CN108565034B - 非能动运行条件下u型管倒流热工环境模拟的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟系统及模拟方法，解决了现有技术中由于系统试验装置中采用的饱和式蒸汽发生器结构复杂，不利于布置测量设备，无法开展针对蒸汽发生器倒流的规律性试验的问题。本发明包括具有进口腔室和出口腔室的一次侧，具有并联U型传热管组的二次侧，与一次侧形成闭合循环回路的一次侧管路，设置在一次侧管路上设置有一次侧流量调节阀和一次侧加热装置；还包括用于测量的一次侧进口温度测量组件，二次侧水温测量组件，U型管进口压力测量组件，U型管出口压力测量组件，超声波流量计。本发明具有可实现非能动运行条件下的并联U型管倒流环境模拟、一二次侧热工参数的实时调节等优点。

Description

非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟的系统及方法
技术领域
本发明涉及压水型核反应堆模拟领域，具体涉及非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟系统及模拟方法。
背景技术
非能动安全技术广泛应用于第三代核电站反应堆，可显著增加反应堆在事故工况下的安全性。如在全场断电事故工况下，反应堆失去外部动力，一回路冷却剂可以依靠非能动运行，实现非能动的余热排出，现有研究表明,当反应堆处于非能动运行状态时，饱和式蒸汽发生器一次侧会出现倒流，尤其是当蒸汽发生器二次侧因失水而出现液位下降时，蒸汽发生器倒流现象会进一步加剧。在发生倒流的U型管中，流动方向与主流方向相反，流体从出口腔室回流至入口腔室，使有效换热面积降低，冷热段温差减小，降低了一回路的非能动运行能力。基于系统试验装置的实验研究证明了倒流现象对非能动余热排出的不利影响，但由于系统试验装置中采用的饱和式蒸汽发生器结构复杂，不利于布置测量设备，无法开展针对蒸汽发生器倒流的规律性试验。
而蒸汽发生器倒流的本质是并联U型管倒流，开展并联U型管倒流特性实验可为充分掌握蒸汽发生器倒流特性奠定基础。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有技术中由于系统试验装置中采用的饱和式蒸汽发生器结构复杂，不利于布置测量设备，无法开展针对蒸汽发生器倒流的规律性试验的问题，目的在于提供非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟系统及模拟方法，可以有效准确模拟非能动运行条件下并联U型管倒流热工环境，实现对一、二次侧倒流相关的热工影响因素的调节控制，实现对倒流条件下U型管压降及流量等热工参数的精确测量，获得非能动运行条件下并联U型管倒流机理特性。
本发明通过下述技术方案实现：
非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟系统，包括具有进口腔室和出口腔室的一次侧，具有并联U型传热管组的二次侧，其特征在于，
所述一次侧上设置有用于进口腔室、并联U型传热管组和出口腔室之间形成闭合循环回路的一次侧管路，该一次侧管路上设置有一次侧流量调节阀和一次侧加热装置；
所述二次侧的进水口上连通有冷却水泵；
所述进口腔室的进水口处设置有一次侧进口温度测量组件，所述二次侧内设置有二次侧水温测量组件，所述并联U型传热管组的进口端设置有U型管进口压力测量组件，所述并联U型传热管组的出口端设置有U型管出口压力测量组件，所述并联U型传热管组上设置有超声波流量计。
进一步，所述冷却水泵与二次侧的进水口之间还设置有冷却水加热装置和冷却水调节阀。
进一步，所述二次侧设置有实现并联U型传热管组冷却的冷却水箱。
更进一步，所述冷却水泵出口与冷却水加热装置的进口相连，冷却水加热装置的出口与冷却水调节阀的进口相连，冷却水调节阀的出口与二次侧的冷却水箱下部相连，冷却水箱上部与冷却水出口管线相连。
通过上述模拟系统的优化设置，其能有效解决类似实验装置难以实现的多参数调节以及U型管流量、压降测量问题，实现倒流特性的定量化研究。具体效果如下：
(1)可实现非能动运行条件下的并联U型管倒流
本发明一次侧以加热装置为热源，并联U型管为冷源，通过冷热芯之间的温差和位差，产生自然循环驱动力，实现一次侧回路的非能动运行。同时利用一二次侧之间的热量交换，在并联U型管中形成沿流动方向由高到低的温度分布及与流向相反的重位压降，形成与饱和蒸汽发生器相似的倒流运行环境。
(2)可实现一二次侧热工参数的实时调节
