CN106653109A - 一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于压水堆核电研究设计技术领域，具体涉及一种二次侧非能动余热排出系统的试验研究装置。该装置包括蒸发器模拟体，冷却器模拟体，第一补水箱模拟体，第二补水箱模拟体，应急冷却水箱模拟体，第一节流件，第二节流件，U形电热元件，应急补水箱模拟体入口快关快开阀，应急补水箱模拟体出口快关快开阀，冷却器模拟体出口快关快开阀，大气释放阀，蒸发器模拟体排水阀，回路排气阀。二次侧非能动余热排出系统试验研究装置可通过等高模拟PRS系统运行过程，验证PRS系统非能动循环可以自动建立以及满足事故后72小时持续带出堆芯热量的要求；可以为二次侧非能动余热排出系统的设计验证和改进提供可靠的数据支撑。

Description

一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置

技术领域

本发明属于压水堆核电研究设计技术领域，具体涉及一种二次侧非能动余热排出系统的试验研究装置。

背景技术

华龙一号三代核电技术是在具有长期运行经验的二代加反应堆基础上，为满足三代反应堆技术要求而创造性地增设了二次侧非能动余热排出系统(简称“PRS系统”)。华龙一号三代反应堆审评要求对新增最主要内容之一的PRS系统的运行特性和可靠性进行实验验证。

PRS系统用于在发生全厂断电事故且辅助给水系统汽动泵系列失效工况下，系统投入运行，在不超过冷却剂压力边界设计条件的前提下，通过蒸发器导出堆芯余热及反应堆冷却剂系统各设备的储热，在72小时内将反应堆维持在安全状态。在完全丧失给水的工况下，PRS系统投入运行，降低一回路的温度和压力。

PRS系统通过应急余热排出冷却器内流体温度差建立自然循环，利用应急冷却器及相连接管道内水的流动，连续不断的将蒸发器内的热量带到安全壳外，在安全壳外设置换热水箱，通过换热水箱中冷却水导出冷却器中从蒸发器带出的热量，最终通过换热水箱中冷却水的蒸发将热量排至大气环境。反应堆每个环路的对应一个非能动余热排出系列，包括一台应急余热排出冷却器，应急补水箱一、应急补水箱二，一个换热水箱以及必要的阀门、管道和仪表。蒸汽管线首先贯穿安全壳，在安全壳外分成两个支路，一个支路连接应急余热排出冷却器入口，另一个支路与两台应急补水箱入口相连，冷却器布置在换热水箱底部的冷凝器隔间，冷凝水管道连接应急余热排出冷却器下封头，凝水管出口与应急补水箱的注入管线合并后通过贯穿件返回到安全壳内，与蒸发器5的给水管道相连。

由于PRS系统是创新的、先进的非能动换热系统，且从未在核电厂中有实际工程应用，因此在设计阶段需进行必要模拟试验验证工作，以充分确定设计方案合理可行，保证PRS系统可在发生完全丧失给水事故时能够实现预期的安全功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种二次侧非能动余热排出系统的试验研究装置，确定二次侧非能动余热排出系统的设备设计和系统设计合理可行，能够实现预期安全功能。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，该装置包括蒸发器模拟体，冷却器模拟体，第一补水箱模拟体，第二补水箱模拟体，应急冷却水箱模拟体，第一节流件，第二节流件，U形电热元件，应急补水箱模拟体入口快关快开阀，应急补水箱模拟体出口快关快开阀，冷却器模拟体出口快关快开阀，大气释放阀，蒸发器模拟体排水阀，回路排气阀；

所述蒸发器模拟体包括给水入口和蒸汽出口，蒸发器模拟体的蒸汽出口连接蒸汽管道，给水入口连接进水管道；

冷却器模拟体包括蒸汽入口和凝水出口，凝水出口连接凝水管道；

蒸发器模拟体的蒸汽出口和冷却器模拟体的蒸汽入口通过蒸汽管道联通；

第一补水箱模拟体、第二补水箱模拟体之间为并联连接，并联之后上端通过蒸汽管道与蒸发器模拟体连通；

第一补水箱模拟体、第二补水箱模拟体并联连接的上端与蒸汽管道之间的管道上设置应急补水箱模拟体入口快关快开阀；

在第一补水箱模拟体、第二补水箱模拟体和冷却器模拟体并联连接的上端与蒸发器模拟体的蒸汽出口之间的蒸汽管道中设置第一节流件；

第一补水箱模拟体、第二补水箱模拟体并联的下端通过补水管道与凝水管道汇合后，通过进水管道与蒸发器模拟体的给水入口连通；在进水管道中设置第二节流件；

分别在补水管道、凝水管道上设置应急补水箱模拟体出口快关快开阀，冷却器模拟体出口快关快开阀；

在蒸发器模拟体底部设置蒸发器模拟体排水阀，在蒸汽管道高点设置回路排气阀。

进一步的，如上所述的一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，所述蒸汽管道、凝水管道、补水管道及进水管道上均设置有流量计。

