CN106910539A - 在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统和方法，包括补水系统、储水系统、水位维持系统和发热实验装置，补水系统通过补水管道与储水系统连接为其补水；储水系统通过送水管道与水位维持系统连接以维持其水位不变，并在送水管道上设置调节阀和流量计，水位维持系统通过连通管道与发热实验装置连接稳定供水，并在所述连通管道上设置连通截止阀；发热实验装置包括打压实验容器，打压实验容器内设置有发热部件，打压实验容器的入口位置设置压力变送器，以实时监测发热部件所处的压力值，在打压实验容器的出口位置安装排出管道，排出管道末端设置有排出截止阀。

Description

在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统和方法

技术领域

本发明涉及一种核设备实验领域，具体涉及一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统和方法。

背景技术

对比全球已发生的三次严重事故可以发现，将堆芯熔融物滞留在压力容器内，保证反应堆压力容器的完整性，可以极大地缓解严重事故的进一步发展和恶化。在对现有先进反应堆熔融物堆内滞留策略的消化吸收基础上，中核集团提出了设置堆腔注水冷却系统，通过能动和非能动两种方式冷却压力容器下封头，将堆芯熔融物包容在压力容器下腔室内，维持压力容器完整性。因此，严重事故条件下压力容器下封头外表面流动传热特性以及临界热流密度是熔融物堆内滞留成功与否的决定性因素。

为了掌握下封头外表面流动传热特性以及获得压力容器下封头外表面临界热流密度限值，迫切需要一种精细压力环境维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统，该实验系统能在池式沸腾蒸发条件下保持水位，并较为精细的维持压力环境。

发明内容

本发明的目的即在于克服现有技术的不足，目的在于提供一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统和方法，解决现有技术不能作为实验室或工业应用的池式蒸发条件下水位保持装置，并在池式蒸发条件下平稳保持水位并精细维持压力环境实验研究的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统，包括补水系统、储水系统、水位维持系统和发热实验装置，所述补水系统通过补水管道与储水系统连接为其补水；所述储水系统通过送水管道与水位维持系统连接以维持其水位不变，并在送水管道上设置调节阀和流量计，所述水位维持系统通过连通管道与发热实验装置连接稳定供水，并在所述连通管道上设置连通截止阀；所述发热实验装置包括打压实验容器，所述打压实验容器内设置有发热部件，打压实验容器的入口位置设置压力变送器，以实时监测发热部件所处的压力值，在打压实验容器的出口位置安装排出管道，所述排出管道末端设置有排出截止阀。

进一步的，所述补水系统通包括补水截止阀、补水泵和补水管道，所述储水箱顶部通过补水管道相连接，补水管道上设置补水泵和补水截止阀。

进一步的，所述的储水系统包括有储水箱，所述的储水箱侧面安装有储水箱液位计，在储水箱靠近顶部的位置安装有储水箱溢流阀。

进一步的，所述水位维持系统包括有水位维持箱，所述的水位维持箱侧面安装水位维持箱液位计，在水位维持箱靠近顶部的位置安装水位维持箱溢流阀。

进一步的，所述的储水箱、水位维持箱和连通管道底部均设置有排污阀，所述的排污阀用于清洗时排污；所述的连通管道靠近打压实验容器入口的位置设置的排污阀，该处设置的排污阀用于排水。

进一步的，所述的排出管道的尾端设置成向上倾斜的管道，与竖直方向倾斜夹角的角度范围：20～60°，向上倾斜管道的长度小于等于5m。

本发明通过下述另一技术方案实现：

一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持实验方法，包括步骤：

步骤1：设发热部件的最大发热功率为NE kW，所述发热部件所处压力环境为PMPa，发热部件处压力可由压力变送器测量获得，根据发热部件处压力P，查询物性表可以得到流体汽化潜热为h_fg kJ/kg，蒸汽密度为ρ_g kg/m3，单相水密度为ρl kg/m3，则排出管道的直径D_排出可由下式确定：

设发热部件入口的标高为0m，设发热部件淹没水位的标高需要保持范围是LM_淹没1～LM_淹没2，设LM_淹没1<LM_淹没2，则水位维持箱底面的标高LMB_{水位维持箱}，由下式计算：

LMB_{水位维持箱}＝LM_淹没1-0.5 (2)

排出管道竖直段的顶部标高LMT_排出，由下式确定：

LMT_排出＝LM_淹没2+1.5 (3)

连通管道的直径D_连通，由下式确定：

储水箱底面标高为LMB_储水箱，由下式计算：

LMB_储水箱＝LM_淹没2+4 (5)

