CN106531248B - 一种控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的装置及方法，包括反应堆模拟体、堆芯模拟体，反应堆模拟体上设有压力测量装置，反应堆模拟体的进口端分别设有反应堆进口温度测量装置和流量测量装置，反应堆模拟体的出口端设有反应堆出口温度测量装置，通过获得反应堆模拟体的进出口温度、系统压力、流量数据，计算流体在反应堆模拟体中加热功率Q_实，然后调解堆芯模拟体的电功率，计算获得的反应堆模拟体的电加热功率与调节后堆芯模拟体的电功率的相对误差小于等于2％。本方案可实时测量热补偿情况，并基于此对试验装置热边界条件准确控制，显著提高试验堆原型模拟的准确性及试验装置应用于原型的有效性，具有较好的使用前景和市场价值。

Description

一种控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的装置及方法

技术领域

本发明涉及反应堆模拟技术领域，具体涉及一种控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的装置及方法。

背景技术

目前，核电及核动力装置较多地采用压水堆。压水堆主要由一回路和二回路系统组成。一回路负责将核能转换为热能，并将热量传递给二回路。二回路负责将热能转化为电能或机械能。在研究反应堆热工水力特性或进行热工水力安全分析时，通常采用开展模拟试验的方法。模拟试验装置既可以包括整个反应堆的一、二回路，也可以重点建立反应堆一回路的模拟试验装置。

从经济型和实用性的考虑，模拟试验装置通常会按照原型尺寸进行缩比，尤其在宽度方向缩比的程度较大，造成模拟试验装置的比表面积比原型偏大，即在相同的容积下，试验装置的换热表面积更大，这导致在试验中散热损失的比例远大于原型。

为了减小散热，准确模拟原型的热边界条件，现有试验装置通常采用在设备及管道的外壁面包裹保温棉的方法，阻止热量流失。但该方法存在两个方面的问题。一是保温效果有限。当外界环境温度较低时，即使包裹了保温棉，试验装置散热损失仍然很大。二是无法进行适应性调节。当试验工况或外界环境温度变化时，散热损失的大小会随之变化，无法保证试验在相同的热边界条件下进行。

基于此，研究并开发设计一种控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的装置及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：试验装置采用在设备及管道的外壁面包裹保温棉的方式保温效果有限，无法根据试验工况或外界环境变化对散热损失进行适应性调节，目的在于提供一种控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的方法及装置，解决反应堆一回路模拟试验装置的发热部件、非发热部件的热损失补偿问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的装置，包括反应堆模拟体、堆芯模拟体，反应堆模拟体上设有压力测量装置，反应堆模拟体的进口端分别设有反应堆进口温度测量装置和流量测量装置，反应堆模拟体的出口端设有反应堆出口温度测量装置。

现有反应堆一回路模拟试验装置的反应堆模拟体散热损失一般采用在反应堆模拟体外包裹保温棉，且同时提高堆芯模拟体的电功率来消除反应堆模拟体散热损失带来的影响，但是在具体实施过程中，散热损失难以测量，无法达到热补充的目的。

基于此，发明采用在反应堆模拟体的进口端设置反应堆进口温度测量装置、流量测量装置、在反应堆模拟体上设置压力测量装置，反应堆模拟体的出口端设置反应堆出口温度测量装置，获得反应堆模拟体的进出口温度、系统压力和流量。

通过上述采集的数据计算获得反应堆模拟体中获得实际加热功率，调节堆芯模拟体的电功率，使测得的反应堆模拟体的实际加热功率与该工况下的堆芯模拟体的功率相同，或使测得的反应堆模拟体的实际加热功率与该工况下的堆芯模拟体的功率的差值相对误差小于等于2％，则反应堆模拟体上的散热损失得到全部补偿，满足绝热边界条件。

本技术方案中涉及到的反应堆模拟体、堆芯模拟体的结构及其原理为核领域的公知技术，不再详述。反应堆模拟体其主要作用是模拟压水堆原型中的压力容器，压力容器中的堆芯部分采用堆芯模拟体进行模拟，具体模拟方法为采用电加热来模拟核释热。

