CN106777532B - 一种反应堆热工水力系统模拟试验的工程应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反应堆热工水力系统模拟试验的工程应用方法，包括如下步骤：1）试验失真度分析：通过试验失真度分析获得试验装置的失真和试验条件的偏差；2）模拟失真度分析：基于试验失真度分析结果，计算模拟准则数，获得模拟失真度；3）工程应用分析：基于试验失真度和模拟失真度分析结果，修正试验装置与原型的理想对应关系，获得考虑失真度的试验结果的工程应用方法。本发明的目的是提供一套修正了失真度影响的反应堆系统模拟试验的工程应用分析方法，该方法基于系统试验模拟准则,全面评估试验模拟失真度，对试验装置与原型参数的理想对应关系进行修正，使试验结果能够更加准确地应用于工程原型。

Description

一种反应堆热工水力系统模拟试验的工程应用方法

技术领域

本发明属于反应堆热工水力及安全技术领域，尤其涉及一种反应堆热工水力系统模拟试验的工程应用方法。

背景技术

随着核动力技术的飞速发展，核动力反应堆设计和运行方面的研究日益频繁，为了验证及优化反应堆设计，需要开展大量的系统性试验。由于核反应堆自身存在核辐射的危险，试验基本都在堆外模拟装置上进行。考虑到试验成本及其它风险因素，模拟装置的规模通常小于原型。在这种情况下，为了能够准确反映原型的物理现象和过程，必须按照一定的模拟准则设计建造试验装置及确定试验参数。在理想情况下，按照模拟准则进行设计的反应堆模拟试验可完全反映原型。但在试验装置的实际建设过程中，可能出现几何尺寸的失真。同时在试验过程中，对运行参数的控制也可能出现偏差，上述两方面问题都会导致试验模拟的失真。在这种情况下若仍按照理想比例将试验结果推至原型，将导致原型参数与实际的严重偏离。本专利针对这一问题，提出了一种反应堆热工水力系统模拟试验的工程应用方法，本方法严格评估试验过程中所有可能出现的失真情况，并基于系统试验模拟准则和失真度分析结果，获得真实的试验装置与原型的参数对应关系，将试验结果更加准确地应用于反应堆原型。

发明内容

本发明的目的是提供一套修正了失真度影响的反应堆系统模拟试验的工程应用分析方法，该方法基于系统试验模拟准则,全面评估试验模拟失真度，对试验装置与原型参数的理想对应关系进行修正，使试验结果能够更加准确地应用于工程原型。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种反应堆热工水力系统模拟试验的工程应用方法，包括如下步骤：

1)试验失真度分析：

通过试验失真度分析获得试验装置的失真和试验条件的偏差；

对于任意参数X，失真度的计算公式如下：

式中，E(X)为该参数的实测值，D(X)为该参数的理想设计值；

2)模拟失真度分析：

基于试验失真度分析结果，计算模拟准则数，获得模拟失真度；

对于任意模拟准则数N(X1,X2,X3,…),模拟失真度计算如下：ΓN(X1,X2,X3,…)＝N(ΓX1,ΓX2,ΓX3,…)_；

3)工程应用分析：

基于试验失真度和模拟失真度分析结果，修正试验装置与原型的理想对应关系，获得考虑失真度的试验结果的工程应用方法。

存在试验失真度的情况下，对任意模拟量Φ，试验装置与原型的比例关系为：

K＝Φ(Γ(X₁),Γ(X₂),Γ(X₃),...)＝Φ(Г(X_i))，X_i为前面所计算的实验失真度和/或模拟失真度；

式中，为试验装置与原型的理想比例关系，可通过设计参数直接获得。K为修正系数，需通过失真度分析获得。

作为优选，步骤1)中的试验失真度分析包括试验装置失真度分析和试验条件偏差分析；

其中试验装置失真度是指试验装置主要几何参数的实测值与理想值的相对偏差；分析时，将通过直接或间接测量得到各主要几何参数的实测结果M与各自的理想设计值D进行对比，失真度计算公式为Γ＝(M－D)/D*100％；通过计算形成多个参数的试验装置失真度结果；

试验条件偏差主要包括试验运行参数的偏差和阻力特性模拟的偏差；其中试验运行参数偏差是指在相同工况下运行参数试验值E与设计值之间的相对偏差，试验运行参数可通过试验过程中的参数记录获得；试验运行参数的偏差的计算公式为(E－D)/D*100％；

