CN110838375A - 水池模拟体及其试验系统及其内工质恒定常温控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水池模拟体及其试验系统及其内工质恒定常温控制方法，水池模拟体中轴线位置设置有给水器，给水器顶部封闭，侧壁开设有多个散流孔，散流孔的总流通面积大于给水器的轴向横截流通面积。本方法主要用于开式自然循环试验系统中水池模拟体的设计、给水器的设计和试验过程中水池模拟体恒定常温的控制，实现了在开式自然循环试验系统长期运行过程中，较小容积的水池模拟体内工质恒定常温的控制，进而实现了对恒定常温冷芯的模拟。

Description

水池模拟体及其试验系统及其内工质恒定常温控制方法

技术领域

本发明涉及核反应堆安全相关试验研究领域，具体地，涉及一种水池模拟体及其试验系统及其内工质恒定常温控制方法。

背景技术

非能动余热排出系统是一种重要的核反应堆专设安全系统，能够通过自然循环的方式将堆芯余热导出，实现事故工况下反应堆堆芯的冷却，保证堆芯的安全和回路系统压力边界的完整。在部分反应堆非能动余热排出系统设计中，通过两个自然循环过程来实现余热的导出，即非能动余热排出热交换器一次侧工质的自然循环和二次侧工质的自然循环。在这种设计方案中，非能动余热排出热交换器二次侧自然循环回路为开式回路，其热阱通常采用自然界的常温水源(如湖泊或海洋)。针对这种方案开展模拟试验研究时，由于试验成本、空间布置以及试验装置建设难度等局限性，不可能制造容积巨大的水池模拟体来实现二次侧开式自然循环回路冷芯的恒温模拟。但是采用容积较小的水池模拟体来模拟二次侧的冷芯，无法在长时间的运行过程维持模拟水池内工质温度的恒定，继而无法实现对二次侧恒温冷芯的模拟。同时，由于需要保证水池内温度维持在常温状态，其与周围环境之间不存在较大的温差，通常采用的水池内置热交换器实现水池温度恒定的方法是不可行的。若采用低温制冷设备来对水池温度进行控制，又导致试验成本剧增。

发明内容

本发明设计出一种成本低、制造工艺简单、容积及安装难度小的水池模拟体，然后采用一种水池模拟体内工质连续置换的控制方式，可以实现对上述开式自然循环系统模拟试验过程中水池模拟体内工质恒定常温的控制，实现对恒定常温冷芯的模拟。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种水池模拟体，水池模拟体中轴线位置设置有给水器，给水器顶部封闭，侧壁开设有多个散流孔，散流孔的总流通面积大于给水器的轴向横截流通面积。

优选的，水池模拟体内部安装有若干电热元件，水池模拟体侧壁上设有热交换器接管入水口和溢流接管，水池模拟体底部设有热交换器接管出水口、外部给水口、电热元件接口和排污口。

优选的，若干电热元件均匀安装在水池模拟体内部。

优选的，给水器为筒体结构。

优选的，给水器竖直固定在水池模拟体内，多个散流孔均匀分布在给水器侧壁上。

进一步的，基于前面所述的水池模拟体，本发明还提供了一种开式自然循环试验系统，其特征在于，所述系统包括：所述的水池模拟体、与所述水池模拟体连通的非能动余热排出热交换器以及相应管道和阀门。

优选的，非能动余热排出热交换器侧壁上部和下部分别设有一次侧入口和一次侧出口，非能动余热排出热交换器顶部和底部分别设有热交换器二次侧出口和热交换器二次侧入口，热交换器二次侧出口通过相应管道与热交换器接管入水口连通，热交换器二次侧入口通过相应管道与热交换器接管出水口连通。

优选的，热交换器二次侧出口与热交换器接管入水口连通的管道上安装有第四温度传感器、第四压力传感器和第四阀门，第四温度传感器测得参数为T4，第四压力传感器测得参数为P4；热交换器二次侧入口与热交换器接管出水口连通的管道上安装有第三流量计、第三阀门、第三温度传感器和第三压力传感器，第三流量计测得参数为F3，第三温度传感器测得参数为T3，第三压力传感器测得参数为P3；水池模拟体内安装有第二温度传感器和第二压力传感器，第二温度传感器测得参数为T2，第二压力传感器测得参数为P2；溢流接管上安装有第二流量计和第二阀门，第二流量计测得参数为F2；给水管路上安装有第一流量计、第一温度传感器、第一压力传感器和第一阀门，一流量计测得参数为F1，第一温度传感器测得参数为T1，第一压力传感器测得参数为P1。