送水管道的直径D_送水＝D_连通；

补水管道的直径D_补水＝D_连通；

步骤2：确定的水位维持箱、储水箱结构尺寸，

水位维持箱的高度为h_{水位维持箱}，由下式计算：

h_{水位维持箱}＝LM_淹没2-LMB_{水位维持箱}+1 (6)

设可接受发热部件淹没液位的最大降低速度为V降低m/s，水位维持箱的横截面需保持不变，其横截面积S_{水位维持箱}由下式确定：

最大液位降低速度取值为1×10-4m/s，相当于每小时平均液位降低0.36m，对发热部件的压力变化每小时不高于3％；

步骤3：打开排出截止阀、连通截止阀、调节阀、水位维持箱溢流阀、储水箱溢流阀和补水截止阀，启动补水泵，通过补水管道给储水箱补水，通过储水箱液位计，监控储水箱水位，通过水位维持箱液位计，监控水位维持箱水位，当水位维持箱溢流阀开始溢流时，关闭调节阀，此时连通管道、发热部件(被淹没在水位线以下，当储水箱水位达到储水箱高度80％时，关闭补水泵，关闭补水截止阀，停止补水；

步骤4：此时开始对发热部件进行加热；当发热部件的发热功率提升，淹没发热部件的水会发生池式沸腾现象，池式沸腾会使得淹没水逐渐变成水蒸汽，水蒸气通过排出管道排出，因此，随着池式沸腾的持续，水位会缓慢降低；

为了精细维持发热部件所处的压力环境，通过送水管道，从储水箱向水位维持箱注水，注水流量通过调节阀调节，操作步骤如下：

打开调节阀，通过流量计实时监测注水流量，通过调节阀调节注水流量，使得注水流量随着发热部件发热功率变化，注水流量M_注水由下式确定：

进一步的，在所述的步骤3对实验系统进行注水前，对所述储水箱和水位维持箱进行清洗，通过对应的排污阀排污，清洗完成后关闭对应的排污阀。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明基于连通器原理，结合水位检测、压力检测以及流量检测，通过一系列阀门的联合调节，可以在池式蒸发条件下平稳保持发热部件的水位，并精细维持发热部件所处的压力环境。通过本发明技术方案可以用于实验室开展稳定水压力环境下池式沸腾条件下的实验研究。

通过本申请的获得的实验数据M_注水，通过获得M_注水就可以控制稳定控制打压实验容器20内的压力环境及水位，从而可以有效防止打压实验容器20因高温导致安全事故。应用在核能发电的反应堆上，在发生核安全事故时，在堆芯熔融物滞留在压力容器内，可以保证反应堆压力容器的完整性，极大地缓解严重事故的进一步发展和恶化。

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为本发明一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统的原理示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1.储水箱溢流阀；2.储水箱；3.储水箱液位计；4.调节阀；5.流量计；6.送水管道；7.水位维持箱；8.水位维持箱液位计；9.排污阀；10.水位维持箱溢流阀；11.连通截止阀；12.连通管道；13.压力变送器；14.发热部件；15.排出管道；16.排出截止阀；17.补水截止阀；18.补水泵；19.补水管道；20.打压实验容器。

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，本发明一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统，包括储水箱2、水位维持箱7和打压实验容器20，所述的储水箱2侧面安装有储水箱液位计3，在储水箱2靠近顶部的位置安装有储水箱溢流阀1；水位维持箱7侧面安装水位维持箱液位计8，在水位维持箱7靠近顶部的位置安装水位维持箱溢流阀10；打压实验容器20内设置有发热部件14；储水箱2的底部与水位维持箱7的顶部通过送水管道6连接，在送水管道6上安装调节阀4和流量计5；水位维持箱7的底部与打压实验容器20入口通过连通管道12连接，在连通管道12上安装连通截止阀11；打压实验容器20的入口位置设置压力变送器13，以实时监测发热部件14所处的压力值，在打压实验容器20的出口位置安装排出管道15，排出管道15分为竖直放置部分和尾端部分，将打压实验容器20的出口与排出管道15竖直部分连接，在排出管道15的尾端部分安装有排出截止阀16；所述储水箱2顶部通过补水管道19相连接，补水管道19上设置补水泵18和补水截止阀17。

储水箱2、水位维持箱7和背压水箱20底部设置有排污阀9，连通管道12靠近打压实验容器20入口的位置也安装有排污阀9，排污阀9用于清洗时排污。排出管道15的尾端设置成向上倾斜的管道，与竖直方向倾斜夹角的角度范围：20～60°，向上倾斜管道的长度小于等于5m。

