CN111276268A - 研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置及方法，该装置包括反应容器、注射段、高温高压水容器、储铅罐、氩气缓冲罐、真空系统和其它辅助系统，具体模拟和研究铅基堆蒸发器二回路的高压过冷水喷入一回路铅合金并快速汽化，造成一回路压力突增的热工水力学现象；整个实验装置通过灵活布置反应容器内的测温点、测压点，灵活向高温高压水容器内注入不同压力的氩气和不同容量的水，灵活变更注射段的注射套管结构和黄铜帽划痕深度，开展各种不同水侧压力、不同破口注射高度和方向的实验工况测量，增加整个实验装置的灵活性和可靠性。

Description

研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置 及方法

技术领域

本发明涉及水和液态金属两相流相互作用领域，具体涉及一种研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置及方法。

背景技术

铅基反应堆是指以液态金属铅或铅秘合金(统称铅基材料)为冷却剂的一类反应堆。铅基反应堆的蒸汽发生器传热管破裂事故，是蒸汽发生器传热管破裂工况下，二回路高压水汽化并伴随一回路冷却剂的流动进入堆芯的事故过程。

在铅基堆蒸发器传热管破裂事故的事故过程中，需要着重注意的一个事故现象是，由于二回路高压水迅速进入一回路气化，导致的一回路蒸发器内部压力的急剧上升和温度的显著波动，这是该事故过程中的主要热工水力特性。

为研究上述热工水力特性，需要设计模拟事故过程的实验装置，主要的设计思路为：通过一个含铅合金的压力容器模拟一回路蒸发器的铅合金工作环境；通过一个高温高压水容器模拟二回路的高压水工作环境；通过在二者间引入一个有注射口的注射段模拟传热管破裂的破口，引入一个可控制开闭的高压高温水电动阀门模拟高压水通过传热管破口的喷放。通过注射段的设计和控制高压高温水电动阀门的开闭，并在压力容器内部布置压力和温度测点，可实现高压水向压力容器内部喷放的过程和过程中的压力、温度测量，以模拟和研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故造成的高压水在蒸发器内部铅合金环境中的射流现象和射流过程的热工水力特性研究。

针对上述研究思路，现有的国内外研究方案的主要弊端为：1)高压水喷放注射的位置，大多采用从压力容器上端的固定位置或下端的固定位置，垂直向下或向上进行高压水注射，无法实现高压水注射位置、注射方向、注射角度的灵活改变；2)无法对注射段进行便捷的更换，也即无法针对注射段的注射口直径，灵活设置更广阔、更符合工程实际的铅合金温度和高压水压力的研究工况，同时也无法解决持续实验造成的铅合金对注射段的磨蚀问题。这些设计弊端严重影响了实验研究的灵活性、实验工况的丰富性、防止铅合金的磨蚀等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置及方法，通过向装有高温静态铅合金的压力容器中，注入不同压力、温度的高压射流水，通过高压高温水电动阀门控制高压射流水的注射时长，并通过高频数据采集系统采集压力和温度数据，以获得在各个不同压力、温度的高压水射流工况下，高压水对反应容器内铅合金温度、压力的改变大小和变化速度。本实验可以充分考虑和研究反应容器内不同的水蒸气预留空间、高压水注射量、注射水温度、注射水压力，和高压水注射位置、注射方向、注射角度、注射口直径等多个因素对实验结果产生的不同影响。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置，包括反应容器101、注射段201、高温高压水容器301、储铅罐401、氩气缓冲罐501和真空系统601构成的实验回路。其中，反应容器101为模拟一回路蒸发器铅合金工作环境的压力容器，包含的装置有：液位探针102、排气阀103、泄压阀104、热电偶布置架105、反应容器壁面106、耐高温热电偶107和耐高温应变仪108；注射段201为模拟传热管破裂的破口的实验装置，包含的装置有：注射套管202、划痕203和黄铜帽204；高温高压水容器301为模拟二回路高压水工作环境的压力容器，包含的装置有：液位测量装置302、高温高压水容器压力表303、高温高压水容器放气阀304、高压高温水电动阀门305和高温高压质量流量计306；储铅罐401为储藏和加热铅合金的容器，内部插有若干根电加热棒和热电偶，包含的装置有：耐高温铅合金阀门402、储铅罐压力表403、储铅罐放气阀404和储铅罐液位探针405；氩气缓冲罐501为向实验回路提供氩气保护和加压的容器装置；真空系统601为给实验回路抽真空的实验装置。

