CN109841289A - 用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置包括：安全壳模拟体；压缩空气供应系统、氦气供应系统与安全壳模拟体相连；蒸汽供应系统，蒸汽供应系统与安全壳模拟体相连；换热管试验件置于安全壳模拟体内；强迫循环回路与换热管试验件相连形成能动热量导出循环；自然循环回路与换热管试验件相连形成非能动热量导出循环，强迫循环回路和自然循环回路可选择性地工作；数据采集系统，数据采集系统用于采集安全壳模拟体内的参数。本发明的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，可以模拟安全壳热量非能动导出系统的事故环境，以便于对安全壳热量非能动导出系统的性能进行研究。

Description

用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置

技术领域

本发明属于核能安全技术领域，具体而言，涉及一种用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置。

背景技术

安全壳是核电厂为了防止放射性裂变产物释放的最后一道安全屏障，在目前第三代核电站的设计中都包含有安全壳非能动冷却系统，一旦发生事故触发其动作时，系统内的储水箱可以维持非能动运行，通过对钢制安全壳表面进行喷淋冷却有效带走堆芯余热，从而保证安全壳结构安全，操纵人员可以72小时内无需进行干预。然而日本福岛核事故的结果表明，在地震和海啸双重破坏的极端情况下，事故发生后长达7天都未能恢复场外供电。如果72小时后仍无法恢复电力供应，核电站会因喷淋水箱无水而导致非能动余热排出失效，大约仍有约11MW的堆芯衰变热(按AP1000堆型估算)无法安全有效导出，将对安全壳产生严重威胁。

针对当前核电站安全壳余热导出系统存在工作时长有限的短板，为了应对长期全厂断电事故导致的安全壳内热量无法导出问题，有必要开发一种通过非能动方式、不需厂外支援即可实现长期的、安全可靠的安全壳内热量导出系统，作为对现有安全壳非能动冷却系统的进一步完善，将极大地提升核电站应对极端事故能力，实质性消除大规模放射性物质释放的可能。

这种应用于核电站安全壳的热量非能动导出系统是一个由安装于安全壳内的内置换热器和安全壳外的空冷器及其相连管路构成的闭式循环系统，其基于内置换热器与空冷器内的工质密度差和高度差形成稳定的自然循环驱动力，将安全壳内的热量持续带出，并最终排放到大气环境中。为确定该系统的技术方案，有必要对其运行过程中涉及的物理现象和系统特性进行深入的研究，目前并无相关试验装置，使得研究人员难以获得该热量非能动导出系统的数据。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述试验装置便于对安全壳热量非能动导出系统的性能进行研究。

根据本发明实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，包括：安全壳模拟体；压缩空气供应系统，所述压缩空气供应系统与所述安全壳模拟体相连；氦气供应系统，所述氦气供应系统与所述安全壳模拟体相连；蒸汽供应系统，所述蒸汽供应系统与所述安全壳模拟体相连；换热管试验件，所述换热管试验件置于所述安全壳模拟体内；强迫循环回路，所述强迫循环回路与所述换热管试验件相连形成能动热量导出循环；自然循环回路，所述自然循环回路与所述换热管试验件相连形成非能动热量导出循环，所述强迫循环回路和所述自然循环回路可选择性地工作；数据采集系统，所述数据采集系统用于采集所述安全壳模拟体内和所述强迫循环回路、所述自然循环回路上的参数。