阻力特性模拟的偏差是指在基准工况下，试验装置与原型系统阻力特性的相对偏差，可通过对比基准工况下试验装置实测各段压降M和设计值P获得，计算公式为(M－P)/P*100％。

作为优选，试验装置失真度中的试验装置主要几何参数包括反应堆流动长度、堆芯活性段长度、堆芯流通面积、冷段流通面积、热段流通面积、过渡段段流通面积、反应堆水容积、SG传热管内径、SG一次侧流动长度、SG传热管平均长度、SG传热管几何中心高度、SG传热管流通面积、SG传热管换热面积、SG一次侧水容积、SG二次侧水容积、SG传热管热阻、稳压器满水容积、管道流通面积、管道流动长度、冷热芯高差、一回路总水容积、功率、设计功率容积比的一种或者多种。

作为优选，试验运行参数的偏差中的参数包括堆芯功率、反应堆平均温度、稳压器压力、稳压器液位、SG1二次侧给水温度、SG1二次侧液位、SG2二次侧给水温度、SG2二次侧液位中的一种或多种。

作为优选，阻力特性模拟偏差的参数冷段阻力系数F1、热段阻力系统F2、过渡段阻力系统F3的一种或多种。

作为优选，步骤2)模拟失真度分析采用的模拟准则包括几何相似准则、动力学相似准则、热源数、Richardson数、功率容积比、参考速度和参考温升，其中各个模拟准则的计算公式如下：

面积比：

长度比：

动力学相似准则：

参考速度：

参考温升：

热源数：

Richardson数：

功率容积比：

其中上述各式中，ρ为流体密度，a₀为堆芯流通面积，a_i为各部件的流通面积，as₀为堆芯换热面积，u₀为以堆芯流通面积为基准的参考流速，l₀为加热段长度，l_h为冷热芯高差，ΣFi/Ai²为回路等效阻力系数，q₀为堆芯体积功率密度，ΔT₀为冷热芯的温差，下标p表示原型，m表示试验装置，R表示模型和原型的比值；

通过将试验装置失真度及试验条件的偏差代入模拟准则的公式中，可获得试验模拟准则数的失真度。

上述计算公式中，各参数的失真度由试验装置失真度及试验条件偏差分析结果给出。

作为优选，步骤3)是基于试验失真度和模拟失真度的分析结果，对试验装置与原型参数的理想对应关系进行修正，获得考虑失真度影响的试验结果的工程应用方法。

作为优选，所述的参数是反应堆一回路流量，具体计算方式如下：

反应堆一回路流量的计算表达式如下：

W₀＝ρ₀a₀u₀ (1)

(1)不考虑失真的理想情况下

试验与原型一回路流量满足下述关系：

式中，ρ_0R为堆芯流体的密度比，u_0R为的参考流速比，在理想条件下均为1；a_0R为理想条件下堆芯流通面积比，该比例在试验装置设计时即可确定。

(2)考虑失真度的情况下

试验与原型一回路流量满足下述关系:

式中，ΓNρ_0R为密度比失真度；ΓA_0R为流通面积失真度；Γu_0R为参考速度失真度，均可由试验模拟失真度给出。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

(1)采用本发明提供的分析方法，可以获得试验模拟失真的定量分析结果，从而准确掌握模拟试验与理想情况的偏差，为试验改进或数据分析提供依据。

(2)采用本发明提供的分析方法，可以获得存在模拟失真的情况下，试验与原型对应参数的实际比例关系，从而实现对原型参数的准确预测。

附图说明

图1为本发明的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

本发明为一种反应堆热工水力系统模拟试验的工程应用方法，其主要原理如下：首先根据相似性原理，若试验装置能完全模拟原型，则试验装置与原型参数间存在理想的对应关系。但在实际实施过程中，试验装置和试验条件与理想设计方案之间存在的偏差将导致模拟失真，使试验装置与原型参数之间的理想对应关系不再成立。本发明通过开展全面的失真度分析，定量计算各种失真对模拟结果的影响，基于理论分析修正试验与原型参数间的理想对应关系，使试验数据能够更加准确地应用于原型。