所述反应容器101为液态铅合金和高压水反应的承压容器，其上端采用法兰盖连接，并布置有反应容器液位探针102、排气阀103和泄压阀104；反应容器101内部布置有热电偶布置架105，热电偶布置架105上布置有若干耐高温热电偶107，用来测量反应容器内温度场；在反应容器壁面106的不同高度、不同方向上布置有若干耐高温应变仪108，用来测量高压水注入对反应容器壁面造成的压力冲击，同时监控反应容器内的压力不超过反应容器能够承受的设计值。

所述注射段201为向反应容器101内部喷射高压水的喷口装置，注射段201焊接在反应容器101底部；注射套管202和注射段201由螺纹连接；注射套管202顶部的注射口采用可更换的一次性黄铜帽204进行封堵；黄铜帽上均匀加工一圈划痕203，划痕203根据实验工况不同加工不同的划痕深度；注水时，高压水从注射段201下端自下而上喷出，从黄铜帽204的划痕203处冲破黄铜帽，喷入反应容器101内；更改划痕203的划痕深度能够改变高压水冲破黄铜帽204所需的压力，更换不同长度、不同形状结构的注射套管202实现注射口高度、注射方向的改变；每个实验工况完成后，需将反应容器101卸压、排铅、开盖，并更换新的黄铜帽204。

所述高温高压水容器301连通注射段201，为将水加热加压至不同温度、压力的承压容器，内部插有若干根电加热棒和热电偶；高压水容器上布置有液位测量装置302、高温高压水容器压力表303和高温高压水容器放气阀304；高压水容器末端管道上连接有高压高温水电动阀门305和高温高压质量流量计306，实现高压水注射的快速开闭和质量流量测量。

所述储铅罐401上布置储铅罐压力表403、储铅罐放气阀404和储铅罐液位探针405；储铅罐401出口连通反应容器101的液态铅合金入口，铅合金出口段管道上连接有耐高温铅合金阀门402，用来控制铅合金向反应容器101内部的流动。

所述氩气缓冲罐501后端连接有氩气瓶502；氩气缓冲罐501与反应容器101相连通，用来提供反应容器顶部的氩气缓冲空间和实验后的排铅、净化残留水蒸气作用；氩气缓冲罐501与高温高压水容器301相连通，用来提供实验所需的高压水压力；与储铅罐401相连通，用来提供将液态铅合金打入反应容器101所需的压力。

所述真空系统601后端连接有真空阀602；此外，真空系统601还用来在实验前将注射段201抽真空，防止注射时的高压水将注射段201内的残留氩气冲进反应容器101中，影响实验数据的精确性。

所述实验回路与数据采集系统和配电系统进行连接，负责实验的正常运行及相关参数的监测；其中数据采集系统采用高频数据采集设备，其一端与耐高温热电偶107和耐高温应变仪108连接，另一端与控制台连接，通过编写Labview软件界面，将每个耐高温热电偶107、耐高温应变仪108的测点数据实时传递到控制台上进行记录，以实现在高压水向反应容器101内部注射的实验期间，耐高温热电偶107和耐高温应变仪108所检测到的实时高频数据的采集和记录工作。

所述热电偶布置架105沿高度方向上共4层，每层均匀布置若干耐高温热电偶107。

所述的一种研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置，在实验前，1)通过储铅罐401将铅合金加热至实验所需温度；2)通过真空系统601将实验回路抽真空，并通过氩气缓冲罐501给实验回路通氩气净化实验回路；3)将铅合金打入反应容器101中并在反应容器101顶部的氩气缓冲空间打入氩气；4)将高温高压水容器301中的水加热加压至实验所需温度和压力；5)通过真空系统601将注射段201抽真空。在实验时，打开高压高温水电动阀门305，并通过开闭高压高温水电动阀门305来控制高压水的注射时长，使高压水流经注射段201并喷开黄铜帽204上的划痕203，注射进反应容器101中，同时通过耐高温热电偶107和耐高温应变仪108读取实验期间反应容器内的温度、压力，和高温高压质量流量计306中水的实时流量；并通过高频数据采集系统采集压力和温度数据，以获得在各个不同压力、温度的高压水射流工况下，高压水对反应容器内铅合金温度、压力的改变大小和变化速度。在实验完成后，1)关闭高压高温水电动阀门305，并对反应容器101卸压、通氩气；2)在排净反应容器101、注射段201、注射管道内的残留水蒸气后，将铅合金打回储铅罐401中；3)反应容器101开盖，更换新的黄铜帽204，并准备开展下一组实验。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、注射段的注射套管可更换设计，大大增加了注射端口位置的灵活性，通过改变注射套管的长度、方向等，可以灵活选取所需的注射端口位置；