进一步的，如上所述的一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，通过控制U形电热元件的输入电功率，使蒸汽-水自然循环系统升温，升温速率不大于50℃/h。

进一步的，如上所述的一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，大气释放阀设置为自动开启和关闭，开启压力为7.85MPa，关闭压力为7.5MPa。

一种二次侧非能动余热排出系统试验研究方法，具体包括如下步骤：

a)建立二次侧非能动余热排出系统热工水力特性实验模拟装置；

b)完成试验模拟装置的冷、热态调试工作；

c)根据试验工况，建立实验回路初始条件，包括应急冷却水箱模拟体水位，第一补水箱模拟体、第二补水箱模拟体水位，回路等效阻力系数，蒸汽发生器模拟体水位和蒸汽出口处的蒸汽压力；

d)待蒸汽出口处的蒸汽压力达到预先设定的系统启动压力值时，按照需要模拟的蒸汽发生器加热功率随时间变化的曲线开始对蒸发器模拟体进行加热；同时开启凝水管道、补水管道上的应急补水箱模拟体出口快关快开阀10，冷却器模拟体出口快关快开阀，自然循环逐步建立；

e)当第一补水箱模拟体、第二补水箱模拟体水位降为0时，关闭应急补水箱模拟体入口快关快开阀、应急补水箱模拟体出口快关快开阀；

f)根据试验工况确定试验持续时间，待试验结束后，停止加热，使回路系统继续通过自然循环冷却；

g)试验过程中测控系统将自动记录包括各测点的压力、温度、流量、水位、电流、电压等数据，作为试验数据用作分析；

h)根据实验所得数据，进行数据分析，得出试验研究的结论。

本发明技术方案的有益效果在于：二次侧非能动余热排出系统试验研究装置可通过等高模拟PRS系统运行过程，验证PRS系统非能动循环可以自动建立以及满足事故后72小时持续带出堆芯热量的要求；可以为二次侧非能动余热排出系统的设计验证和改进提供可靠的数据支撑。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图中：蒸发器模拟体1，冷却器模拟体2，第一补水箱模拟体3，第二补水箱模拟体4，应急冷却水箱模拟体5，第一节流件6，第二节流件7，U形电热元件8，应急补水箱模拟体入口快关快开阀9，应急补水箱模拟体出口快关快开阀10，冷却器模拟体出口快关快开阀11，大气释放阀12，蒸发器模拟体排水阀13，回路排气阀14。

具体实施方式

非能动二次侧余热排出系统采用非能动技术，发生完全丧失给水事故时，在没有操纵员干预的情况下，系统自动投入运行，利用自然循环实现蒸发器二次侧长期排热。因此模拟试验要验证PRS系统可通过自然循环的方式实现蒸发器二次侧的长期排热功能。PRS系统首次应用于工程实践，需充分验证其系统设计和主要设备设计的合理性和可用性。为真实模拟PRS，本发明提出一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，该装置包括蒸发器模拟体1，冷却器模拟体2，第一补水箱模拟体3，第二补水箱模拟体4，应急冷却水箱模拟体5，第一节流件6，第二节流件7，U形电热元件8，应急补水箱模拟体入口快关快开阀9，应急补水箱模拟体出口快关快开阀10，冷却器模拟体出口快关快开阀11，大气释放阀12，蒸发器模拟体排水阀13，回路排气阀14；

所述蒸发器模拟体1包括给水入口和蒸汽出口，蒸发器模拟体1的蒸汽出口连接蒸汽管道，给水入口连接进水管道；

冷却器模拟体2包括蒸汽入口和凝水出口，凝水出口连接凝水管道；

蒸发器模拟体1的蒸汽出口和冷却器模拟体2的蒸汽入口通过蒸汽管道联通；

第一补水箱模拟体3、第二补水箱模拟体4之间为并联连接，并联之后上端通过蒸汽管道与蒸发器模拟体1连通；

第一补水箱模拟体3、第二补水箱模拟体4并联连接的上端与蒸汽管道之间的管道上设置应急补水箱模拟体入口快关快开阀9；

在第一补水箱模拟体3、第二补水箱模拟体4和冷却器模拟体2并联连接的上端与蒸发器模拟体1的蒸汽出口之间的蒸汽管道中设置第一节流件6；

第一补水箱模拟体3、第二补水箱模拟体4并联的下端通过补水管道与凝水管道汇合后，通过进水管道与蒸发器模拟体1的给水入口连通；在进水管道中设置第二节流件7；

分别在补水管道、凝水管道上设置应急补水箱模拟体出口快关快开阀10，冷却器模拟体出口快关快开阀11；

在蒸发器模拟体1底部设置蒸发器模拟体排水阀13，在蒸汽管道高点设置回路排气阀14。

所述蒸汽管道、凝水管道、补水管道及进水管道上均设置有流量计；通过控制U形电热元件8的输入电功率，使蒸汽-水自然循环系统升温，升温速率不大于50℃/h；大气释放阀12设置为自动开启和关闭，开启压力为7.85MPa，关闭压力为7.5MPa。

