CN105608979A - 模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置及方法，试验装置包括热源模拟体、冷源模拟体、最终热阱换热器、最终热阱水箱、第一管道以及第二管道；热源模拟体和冷源模拟体通过第一管道互连形成一回路；最终热阱换热器设置在最终热阱水箱中，冷源模拟体和最终热阱换热器通过第二管道互连形成二回路；一回路中具有第一换热介质、二回路中具有第二换热介质；热源模拟体加热第一换热介质，第一换热介质在冷源模拟体内与第二换热介质进行热交换。本发明以反应堆一二回路为原型，使用H2TS方法进行模化，更好地模拟蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统整体现象及局部现象，能够准确模拟反应堆一二回路间水水换热过程，满足需求。

Description

模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种热工水力试验模拟装置，尤其涉及一种模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置及方法。
背景技术
现有的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置中，包括有模拟了以ACP1000为原型的二次侧非能动余热排出系统，可用于对二次侧非能动余热排出系统的运行特性和可靠性的试验验证，但其仅仅针对反应堆二次侧非能动余热排出系统进行模化，蒸汽发生器一次侧使用电加热模拟，无法准确模拟反应堆一二回路间水水换热过程，不满足需求。同时现有的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置根据功率体积方法进行模化，由于模化方法的缺陷，试验装置模化后呈现出非常差的局部特性，无法满足科研需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置，包括热源模拟体、冷源模拟体、最终热阱换热器、最终热阱水箱、第一管道以及第二管道；所述热源模拟体和冷源模拟体通过所述第一管道互连形成一回路；所述最终热阱换热器设置在所述最终热阱水箱中，所述冷源模拟体和最终热阱换热器通过所述第二管道互连形成二回路；
在所述一回路中具有第一换热介质、在所述二回路中具有第二换热介质；所述热源模拟体加热第一换热介质，并且，所述第一换热介质在所述冷源模拟体内与所述第二换热介质进行热交换。
优选地，在所述一回路中，所述冷源模拟体内的供第一换热介质通过的换热管一端通过一所述第一管道与所述热源模拟体的进口端连接，所述换热管的另一端通过另一所述第一管道与所述热源模拟体的出口端连接。
优选地，所述第一管道上还设有流量计和第一阀门；所述流量计设置在所述热源模拟体的进口端，所述第一阀门设置在所述热源模拟体的进口端和冷源模拟体之间、和/或所述热源模拟体的出口端和冷源模拟体之间。
优选地，在所述二回路中，所述冷源模拟体的供第二换热介质输出的出口通过一所述第二管道与所述最终热阱换热器的进口端连接，所述冷源模拟体的供第二换热介质进入的进口通过另一所述第二管道与所述最终热阱换热器的出口端连接。
优选地，所述第二管道上设有第二阀门；所述第二阀门设置在所述冷源模拟体的出口和所述最终热阱换热器的进口端之间、和/或所述冷源模拟体的进口和所述最终热阱换热器的出口端之间。
优选地，该试验装置还包括与所述二回路连通的补水回路和蒸汽排放回路。
优选地，所述补水回路包括外接水源的补水管道、以及设置在所述补水管道上的补水阀门；
所述蒸汽排放回路包括排放管道以及设置在所述排放管道上的排放阀门。
优选地，所述一回路上还设有稳压器，所述稳压器位于所述第一管道上。
优选地，该试验装置还包括设置在所述一回路上的主泵。
优选地，所述一回路和二回路与原型的一回路和二回路的流通截面积按1:52的比例设置，容积按1:208的比例设置。
本发明还提供一种模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验方法，包括如下步骤：