一种精细压力环境维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统，主要用于实验室开展稳定水压力环境下池式沸腾条件下的实验研究，具体，可以在池式蒸发条件下平稳保持发热部件14的水位，并精细维持发热部件14所处的压力环境。可以在较低压力条件下精确维持压力环境，便于针对较低设计压力的设备开展打压试验，可开展绝对压力0.1～10.0MPa的打压试验，压力维持稳定，维持压力环境无需使用泵。

本发明一种精细压力环境维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统的工作条件：水介质或蒸汽介质，常压～10MPa，常温～300℃。

安装条件：一种精细压力环境维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统可安装于实验回路，操作简便，性能稳定，压力维持稳定，维持压力环境无需泵，经济性较好。

应用对象：一种精细压力环境维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统可作为实验室用的池式蒸发条件下水位保持装置，在池式蒸发条件下平稳保持水位并精细维持压力环境，开展稳定水压力环境下池式沸腾条件下的实验研究。

本发明基于连通器原理，结合水位检测、压力检测以及流量检测，通过一系列阀门的联合调节，可以在池式蒸发条件下平稳保持发热部件的水位，并精细维持发热部件所处的压力环境。通过本发明技术方案可以用于实验室开展稳定水压力环境下池式沸腾条件下的实验研究。

实施例2

如图1所示，一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持实验方法，应用一种精细压力环境维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统：实现在池式沸腾蒸发条件下平稳保持发热部件的水位，并精细维持发热部件所处的压力环境。

将实施例1中的一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统安装、连接和固定后展开实验。

首先根据需要安装和固定发热部件14，在发热部件的入口位置设置压力变送器13，以实时监测发热部件所处的压力值。在发热部件14的出口位置安装排出管道15，排出管道15分为竖直放置部分和尾端部分，将发热部件14的出口与排出管道竖直部分连接。此时可不设置背压水箱20、背压水箱液位计21、背压水箱溢流阀22、背压水箱连接管23。在排出管道15上安装排出截止阀16，将排出截止阀16设置为全关状态。排出管道15的尾端，设置成向上倾斜的管道，与竖直方向倾斜夹角的角度范围：20～60°，向上倾斜管道的长度不大于5m，以便于池式蒸发的蒸汽排出厂房。

假设发热部件14的最大发热功率为NE kW，发热部件14所处压力环境为P MPa，发热部件14处压力可由压力变送器13测量获得。根据发热部件14处压力P，查询物性表可以得到流体汽化潜热为h_fg kJ/kg，蒸汽密度为ρ_g kg/m3，单相水密度为ρl kg/m3。则排出管道15的直径D_排出可由下式确定：

设发热部件14入口的标高为0m。假设发热部件14淹没水位的标高需要保持范围是LM_淹没1～LM_淹没2，假设LM_淹没1<LM_淹没2，则水位维持箱7底面的标高LMB_{水位维持箱}可由下式计算：

LMB_{水位维持箱}＝LM_淹没1-0.5 m (2)

排出管道15竖直段的顶部标高LMT_排出，可由下式确定：

LMT_排出＝LM_淹没2+1.5 m (3)

安装和固定水位维持箱7，保持水位维持箱7底面的标高为LMB_{水位维持箱}。然后在水位维持箱7侧面安装水位维持箱液位计8，在水位维持箱7底部安装排污阀9，在水位维持箱7靠近顶部的位置安装水位维持箱溢流阀10。水位维持箱液位计8用于实时监测水位维持箱7内的液位，排污阀9用于水位维持箱7清洗时排污，水位维持箱溢流阀10用于在水位过高时排水保护设备。水位维持箱7安装完成后，需进行清洗，清洗时打开排污阀排污9，清洗完成后关闭排污阀9，关闭水位维持箱溢流阀10。

水位维持箱7的底部与发热部件14入口通过连通管道12连接，在连通管道12上安装连通截止阀11，将连通截止阀11设置为全关状态。在连通管道12靠近发热部件14入口的位置，安装排污阀9。管道清洗时打开排污阀排污9，清洗完成后关闭排污阀9。连通管道12的长度应尽量缩短，连通管道12的直径D_连通可由下式确定：

安装和固定储水箱2，保持储水箱2底面标高为LMB_储水箱可由下式计算：

LMB_储水箱＝LM_淹没2+4 (5)

然后在储水箱2侧面安装储水箱液位计3，在储水箱2底部安装排污阀9，在储水箱2靠近顶部的位置安装储水箱溢流阀1。储水箱液位计3用于实时监测储水箱2内的液位，排污阀9用于储水箱2清洗时排污，储水箱溢流阀1用于在水位过高时排水保护设备。储水箱2安装完成后，需进行清洗，清洗时打开排污阀排污9，清洗完成后关闭排污阀9，关闭储水箱溢流阀1。