根据本发明实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，通过设计强迫循环回路和自然循环回路，可以模拟安全壳热量非能动导出系统的事故环境，以便于对安全壳热量非能动导出系统的性能进行研究，以确保安全壳热量非能动导出系统在投入使用时的安全性和可靠性。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述换热管试验件包括顺次相连的进口段、换热测试段和出口段，所述进口段和所述出口段均适于与所述强迫循环回路、所述自然循环回路连通，所述换热测试段位于所述安全壳模拟体内的试验测试区域内。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述数据采集系统包括：多组壁面温度检测装置和多组环境温度检测装置，多组所述壁面温度检测装置沿所述换热测试段的轴向间隔开设在所述换热测试段的外壁面，多组所述环境温度检测装置与多组所述壁面温度检测装置一一对应地等高设于所述试验测试区域内，且与所述换热管试验件沿径向间隔开。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，每组所述壁面温度检测装置具有多个所述壁面温度检测装置，且沿所述换热测试段的周向间隔开，每组所述环境温度检测装置具有多个所述环境温度检测装置，且沿所述换热测试段的周向环绕所述换热测试段。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述安全壳模拟体内设有用于固定所述环境温度检测装置的固定杆，所述固定杆与所述换热测试段平行。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述换热测试段的外壁面设有凹槽，所述壁面温度检测装置安装于所述凹槽内，且所述凹槽通过焊锡填平。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述壁面温度检测装置和所述环境温度检测装置均为测温热电偶。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述安全壳模拟体设有热电偶贯穿件接口，所述安全壳模拟体的测温热电偶均通过所述热电偶贯穿件接口穿出所述安全壳模拟体。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述进口段和所述出口段均沿径向设置。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述进口段和所述出口段外均包覆有保温层。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述进口段和所述出口段的长度可调以改变所述换热测试段相对于所述安全壳模拟体的轴线的倾角。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述换热测试段通过法兰与所述进口段及所述出口段相连。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述安全壳模拟体设有贯穿的工质进接口和工质出接口，所述工质进接口的通过法兰与所述进口段相连，所述工质出接口通过法兰与所述出口段相连。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述安全壳模拟体包括两端敞开的圆柱形罐主体和封闭所述罐主体上端的上封头及封闭所述罐主体下端的下封头，所述罐主体的至少一部分形成试验测试区域，所述换热管试验件置于所述试验测试区域。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述安全壳模拟体内设有上均流孔板和下均流孔板，所述上均流孔板和所述下均流孔板之间形成所述试验测试区域，所述换热管试验件设于所述试验测试区域，所述压缩空气供应系统、所述氦气供应系统和所述蒸汽供应系统供应的气体分别通过所述上均流孔板、所述下均流孔板进入所述试验测试区域。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述上均流孔板和所述下均流孔板均为可拆卸式。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述上均流孔板和所述下均流孔板均为多块铰接于所述圆柱形罐主体的扇形板拼接而成。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述下均流孔板与所述下封头共同限定出底部水箱，所述底部水箱用于容纳去离子水，所述蒸汽供应系统包括所述底部水箱和设于所述底部水箱的蒸汽发生电加热器。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述底部水箱设有温度测点以检测去离子水的温度，并根据所述温度控制所述蒸汽发生电加热器。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述蒸汽供应系统包括补水泵和循环水箱，所述循环水箱通过所述补水泵与所述底部水箱相连。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述底部水箱设有液位计，所述液位计用于检测所述底部水箱的液位并与所述补水泵相连。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述安全壳模拟体包括保温层和表皮不锈钢层。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述安全壳模拟体设有多个观察窗，所述观察窗处设有摄像机和光源。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，多个所述观察窗中的至少一个设于所述上封头，多个所述观察窗中的至少多个沿所述罐主体的周向或轴向间隔开。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述罐主体与所述试验测试区域对应的壁面设有多个沿轴向间隔开的气相质谱仪取样孔，所述数据采集系统包括设于所述气相质谱仪取样孔内的气体取样管。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述气体取样管设置为可沿径向伸缩。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述安全壳模拟体设有贯穿的工质进接口和工质出接口，所述换热管试验件的两端分别与所述工质进接口的内端和所述工质出接口的内端相连，所述自然循环回路包括：空冷器，所述空冷器置于所述安全壳模拟体外，且所述空冷器的两端分别与所述工质进接口的外端和所述工质出接口的外端相连。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述自然循环回路包括：稳压装置，所述稳压装置并联连接在所述空冷器与所述工质进接口之间的管路上。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述稳压装置包括：氮气瓶和稳压罐，所述氮气瓶与所述稳压罐相连，所述稳压罐并联连接在所述空冷器的出口端与所述换热管试验件的进口端之间的管路上。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述安全壳模拟体设有贯穿的工质进接口和工质出接口，所述换热管试验件的两端分别与所述工质进接口的内端和所述工质出接口的内端相连，所述强迫循环回路包括顺次相连的：冷却器、循环水箱、循环水泵、工质预热器、所述冷却器的背离所述循环水箱的一端与所述工质出接口的外端相连，所述工质预热器的背离所述循环水泵的一端与所述工质进接口的外端相连。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述循环水泵包括两个功率不同且并联连接的水泵，两个所述水泵可选择性地开启。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述循环水箱的底部设电加热器。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述循环水箱顶部有压缩空气接口，且与所述压缩空气供应系统可选择性地连通。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述冷却器包括两个功率不同且并联连接的冷却器，两个所述冷却器可选择性地开启。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，还包括循环冷却水系统，所述循环冷却水系统与所述冷却器相连。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述安全壳模拟体设有贯穿的工质进接口和工质出接口，所述换热管试验件的两端分别与所述工质进接口的内端和所述工质出接口的内端相连，所述自然循环回路与所述强迫循环回路共用同一段所述换热管试验件，所述工质进接口和所述工质出接口外均设有切换阀门，所述自然循环回路与所述强迫循环回路均通过所述切换阀门与所述工质进接口、所述工质出接口相连。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述压缩空气供应系统包括顺次连接的空压机、压缩空气储罐和气体预热器。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述氦气供应系统包括氦气瓶组和氦气泄漏报警仪。