本发明提供的工程应用分析方法分为三部分内容，其技术逻辑如下：

(1)通过试验失真度分析获得试验装置的失真和试验条件的偏差；

(2)基于试验失真度分析结果，计算模拟失真度；

(3)基于试验失真度和模拟失真度分析结果，修正试验装置与原型的理想对应关系，获得考虑失真度的试验结果的工程应用方法。

进一步细化，一种反应堆热工水力系统模拟试验的工程应用方法，包括如下步骤：

1)试验失真度分析：

通过试验失真度分析获得试验装置的失真和试验条件的偏差；

对于任意参数X，失真度的计算公式如下：

_式中，E(X)为该参数的实测值，D(X)为该参数的理想设计值；

2)模拟失真度分析：

基于试验失真度分析结果，计算模拟准则数，获得模拟失真度；

对于任意模拟准则数N(X1,X2,X3,…),模拟失真度计算如下：

ΓN(X1,X2，X3,…)＝N(ΓX1，ΓX2，ΓX3，…)_；

3)工程应用分析：

基于试验失真度和模拟失真度分析结果，修正试验装置与原型的理想对应关系，获得考虑失真度的试验结果的工程应用方法。

存在试验失真度的情况下，对任意模拟量Φ，试验装置与原型的比例关系为：

K＝Φ(Γ(X₁),Γ(X₂),Γ(X₃),...)＝Φ(Г(X_i))，X_i为前面所计算的实验失真度和/或模拟失真度，

式中，为理想比例关系，可通过设计参数直接获得,K为修正系数，需通过失真度分析获得。

本发明的主要内容包括试验失真度分析、模拟失真度分析以及试验数据工程应用分析等三部分的内容。试验失真度分析旨在通过与理论设计结果的对比，定量分析试验装置几何参数以及试验运行参数的失真。模拟失真度分析的目的是基于试验失真度分析结果，定量分析试验对原型系统特性模拟的失真。试验数据工程应用分析的目的是基于试验失真度和模拟失真度分析结果，通过理论分析对试验与原型参数之间的理想对应关系进行修正，获得考虑失真度影响的试验结果的工程应用方法，以下分别描述各部分的内容。

1.试验失真度分析

试验失真度分析包括试验装置失真度分析和试验条件偏差分析。

(1)试验装置失真度分析

试验装置失真度是指试验装置主要几何参数的实测值与理想值的相对偏差。分析时，将通过直接或间接测量得到各主要几何参数的实测结果与各自的理想设计值进行对比，形成如表1所示的试验装置失真度分析表。

表1试验装置失真度分析表

(2)试验条件偏差分析

试验条件偏差主要包括试验运行参数的偏差和阻力特性模拟的偏差。试验运行参数偏差是指在相同工况下试验与原型运行参数之间的相对偏差，试验运行参数可通过试验过程中的参数记录获得。最终可形成如表2所示的试验运行参数偏差分析表。

表2试验运行参数偏差分析表

阻力特性模拟的偏差是指在基准工况下，试验装置与原型系统阻力特性的相对偏差，可通过对比基准工况下试验装置实测各段压降和原型设计(测量)值获得，最终形成如表3所示的阻力特性模拟偏差分析表。在表3中，按照反应堆一回路常见的划分方法将一回路其分为冷段、热段和过渡段，并分别分析试验装置各段与原型阻力特性的差异。

表3阻力特性模拟偏差分析表

序号	参数/单位	原型	试验装置	偏差
					1	冷段阻力系数F0	P	M
2	热段阻力系统F1	-	-	-
					3	过渡段阻力系统F2	-	-	-

2模拟失真度分析

系统模拟试验的模拟准则包括几何相似准则、动力学相似准则、热源数比、Richardson数比、功率容积比、真实时间比、参考速度比和参考温升比。也即是在理想条件下，试验装置和原型的模拟准则数比等于1，各模拟准则数比的定义如表4所示。

表4模拟准则计算方法

利用表4中各模拟准则数的定义，可得到各模拟准则数比的失真度计算公式，通过这些公式可计算试验模拟失真度。

表5试验模拟失真度分析表

3试验数据工程应用分析

本节基于试验失真度和模拟失真度的分析结果，对试验装置与原型参数的理想对应关系进行修正，获得考虑失真度影响的试验结果的工程应用方法。下面以反应堆一回路流量为例介绍试验数据的工程应用方法。反应堆一回路流量的计算表达式如下：

W₀＝ρ₀a₀u₀ (1)

(1)不考虑失真的理想情况下

试验与原型一回路流量满足下述关系：

式中，ρ_0R为堆芯流体的密度比，u_0R为的参考流速比，在理想条件下均为1；a_0R为理想条件下堆芯流通面积比，该比例在试验装置设计时即可确定。

(2)考虑失真度的情况下

试验与原型一回路流量满足下述关系:

