入环腔与冷流体进行直接接触、混合和冷凝，汽相全部得到湮灭，流体温度得到很到程度的降低，从而最终达到出口过冷的目的。需要指出的是，为保证喷射管的强度，凡开10孔相邻两断面错开15°，凡开8孔相邻两断面错开20°，凡开5孔相邻两断面错开36°。

筒体组件2主要包括筒体6、侧管、螺纹法兰和透镜垫等。下封头组件4主要包括螺纹法兰、透镜垫和下封头，下封头采用0Cr18Ni10Ti锻制，一端通过螺纹法兰与回路系统进行连接，采用透镜垫密封结构形式，一端与筒体进行对焊连接。下封头组件的内径为DN65mm。

3、混凝器热工计算

强迫循环实验回路系统的运行参数为：

f)实验本体横截面积：

S_ts＝65²-25×0.25×π×9.5²＝2452.9mm²

实验支路质量流速:

W_ts＝G×S_ts＝4000×2452.9＝9.81kg/s

实验本体功率：

Q＝1000kW(1MW)

查询水物性参数表，知：

18MPa，328.2℃时，h_in＝1498.89kJ/(kg.K)

18MPa，328.2℃时，h_i＝1335.6kJ/(kg.K)

饱和温度时，h_f＝1732.0kJ/(kg.K)

汽化潜热时，h_fg＝777.5kJ/(kg.K)

根据热平衡：

Q＝W_ts(h_out-h_in)

热平衡含汽率：

$x=\frac{h_{out}-h_f}{h_{fg}}$

联立式(1)和式(2)，可得到：

$\begin{array}{c}x=\frac{Q-W_{ts}(h_f-h_{in})}{W_{ts}{h}_{fg}}\\ =\frac{1200-9.81\×\left(1732.0-1498.89\right)}{9.81\×777.5}\\ =0.6715\end{array}$

旁通回路与实验支路质量流速之比为：

W_h:W_ts＝55.18:9.81＝5.625:1

则,W_h＝4W_ts＝5.625×9.81＝55.18kg/s

根据能量守恒定律,混凝器应满足:

W_ts(h_f+xh_fg)+W_hh_i＝W_mh_o

则:

$\begin{array}{c}{h}_o=\frac{W_{ts}(h_f+{\mathrm{xh}}_{fg})+W_h{h}_i}{W_m}\\ =\frac{9.81\×\left(1732+0.6715\×777.5\right)+55.18\×1335.6}{64.99}\\ =1474.24kJ/\left(kg.K\right)\end{array}$

经物性查询，混凝器的出口温度：

t_o＝324.27℃

则混凝器的出口过冷度为：

Δt＝t_s-t_o＝354.99-324.27＝30.72℃

查询水物性参数表，知：

18MPa，355.9℃时，

ρ_f＝827.04kg/m³

ρ_g＝14.0kg/m³

v_m＝xv_g+(1-x)v_f

＝0.6715/14+(1-0.6175)/827.04

＝0.048361(m³/kg)

ρ_m＝1/v_m＝1/0.048361＝20.67761(kg/m³)

混凝器汽液体两相流入口的流通面积可计算为：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_i^2=\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{0.2}^2=0.0314\left(m^2\right)$

实验段出口汽液两相流的流速可计算表示为：

$u=\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_{m}A}=\frac{9.81}{20.67761\×0.0314}=15.109(m/s)$

4、稳压器的设计参数

稳压器的设计参数为：

5、稳压器结构设计

如图3所示为稳压器的结构设计图。

稳压器的设计容积为1.5m³，液相空间所占比例为60％，容积为0.9m³，气相空间所占比例为40％，容积为0.6m³。

6、稳压器容积设计

稳压器计算主要指容积计算，它的计算结果是稳压器设计的输入性数据。

6.1管道容积计算

自然循环一回路主要包括参数为Φ133×14mm的不锈钢管道，经初步统计，确定管道的长度为35m。

$V_p=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d_i}^2{L}_i=\frac{\mathrm{\π}}{4}({0.105}^2\×35)=0.3m^3$