2、注射段的黄铜帽可更换设计，简化了注射口随着实验持续进行而造成的老化和磨蚀问题，降低了每次注入的高压水冲破注射口时的压力误差；

3、反应容器内的测点布置在热电偶布置架上，测点布置更加灵活，且后期可在热电偶布置架上安装模拟传热管的管束等实验装置，并布置应力应变仪，开展压力波传递及对周围传热管的破损传播效应实验，增加实验系统的功用。

总之，此实验回路及实验装置能够完成不同工况下的铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性研究，整个实验经济高效，安全可靠，可重复利用性强，使液态铅合金蒸发器传热管破裂事故的精确实验现象测量和研究成为可能。

附图说明

图1为实验回路系统图。

图2为反应容器内部布置结构主视图。

图3为反应容器内部布置结构俯视图。

图4为注射段与注射喷口结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：

如图1所示，一种研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置，包括反应容器101、注射段201、高温高压水容器301、储铅罐401、氩气缓冲罐501和真空系统601构成的实验回路。其中，反应容器101为模拟一回路蒸发器铅合金工作环境的压力容器，包含的装置有：液位探针102、排气阀103、泄压阀104、热电偶布置架105、反应容器壁面106、耐高温热电偶107和耐高温应变仪108；注射段201为模拟传热管破裂的破口的实验装置，包含的装置有：注射套管202、划痕203和黄铜帽204；高温高压水容器301为模拟二回路高压水工作环境的压力容器，包含的装置有：液位测量装置302、高温高压水容器压力表303、高温高压水容器放气阀304、高压高温水电动阀门305和高温高压质量流量计306；储铅罐401为储藏和加热铅合金的容器，内部插有若干根电加热棒和热电偶，包含的装置有：耐高温铅合金阀门402、储铅罐压力表403、储铅罐放气阀404和储铅罐液位探针405；氩气缓冲罐501为向实验回路提供氩气保护和加压的容器装置；真空系统601为给实验回路抽真空的实验装置。

如图2和图3所示，所述反应容器101为液态铅合金和高压水反应的承压容器，其上端采用法兰盖连接，并布置有反应容器液位探针102、排气阀103和泄压阀104；反应容器101内部布置有热电偶布置架105，热电偶布置架105上布置有若干耐高温热电偶107，用来测量反应容器内温度场；在反应容器壁面106的不同高度、不同方向上布置有若干耐高温应变仪108，用来测量高压水注入对反应容器壁面造成的压力冲击，同时监控反应容器内的压力不超过反应容器能够承受的设计值。

如图4所示，所述注射段201为向反应容器101内部喷射高压水的喷口装置，注射段201焊接在反应容器101底部；注射套管202和注射段201由螺纹连接；注射套管202顶部的注射口采用可更换的一次性黄铜帽204进行封堵；黄铜帽上均匀加工一圈划痕203，划痕203根据实验工况不同加工不同的划痕深度；注水时，高压水从注射段201下端自下而上喷出，从黄铜帽204的划痕203处冲破黄铜帽，喷入反应容器101内；更改划痕203的划痕深度能够改变高压水冲破黄铜帽204所需的压力，更换不同长度、不同形状结构的注射套管202实现注射口高度、注射方向的改变；每个实验工况完成后，需将反应容器101卸压、排铅、开盖，并更换新的黄铜帽204。

所述高温高压水容器301连通注射段201，为将水加热加压至不同温度、压力的承压容器，内部插有若干根电加热棒和热电偶；高压水容器上布置有液位测量装置302、高温高压水容器压力表303和高温高压水容器放气阀304；高压水容器末端管道上连接有高压高温水电动阀门305和高温高压质量流量计306，实现高压水注射的快速开闭和质量流量测量。

所述储铅罐401为储藏和加热铅合金的容器，内部插有若干根电加热棒和热电偶；储铅罐401上布置储铅罐压力表403、储铅罐放气阀404和储铅罐液位探针405；储铅罐401出口连通反应容器101的液态铅合金入口，铅合金出口段管道上连接有耐高温铅合金阀门402，用来控制铅合金向反应容器101内部的流动。