式中，ΓNρ_0R为密度比失真度；ΓA_0R为流通面积失真度；Γu_0R为参考速度失真度，均可由试验模拟失真度给出。

由上述计算可知，(3)式中基于失真度分析结果对式(2)式中的理想对应关系进行了修正，获得了一回路流量的试验结果应用于工程原型的方法。针对其他参数，也可采用类似的方法进行分析。

下面结合一个具体的实施方式进行说明。

本节将按照附图1给出的工作流程，介绍本专利的具体实施方法，分析中所有参数取值与实际情况无关，仅为了方便理解本专利的方法。

(1)试验失真度分析

对于任意参数X，失真度的计算公式如下：

式中，E(X)为该参数的实测值，D(X)为该参数的理想设计值

通过实测几何参数，获得试验装置的实际测量结果与理想值的差异，通过失真度计算公式，得到装置各参数的失真度，形成如表6所示的试验装置失真度表。

通过试验参数测量值和原型运行参数的对比，获得试验运行参数的偏差，形成如表7所示的试验运行参数偏差分析表。

通过试验装置一回路压降实测值与原型阻力的对比，获得阻力特性模拟偏差，形成如表8所示的阻力特性偏差分析表。

表6试验装置失真度分析表

表7试验运行参数偏差分析表

表8阻力特性模拟偏差分析表

序号	参数/单位	原型	试验装置	偏差
					1	冷段阻力系数F1	1	0.95	-5％
2	热段阻力系统F2	1	1	0％
					3	过渡段阻力系统F3	1	1	0％

(2)模拟失真度分析

对于任意模拟准则数N(X1,X2,X3,…),存在ΓN(X1,X2,X3,…)＝N(Γ(X1,X2,X3,…))

根据表5中的公式，计算得到各模拟准则数的失真度，并形成如表9所示的试验模拟失真度表。计算的具体步骤如下：

1)几何相似准则

由表6可查得，Γa_i＝0,Γa₀＝0,Γl_i＝0,Γl₀＝0,带入公式计算可得

2)密度比

由表7可查得，运行温度和压力均无偏差，故由此可得：

3)动力学准则

由表8查得ΓF₁为-5％，ΓF₂＝ΓF₃＝0，由此可得：

4)参考速度比

由表6和表7查得Γq_s＝0,Γl₀＝0,Γl_h＝0,Γa_so＝0,Γa_o＝0,ΓA_i＝0，又知ΓF_i＝5％，由此可得：

4)参考温度比

由表6和表7查得Γq_s＝0,Γl₀＝0,Γl_h＝0,Γa_so＝0,Γa_o＝0,ΓA_i＝0，又知Γu_0R＝1.7％，由此可得：

5)热源数比

由表6和表7查得Γq_s＝0,Γl₀＝0，又知Γu_0R＝1.7％，ΓΔT_0R＝-1.7％

6)Richardson数比

由表6查得Γq_s＝0,Γl₀＝0，由此可得

7)功率容积比

由表6和表7查得ΓN＝0,ΓV＝0，由此可得

表9模拟失真度表

(3)工程应用分析

假设在理想条件下，试验装置和原型的面积比为1：10，密度和特征速度与原型相同，则在理想条件下，则在理想条件下：

W_0p＝W_0m/(ρ_0Ra_0Ru_0R)＝10W_0m

存在模拟失真的条件下，试验装置与原型的关系式变为：

由表9可查得ΓNρ_0R＝0，ΓA_0R＝0，Γu_0R＝1.7％

由此可得：

最终，通过式(14)可获得经过修正后的试验装置与原型一回路流量的对应关系。

前面公式中出现的参数汇总如下：

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (2)