根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述蒸汽供应系统包括外置的蒸汽锅炉。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的试验装置的强迫循环回路的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的试验装置的自然循环回路的结构示意图；

图3和图4是根据本发明实施例的安全壳模拟体的结构示意图；

附图标记：

安全壳模拟体100，下封头110，罐主体120，上封头130，试验测试区域140，底部水箱150，蒸汽发生电加热器160，

氦气、压缩空气进口N1，蒸汽进口N2，冷凝液排尽口N3，补水口N4，工质进接口N5，工质出接口N6，安全阀接口N7，排气阀接口N8，气相质谱仪取样孔N9a～h，顶部喷孔N12，热电偶贯穿件接口N13，强电贯穿件接口N14，排气阀接口N15，温度计接口T1、T2，蒸汽发生电加热器接口E1～E4，压力表接口P1，液位计接口L1、L2，观察窗G1～G7，检修人孔M1，下均流孔板A1，上均流孔板A2，

换热管试验件200，进口段210，换热测试段220，出口段230，

强迫循环回路300，冷却器301a、301b，循环水箱303、循环水泵304a、304b，工质预热器305，

自然循环回路400，空冷器401，氮气瓶402，稳压罐403，

压缩空气储罐502，气体预热器503，氦气供应系统504，

补水泵601，

温度测点T，压力测点P，流量测点F，液位测点L，湿度测点H。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

安全壳热量非能动导出系统尤其适用于压水反应堆，压水反应堆例如为AP/CAP先进压水反应堆(如AP1000和CAP100先进压水反应堆)。压水反应堆的单堆功率大，停堆后72小时后的衰变热仍高达17MW，30天之后仍为6.8MW。根据本发明实施例的非能动安全壳热量导出系统，在停堆72小时后，无需能动补水，仍然能够无时间限制地非能动地将安全壳内的热量导出，提高了安全性。

安全壳热量非能动导出系统包括：安全内壳，安全外壳，内置换热器，空冷通道和空冷器，内置换热器设在安全内壳内。空冷通道位于安全外壳外面，空冷通道具有空冷通道进气口和空冷通道排气口。空冷器设在空冷通道内，空冷器位于空冷通道进气口与空冷通道排气口之间。空冷器的进口通过第一连通管与内置换热器的出口相连，空冷器的出口通过第二连通管与内置换热器的进口相连。有机载热剂在空冷器和内置换热器之间自然循环，从而导出安全内壳内的热量。换言之，空冷器、内置换热器、第一连通管和第二连通管构成的热量导出回路，回路中作为循环介质的有机载热剂可以是纯的有机载热剂，如乙二醇，氟利昂，也可以是水与有机载热剂如乙二醇的混合物，只要该混合物的冰点低以便在寒冷气候条件下该混合物不凝结即可。

下面参考图1-图2描述根据本发明实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置。

如图1-图2所示，根据本发明一个实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置包括：安全壳模拟体100、压缩空气供应系统、蒸汽供应系统、换热管试验件200、强迫循环回路300、自然循环回路400、数据采集系统和供电系统。

其中，安全壳模拟体100用于模拟反应堆外的安全壳。

压缩空气供应系统与安全壳模拟体100相连，压缩空气供应系统用于向安全壳模拟体100提供压缩空气，以为模拟安全壳模拟体100创造含有不凝性气体的热工环境。如图1和图2所示，压缩空气供应系统可以包括顺次连接的空压机、压缩空气储罐502和气体预热器503，压缩空气由空压机充注到压缩空气储罐502中储存，气体预热器503用以提高充注气体的温度。

氦气供应系统504与安全壳模拟体100相连，氦气供应系统504用于向安全壳模拟体100内充注氦气，在发生安全事故时，安全壳内会产生氢气，氦气的质量系数接近氢气，氦气用于模拟氢气，以确保试验的安全性。氦气供应系统504包括氦气瓶组和氦气泄漏报警仪，氦气由氦气瓶组供。

压缩空气或氦气均可由安全壳模拟体100的上部或下部接口充注入壳内，以尽量减少充注气体时对试验测试区域140的温度场产生影响。

蒸汽供应系统与安全壳模拟体100相连，蒸汽供应系统用于向安全壳模拟体100供应高温蒸汽，模拟出事故发生后的安全壳高压湿热环境。

换热管试验件200置于安全壳模拟体100内，工质流过换热管试验件200时可以通过换热管试验件200的管壁与安全壳模拟体100内的空气换热。

自然循环回路400与换热管试验件200相连形成非能动热量导出循环，自然循环回路400用于模拟安全壳热量非能动导出系统的工作，强迫循环回路300与换热管试验件200相连形成能动热量导出循环，强迫循环回路300和自然循环回路400可选择性地工作。