本技术方案中反应堆进口温度测量装置、反应堆出口温度测量装置可为温度计或温度传感器等，压力测量装置可为压力传感器、流量测量装置可为流量计具体可为文丘里流量计等。

进一步地，还包括蒸汽发生器，蒸汽发生器的进口端设有蒸汽发生器入口温度测量装置，蒸汽发生器与反应堆模拟体之间通过管道连接。

进一步地，所述蒸汽发生器的出口端与反应堆模拟体的进口端之间设有主循环泵，在主循环泵、蒸汽发生器的进出口腔室、管道的外表面均匀布置有缠绕式电加热系统。

缠绕式电加热系统可对反应堆一回路模拟系统中的对应段进行加热，使反应堆出口温度与蒸汽发生器入口温度的差在允许范围内，允许误差范围具体可为小于等于1℃或反应堆出口温度与蒸汽发生器入口温度相等，则散热段的热损失被补偿，绝热条件建立。

采用缠绕式电加热系统可对反应堆一回路模拟试验装置中非发热部件中热边界进行控制。

进一步地，所述缠绕式电加热系统包括缠绕在管道壁的电加热丝，电加热丝的表面覆盖有保温棉，电加热丝与管道壁之间设有云母带，电加热丝的两端与直流电源连接。

这里对缠绕式电加热系统的具体结构进行限定，云母带紧贴管道壁面，电加热丝缠绕于云母带之上，保温棉从外侧包裹管道。通过改变加载在电加热丝两端的直流电源电压，进而改变电加热丝输入的热补偿功率，使反应堆模拟体的出口温度与蒸汽发生器的入口温度相等或差值小于等于1℃，或者使反应堆模拟体的进口温度与蒸汽发生器的出口温度相等或差值小于等于1℃，则可补偿热损失，建立绝热条件。

进一步地，所述蒸汽发生器的出口端设有蒸汽发生器出口温度测量装置。

进一步地，所述流量测量装置为文丘里流量计。

本发明的另一目的在于：提供一种控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的方法，包括以下操作步骤，

步骤1)通过反应堆进口温度测量装置、反应堆出口温度测量装置、压力测量装置、流量测量装置分别获得反应堆模拟体的进出口温度、系统压力、流量数据；

步骤2)计算流体在反应堆模拟体中加热功率；

步骤3)调节堆芯模拟体的电功率，使步骤2)计算获得的反应堆模拟体的电加热功率与调节后堆芯模拟体的电功率相等或相对误差小于等于2％。

上述操作方法主要通过调节堆芯模拟体的电功率来消除反应堆模拟体热损失带来的影响，使反应堆模拟体上的散热损失得到补偿，满足绝热边界条件。

进一步地，所述步骤2)中流体在反应堆模拟体中加热功率计算方法为：

Q_实＝C_pW(T_out-T_in)

其中，C_p为流体定压比热容，可由系统压力及流体温度求得；W为流量；T_in和T_out分别为反应堆模拟体进口温度和出口温度。

进一步地，还包括以下操作步骤：

步骤1)测量反应堆模拟体的出口温度、蒸汽发生器的入口温度；

步骤2)调节缠绕式电加热系统的直流电源电压，改变电机热丝输入的热补偿功率，使反应堆模拟体出口温度与蒸汽发生器入口温度相等或蒸汽发生器出口温度与反应堆模拟体入口温度的温度差小于等于1℃。

本技术方案中所述的操作方法，调节缠绕式电加热系统的输出功率，使发热部件的热损失得到补偿，建立绝热条件。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1)本发明针对反应堆一回路模拟试验装置中的发热部件和非发热部件分别采用不同的方法进行热补偿，对于发热部件反应堆模拟体，提高其发热量来进行热补偿，而对于非发热部件一回路管道、主循环泵、蒸汽发生器进出口腔室，采用电热丝进行热补偿，从而建立起热边界条件。

2)本发明采用的控制反应堆一回路模拟试验装置涉及到部件成本低、性能可靠。

3)本发明所涉及到的热边界控制装置，可实时测量热补偿情况，并基于此对试验装置热边界条件进行准确控制，将显著提高试验堆原型模拟的准确性及试验结构应用于原型的有效性，具有较好的使用前景和市场价值。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明中缠绕式电加热系统的结构示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-管道，1-1—保温棉，1-2—云母带，1-3—管道壁，1-4—电加热丝，2—主循环泵，3—反应堆模拟体，4—堆芯模拟体，5—蒸汽发生器，6—流量测量装置，7—反应堆进口温度测量装置，8—反应堆出口温度测量装置，9—压力测量装置，10—蒸汽发生器入口温度测量装置，11—蒸汽发生器出口温度测量装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，本发明一种控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的装置，包括反应堆模拟体3、堆芯模拟体4，反应堆模拟体3上设有压力测量装置9，反应堆模拟体3的进口端分别设有反应堆进口温度测量装置7和流量测量装置6，反应堆模拟体3的出口端设有反应堆出口温度测量装置8；还包括蒸汽发生器5，蒸汽发生器5的进口端设有蒸汽发生器入口温度测量装置10，蒸汽发生器5与反应堆模拟体3之间通过管道1连接。