一种二次侧非能动余热排出系统试验研究方法，基于上述的一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，具体包括如下步骤：

a)建立二次侧非能动余热排出系统热工水力特性实验模拟装置；

b)完成试验模拟装置的冷、热态调试工作；

c)根据试验工况，建立实验回路初始条件，包括应急冷却水箱模拟体5水位，第一补水箱模拟体3、第二补水箱模拟体4水位，回路等效阻力系数，蒸汽发生器模拟体1水位和蒸汽出口处的蒸汽压力；

d)待蒸汽出口处的蒸汽压力达到预先设定的系统启动压力值时，按照需要模拟的蒸汽发生器加热功率随时间变化的曲线开始对蒸汽发生器模拟体1进行加热；同时开启凝水管道、补水管道上的应急补水箱模拟体出口快关快开阀10，冷却器模拟体出口快关快开阀11，自然循环逐步建立；

e)当第一补水箱模拟体3、第二补水箱模拟体4水位降为0时，关闭应急补水箱模拟体入口快关快开阀9、应急补水箱模拟体出口快关快开阀10；

f)根据试验工况确定试验持续时间，待试验结束后，停止加热，使回路系统继续通过自然循环冷却；

g)试验过程中测控系统将自动记录包括各测点的压力、温度、流量、水位、电流、电压等数据，作为试验数据用作分析；

h)根据实验所得数据，进行数据分析，得出试验研究的结论。

试验装置调试完成后，可根据试验工况的选取开展不同的验证试验，基于这些要求，本发明通过以下实施例加以说明。

实施例1(原型工况72h瞬态试验)

a)配置试验装置阻力，试验回路阻力系数在原型PRS系统阻力系数±5％范围内；

b)将大气释放阀12置为自动开启和关闭开启压力7.85MPa，关闭压力7.5MPa；

c)在应急补水箱模拟体出口快关快开阀10，冷却器模拟体出口快关快开阀11关闭状态下，通过蒸发器模拟体排水阀13，回路排气阀14对蒸发器模拟体1水位进行调节，并逐渐建立起压力和水位分别为7.85MPa和8.3m的试验初始工况，在此过程在中保持应急补水箱模拟体入口快关快开阀9处于开启状态；

d)投入基础功率曲线，同时开启应急补水箱模拟体出口快关快开阀10，冷却器模拟体出口快关快开阀11，开始瞬态试验,试验过程中监测并记录运行过程中系统压力、温度、流量、水位等参数随时间的变化；

e)当第一补水箱模拟体3，第二补水箱模拟体4水位均为零时，关闭应急补水箱模拟体入口快关快开阀9，应急补水箱模拟体出口快关快开阀10；

f)待实验持续72小时，完成给水汽动泵不可用、PRS 60.2s投入、基础功率72小时瞬态特性实验。

实施例2(系统启动方式研究试验)

a)针对该项内容设置两个工况点，一个是针对PRS系统注水启动方式启动，即试验启动的同时应急补水箱对SG模拟体实施应急补水；另一个工况点是PRS系统不注水方式启动，启动过程中应急补水箱对蒸发器模拟体1不实施注水。在这两个工况点持续时间为0.5小时，试验过程中蒸发器加热功率功率将自动跟随给定曲线变化；

b)具体实施流程参照实施例1中，在实施例1步骤d)中分别进行打开应急补水箱模拟体出口快关快开阀10和不打开应急补水箱模拟体出口快关快开阀10的试验，试验持续时间为0.5小时；

c)通过测控系统记录系统压力、温度、液位等变化情况，分析补水箱是否注水对自然循环的影响。

实施例3(系统参数影响因素研究试验)

a)主要研究系统阻力、应急冷却器模拟体传热面积及SG水装量对PRS系统的影响；

b)在系统阻力对系统自然循环流动影响的实验中，针对系统阻力额定值的150％和50％两个阻力，开展给定功功率条件下的实验；

c)针对冷却器传热面积敏感性，可开展传热面积为传热面积理论值一定比例(如160％、80％等)在给定功率条件下对系统自然循环流动特性实验研究；

d)针对SG水装量的影响研究，可开展水装量分别为额定水装量150％和50％等工况在给定功功率条件下自然循环流动特性实验研究；

e)试验具体操作参照实例1，根据具体的试验变量修改相应的试验条件即可；

根据各个试验结果，分析系统主要参数对自然循环的影响分析。

Claims (6)