强迫循环回路300和自然循环回路400可单独工作：在自然循环回路400连通时，可以测试安全壳热量非能动导出系统的整体换热性能；强迫循环回路300相较于自然循环回路400由于具有外驱动力，可以使工质更稳定地循环流动，在强迫循环回路300连通时，可以测试换热管试验件200或自然循环回路400的其他零部件的工作性能。

数据采集系统用于采集安全壳模拟体100内的参数、强迫循环回路300的参数、自然循环回路400的参数，供电系统则为整个装置提供电能。

根据本发明实施例的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，通过设计强迫循环回路300和自然循环回路400，可以模拟安全壳热量非能动导出系统的事故环境，以便于对安全壳热量非能动导出系统的性能进行研究，以确保安全壳热量非能动导出系统在投入使用时的安全性和可靠性。

如图3所示，安全壳模拟体100包括罐主体120、上封头130、下封头110，罐主体120可以为两端敞开的圆柱形，上封头130封闭罐主体120上端，下封头110封闭罐主体120下端，上封头130和下封头110可以均为半椭圆形，如图4所示，上封头130开有检修人孔，如图3所示，下封头110焊有四条支座，用于安装固定罐体。安全壳模拟体100的设计压力可以为1.5MPa，安全壳模拟体100包括保温层和表皮不锈钢层，比如外部采用厚度为100mm玻璃纤维保温棉对罐体进行保温，并用1mm厚不锈钢板包覆。

罐主体120的至少一部分形成试验测试区域140，换热管试验件200置于试验测试区域140，换热管可以为不锈钢管制成，工质流过换热管试验件200时可以通过换热管试验件200的管壁与安全壳模拟体100内的空气换热。

如图1-图3所示，安全壳模拟体100内设有上均流孔板A2和下均流孔板A1，上均流孔板A2和下均流孔板A1均为可拆卸式，上均流孔板A2和下均流孔板A1均为多块铰接于圆柱形罐主体120的扇形板拼接而成，比如上均流孔板A2和下均流孔板A1为两张半圆形孔板拼接而成，板片与安全壳模拟体100内部的支撑件铰接固定，需要时可方便拆卸。上均流孔板A2和下均流孔板A1为直径1.5m，厚度8mm的不锈钢圆板，开洞的大小为100mm，洞的数目为20个，总流通面积为0.157m²。

如图3所示，上均流孔板A2和下均流孔板A1之间形成试验测试区域140，换热管试验件200设于试验测试区域140，压缩空气供应系统供应的气体通过上均流孔板A2进入试验测试区域140，氦气供应系统504供应的气体通过上均流孔板A2进入试验测试区域140，蒸汽供应系统供应的气体通过下均流孔板A1进入试验测试区域140。上均流孔板A2和下均流孔板A1使得进入安全壳模拟体100内的混合气体更加均匀，减少流动对换热的影响。

下均流孔板A1与下封头110共同限定出底部水箱150，底部水箱150用于容纳去离子水，蒸汽供应系统包括底部水箱150和设于底部水箱150的蒸汽发生电加热器160。

参考图3和图4，安全壳模拟体100设有多个观察窗G1～G7，观察窗处设有摄像机和光源，用来对罐体内部的冷凝现象进行可视化观测。多个观察窗中的至少一个设于上封头130，多个观察窗中的至少多个沿罐主体120的周向或轴向间隔开，以对罐体内部的冷凝现象进行对角度的观察，比如罐主体120上沿高度和周向布置有6个观察窗G1、G2、G3、G5、G6、G7，在上封头130设1个观察窗G4。

如图1-图3所示，罐主体120与试验测试区域140对应的壁面设有多个沿轴向间隔开的气相质谱仪取样孔N9，数据采集系统包括设于气相质谱仪取样孔N9内的气体取样管，用于测试壳内试验区域不同高度处的气体成分和质量分数，具体地，试验测试区域140的壁面处自下而上开有8个气相质谱仪取样孔N9a、N9b、N9c、N9d、N9e、N9f、N9g、N9h，气体取样管设置为可沿径向伸缩，测试壳内试验区域不同径向处的气体成分和质量分数。