S1、在一回路中，热源模拟体加热第一换热介质；所述第一换热介质加热升温后流至冷源模拟体，在所述冷源模拟体内与二回路的第二换热介质进行热交换；
S2、所述第二换热介质通过热交换后形成饱和蒸汽，蒸汽在二回路中进入最终热阱换热器冷凝，冷凝放出的热量传递给最终热阱水箱。
优选地，该试验方法包括自然循环方式和/或强迫循环方式；
在所述自然循环方式中，步骤S1包括：
S1.1、一回路中，热源模拟体加热，产生的热量由第一换热介质吸收；
S1.2、所述第一换热介质吸热后温度升高、密度变小，使得一回路中的驱动力高于阻力，加热后的所述第一换热介质非能动地流至冷源模拟体，在所述冷源模拟体内与二回路的第二换热介质进行热交换；
在所述强迫循环方式中，步骤S1包括：
S1.1、一回路中，主泵通电工作，建立回路流量；
S1.2、一回路的热源模拟体加热，使第一换热介质温度升高；
S1.3、所述第一换热介质通过主泵输送至冷源模拟体，在所述冷源模拟体内与二回路的第二换热介质进行热交换。
本发明的有益效果：以反应堆一二回路为原型，其设备布置与原型一致，更好地模拟蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统整体现象及局部现象，能够准确模拟反应堆一二回路间水水换热过程，满足需求；一次侧回路布置有主泵，一方面可以充分模拟自然循环过程中主泵的阻力特性，另一方面可以运转主泵将回路改为强迫循环，加大了可选择性；使用国际先进的H2TS方法进行模化设计，使得高度方向和直径方向类似缩小，大大保证了局部现象在原型和试验的相似性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一实施例的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明一实施例的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置，包括热源模拟体1、冷源模拟体2、最终热阱换热器4、最终热阱水箱5、第一管道6以及第二管道7；热源模拟体1和冷源模拟体2通过第一管道6互连形成一回路10；最终热阱换热器4设置在最终热阱水箱5中，冷源模拟体2和最终热阱换热器4通过第二管道6互连形成二回路10。
在一回路10中具有第一换热介质、在二回路20中具有第二换热介质；热源模拟体1加热第一换热介质，并且，第一换热介质在冷源模拟体2内与第二换热介质进行热交换。第一换热介质与第二换热介质的热交换，为二回路20提供热源。
第一换热介质与第二换热介质可采用水、去离子水或现有技术中常用的其它工作介质；优选水作为换热介质，更好贴合原型，减小失真度。
热源模拟体1为堆芯模拟体，堆芯模拟体内部含有与反应堆堆芯原型结构一致的电加热元件，一方面用于对第一换热介质进行加热，使一回路的温度升至蒸汽发生器二次侧余热排出系统的温度，另一方面，相同的结构也使得流体在反应堆堆芯区域和堆芯模拟体内呈现出相似的流场分布。
冷源模拟体2内设有容纳第二换热介质的容置部以及供第一换热介质通过的换热管，冷源模拟体2上设有连通容置部的进口和出口，供第二换热介质进出容置部。换热管可位于容置部内，方便第一换热介质和第二换热介质进行热交换。
在一回路10中，冷源模拟体2内的换热管一端通过一第一管道6与热源模拟体1的进口端连接，换热管的另一端通过另一第一管道6与热源模拟体1的出口端连接，一回路10的第一换热介质在冷源模拟体2和热源模拟体1之间循环流通。
一回路10中，第一管道6上还设有流量计8和第一阀门11，分别用于测量流量和控制第一管道6的通断。第一阀门11可设置在热源模拟体1的进口端和冷源模拟体2之间、和/或热源模拟体1的出口端和冷源模拟体2之间。
优选地，流量计8设置在热源模拟体1的进口端，测量进入热源模拟体1的流通介质的流量。进一步地，流量计8优选为文丘里流量计，对于回路阻力的影响更小。此外，通过流量计8尺寸的设置，可达到回路的阻力系数的调节作用。
一回路10上还设有稳压器9，稳压器9位于第一管道6上。本实施例中，稳压器9位于热源模拟体1出口端和冷源模拟体2之间的第一管道6上。