进一步的，基于前面所述的开式自然循环试验系统，本发明还提供了一种开式自然循环试验系统中水池模拟体内工质恒定常温的控制方法，所述方法包括：

(1)根据自然循环热交换功率，确保水池模拟体内水温升高速率小于设定值Tv(℃/h)的前提下，计算水池模拟体的容积和相关尺寸；

(2)根据给水温度和自然循环热交换功率，计算得到维持水池模拟体水温恒定的水置换流量，根据水置换流量计算出给水器侧壁散流孔的总流通面积，确保散流孔的水溢流平均流速低于设定值；

(3)根据水池模拟体的设计高度，确定给水器高度，根据计算得到的散流孔总面积、单个散流孔面积和给水器高度，确定散流孔数量和布置位置，根据上述计算结果完成水池模拟体和给水器的制造；

(4)开式自然循环试验启动之前，利用电热元件将模拟水池温度调节到试验需要的恒温状态T0；

(5)开式自然循环试验过程中，根据热交换器二次侧入口温度T3、热交换器二次侧出口温度T4、热交换器二次侧入口压力P3、热交换器二次侧出口压力P4和开式自然循环流量F3，计算出热交换功率P；

(6)试验过程中，以ΔT＝T2-T0作为判断控制系统运行的依据，若满足-ΔT0<ΔT＝T2-T0<ΔT0，则维持系统稳定运行；若不满足-ΔT0<ΔT＝T2-T0<ΔT0，则根据(P1，T1)、(P2，T0)、(P2，T2)三个状态参数点和热交换功率P，基于热平衡原理执行给水流量F0的计算，并依据F0自动调节第一阀门和第二阀门，将给水流量调节至(F0-ΔF，F0+ΔF)范围内，将溢流流量调节至(F0-ΔF，F0+ΔF)范围内；

(7)在开式自然循环试验过程中，维持水池模拟体温度T2维持在(T0-ΔT0，T0+ΔT0)范围内。

本发明主要用于开式自然循环回路中水池模拟体的设计及工质恒定常温的控制。

其主要特点在于：

(1)不需要为了保证长期自然循环过程中的水池水温恒定而采用水容积极大的水池模拟体，其体积可以设计的较小，减小了水池模拟体的制造成本和安装难度。

(2)水池模拟体中轴线位置设置有给水器，给水器为圆柱形结构，采用标准管道制造，给水器顶部封闭，侧壁开设有多个散流孔，散流孔的总流通面积远大于给水器的轴向横截流通面积，侧壁散流孔可以将给水以较小的流速沿径向方向散射，避免对水池模拟体内部流场的明显干扰。

(3)开式自然循环试验过程中，可以通过给水和溢流流量的调节，实现水池模拟体工质的恒定常温自动控制。

本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

实现了在开式自然循环试验系统长期运行过程中，较小容积的水池模拟体内工质恒定常温的控制，进而实现了对恒定常温冷芯的模拟。

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；

图1为开式自然循环试验系统流程图；

图2为水池模拟体结构总图；

图3为给水器设计图；

图4为水池模拟体工质恒定常温的控制流程。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图1为开式自然循环试验系统流程图，图2为水池模拟体结构总图，图3为给水器设计图。非能动余热排出热交换器与水池模拟体(开式容器)之间通过自然循环将非能动余热排出热交换器一次的热量导出。实现水池模拟体工质恒定常温控制所需测量的关键参数包括：