参考图3和图4，安全壳模拟体100的壁面处还设有多个接口，比如氦气、压缩空气进口N1，蒸汽进口N2，冷凝液排尽口N3，补水口N4，工质进接口N5，工质出接口N6，安全阀接口N7，排气阀接口N8，气相质谱仪取样孔N9a～h，顶部喷孔N12，热电偶贯穿件接口N13，强电贯穿件接口N14，排气阀接口N15，温度计接口T1、T2，蒸汽发生电加热器接口E1～E4，压力表接口P1，液位计接口L1、L2，检修人孔M1，这些接口分别与对应的器件相连。

在本发明的一些优选的实施例中，蒸汽供应系统可以包括内置和外置的两种。

参考图1和图2，安全壳模拟体100的底部可以设有底部水箱150，底部水箱150用于容纳去离子水，蒸汽供应系统包括底部水箱150和设于底部水箱150的蒸汽发生电加热器160，蒸汽发生电加热器160用于加热底部水箱150的去离子水使其产生蒸汽，蒸汽发生电加热器160可以为多个，，且多个蒸汽发生电加热器160环绕底部水箱150的周向间隔开设置，比如底部水箱150的周壁设有四个均匀间隔开的蒸汽发生电加热器接口E1、E2、E3、E4，底部水箱150设有温度测点以检测去离子水的温度，并根据温度控制蒸汽发生电加热器160的功率，温度测点与蒸汽发生电加热器160的功率控制器连锁，反馈温度控制信号。蒸汽供应系统包括补水泵601和循环水箱303，循环水箱303通过补水泵601与底部水箱150相连，底部水箱150设有液位计，液位计用于检测底部水箱150的液位并与补水泵601相连，液位计可以为耐高温磁翻板液位计，液位计用于监测水箱液位，确保蒸汽发生电加热器160在液面以下防止干烧，同时为测控系统中补水泵601自动启停提供液位控制信号。

参考图1和图2，蒸汽供应系统还可以包括外置的蒸汽锅炉，蒸汽锅炉可以为电加热蒸汽锅炉，并通过供汽管路，可向安全壳模拟体100内充注最高压力参数为1.25MPa、2t/h流量的饱和蒸汽。外置的蒸汽锅炉用于防止内置的蒸汽发生电加热器160功率不足的问题，在实际使用过程中，可以根据需求单独开启内置的蒸汽发生电加热器160、或者单独开启外置的蒸汽锅炉，或者两者一起开启。

在本发明的一些优选的实施例中，参考图1-图3，换热管试验件200包括顺次相连的进口段210、换热测试段220和出口段230，进口段210和出口段230均适于与强迫循环回路300、自然循环回路400连通，换热测试段220位于安全壳模拟体100内的试验测试区域140内。具体地，安全壳模拟体100设有贯穿的工质进接口和工质出接口，工质进接口的通过法兰与进口段210相连，工质出接口通过法兰与出口段230相连，工质进接口和工质出接口均适于与强迫循环回路300、自然循环回路400连通，由此可方便进行拆装，换热测试段220通过法兰与进口段210及出口段230相连。由此可方便进行拆装。

如图3所示，进口段210和出口段230均沿径向设置，进口段210和出口段230的长度可调以改变换热测试段220相对于安全壳模拟体100的轴线的倾角。通过调节进口段210和出口段230的长度改变换热测试段220与罐体中心轴线的倾角，可用于研究不同倾斜角度换热测试段220的冷凝换热性能。

进口段210和出口段230外均包覆有保温层，可以理解的是，进口段210通过工质进接口与外界管路相连，出口段230通过工质出接口与外界管路相连，进口段210和出口段230的温度收外界影响较大，通过设置保温层可以防止进口段210和出口段230对壳内环境造成干扰。

数据采集系统包括：多组壁面温度检测装置和多组环境温度检测装置，多组壁面温度检测装置沿换热测试段220的轴向间隔开设在换热测试段220的外壁面，多组环境温度检测装置与多组壁面温度检测装置一一对应地等高设于试验测试区域140内，且多组环境温度检测装置与换热管试验件200沿径向间隔开。每组壁面温度检测装置具有多个壁面温度检测装置，且沿换热测试段220的周向间隔开，每组环境温度检测装置具有多个环境温度检测装置，且沿换热测试段220的周向环绕换热测试段220。由此，可以有效地针对含不凝性气体的饱和蒸汽在换热管壁面的冷凝传热性能进行数据采集，且采集数据组数多，便于减小误差，以及在个别温度检测装置损坏时不影响数据的采集。

安全壳模拟体100内设有用于固定环境温度检测装置的固定杆，固定杆与换热测试段220平行。比如在试验测试区域140内，沿换热管试验件200轴线方向平行设置有两根角钢，用于在不同高度方向上安装环境温度检测装置，同时也可作为壁面温度检测装置的支撑件。