本发明在一次侧采用了流量调节阀和加热装置的组合调节方式。通过配合调节加热功率及阀门节流系数，可在一定范围内任意改变一次侧回路非能动运行状态，获得理想的一次侧入口温度及流量。本发明对二次侧冷却水实施了温度监控，并采用冷却水加热装置及冷却水调节阀，实现了二次侧温度可调。
(3)可实现U型管内部流量及压差的参数测量
本发明针对U型管内的参数测量问题，设计了传热管延长段，实现了筒体(二次侧)外的测点布置，避免了穿越二次侧筒体造成的密封问题，实现了U型管内流量及进出口压降的准确测量，为实现U型管倒流特性的定量分析奠定了基础。
综上可知：本发明能准确模拟非能动运行条件下并联U型管倒流热工环境，实现一次侧温度、流量及冷却水温度等倒流相关热工影响因素的调节控制，实现U型管温度分布、压降及流量等倒流特征参数的精确测量，获得非能动运行条件下并联U型管倒流机理特性。
本发明还提供了非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟方法，包括：
a.开启冷却水调节阀，启动冷却水泵，使冷却水处于流动状态并保持二次侧冷却水箱内液位不变；
b.全开一次侧流量调节阀，启动一次侧加热装置并逐渐增加加热功率，建立稳定的一次侧非能动运行环境即可。
其中，在一次侧非能动运行环境下一次侧温度影响实验的过程为：
调节一次侧加热装置的加热功率，使一次侧进口温度达到目标值，保持系统参数稳定，记录U型管轴向温度分布、各U型管进出口压降、各U型管流动方向及流量等测量值；
或者，改变一次侧加热装置的加热功率，使一次侧进口温度按照预定方式变化，同时改变一次侧流量调节阀的阀门开度，使一次侧流量保持不变，记录各测量参数随一次侧温度的变化规律，获得一次温度对对并联U型管倒流特性的影响。
在一次侧非能动运行环境下一次侧流量影响实验的过程为：
调节一次侧流量调节阀，使一次侧进口流量达到目标值，保持系统参数稳定，记录U型管轴向温度分布、各U型管进出口压降、各U型管流动方向及流量等测量值；
或者，改变一次侧流量调节阀的阀门开度，使一次侧进口流量按照预定方式变化，同时调节一次侧加热装置的加热功率，使一次侧进口温度保持不变，记录各测量参数随一次侧流量的变化规律，获得一次侧流量对并联U型管倒流特性的影响。
在一次侧非能动运行环境下冷却水温度影响实验的过程为：
调节冷却水加热装置的加热功率，使二次侧冷却水温度达到目标值，保持系统参数稳定，记录U型管轴向温度分布、各U型管进出口压降、各U型管流动方向及流量等测量值；
或者，改变冷却水加热装置的加热功率，使冷却水温度按照预定方式变化，同时保持一次侧进口温度和流量不变，记录各测量参数随一次侧流量的变化规律，获得二次侧冷却水对并联U型管倒流特性的影响。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的实验系统模拟了非能动运行条件下并联U型管倒流的热工环境条件，实现了一次侧进口温度、进口流量以及二次侧冷却水温度等参数的实时调节，实现了U型管管内温度分布、压力分布、流动方向及流量的精确测量，可用于开展非能动运行条件下的并联U型管倒流特性实验；
2、本发明结构简单、测量精确，效果十分显著。
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为本发明系统的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-一次侧流量调节阀，2-一次侧加热装置，3-进口腔室，4-并联U型传热管组，5-出口腔室，6-冷却水泵，7-冷却水加热装置，8-冷却水调节阀，9-二次侧冷却水箱，10-一次侧进口温度测量组件，11-二次侧水温测量组件，12-U型管进口压力测量组件，13-U型管出口压力测量组件，14-超声波流量计。
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
非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟系统，如图1所示，包括具有进口腔室3和出口腔室5的一次侧，具有并联U型传热管组4的二次侧。
其中，一次侧上设置有用于进口腔室3、并联U型传热管组4和出口腔室5之间形成闭合循环回路的一次侧管路，该一次侧管路上设置有一次侧流量调节阀1和一次侧加热装置2；一次侧的具体连接方式如下：
一次侧流量调节阀1的出口与电加热装置2的进口相连，电加热装置2的出口与U型管进口腔室3的进口相连，进口腔室3的出口通过管板与并联U型传热管组4的进口相连，并联U型传热管组4的出口通过管板与一次侧的出口腔室5的进口相连，出口腔室5的出口与一次侧流量调节阀1的进口相连，构成循环闭合回路。
所述二次侧的进水口上连通有冷却水泵6，并联U型传热管组4上设置有使并联U型传热管组4冷却的冷却水箱9；该并联U型传热管组4倒置并贯穿冷却水箱9，贯穿冷却水箱9的并联U型传热管组4的两端分别通过管板与一次侧连通。