温度参数：水池模拟体给水温度T1、内部水温T2、热交换器二次侧入口温度T3、热交换器二次侧出口温度T4；

压力参数：水池模拟体给水压力P1、水池模拟体压力P2、热交换器二次侧入口压力P3、热交换器二次侧出口压力P4；

流量参数：给水流量F1、溢流流量F2、开式自然循环流量F3。

图4为水池模拟体工质恒定常温的控制流程。根据上述所测量的关键参数，基于该控制流程，开发并利用控制程序实现水池模拟体工质恒定常温的自动控制。

本方法主要优点是利用较小容积的水池模拟体和合理的控制方法，实现开式自然循环系统中水池模拟体工质恒定常温的控制，进而实现对自然循环恒定常温冷芯的模拟。具体的设计及控制方法如下：

(1)首先，根据自然循环热交换功率，确保水池模拟体内水温升高速率小于设定值Tv(℃/h)的前提下，计算水池模拟体的容积和其它尺寸。

(2)根据给水温度和自然循环热交换功率，计算得到维持水池模拟体水温恒定的水置换流量(即给水流量)，根据水置换流量计算出给水器侧壁散流孔的总流通面积，确保散流孔的水溢流平均流速低于设定值，该设定值通过数值模拟确定，判定依据为从散流孔流出冷却水不会对模拟水池内的轴向流场产生明显影响。

(3)根据水池模拟体的设计高度，确定给水器高度(与水池模拟体溢流接管等高)，根据计算得到的散流孔总面积、单个散流孔面积和给水器高度，确定散流孔数量和布置。根据上述设计完成水池模拟体和给水器的制造。

(4)开式自然循环试验启动之前，利用电热元件将模拟水池温度调节到试验需要的恒温状态T0。

(5)开式自然循环试验过程中，根据热交换器二次侧入口温度T3、热交换器二次侧出口温度T4、热交换器二次侧入口压力P3、热交换器二次侧出口压力P4和开式自然循环流量F3，计算出热交换功率P。

(6)试验过程中，以ΔT＝T2-T0作为判断控制系统运行的依据，若满足-ΔT0<ΔT＝T2-T0<ΔT0，则维持系统稳定运行；若不满足-ΔT0<ΔT＝T2-T0<ΔT0，则根据(P1，T1)、(P2，T0)、(P2，T2)三个状态参数点和热交换功率P，基于热平衡原理执行给水流量F0的计算，并依据F0自动调节阀门TV1和TV2，将给水流量调节至(F0-ΔF，F0+ΔF)范围内，将溢流流量调节至(F0-ΔF，F0+ΔF)范围内。

(7)在开式自然循环试验过程中，通过控制程序实现对整个过程的自动跟踪和调节，维持水池模拟体温度T2维持在(T0-ΔT0，T0+ΔT0)范围内。

本发明给出的开式自然循环试验系统中水池模拟体内工质恒定常温的控制方法主要用于开式自然循环试验系统中水池模拟体的设计、给水器的设计和试验过程中水池模拟体恒定常温的控制。本方法首先给出了水池模拟体和给水器设计中需要重点考虑的技术参数，确定了设计中需要遵循的基本原则，给出了主要设计方法。然后确定了该系统试验过程中水池模拟体内工质恒定常温控制所需测量的关键参数信号，确定了试验过程中的水池模拟体恒定常温控制流程。根据该控制流程，以所需测量的关键参数为输入，开发水池模拟体恒定常温控制程序。开式自然循环试验过程中，启动该控制程序即可实现水池模拟体的工质恒定常温控制，进而实现对开式自然循环过程中恒定常温冷芯的准确模拟。

本发明实施例中，水池模拟体采用给水及溢流结合，实现部分工质的更换，确保试验过程中水池模拟体工质温度恒定的控制方法。本发明实施例中，给水通过给水器进入水池模拟体，给水器采用多孔筒体结构，侧壁开设有经过计算确定的散流孔，给水通过散流孔径向慢流速散流，避免对水池模拟体内的自然循环过程中的流场产生明显干扰的设计方案。本发明实施例中，通过对非能动余热排出热交换器换热功率和关键参数信号的实时跟踪，实现水池模拟体工质恒定常温自动控制的控制方法。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种水池模拟体，其特征在于，水池模拟体中轴线位置设置有给水器，给水器顶部封闭，侧壁开设有多个散流孔，散流孔的总流通面积大于给水器的轴向横截流通面积。