一回路10可通过自然循环方式建立回路流量。自然循环方式的原理是：热源模拟体1通过加热产生的热量全部由第一换热介质吸收，进而导致第一换热介质升温密度变小，加热的第一换热介质非能动地通过第一管道6进入冷源模拟体2的换热管，由于换热管和容置部存在温差，进而将热量传递给二回路20的第二换热介质，第一换热介质温度降低，密度增大。
进一步地，该试验装置还包括设置在一回路10上的主泵3。优选地，主泵3设置在热源模拟体1的进口端和冷源模拟体2之间。流量计8位于主泵3和热源模拟体1之间。
一回路10中，通过主泵3的设置，使得一回路10可通过强迫循环方式建立回路流量。强迫循环方式建立的原理是：通过主泵3通电转动，进而建立回路流量，同时通过热源模拟体1的加热，逐步将回路升温至原型参数(蒸汽发生器二次侧余热排出系统的温度)，第一换热介质被主泵3泵至冷源模拟体2内，与二回路20的第二换热介质进行热交换。
当回路的驱动力压头高于回路阻力时，一回路10的第一换热介质在主泵3未运行的情况下可以产生自然循环，非能动的将热源模拟体1产生的热量导出。
在二回路20中，冷源模拟体2的出口通过一第二管道7与最终热阱换热器4的进口端连接，冷源模拟体2的进口通过另一第二管道7与最终热阱换热器4的出口端连接，二回路20的第二换热介质在冷源模拟体2和最终热阱换热器4之间循环流通。二回路20的第二换热介质在冷源模拟体2内进行热交换后，可形成饱和蒸汽进入最终热阱换热器4以冷凝，冷凝放出的热量传递给最终热阱水箱5，而饱和蒸汽经过冷凝后变为低温水流回冷源模拟体2，以此循环。
二回路20中，第二管道7上设有第二阀门21，用于控制第二管道7的通断。第二阀门21可设置在冷源模拟体2的出口和最终热阱换热器4的进口端之间、和/或冷源模拟体2的进口和最终热阱换热器4的出口端之间。
进一步地，该试验装置还包括与二回路20连通的补水回路和蒸汽排放回路，分别用于为二回路20补充第二换热介质和释放蒸汽、减压。
如图1中所示，补水回路包括外接水源的补水管道31、以及设置在补水管道31上的补水阀门32；补水阀门32用于控制补水管道31的通断，在不需补水时将补水管道31关闭。作为选择，补水管道31可连接在第二管道7上、或连通冷源模拟体2的容置部。
蒸汽排放回路包括排放管道41以及设置在排放管道41上的排放阀门42；排放阀门用于控制排放管道41的通断。优选地，排放管道41连接在冷源模拟体2与最终热阱换热器4进口端之间的第二管道7上。
二回路20的自然循环方式原理是：冷源模拟体2内存有通过补水回路流入的第二换热介质，在接收一回路10传递的热量后，变成饱和蒸汽，蒸汽通过第二管道7进入最终热阱换热器4冷凝，冷凝的热量通过换热管传递给最终热阱水箱5中的水，最终热阱水箱5中的水汽化，排入大气，将热量导出。最终热阱换热器4冷凝的第二换热介质通过第二管道7重新流回冷源模拟体2。当回路设置合理时，只要二回路20能够产生蒸汽，蒸汽都会进入最终热阱换热器4冷凝，进而形成自然循环，非能动地将热源模拟体1产生的热量最终导出。
本发明的试验装置中，采用比例模化方法(H2TS)对反应堆一回路和二次侧非能动余热排除系统回路进行模化，充分模拟反应堆原型回路设计，同时兼顾试验需求，结构简单易行。
H2TS(TheHierarchicalTwo-TieredScaling)方法是一种针对复杂多项流系统的结构化比例分析方法，称为“多级双层比例分析方法”。“多级”是指将复杂系统进行分解，然后确定可发展相似准则的比例分析级别。“双层”是指针对每一可行的比例分析级别进行两层次的比例分析，一层是自下而上(系统)的比例分析，对每个比例分析级别的控制方程进行无量纲化得到相应的特征时间比和相似准则；另一层是自下而上(过程)的比例分析，对PIRT(PhenomenaIdentificationRankingTable)中重要的局部物理过程进行比例分析得到相似准则，对系统比例分析过程进行补充。
H2TS方法在比例分析实施前列有PIRT表，指出了台架需重点模拟的物理现象。主要参数比例关系由系统质量、栋梁、能量等基本方程比例分析而来，比例关系中包含流体物性比例项和几何参数比例项，为台架比例概念的发展提供了基础。物性比例项的存在为不等压模拟及不同介质模拟提供了条件。重力加速度比为1，为建立降高度的试验台架提供了可能。降高度试验台架的尺寸显著减小，使台架的经济性得到很大提高，且降高度试验台架(l/d)R更接近原型。