壁面温度检测装置和环境温度检测装置均为测温热电偶。安全壳模拟体100设有热电偶贯穿件接口N13，安全壳模拟体100的测温热电偶均通过热电偶贯穿件接口N13穿出安全壳模拟体100，这样可以减少壁面的孔位数。

比如，换热测试段220的外壁面上沿轴向等间距布置有热电偶测温点，换热测试段220的外壁面设有凹槽，壁面温度检测装置安装于凹槽内，且凹槽通过焊锡填平，以确保测温精度并尽量减少对壁面处凝结液膜流动的影响。

在本发明的一些优选的实施例中，如图2所示，安全壳模拟体100设有贯穿的工质进接口和工质出接口，换热管试验件200的两端分别与工质进接口的内端和工质出接口的内端相连，自然循环回路400包括：空冷器401，空冷器401置于安全壳模拟体100外，且空冷器401的两端分别与工质进接口的外端和工质出接口的外端相连。

自然循环回路400用于模拟安全壳热量非能动导出系统。空冷器401的换热管为不锈钢铝翅片管，上下四排并联布置，分别与进出口分配联箱相接，并在进口分配联箱与各排管束相接处设置有开关阀，可根据循环工质的流量选择需要接通的换热管排数量。空冷器401换热管排上方并排安装有两台变频风机，采用引风的方式驱动气流横掠换热翅片管束，风机可变频运行，使风量可在较大范围内进行调节变化。空冷器401前后安装有方形风道，靠近空冷器401进出口的风道内以网格形式安装有热电偶，测量进出口截面的气流平均温度；同时在进出口风道内还安装有湿度仪，用于测量进出口气流的相对湿度。

如图2所示，自然循环回路400包括：稳压装置，稳压装置并联连接在空冷器401与工质进接口之间的管路上。可以理解的是，自然循环回路400是闭式回路，为了稳定回路内的压力，稳压装置可以确保回路中的循环工质始终保持液相状态，比如稳压装置包括：氮气瓶402和稳压罐403，氮气瓶402与稳压罐403相连，稳压罐403并联连接在空冷器401的出口端与换热管试验件200的进口端之间的管路上。稳压罐403设计压力1MPa，其顶部接口与氮气瓶相连，通过向稳压罐403内充注氮气提高自然循环回路400内循环工质的压力。稳压罐403安装有磁翻板液位计、温度传感器、压力传感器等测量仪器，此外顶部还装有安全阀，防止罐内压力超限。自然循环回路400的流量测量依据循环工质的不同选用不同型式的流量计，水工质采用高精度的电磁流量计，氟利昂工质采用质量流量计。需要说明的是，在自然循环回路400的循环工质为氟利昂时，也可以不设稳压装置。

在本发明的一些优选的实施例中，如图1所示，安全壳模拟体100设有贯穿的工质进接口和工质出接口，换热管试验件200的两端分别与工质进接口的内端和工质出接口的内端相连，强迫循环回路300包括顺次相连的：冷却器301、循环水箱303、循环水泵304、工质预热器305、冷却器301的背离循环水箱303的一端与工质出接口的外端相连，工质预热器305的背离循环水泵304的一端与工质进接口的外端相连。

循环水箱303是一圆柱形不锈钢压力容器，设计压力1MPa，循环水箱303的底部设电加热器，用于预热水箱中的循环工质，并可由水箱中的温度传感器自动调节加热功率。

循环水箱303顶部有压缩空气接口，且与压缩空气供应系统可选择性地连通，由电动开关阀根据预设的循环水箱303压力值控制压缩空气的进气量。

循环水箱303上还包括循环水泵接口、补水泵601接口、循环工质回流口、排气口、安全阀、磁翻板液位计等附件。

循环水泵304包括两个功率不同且并联连接的水泵304a、304b，两个水泵304a、304b可选择性地开启，可满足较大范围流量变化的试验工况需求。两台循环水泵电机均为变频电机，可手动调节变频器改变电机转速实现流量调节；也可通过测控系统预先设定流量，通过回路中的质量流量计测量值反馈调节变频器，实现回路工质流量的自动调节。

工质预热器305可对进入内置换热管试验件200前的循环工质进行预热，使其达到测试工况要求的入口温度，工质预热器305出口处的温度传感器可根据预设的温度值自动调节电加热功率的大小。

循环工质从换热管试验件200吸热后流出，进入冷却器301进行冷却。冷却器形式为板式换热器，与循环水泵304类似，冷却器301也并联设置了大小两台301a、301b，根据循环工质流量的大小由电动三通阀自动匹配适合的冷却器。试验装置还包括循环冷却水系统，循环冷却水系统与冷却器相连，循环冷却水系统来自试验厂房提供的循环冷却水，从循环工质吸收的热量最终由厂房外的空冷塔排向大气环境。