1.一种反应堆热工水力系统模拟试验的工程应用方法，包括如下步骤：

1)试验失真度分析：

通过试验失真度分析获得试验装置的失真和试验条件的偏差；

对于任意参数X，失真度的计算公式如下：

式中，E(X)为该参数的实测值，D(X)为该参数的理想设计值；

2)模拟失真度分析：

基于试验失真度分析结果，计算模拟准则数，获得模拟失真度；

对于任意模拟准则数N(X1,X2,X3,…),模拟失真度计算如下：

ΓN(X1,X2,X3,…)＝N(ΓX1,ΓX2,ΓX3,…)；

3)工程应用分析：

基于试验失真度和模拟失真度分析结果，修正试验装置与原型的理想对应关系，获得考虑失真度的试验结果的工程应用方法；

存在试验失真度的情况下，对任意模拟量Φ，试验装置与原型的比例关系为：

K＝Φ(Γ(X₁),Γ(X₂),Γ(X₃),...)＝Φ(Г(X_i))，X_i为前面所计算的实验失真度和/或模拟失真度，

式中，为理想比例关系，可通过设计参数直接获得,K为修正系数，需通过失真度分析获得；下标p表示原型，m表示试验装置，

其中步骤1)中的试验失真度分析包括试验装置失真度分析和试验条件偏差分析；

其中试验装置失真度是指试验装置主要几何参数的实测值与理想值的相对偏差；分析时，将通过直接或间接测量得到各主要几何参数的实测结果M与各自的理想设计值D进行对比，失真度计算公式为Γ＝(M－D)/D*100％；通过计算形成多个参数的试验装置失真度结果；

试验条件偏差主要包括试验运行参数的偏差和阻力特性模拟的偏差；其中试验运行参数偏差是指在相同工况下运行参数试验值E与设计值D之间的相对偏差，试验运行参数可通过试验过程中的参数记录获得；试验运行参数的偏差的计算公式为(E－D)/D*100％；

阻力特性模拟的偏差是指在基准工况下，试验装置与原型系统阻力特性的相对偏差，可通过对比基准工况下试验装置实测各段压降M和设计值P获得，计算公式为(M－P)/P*100％；

步骤2)模拟失真度分析采用的模拟准则包括几何相似准则、动力学相似准则、热源数、Richardson数、功率容积比、参考速度和参考温升，其中各个模拟准则的计算公式如下：

面积比：

长度比：

动力学相似准则：

参考速度：

参考温升：

热源数：

Richardson数：

功率容积比：

通过将试验装置失真度及试验条件的偏差代入模拟准则的公式中，可获得试验模拟准则数的失真度；

面积比：长度比：

动力学相似准则：

参考速度：

参考温升：

热源数：

Richardson数：

功率容积比：

步骤3)是基于试验失真度和模拟失真度的分析结果，对试验装置与原型参数的理想对应关系进行修正，获得考虑失真度影响的试验结果的工程应用方法；

试验装置失真度中的试验装置主要几何参数包括反应堆流动长度、堆芯活性段长度、堆芯流通面积、冷段流通面积、热段流通面积、过渡段段流通面积、反应堆水容积、SG传热管内径、SG一次侧流动长度、SG传热管平均长度、SG传热管几何中心高度、SG传热管流通面积、SG传热管换热面积、SG一次侧水容积、SG二次侧水容积、SG传热管热阻、稳压器满水容积、管道流通面积、管道流动长度、冷热芯高差、一回路总水容积、反应堆一回路流量、功率、设计功率容积比的一种或者多种；

试验运行参数的偏差中的参数包括堆芯功率、反应堆平均温度、稳压器压力、稳压器液位、SG1二次侧给水温度、SG1二次侧液位、SG2二次侧给水温度、SG2二次侧液位中的一种或多种；

阻力特性模拟偏差的参数是冷段阻力系数F1、热段阻力系统F2和过渡段阻力系统F3的一种或多种；

其中上述各式中，ρ为流体密度，a₀为堆芯流通面积，a_i为各部件的流通面积，a_s0为堆芯换热面积，u₀为以堆芯流通面积为基准的参考流速，l₀为加热段长度，l_i为分段长度；l_h为冷热芯高差，ΣF_i/A_i ²为回路等效阻力系数，q₀为堆芯体积功率密度，q_s是堆芯加热功率；ΔT₀为冷热芯的温差，N是总功率，V是总体积；A_i是无量纲分段流通面积；L_i无量纲分段长度；F_i是分段阻力系数；下标p表示原型，m表示试验装置，R表示模型和原型的比值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，几何参数反应堆一回路流量，具体计算方式如下：

反应堆一回路流量的计算表达式如下：

W₀＝ρ₀a₀u₀ (1)

其中ρ₀是堆芯流体密度；

(1)不考虑失真的理想情况下

试验与原型一回路流量满足下述关系：

式中，ρ_0R为堆芯流体的密度比，u_0R为的参考流速比，在理想条件下均为1；a_0R为理想条件下堆芯流通面积比，该比例在试验装置设计时即可确定；

(2)考虑失真度的情况下

试验与原型一回路流量满足下述关系:

式中，ΓNρ_0R为密度比失真度；ΓA_0R为流通面积失真度；Γu_0R为参考速度失真度，均可由试验模拟失真度计算得到。