此外，H2TS方法依据PIRT对重要局部物理现象也进行了比例分析，得到了保证这些重要局部现象的相似准则。
其中，一回路10和二回路20上热源模拟体1、冷源模拟体2、最终热阱换热器4等设备布置与原型实现了高度上的相似(1:4)，而与原型的一回路和二回路的流通截面积按1:52的比例设置，容积按1:208的比例设置，同时从热工参数(温度、压力、阻力、功率、热流密度等)尺度上通过合理设置使得试验装置与原型之间形成相似，从而可以更好的模拟蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统整体现象及局部现象，有效减小局部现象的模拟失真，以及可以更好的服务于反应堆二次侧非能动余热排出系统相关的科研和实践活动。根据需要可在回路中增设对应的安全系统，提高安全性，满足科研和实践活动需要。
另外，对于回路模化过程中产生的阻力不匹配问题，则可通过设置在回路上的节流孔板调节实现。节流孔板设置在一回路10的第一管道6和/或二回路20的第二管道7上。本发明一实施例的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验方法，可通过上述的试验装置实现；参考图1，试验方法包括如下步骤：
S1、在一回路10中，热源模拟体1加热第一换热介质；第一换热介质加热升温后流至冷源模拟体2，在冷源模拟体2内与二回路20的第二换热介质进行热交换。
S2、第二换热介质通过热交换后形成饱和蒸汽，蒸汽在二回路20中进入最终热阱换热器4冷凝，冷凝放出的热量传递给最终热阱水箱5。最终热阱水箱5中的水在吸热后可汽化排入大气，而在最终热阱换热器4内冷凝后的第一换热介质则通过第二管道7流回冷源模拟体2。
具体地，该试验方法包括自然循环方式和/或强迫循环方式。
在自然循环方式中，步骤S1包括：
S1.1、一回路10中，热源模拟体1加热，产生的热量由第一换热介质吸收。
S1.2、第一换热介质吸热后温度升高、密度变小，使得一回路10中的驱动力高于阻力，加热后的第一换热介质非能动地流至冷源模拟体2，在冷源模拟体2内与二回路20的第二换热介质进行热交换。
在强迫循环方式中，步骤S1包括：
S1.1、一回路10中，主泵3通电工作，建立回路流量。
S1.2、一回路10的热源模拟体1加热，使第一换热介质温度升高。热源模拟体1加热还使一回路10的温度升至蒸汽发生器二次侧余热排出系统的温度。
S1.3、第一换热介质通过主泵3输送至冷源模拟体2，在冷源模拟体2内与二回路20的第二换热介质进行热交换。其中，第一换热介质通过主泵3在流经热源模拟体1时吸收热源模拟体1的热量，温度升高、密度变小。
上述的试验方法，当回路驱动力压头高于回路阻力时，一回路10的第一换热介质在主泵3未运行的情况下可以产生自然循环，非能动地将热源模拟体1产生的热量导出。在二回路20能够产生蒸汽情况下，蒸汽都会进入最终热阱换热器3冷凝，进而形成自然循环，非能动地将热源模拟体1产生的热量最终导出。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置，包括热源模拟体（1）、冷源模拟体（2）、最终热阱换热器（4）、最终热阱水箱（5）、第一管道（6）以及第二管道（7）；所述热源模拟体（1）和冷源模拟体（2）通过所述第一管道（6）互连形成一回路（10）；所述最终热阱换热器（4）设置在所述最终热阱水箱（5）中，所述冷源模拟体（2）和最终热阱换热器（4）通过所述第二管道（7）互连形成二回路（20）；
在所述一回路中具有第一换热介质、在所述二回路中具有第二换热介质；所述热源模拟体加热第一换热介质，并且，所述第一换热介质在所述冷源模拟体（2）内与所述第二换热介质进行热交换。
2.根据权利要求1所述的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置，其特征在于，在所述一回路（10）中，所述冷源模拟体（2）内的供第一换热介质通过的换热管一端通过一所述第一管道（6）与所述热源模拟体（1）的进口端连接，所述换热管的另一端通过另一所述第一管道（6）与所述热源模拟体（1）的出口端连接。