储水箱2的底部与水位维持箱7的顶部通过送水管道6连接，在送水管道6上安装调节阀4和流量计5，将调节阀4设置为全关状态。送水管道6的长度应尽量缩短，送水管道6的直径D_送水＝D_连通。

在装置合适位置设置补水泵18。补水泵18入口与水源通过补水管19道相连接，补水泵18出口与储水箱2顶部通过补水管道19相连接，补水管道19上设置补水截止阀17，将补水截止阀17设置为全关状态。补水管道19的直径D_补水＝D_连通。

确定的水位维持箱7、储水箱2结构尺寸

水位维持箱7的高度为h_{水位维持箱}，可由下式计算：

h_{水位维持箱}＝LM_淹没2-LMB_{水位维持箱}+1 (6)

假设发热部件14的最大发热功率为NE kW，发热部件14所处压力环境为P MPa，发热部件14处压力可由压力变送器13测量获得。根据发热部件14处压力P，查询物性表可以得到流体汽化潜热为h_fg kJ/kg，单相水密度为ρl kg/m3。

假设可以接受的发热部件14淹没液位，最大降低速度为V降低m/s，水位维持箱7的横截面需保持不变，其横截面积S水位维持箱可由下式确定：

最大液位降低速度一般取值为1×10-4m/s，相当于每小时平均液位降低0.36m，对发热部件的压力变化每小时不高于3％。

储水箱2的截面积和高度没有单独要求，只是储水箱2的容积应设置为水位维持箱容积的2～3倍。

装置连通、注水

打开排出截止阀16，打开连通截止阀11，打开调节阀4，关闭三处排污阀9，打开水位维持箱溢流阀10，打开储水箱溢流阀1，打开补水截止阀17，启动补水泵18，通过补水管道19给储水箱2补水。通过储水箱液位计3，监控储水箱2水位。通过水位维持箱液位计8，监控水位维持箱7水位。当水位维持箱7水位达到最大水位时，或水位维持箱溢流阀10开始溢流时，关闭调节阀4，此时连通管道12、发热部件14等均被淹没在水位线以下。当储水箱2水位达到储水箱2高度约80％时，关闭补水泵18，关闭补水截止阀17，停止补水。

池式沸腾蒸发条件下发热部件淹没水位的保持，及发热部件所处的压力环境的精细维持

完成步骤3装置连通、注水之后，发热部件14已被淹没在水位线以下，此时可以开始对发热部件14进行加热。

当发热部件14的发热功率提升至一定数值时，淹没发热部件的水会发生池式沸腾现象。池式沸腾会使得淹没水逐渐变成水蒸汽，水蒸气通过排出管道15排出。因此，随着池式沸腾的持续，水位会缓慢降低。

为了精细维持发热部件14所处的压力环境，可以通过送水管道6，从储水箱2向水位维持箱7注水，注水流量通过调节阀4调节，操作步骤如下：

假设发热部件14的发热功率为NE(t)kW，发热部件14所处压力环境为P MPa，发热部件14处压力可由压力变送器13测量获得。根据发热部件14处压力P，查询物性表可以得到流体汽化潜热为h_fg kJ/kg。

缓慢打开调节阀4，通过流量计实时监测注水流量。通过调节阀4调节注水流量，使得注水流量随着发热部件发热功率变化，注水流量M_注水可由下式确定：

通过获得M_注水就可以控制稳定控制打压实验容器20内的压力环境及水位，从而可以有效防止打压实验容器20因高温导致安全事故。应用在核能发电的反应堆上，在发生核安全事故时，在堆芯熔融物滞留在压力容器内，可以保证反应堆压力容器的完整性，极大地缓解严重事故的进一步发展和恶化。

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 (7)

1.一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统，包括补水系统、储水系统、水位维持系统和发热实验装置，其特征在于：所述补水系统通过补水管道(19)与储水系统连接为其补水；所述储水系统通过送水管道(6)与水位维持系统连接以维持其水位不变，并在送水管道(6)上设置调节阀(4)和流量计(5)，所述水位维持系统通过连通管道(12)与发热实验装置连接稳定供水，并在所述连通管道(12)上设置连通截止阀(11)；所述发热实验装置包括打压实验容器(20)，所述打压实验容器(20)内设置有发热部件(14)，打压实验容器(20)的入口位置设置压力变送器(13)，以实时监测发热部件(14)所处的压力值，在打压实验容器(20)的出口位置安装排出管道(15)，所述排出管道(15)末端设置有排出截止阀(16)。