所述进口腔室3的进水口处设置有一次侧进口温度测量组件10，所述二次侧内设置有二次侧水温测量组件11，所述并联U型传热管组4的进口端设置有U型管进口压力测量组件12，所述并联U型传热管组4的出口端设置有U型管出口压力测量组件13，所述并联U型传热管组4上设置有超声波流量计14。
本发明中一次侧及冷却水的加热装置均采用功率可调的直接电加热装置。一次侧流量调节阀及冷却水条件阀采用可远程控制的气动/电动调节阀，以实现实验中的在线调节。本发明在二次侧冷却水箱9内布置温度测点，用于测量二次侧冷却水温度，温度测量采用高精度N型铠装热电偶实现。各U型管进出口布置压力测点，用于测量各U型管的进出口压差，压差测量采用高精度压差传感器。本发明采用超声波流量计测量各U型管流量，可有效避免接触式流量计对管内流场的影响，同时可自动识别流动方向并完成流量测量。
本发明中该冷却水箱9与一次侧的进口腔室3和出口腔室5之间存在间隙，该超声波流量计14即可安装在该间隙位置处的并联U型传热管组4上，进而达到了本发明中由于系统试验装置中采用的饱和式蒸汽发生器结构复杂，不利于布置测量设备，无法开展针对蒸汽发生器倒流的规律性试验的问题，为充分掌握蒸汽发生器倒流特性奠定基础。
并且，通过上述系统，可以有效获得一次侧温度影响实验和一次侧流量影响实验对并联U型管倒流特性的影响。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上进一步优化了二次侧的结构设置，具体为：所述冷却水泵6与二次侧的进水口之间还设置有冷却水加热装置7和冷却水调节阀8。所述二次侧设置有实现并联U型传热管组4冷却的冷却水箱9。所述冷却水泵6出口与冷却水加热装置7的进口相连，冷却水加热装置7的出口与冷却水调节阀8的进口相连，冷却水调节阀8的出口与二次侧的冷却水箱9下部相连，冷却水箱9上部与冷却水出口管线相连，进而实现冷却水的开式循环。
本发明的模拟系统采用与饱和式蒸汽发生器相似的并联U型管结构及连接方式，U型管选用不锈钢等热导率较高的金属材料。
本发明中U型管内侧为一次侧工质，外侧为二次侧冷却水，一次侧高温水通过U型管管壁传递给二次侧冷却水，使U型管进出口存在温度、密度差以及与正向流动方向相反的重位压降，使U型管进口压力小于出口，满足U型管倒流的产生条件。
本发明中并联U型管组中U型管的数量和长度可任意确定，但为了研究不同长度的影响，U型管的长度不宜完全相同。
本发明的系统准确模拟了非能动运行条件下并联U型管倒流的热工环境条件，实现了一次侧进口温度、进口流量以及二次侧冷却水温度等倒流相关影响参数的实时调节，实现了U型管管内温度分布、压力分布及流量等倒流特征参数的精确测量，可用于开展非能动运行条件下的并联U型管倒流特性实验。
本发明建立稳定的一次侧非能动运行环境的过程为：
a.开启冷却水调节阀8，启动冷却水泵6，使冷却水处于流动状态并保持二次侧冷却水箱9内液位不变；
b.全开一次侧流量调节阀1，启动一次侧加热装置2并逐渐增加加热功率，建立稳定的一次侧非能动运行环境即可。
在一次侧非能动运行环境下一次侧温度影响实验的过程为：
调节一次侧加热装置2的加热功率，使一次侧进口温度达到目标值，保持系统参数稳定，记录U型管轴向温度分布、各U型管进出口压降、各U型管流动方向及流量等测量值；
或者，改变一次侧加热装置2的加热功率，使一次侧进口温度按照预定方式变化，同时改变一次侧流量调节阀1的阀门开度，使一次侧流量保持不变，记录各测量参数随一次侧温度的变化规律，获得一次温度对对并联U型管倒流特性的影响。
在一次侧非能动运行环境下一次侧流量影响实验的过程为：
调节一次侧流量调节阀1，使一次侧进口流量达到目标值，保持系统参数稳定，记录U型管轴向温度分布、各U型管进出口压降、各U型管流动方向及流量等测量值；
或者，改变一次侧流量调节阀1的阀门开度，使一次侧进口流量按照预定方式变化，同时调节一次侧加热装置2的加热功率，使一次侧进口温度保持不变，记录各测量参数随一次侧流量的变化规律，获得一次侧流量对并联U型管倒流特性的影响。
在一次侧非能动运行环境下冷却水温度影响实验的过程为：
调节冷却水加热装置7的加热功率，使二次侧冷却水温度达到目标值，保持系统参数稳定，记录U型管轴向温度分布、各U型管进出口压降、各U型管流动方向及流量等测量值；
或者，改变冷却水加热装置7的加热功率，使冷却水温度按照预定方式变化，同时保持一次侧进口温度和流量不变，记录各测量参数随一次侧流量的变化规律，获得二次侧冷却水对并联U型管倒流特性的影响。