3.根据权利要求2所述的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置，其特征在于，所述第一管道（6）上还设有流量计（8）和第一阀门（11）；所述流量计（8）设置在所述热源模拟体（1）的进口端，所述第一阀门（11）设置在所述热源模拟体（1）的进口端和冷源模拟体（2）之间、和/或所述热源模拟体（1）的出口端和冷源模拟体（2）之间。
4.根据权利要求1所述的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置，其特征在于，在所述二回路（20）中，所述冷源模拟体（2）的供第二换热介质输出的出口通过一所述第二管道（7）与所述最终热阱换热器（4）的进口端连接，所述冷源模拟体（2）的供第二换热介质进入的进口通过另一所述第二管道（7）与所述最终热阱换热器（4）的出口端连接。
5.根据权利要求4所述的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置，其特征在于，所述第二管道（7）上设有第二阀门（21）；所述第二阀门（21）设置在所述冷源模拟体（2）的出口和所述最终热阱换热器（4）的进口端之间、和/或所述冷源模拟体（2）的进口和所述最终热阱换热器（4）的出口端之间。
6.根据权利要求1所述的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置，其特征在于，该试验装置还包括与所述二回路（20）连通的补水回路和蒸汽排放回路；
所述补水回路包括外接水源的补水管道（31）、以及设置在所述补水管道（31）上的补水阀门（32）；
所述蒸汽排放回路包括排放管道（41）以及设置在所述排放管道（41）上的排放阀门（42）。
7.根据权利要求1所述的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置，其特征在于，所述一回路（10）上还设有稳压器（9），所述稳压器（9）位于所述第一管道（6）上。
8.根据权利要求1-7任一项所述的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置，其特征在于，该试验装置还包括设置在所述一回路（10）上的主泵（3）。
9.根据权利要求1-7任一项所述的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验装置，其特征在于，所述一回路（10）和二回路（20）与原型的一回路和二回路的流通截面积按1:52的比例设置，容积按1:208的比例设置。
10.一种模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在一回路（10）中，热源模拟体（1）加热第一换热介质；所述第一换热介质加热升温后流至冷源模拟体（2），在所述冷源模拟体（2）内与二回路（20）的第二换热介质进行热交换；
S2、所述第二换热介质通过热交换后形成饱和蒸汽，蒸汽在二回路（20）中进入最终热阱换热器（4）冷凝，冷凝放出的热量传递给最终热阱水箱（5）。
11.根据权利要求10所述的模拟蒸汽发生器二次侧余热排出系统的试验方法，其特征在于，该试验方法包括自然循环方式和/或强迫循环方式；
在所述自然循环方式中，步骤S1包括：
S1.1、一回路（10）中，热源模拟体（1）加热，产生的热量由第一换热介质吸收；
S1.2、所述第一换热介质吸热后温度升高、密度变小，使得一回路（10）中的驱动力高于阻力，加热后的所述第一换热介质非能动地流至冷源模拟体（2），在所述冷源模拟体（2）内与二回路（20）的第二换热介质进行热交换；
在所述强迫循环方式中，步骤S1包括：
S1.1、一回路（10）中，主泵（3）通电工作，建立回路流量；
S1.2、一回路（10）的热源模拟体（1）加热，使第一换热介质温度升高；
S1.3、所述第一换热介质通过主泵（3）输送至冷源模拟体（2），在所述冷源模拟体（2）内与二回路（20）的第二换热介质进行热交换。
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