1.一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，其特征在于：

该装置包括蒸发器模拟体(1)，冷却器模拟体(2)，第一补水箱模拟体(3)，第二补水箱模拟体(4)，应急冷却水箱模拟体(5)，第一节流件(6)，第二节流件(7)，U形电热元件(8)，应急补水箱模拟体入口快关快开阀(9)，应急补水箱模拟体出口快关快开阀(10)，冷却器模拟体出口快关快开阀(11)，大气释放阀(12)，蒸发器模拟体排水阀(13)，回路排气阀(14)；

所述蒸发器模拟体(1)包括给水入口和蒸汽出口，蒸发器模拟体(1)的蒸汽出口连接蒸汽管道，给水入口连接进水管道；

冷却器模拟体(2)包括蒸汽入口和凝水出口，凝水出口连接凝水管道；

蒸发器模拟体(1)的蒸汽出口和冷却器模拟体(2)的蒸汽入口通过蒸汽管道联通；

第一补水箱模拟体(3)、第二补水箱模拟体(4)之间为并联连接，并联之后上端通过蒸汽管道与蒸发器模拟体(1)连通；

第一补水箱模拟体(3)、第二补水箱模拟体(4)并联连接的上端与蒸汽管道之间的管道上设置应急补水箱模拟体入口快关快开阀(9)；

在第一补水箱模拟体(3)、第二补水箱模拟体(4)和冷却器模拟体(2)并联连接的上端与蒸发器模拟体(1)的蒸汽出口之间的蒸汽管道中设置第一节流件(6)；

第一补水箱模拟体(3)、第二补水箱模拟体(4)并联的下端通过补水管道与凝水管道汇合后，通过进水管道与蒸发器模拟体(1)的给水入口连通；在进水管道中设置第二节流件(7)；

分别在补水管道、凝水管道上设置应急补水箱模拟体出口快关快开阀(10)，冷却器模拟体出口快关快开阀(11)；

在蒸发器模拟体(1)底部设置蒸发器模拟体排水阀(13)，在蒸汽管道高点设置回路排气阀(14)。

2.如权利要求1所述的一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，其特征在于：所述蒸汽管道、凝水管道、补水管道及进水管道上均设置有流量计。

3.如权利要求1所述的一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，其特征在于：通过控制U形电热元件(8)的输入电功率，使蒸汽-水自然循环系统升温，升温速率不大于50℃/h。

4.如权利要求1所述的一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，其特征在于：大气释放阀(12)设置为自动开启和关闭，开启压力为7.85MPa，关闭压力为7.5MPa。

5.如权利要求1所述的一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，其特征在于：所述蒸汽管道、凝水管道、补水管道及进水管道上均设置有流量计；通过控制U形电热元件(8)的输入电功率，使蒸汽-水自然循环系统升温，升温速率不大于50℃/h；大气释放阀(12)设置为自动开启和关闭，开启压力为7.85MPa，关闭压力为7.5MPa。

6.一种二次侧非能动余热排出系统试验研究方法，基于权利要求1～5任一项所述的一种二次侧非能动余热排出系统试验研究装置，其特征在于：具体包括如下步骤：

a)建立二次侧非能动余热排出系统热工水力特性实验模拟装置；

b)完成试验模拟装置的冷、热态调试工作；

c)根据试验工况，建立实验回路初始条件，包括应急冷却水箱模拟体(5)水位，第一补水箱模拟体(3)、第二补水箱模拟体(4)水位，回路等效阻力系数，蒸发器模拟体(1)水位和蒸汽出口处的蒸汽压力；

d)待蒸汽出口处的蒸汽压力达到预先设定的系统启动压力值时，按照需要模拟的蒸汽发生器加热功率随时间变化的曲线开始对蒸汽发生器模拟体1进行加热；同时开启凝水管道、补水管道上的应急补水箱模拟体出口快关快开阀(10)，冷却器模拟体出口快关快开阀(11)，自然循环逐步建立；

e)当第一补水箱模拟体(3)、第二补水箱模拟体(4)水位降为0时，关闭应急补水箱模拟体入口快关快开阀(9)、应急补水箱模拟体出口快关快开阀(10)；

f)根据试验工况确定试验持续时间，待试验结束后，停止加热，使回路系统继续通过自然循环冷却；

g)试验过程中测控系统将自动记录包括各测点的压力、温度、流量、水位、电流、电压等数据，作为试验数据用作分析；

h)根据实验所得数据，进行数据分析，得出试验研究的结论。