实施例1中涉及到的装置主要通过调节发热部件对反应堆模拟体3进行热补偿。具体操作方法为，获得反应堆入口温度数据、反应堆出口温度数据、反应堆模拟体的压力测量数据、反应堆模拟体的流量测量数据，依据能量守恒定律计算得反应堆模拟体3的实际加热功率，调节堆芯模拟体4的电功率，使反应堆模拟体3的实际加热功率与该工况下堆芯模拟体4要达到的电功率相等，或相对误差小于等于2％，则将反应堆模拟体3上的散热损失得到补偿，满足绝热边界条件。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上限定，如图2所示，所述蒸汽发生器5的出口端与反应堆模拟体3的进口端之间设有主循环泵2，在主循环泵2、蒸汽发生器5的进出口腔室、管道1的外表面均匀布置有缠绕式电加热系统。

缠绕式电加热系统包括缠绕在管道壁1-3的电加热丝1-4，电加热丝1-4的表面覆盖有保温棉1-1，电加热丝1-4与管道壁1-3之间设有云母带1-2，电加热丝1-4的两端与直流电源连接。

实施例2主要针对反应堆一回路模拟试验装置中的非发热部件如管道1、主循环泵2、蒸汽发生器5的进出口腔室，采用缠绕式电加热系统使非发热部件的热损失得到补偿。

具体方法为：

获得反应堆模拟体3的进出口温度数据、蒸汽发生器5的进出口温度测量数据，根据测量的数据计算获得实际的热功率，调节缠绕式电加热系统中电加热丝1-4两端的电源电压，改变电加热丝1-4输入的热补偿功率，使反应堆出口温度与蒸汽发生器入口温度、反应堆进口温度与蒸汽发生器的出口温度的差值小于等于1℃，实现热补偿。

实施例3：

本实施例提供一种控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的方法，包括以下操作步骤，

步骤1)通过反应堆进口温度测量装置7、反应堆出口温度测量装置8、压力测量装置9、流量测量装置6分别获得反应堆模拟体3的进出口温度、系统压力、流量数据；

步骤2)计算流体在反应堆模拟体中加热功率

Q_实＝C_pW(T_out-T_in)

其中，C_p为流体定压比热容，可由系统压力及流体温度求得；W为流量；T_in和T_out分别为反应堆模拟体进口温度和出口温度；

步骤3)调节堆芯模拟体4的电功率，使步骤2)计算获得的反应堆模拟体的电加热功率与调节后堆芯模拟体的电功率相等；

步骤4)：测量反应堆模拟体3的出口温度、蒸汽发生器5的入口温度；

步骤2)调节缠绕式电加热系统的直流电源电压，改变电机热丝1-4输入的热补偿功率，使反应堆模拟体出口温度与蒸汽发生器入口温度的差值小于等于1℃。

实施例4：

以图1中，AB、CD段为例具体说明控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的方法，

通过提高堆芯模拟体电功率来消除反应堆模拟体3散热损失带来的影响。假定在该工况下的堆芯功率为Q，从反应堆模拟体3上散失的热量为Q’，则将堆芯模拟体4的加热功率提高至Q+Q’即可达到热补偿的目的。具体实施过程中，由于散热损失Q’难以测量，采用如下方法调节堆芯电功率：

1)通过反应堆入口温度测量装置7、反应堆出口温度测量装置8、压力测量装置9及流量测量装置6如文丘里流量计分别获得反应堆进出口温度、系统压力和流量；

2)利用能量守恒公式(1)计算出流体在反应堆模拟体中获得的实际加热功率Q_实。

Q_实＝C_pW(T_out-T_in)

式中，C_p为流体定压比热容，可由系统压力及流体温度求得；W为流量；T_in和T_out分别为反应堆模拟体进出口温度。

3)调节堆芯电功率，使Q_实＝Q，此时，反应堆模拟体上的散热损失已全部得到补偿，反应堆模拟体满足绝热边界条件。

其次，通过调节缠绕式电加热系统的输出功率，使非发热部件的热损失得到补偿。以图1中AB段管道为例，其具体步骤如下：

1)通过反应堆出口温度测量装置8和蒸汽发生器入口温度测量装置10分别获得反应堆出口温度和蒸汽发生器入口温度；

2)调节AB段电加热系统的电源电压，改变电加热丝输入的热补偿功率，使反应堆出口温度与蒸汽发生器入口温度的差值小于等于1℃。此时，AB段散热损失被补偿，绝热条件被建立。