所述氩气缓冲罐501为向实验回路提供氩气保护和加压的容器装置，其后端连接有氩气瓶502；氩气缓冲罐501与反应容器101相连通，用来提供反应容器顶部的氩气缓冲空间和实验后的排铅、净化残留水蒸气作用；氩气缓冲罐501与高温高压水容器301相连通，用来提供实验所需的高压水压力；与储铅罐401相连通，用来提供将液态铅合金打入反应容器101所需的压力。

所述真空系统601为给实验回路抽真空的实验装置，其后端连接有真空阀602；此外，真空系统601还用来在实验前将注射段201抽真空，防止注射时的高压水将注射段201内的残留氩气冲进反应容器101中，影响实验数据的精确性。

所述实验回路与数据采集系统、配电系统等进行连接，负责实验的正常运行及相关参数的监测。其中数据采集系统采用高频数据采集设备，其一端与耐高温热电偶107和耐高温应变仪108连接，另一端与控制台连接，通过编写Labview软件界面，将每个耐高温热电偶107、耐高温应变仪108的测点数据实时传递到控制台上进行记录，以实现在高压水向反应容器101内部注射的实验期间，耐高温热电偶107和耐高温应变仪108所检测到的实时高频数据的采集和记录工作。

作为本发明的优选实施方式，所述热电偶布置架105沿高度方向上共4层，每层均匀布置若干耐高温热电偶107。

所述的一种研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置，在实验前，1)通过储铅罐401将铅合金加热至实验所需温度；2)通过真空系统601将实验回路抽真空，并通过氩气缓冲罐501给实验回路通氩气净化实验回路；3)将铅合金打入反应容器101中并在反应容器101顶部的氩气缓冲空间打入氩气；4)将高温高压水容器301中的水加热加压至实验所需温度和压力；5)通过真空系统601将注射段201抽真空。在实验时，打开高压高温水电动阀门305，并通过开闭高压高温水电动阀门305来控制高压水的注射时长，使高压水流经注射段201并喷开黄铜帽204上的划痕203，注射进反应容器101中，同时通过耐高温热电偶107和耐高温应变仪108读取实验期间反应容器内的温度、压力，和高温高压质量流量计306中水的实时流量；并通过高频数据采集系统采集压力和温度数据，以获得在各个不同压力、温度的高压水射流工况下，高压水对反应容器内铅合金温度、压力的改变大小和变化速度。在实验完成后，1)关闭高压高温水电动阀门305，并对反应容器101卸压、通氩气；2)在排净反应容器101、注射段201、注射管道内的残留水蒸气后，将铅合金打回储铅罐401中；3)反应容器101开盖，更换新的黄铜帽204，并准备开展下一组实验。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置，其特征在于：包括反应容器(101)、注射段(201)、高温高压水容器(301)、储铅罐(401)、氩气缓冲罐(501)和真空系统(601)构成的实验回路；其中，反应容器(101)为模拟一回路蒸发器铅合金工作环境的压力容器，包含的装置有：液位探针(102)、排气阀(103)、泄压阀(104)、热电偶布置架(105)、反应容器壁面(106)、耐高温热电偶(107)和耐高温应变仪(108)；注射段(201)为模拟传热管破裂的破口的实验装置，包含的装置有：注射套管(202)、划痕(203)和黄铜帽(204)；高温高压水容器(301)为模拟二回路高压水工作环境的压力容器，包含的装置有：液位测量装置(302)、高温高压水容器压力表(303)、高温高压水容器放气阀(304)、高压高温水电动阀门(305)和高温高压质量流量计(306)；储铅罐(401)为储藏和加热铅合金的容器，内部插有若干根电加热棒和热电偶，包含的装置有：耐高温铅合金阀门(402)、储铅罐压力表(403)、储铅罐放气阀(404)和储铅罐液位探针(405)；氩气缓冲罐(501)为向实验回路提供氩气保护和加压的容器装置；真空系统(601)为给实验回路抽真空的实验装置；

所述反应容器(101)为液态铅合金和高压水反应的承压容器，其上端采用法兰盖连接，并布置有反应容器液位探针(102)、排气阀(103)和泄压阀(104)；反应容器(101)内部布置有热电偶布置架(105)，热电偶布置架(105)上布置有若干耐高温热电偶(107)，用来测量反应容器内温度场；在反应容器壁面(106)的不同高度、不同方向上布置有若干耐高温应变仪(108)，用来测量高压水注入对反应容器壁面造成的压力冲击，同时监控反应容器内的压力不超过反应容器能够承受的设计值；