2.根据权利要求1所述的一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统，其特征在于：所述补水系统通包括补水截止阀(17)、补水泵(18)和补水管道(19)，所述储水箱(2)顶部通过补水管道(19)相连接，补水管道(19)上设置补水泵(18)和补水截止阀(17)。

3.根据权利要求2所述的一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统，其特征在于：所述的储水系统包括有储水箱(2)，所述的储水箱(2)安装有储水箱液位计(3)，在储水箱(2)靠近顶部的位置安装有储水箱溢流阀(1)。

4.根据权利要求3所述的一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统，其特征在于：所述水位维持系统包括有水位维持箱(7)，所述的水位维持箱(7)安装水位维持箱液位计(8)，在水位维持箱(7)靠近顶部的位置安装水位维持箱溢流阀(10)。

5.根据权利要求4所述的一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持的实验系统，其特征在于：所述的储水箱(2)、水位维持箱(7)和连通管道(12)底部均设置有排污阀(9)，所述的排污阀(9)用于清洗时排污；所述的连通管道(12)靠近打压实验容器(20)入口的位置设置的排污阀(9)，该处设置的排污阀(9)用于排水。

6.一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持实验方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1：设发热部件(14)的最大发热功率为NE，所述发热部件(14)所处压力环境为P，发热部件(14)处压力可由压力变送器(13)测量获得，根据发热部件(14)处压力P，查询物性表可以得到流体汽化潜热为h_fg，蒸汽密度为ρ_g，单相水密度为ρ_l，则排出管道(15)的直径D_排出可由下式确定：

设发热部件(14)入口的标高为0，设发热部件(14)淹没水位的标高需要保持范围是LM_淹没1～LM_淹没2，设LM_淹没1<LM_淹没2，则水位维持箱底面的标高LMB_{水位维持箱}，由下式计算：

LMB_{水位维持箱}＝LM_淹没1-0.5 (2)

排出管道(15)竖直段的顶部标高LMT_排出，由下式确定：

LMT_排出＝LM_淹没2+1.5 (3)

连通管道(12)的直径D_连通，由下式确定：

储水箱(2)底面标高为LMB_储水箱，由下式计算：

LMB_储水箱＝LM_淹没2+4 (5)

送水管道(6)的直径D_送水＝D_连通；

补水管道(19)的直径D_补水＝D_连通；

步骤2：确定的水位维持箱(7)、储水箱(2)结构尺寸，

水位维持箱(7)的高度为h_{水位维持箱}，由下式计算：

h_{水位维持箱}＝LM_淹没2-LMB_{水位维持箱}+1 (6)

设可接受发热部件(14)淹没液位的最大降低速度为V_降低，水位维持箱(7)的横截面需保持不变，其横截面积S_{水位维持箱}由下式确定：

最大液位降低速度取值为1×10^-4m/s，相当于每小时平均液位降低0.36m，对发热部件的压力变化每小时不高于3％；

步骤3：打开排出截止阀(16)、连通截止阀(11)、调节阀(4)、水位维持箱溢流阀(10)、储水箱溢流阀(1)和补水截止阀(17)，启动补水泵(18)，通过补水管道(19)给储水箱(2)补水，通过储水箱液位计(3)，监控储水箱(2)水位，通过水位维持箱液位计(8)，监控水位维持箱(7)水位，当水位维持箱溢流阀(10)开始溢流时，关闭调节阀(4)，此时连通管道(12)、发热部件(14)均被淹没在水位线以下，当储水箱(2)水位达到储水箱(2)高度80％时，关闭补水泵(18)，关闭补水截止阀(17)，停止补水；

步骤4：此时开始对发热部件进行加热；当发热部件(14)的发热功率提升，淹没发热部件的水会发生池式沸腾现象，池式沸腾会使得淹没水逐渐变成水蒸汽，水蒸气通过排出管道(15)排出，因此，随着池式沸腾的持续，水位会缓慢降低；

为了精细维持发热部件(14)所处的压力环境，通过送水管道(6)，从储水箱(2)向水位维持箱(7)注水，注水流量通过调节阀(4)调节，操作步骤如下：

打开调节阀(4)，通过流量计(5)实时监测注水流量，通过调节阀(4)调节注水流量，使得注水流量随着发热部件发热功率变化，注水流量M_注水由下式确定：

7.根据权利要求6所述的一种在压力维持及池式蒸发条件下水位保持实验方法，其特征在于，在所述的步骤3对实验系统进行注水前，对所述储水箱(2)和水位维持箱(7)进行清洗，通过对应的排污阀(9)排污，清洗完成后关闭对应的排污阀(9)。