安全壳模拟体100设有贯穿的工质进接口和工质出接口，换热管试验件200的两端分别与工质进接口的内端和工质出接口的内端相连，自然循环回路400与强迫循环回路300共用同一段换热管试验件200，工质进接口和工质出接口外均设有切换阀门，自然循环回路400与强迫循环回路300均通过切换阀门与工质进接口、工质出接口相连，可以确保两个回路独立运行。这样试验装置的布局紧凑。

根据本发明实施例的试验装置，还可以包括：氟利昂工质充注系统，氟利昂工质充注系统包括真空分子泵、氟利昂储罐及阀组管路。自然循环回路400充注氟利昂工质时，首先利用压缩空气对管路进行吹扫，确保管路内干燥无杂质；随后启动真空分子泵，对自然循环管路抽真空，待管路内压力达到10Pa时，连接氟利昂储罐，打开阀组向管路内充注氟利昂工质。

供电系统为试验装置中的电加热设备、泵、电动阀门、测控及数采系统等设备提供电源，其中电加热器可由可控硅调功器进行功率调节，测控及数采系统额外配备不间断电源UPS，防止测试数据在意外停电时无法保存。每台设备均设置独立电源开关，配电柜设置总空开，防护等级不低于IP32。数据采集系统分为两类，试验装置的测量信号(如热电偶、热电阻、压力传感器、流量计等)和电动阀门的控制信号接入PLC测控系统，而安全壳模拟体内的温度测量信号都接入NI数采系统。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (39)

1.一种用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，包括：

安全壳模拟体；

压缩空气供应系统，所述压缩空气供应系统与所述安全壳模拟体相连；

氦气供应系统，所述氦气供应系统与所述安全壳模拟体相连；

蒸汽供应系统，所述蒸汽供应系统与所述安全壳模拟体相连；

换热管试验件，所述换热管试验件置于所述安全壳模拟体内；

强迫循环回路，所述强迫循环回路与所述换热管试验件相连形成能动热量导出循环；

自然循环回路，所述自然循环回路与所述换热管试验件相连形成非能动热量导出循环，所述强迫循环回路和所述自然循环回路可选择性地工作；

数据采集系统，所述数据采集系统用于采集所述安全壳模拟体内和所述强迫循环回路、所述自然循环回路上的参数。

2.根据权利要求1所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述换热管试验件包括顺次相连的进口段、换热测试段和出口段，所述进口段和所述出口段均适于与所述强迫循环回路、所述自然循环回路连通，所述换热测试段位于所述安全壳模拟体内的试验测试区域内。

3.根据权利要求2所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括：多组壁面温度检测装置和多组环境温度检测装置，多组所述壁面温度检测装置沿所述换热测试段的轴向间隔开设在所述换热测试段的外壁面，多组所述环境温度检测装置与多组所述壁面温度检测装置一一对应地等高设于所述试验测试区域内，且与所述换热管试验件沿径向间隔开。

4.根据权利要求3所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，每组所述壁面温度检测装置具有多个所述壁面温度检测装置，且沿所述换热测试段的周向间隔开，每组所述环境温度检测装置具有多个所述环境温度检测装置，且沿所述换热测试段的周向环绕所述换热测试段。

5.根据权利要求3所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述安全壳模拟体内设有用于固定所述环境温度检测装置的固定杆，所述固定杆与所述换热测试段平行。

6.根据权利要求3所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述换热测试段的外壁面设有凹槽，所述壁面温度检测装置安装于所述凹槽内，且所述凹槽通过焊锡填平。

7.根据权利要求3所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述壁面温度检测装置和所述环境温度检测装置均为测温热电偶。

8.根据权利要求7所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述安全壳模拟体设有热电偶贯穿件接口，所述安全壳模拟体的测温热电偶均通过所述热电偶贯穿件接口穿出所述安全壳模拟体。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述进口段和所述出口段均沿径向设置。

10.根据权利要求2所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述进口段和所述出口段外均包覆有保温层。

11.根据权利要求2所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述进口段和所述出口段的长度可调以改变所述换热测试段相対于所述安全壳模拟体的轴线的倾角。

12.根据权利要求2所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述换热测试段通过法兰与所述进口段及所述出口段相连。

13.根据权利要求2所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述安全壳模拟体设有贯穿的工质进接口和工质出接口，所述工质进接口的通过法兰与所述进口段相连，所述工质出接口通过法兰与所述出口段相连。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述安全壳模拟体包括两端敞开的圆柱形罐主体和封闭所述罐主体上端的上封头及封闭所述罐主体下端的下封头，所述罐主体的至少一部分形成试验测试区域，所述换热管试验件置于所述试验测试区域。