2.根据权利要求1所述的水池模拟体，其特征在于，水池模拟体内部安装有若干电热元件，水池模拟体侧壁上设有热交换器接管入水口和溢流接管，水池模拟体底部设有热交换器接管出水口、外部给水口、电热元件接口和排污口。

3.根据权利要求2所述的水池模拟体，其特征在于，若干电热元件均匀安装在水池模拟体内部。

4.根据权利要求1所述的水池模拟体，其特征在于，给水器为筒体结构。

5.根据权利要求1所述的水池模拟体，其特征在于，给水器竖直固定在水池模拟体内，多个散流孔均匀分布在给水器侧壁上。

6.一种开式自然循环试验系统，其特征在于，所述系统包括：权利要求1-5中任意一个所述的水池模拟体、与所述水池模拟体连通的非能动余热排出热交换器以及相应管道和阀门。

7.根据权利要求6所述的开式自然循环试验系统，其特征在于，非能动余热排出热交换器侧壁上部和下部分别设有一次侧入口和一次侧出口，非能动余热排出热交换器顶部和底部分别设有热交换器二次侧出口和热交换器二次侧入口，热交换器二次侧出口通过相应管道与热交换器接管入水口连通，热交换器二次侧入口通过相应管道与热交换器接管出水口连通。

8.根据权利要求7所述的开式自然循环试验系统，其特征在于，热交换器二次侧出口与热交换器接管入水口连通的管道上安装有第四温度传感器、第四压力传感器和第四阀门，第四温度传感器测得参数为T4，第四压力传感器测得参数为P4；热交换器二次侧入口与热交换器接管出水口连通的管道上安装有第三流量计、第三阀门、第三温度传感器和第三压力传感器，第三流量计测得参数为F3，第三温度传感器测得参数为T3，第三压力传感器测得参数为P3；水池模拟体内安装有第二温度传感器和第二压力传感器，第二温度传感器测得参数为T2，第二压力传感器测得参数为P2；溢流接管上安装有第二流量计和第二阀门，第二流量计测得参数为F2；给水管路上安装有第一流量计、第一温度传感器、第一压力传感器和第一阀门，一流量计测得参数为F1，第一温度传感器测得参数为T1，第一压力传感器测得参数为P1。

9.一种权利要求8中所述的开式自然循环试验系统中水池模拟体内工质恒定常温的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)根据自然循环热交换功率，确保水池模拟体内水温升高速率小于设定值Tv(℃/h)的前提下，计算水池模拟体的容积和相关尺寸；

(2)根据给水温度和自然循环热交换功率，计算得到维持水池模拟体水温恒定的水置换流量，根据水置换流量计算出给水器侧壁散流孔的总流通面积，确保散流孔的水溢流平均流速低于设定值；

(3)根据水池模拟体的设计高度，确定给水器高度，根据计算得到的散流孔总面积、单个散流孔面积和给水器高度，确定散流孔数量和布置位置，根据上述计算结果完成水池模拟体和给水器的制造；

(4)开式自然循环试验启动之前，利用电热元件将模拟水池温度调节到试验需要的恒温状态T0；

(5)开式自然循环试验过程中，根据热交换器二次侧入口温度T3、热交换器二次侧出口温度T4、热交换器二次侧入口压力P3、热交换器二次侧出口压力P4和开式自然循环流量F3，计算出热交换功率P；

(6)试验过程中，以ΔT＝T2-T0作为判断控制系统运行的依据，若满足-ΔT0<ΔT＝T2-T0<ΔT0，则维持系统稳定运行；若不满足-ΔT0<ΔT＝T2-T0<ΔT0，则根据(P1，T1)、(P2，T0)、(P2，T2)三个状态参数点和热交换功率P，基于热平衡原理执行给水流量F0的计算，并依据F0自动调节第一阀门和第二阀门，将给水流量调节至(F0-ΔF，F0+ΔF)范围内，将溢流流量调节至(F0-ΔF，F0+ΔF)范围内；

(7)在开式自然循环试验过程中，维持水池模拟体温度T2维持在(T0-ΔT0，T0+ΔT0)范围内。

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