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.非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟系统，包括具有进口腔室(3)和出口腔室(5)的一次侧，具有并联U型传热管组(4)的二次侧，其特征在于，
所述一次侧上设置有用于进口腔室(3)、并联U型传热管组(4)和出口腔室(5)之间形成闭合循环回路的一次侧管路，该一次侧管路上设置有一次侧流量调节阀(1)和一次侧加热装置(2)；
所述二次侧的进水口上连通有冷却水泵(6)；
所述进口腔室(3)的进水口处设置有一次侧进口温度测量组件(10)，所述二次侧内设置有二次侧水温测量组件(11)，所述并联U型传热管组(4)的进口端设置有U型管进口压力测量组件(12)，所述并联U型传热管组(4)的出口端设置有U型管出口压力测量组件(13)，所述并联U型传热管组(4)上设置有超声波流量计(14)。
2.根据权利要求1所述的非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟系统，其特征在于，所述冷却水泵(6)与二次侧的进水口之间还设置有冷却水加热装置(7)和冷却水调节阀(8)。
3.根据权利要求1所述的非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟系统，其特征在于，所述二次侧设置有实现并联U型传热管组(4)冷却的冷却水箱(9)。
4.根据权利要求3所述的非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟系统，其特征在于，所述冷却水泵(6)出口与冷却水加热装置(7)的进口相连，冷却水加热装置(7)的出口与冷却水调节阀(8)的进口相连，冷却水调节阀(8)的出口与二次侧的冷却水箱(9)下部相连，冷却水箱(9)上部与冷却水出口管线相连。
5.非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟方法，其特征在于，包括：
a.开启冷却水调节阀(8)，启动冷却水泵(6)，使冷却水处于流动状态并保持二次侧冷却水箱(9)内液位不变；
b.全开一次侧流量调节阀(1)，启动一次侧加热装置(2)并逐渐增加加热功率，建立稳定的一次侧非能动运行环境即可；
其中，在一次侧非能动运行环境下一次侧温度影响实验的过程为：
调节一次侧加热装置(2)的加热功率，使一次侧进口温度达到目标值，保持系统参数稳定，记录U型管轴向温度分布、各U型管进出口压降、各U型管流动方向及流量等测量值；
或者，改变一次侧加热装置(2)的加热功率，使一次侧进口温度按照预定方式变化，同时改变一次侧流量调节阀(1)的阀门开度，使一次侧流量保持不变，记录各测量参数随一次侧温度的变化规律，获得一次温度对对并联U型管倒流特性的影响。
6.非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟方法，其特征在于，包括：
a.开启冷却水调节阀(8)，启动冷却水泵(6)，使冷却水处于流动状态并保持二次侧冷 却水箱(9)内液位不变；
b.全开一次侧流量调节阀(1)，启动一次侧加热装置(2)并逐渐增加加热功率，建立稳 定的一次侧非能动运行环境即可；
其中，在一次侧非能动运行环境下一次侧流量影响实验的过程为：
调节一次侧流量调节阀(1)，使一次侧进口流量达到目标值，保持系统参数稳定，记录U型管轴向温度分布、各U型管进出口压降、各U型管流动方向及流量等测量值；
或者，改变一次侧流量调节阀(1)的阀门开度，使一次侧进口流量按照预定方式变化，同时调节一次侧加热装置(2)的加热功率，使一次侧进口温度保持不变，记录各测量参数随一次侧流量的变化规律，获得一次侧流量对并联U型管倒流特性的影响。
7.非能动运行条件下U型管倒流热工环境模拟方法，其特征在于，包括：
a.开启冷却水调节阀(8)，启动冷却水泵(6)，使冷却水处于流动状态并保持二次侧冷 却水箱(9)内液位不变；
b.全开一次侧流量调节阀(1)，启动一次侧加热装置(2)并逐渐增加加热功率，建立稳 定的一次侧非能动运行环境即可；
其中，在一次侧非能动运行环境下冷却水温度影响实验的过程为：
调节冷却水加热装置(7)的加热功率，使二次侧冷却水温度达到目标值，保持系统参数稳定，记录U型管轴向温度分布、各U型管进出口压降、各U型管流动方向及流量等测量值；
或者，改变冷却水加热装置(7)的加热功率，使冷却水温度按照预定方式变化，同时保持一次侧进口温度和流量不变，记录各测量参数随一次侧流量的变化规律，获得二次侧冷却水对并联U型管倒流特性的影响。
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