所述注射段(201)为向反应容器(101)内部喷射高压水的喷口装置，注射段(201)焊接在反应容器(101)底部；注射套管(202)和注射段(201)由螺纹连接；注射套管(202)顶部的注射口采用可更换的一次性黄铜帽(204)进行封堵；黄铜帽上均匀加工一圈划痕(203)，划痕(203)根据实验工况不同加工不同的划痕深度；注水时，高压水从注射段(201)下端自下而上喷出，从黄铜帽(204)的划痕(203)处冲破黄铜帽，喷入反应容器(101)内；更改划痕(203)的划痕深度能够改变高压水冲破黄铜帽(204)所需的压力，更换不同长度、不同形状结构的注射套管(202)实现注射口高度、注射方向的改变；每个实验工况完成后，需将反应容器(101)卸压、排铅、开盖，并更换新的黄铜帽(204)；

所述高温高压水容器(301)连通注射段(201)，为将水加热加压至不同温度、压力的承压容器，内部插有若干根电加热棒和热电偶；高压水容器上布置有液位测量装置(302)、高温高压水容器压力表(303)和高温高压水容器放气阀(304)；高压水容器末端管道上连接有高压高温水电动阀门(305)和高温高压质量流量计(306)，实现高压水注射的快速开闭和质量流量测量；

所述储铅罐(401)上布置储铅罐压力表(403)、储铅罐放气阀(404)和储铅罐液位探针(405)；储铅罐(401)出口连通反应容器(101)的液态铅合金入口，铅合金出口段管道上连接有耐高温铅合金阀门(402)，用来控制铅合金向反应容器(101)内部的流动；

所述氩气缓冲罐(501)后端连接有氩气瓶(502)；氩气缓冲罐(501)与反应容器(101)相连通，用来提供反应容器顶部的氩气缓冲空间和实验后的排铅、净化残留水蒸气作用；氩气缓冲罐(501)与高温高压水容器(301)相连通，用来提供实验所需的高压水压力；与储铅罐(401)相连通，用来提供将液态铅合金打入反应容器(101)所需的压力；

所述真空系统(601)后端连接有真空阀(602)；此外，真空系统(601)还用来在实验前将注射段(201)抽真空，防止注射时的高压水将注射段(201)内的残留氩气冲进反应容器(101)中，影响实验数据的精确性。

2.根据权利要求1所述的一种研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置，其特征在于：所述实验回路与数据采集系统和配电系统进行连接，负责实验的正常运行及相关参数的监测；其中数据采集系统采用高频数据采集设备，其一端与耐高温热电偶(107)和耐高温应变仪(108)连接，另一端与控制台连接，将每个耐高温热电偶(107)和耐高温应变仪(108)的测点数据实时传递到控制台上进行记录，以实现在高压水向反应容器(101)内部注射的实验期间，耐高温热电偶(107)和耐高温应变仪(108)所检测到的实时高频数据的采集和记录工作。

3.根据权利要求1所述的一种研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置，其特征在于：所述热电偶布置架(105)沿高度方向上共4层，每层均匀布置若干耐高温热电偶(107)。

4.权利要求1至3任一项所述的一种研究铅基堆蒸发器传热管破裂事故热工水力特性的实验装置的实验方法，其特征在于：在实验前，1)通过储铅罐(401)将铅合金加热至实验所需温度；2)通过真空系统(601)将实验回路抽真空，并通过氩气缓冲罐(501)给实验回路通氩气净化实验回路；3)将铅合金打入反应容器(101)中并在反应容器(101)顶部的氩气缓冲空间打入氩气；4)将高温高压水容器(301)中的水加热加压至实验所需温度和压力；5)通过真空系统(601)将注射段(201)抽真空；

在实验时，打开高压高温水电动阀门(305)，并通过开闭高压高温水电动阀门(305)来控制高压水的注射时长，使高压水流经注射段(201)并喷开黄铜帽(204)上的划痕(203)，注射进反应容器(101)中，同时通过耐高温热电偶(107)和耐高温应变仪(108)读取实验期间反应容器内的温度、压力，和高温高压质量流量计(306)中水的实时流量；并通过高频数据采集系统采集压力和温度数据，以获得在各个不同压力、温度的高压水射流工况下，高压水对反应容器内铅合金温度、压力的改变大小和变化速度；

在实验完成后，1)关闭高压高温水电动阀门(305)，并对反应容器(101)卸压、通氩气；2)在排净反应容器(101)、注射段(201)、注射管道内的残留水蒸气后，将铅合金打回储铅罐(401)中；3)反应容器(101)开盖，更换新的黄铜帽(204)，并准备开展下一组实验。

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