同样，在CD段，通过调节相应的电加热系统输出功率，可使蒸汽发生器出口温度测量装置11和反应堆入口温度测量装置9的测量结果的差值小于等于1℃，达到绝热边界条件。

这样，通过提高堆芯模拟体4功率和调节缠绕式电加热系统输出功率，最终实现了对绝热边界条件的控制。通过对电加热系统及堆芯模拟体功率的控制，可实现一定参数范围内任意的热边界条件的控制。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种控制反应堆一回路模拟试验装置热边界的装置，其特征在于：包括反应堆模拟体(3)、堆芯模拟体(4)，反应堆模拟体(3)上设有压力测量装置(9)，反应堆模拟体(3)的进口端分别设有反应堆进口温度测量装置(7)和流量测量装置(6)，反应堆模拟体(3)的出口端设有反应堆出口温度测量装置(8)；还包括蒸汽发生器(5)，蒸汽发生器(5)的进口端设有蒸汽发生器入口温度测量装置(10)，蒸汽发生器(5)与反应堆模拟体(3)之间通过管道(1)连接，所述蒸汽发生器(5)的出口端与反应堆模拟体(3)的进口端之间设有主循环泵(2)，在主循环泵(2)、蒸汽发生器(5)的进出口腔室、管道(1)的外表面均匀布置有缠绕式电加热系统，所述缠绕式电加热系统包括缠绕在管道壁(1-3)的电加热丝(1-4)，电加热丝(1-4)的表面覆盖有保温棉(1-1)，电加热丝(1-4)与管道壁(1-3)之间设有云母带(1-2)，电加热丝(1-4)的两端与直流电源连接；

调节缠绕式电加热系统的直流电源电压，改变电加热丝(1-4)输入的热补偿功率，使反应堆模拟体(3)出口温度与蒸汽发生器(5)入口温度、反应堆模拟体(3)入口温度与蒸汽发生器(5)出口温度均相等或差值均小于等于1℃；

通过反应堆进口温度测量装置(7)、反应堆出口温度测量装置(8)、压力测量装置(9)、流量测量装置分别获得反应堆模拟体的进出口温度、系统压力、流量数据，计算流体在反应堆模拟体(3)中加热功率，调节堆芯模拟体(4)的电功率，使计算获得的反应堆模拟体(3)的电加热功率与该工况下堆芯模拟体(4)要达到的电功率相等或相对误差小于等于2％。

2.根据权利要求1所述的一种控制反应堆一回路模拟实验装置热边界的装置，其特征在于：所述蒸汽发生器(5)的出口端设有蒸汽发生器出口温度测量装置(11)。

3.根据权利要求1或2所述的一种控制反应堆一回路模拟实验装置热边界的装置，其特征在于：所述流量测量装置(6)为文丘里流量计。

4.一种如权利要求1所述控制反应堆一回路模拟试验装置热边界装置的操作方法，包括以下操作步骤，

通过提高堆芯模拟体(4)电功率来消除反应堆模拟体(3)散热损失的带来影响，采用如下方法调节堆芯模拟体(4)电功率：

步骤1)通过反应堆进口温度测量装置(7)、反应堆出口温度测量装置(8)、压力测量装置(9)、流量测量装置(6)分别获得反应堆模拟体(3)的进出口温度、系统压力、流量数据；

步骤2)计算流体在反应堆模拟体中加热功率Q_实，加热功率计算方法为：

Q_实＝C_pW(T_out-T_in)

其中，C_p为流体定压比热容，可由系统压力及流体温度求得；W为流量；T_in和T_out分别为反应堆模拟体进口温度和出口温度；

步骤3)调节堆芯模拟体(4)的电功率，使步骤2)计算获得的反应堆模拟体的电加热功率与该工况下堆芯模拟体(4)要达到的电功率相等或相对误差小于等于2％；

通过调节缠绕式电加热系统的输出功率，使非发热部件的热损失得到补偿，其具体步骤如下：

步骤4)测量反应堆模拟体(3)的出口温度、蒸汽发生器(5)的入口温度；

步骤5)调节缠绕式电加热系统的直流电源电压，改变电加热丝(1-4)输入的热补偿功率，使反应堆模拟体出口温度与蒸汽发生器入口温度、反应堆模拟体进口温度与蒸汽发生器的出口温度均相等或差值均小于等于1℃。