6.2设备容积计算

安全系统设备实验装置一回路的设备主要包括热源模拟体和冷源模拟体。热源模拟体容积为0.3m³，冷源模拟体容积为0.2m³。

6.3回路系统总容积

回路系统总容积主要包括管道容积和设备容积两部分，则回路系统总容积V_t可计算表示为：

V_t＝V_p+V_m＝0.8(m³)

6.4稳压器容积

根据经验，为保证回路系统运行的稳定性，稳压器的总容积一般取回路总容积的两倍，因此其容积为：

V_prz＝2×V_t＝1.6(m³)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法，其特征在于，所述的自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法包括混凝器的设计参数、结构设计、热工计算，稳压器的设计参数、结构设计和容积计算，该方法根据自然循环及强迫循环实验回路的设计参数和功能需求，确定实验回路系统混凝器和稳压器的设计参数，再分别对混凝器和稳压器进行设计和分析计算。

2.如权利要求1所述的自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法，其特征在于，混凝器的设计参数为：

设计压力：17.2MPa；

运行压力：15.5MPa；

设计流速：2m/s；

设计温度：352℃；

工作介质：去离子水两相混合物；

使用寿命：30年。

3.如权利要求1所述的自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法，其特征在于，稳压器的设计参数为：

设计压力：17.2MPa；

运行压力：15.5MPa；

设计流速：2m/s；

设计温度：360℃；

工作介质：去离子水两相混合物；

使用寿命：30年。

4.如权利要求1所述的自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法，其特征在于，稳压器的设计容积为1.5m³，液相空间所占比例为60％，容积为0.9m³，气相空间所占比例为40％，容积为0.6m³。

5.如权利要求1所述的自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法，其特征在于，稳压器容积的计算包括管道容积计算、设备容积计算、回路系统总容积计算、稳压器容积计算。

6.如权利要求1所述的自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法，其特征在于，混凝器由上封头组件、内筒体组件、筒体组件、下封头组件和支座组件组成；

上封头组件包括螺纹法兰、透镜垫和上封头，上封头采用0Cr18Ni10Ti锻制，一端通过螺纹法兰与回路系统进行连接，采用透镜垫密封结构形式，一端与筒体进行对焊连接，上封头组件的内径为DN65mm；

内筒体组件由管接头、喷射管、定位杆和喷射管封盖组成，该内筒体组件的尺寸为Ф80×7.5mm，喷射管的顶部采用封盖堵死，从顶部10mm开始，在喷射管圆周上开210个φ8的孔，所有孔的流通面积为汽液两相流体流动面积的2.5倍；

从喷射管与上封头锻件的焊接点开始，喷射管共分4段对汽液两相流体进行冷却；第1段称为无孔段，主要使汽液两相流体通过不锈钢管壁与冷流体进行初步接触，避免汽相与冷流体的直接接触而造成对混凝器及回路系统的冲击，仅从对流换热和导热角度对汽液两相流体的温度进行降低；第2段称为低密度孔段，每个断面沿轴向开5个φ10孔，每个孔断面之间轴向间隔30mm，共6个断面，主要使得部分汽相进入环腔与冷流体进行初步的直接接触和混合，汽液两相流体的温度进一步降低；第3段称为中等密度孔段，每个断面沿轴向开8个φ8孔，每个孔断面之间轴向间隔30mm，共10个断面，主要使得大量汽相进入环腔与冷流体进行直接接触、混合和冷凝，汽液两相流体的温度更进一步地得到降低；第4段为高密度孔段，每个断面沿轴向开10个φ8孔，每个孔端面之间轴向间隔30mm，共12个断面，主要使得温度较低的大量汽相进入环腔与冷流体进行直接接触、混合和冷凝，汽相全部得到湮灭，流体温度得到降低。

筒体组件包括筒体、侧管、螺纹法兰和透镜垫，下封头组件主要包括螺纹法兰、透镜垫和下封头，下封头采用0Cr18Ni10Ti锻制，一端通过螺纹法兰与回路系统进行连接，采用透镜垫密封结构形式，一端与筒体进行对焊连接，下封头组件的内径为DN65mm。

7.如权利要求1所述的自然循环及强迫循环回路系统的混凝器和稳压器设计方法，其特征在于，喷射管上凡开10孔相邻两断面错开15°，凡开8孔相邻两断面错开20°，凡开5孔相邻两断面错开36°。