15.根据权利要求14所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述安全壳模拟体内设有上均流孔板和下均流孔板，所述上均流孔板和所述下均流孔板之间形成所述试验测试区域，所述换热管试验件设于所述试验测试区域，所述压缩空气供应系统、所述氦气供应系统和所述蒸汽供应系统供应的气体分别通过所述上均流孔板、所述下均流孔板进入所述试验测试区域。

16.根据权利要求15所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述上均流孔板和所述下均流孔板均为可拆卸式。

17.根据权利要求16所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述上均流孔板和所述下均流孔板均为多块铰接于所述圆柱形罐主体的扇形板拼接而成。

18.根据权利要求15所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述下均流孔板与所述下封头共同限定出底部水箱，所述底部水箱用于容纳去离子水，所述蒸汽供应系统包括所述底部水箱和设于所述底部水箱的蒸汽发生电加热器。

19.根据权利要求18所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述底部水箱设有温度测点以检测去离子水的温度，并根据所述温度控制所述蒸汽发生电加热器。

20.根据权利要求18所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述蒸汽供应系统包括补水泵和循环水箱，所述循环水箱通过所述补水泵与所述底部水箱相连。

21.根据权利要求20所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述底部水箱设有液位计，所述液位计用于检测所述底部水箱的液位并与所述补水泵相连。

22.根据权利要求14所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述安全壳模拟体包括保温层和表皮不锈钢层。

23.根据权利要求14所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述安全壳模拟体设有多个观察窗，所述观察窗处设有摄像机和光源。

24.根据权利要求23所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，多个所述观察窗中的至少一个设于所述上封头，多个所述观察窗中的至少多个沿所述罐主体的周向或轴向间隔开。

25.根据权利要求14所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述罐主体与所述试验测试区域对应的壁面设有多个沿轴向间隔开的气相质谱仪取样孔，所述数据采集系统包括设于所述气相质谱仪取样孔内的气体取样管。

26.根据权利要求25所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述气体取样管设置为可沿径向伸缩。

27.根据权利要求1-13中任一项所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述安全壳模拟体设有贯穿的工质进接口和工质出接口，所述换热管试验件的两端分别与所述工质进接口的内端和所述工质出接口的内端相连，所述自然循环回路包括：空冷器，所述空冷器置于所述安全壳模拟体外，且所述空冷器的两端分别与所述工质进接口的外端和所述工质出接口的外端相连。

28.根据权利要求27所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述自然循环回路包括：稳压装置，所述稳压装置并联连接在所述空冷器与所述工质进接口之间的管路上。

29.根据权利要求28所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述稳压装置包括：氮气瓶和稳压罐，所述氮气瓶与所述稳压罐相连，所述稳压罐并联连接在所述空冷器的出口端与所述换热管试验件的进口端之间的管路上。

30.根据权利要求1-13中任一项所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述安全壳模拟体设有贯穿的工质进接口和工质出接口，所述换热管试验件的两端分别与所述工质进接口的内端和所述工质出接口的内端相连，所述强迫循环回路包括顺次相连的：冷却器、循环水箱、循环水泵、工质预热器、所述冷却器的背离所述循环水箱的一端与所述工质出接口的外端相连，所述工质预热器的背离所述循环水泵的一端与所述工质进接口的外端相连。

31.根据权利要求30所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述循环水泵包括两个功率不同且并联连接的水泵，两个所述水泵可选择性地开启。

32.根据权利要求30所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述循环水箱的底部设电加热器。

33.根据权利要求30所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述循环水箱顶部有压缩空气接口，且与所述压缩空气供应系统可选择性地连通。

34.根据权利要求30所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述冷却器包括两个功率不同且并联连接的冷却器，两个所述冷却器可选择性地开启。

35.根据权利要求30所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，还包括循环冷却水系统，所述循环冷却水系统与所述冷却器相连。

36.根据权利要求1-13中任一项所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述安全壳模拟体设有贯穿的工质进接口和工质出接口，所述换热管试验件的两端分别与所述工质进接口的内端和所述工质出接口的内端相连，所述自然循环回路与所述强迫循环回路共用同一段所述换热管试验件，所述工质进接口和所述工质出接口外均设有切换阀门，所述自然循环回路与所述强迫循环回路均通过所述切换阀门与所述工质进接口、所述工质出接口相连。

37.根据权利要求1-13中任一项所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述压缩空气供应系统包括顺次连接的空压机、压缩空气储罐和气体预热器。

38.根据权利要求1-13中任一项所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其特征在于，所述氦气供应系统包括氦气瓶组和氦气泄漏报警仪。

39.根据权利要求1-13中任一项所述的用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，所述蒸汽供应系统包括外置的蒸汽锅炉。