CN111524619B - 一种研究自然循环系统动态自反馈特性的实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究自然循环系统动态自反馈特性的实验装置和方法，可用于研究自然循环系统的复杂动态自反馈特性。通过根据自然循环系统中流体参数的变化规律特性，合理设置了温度、压力和流量测点，以及其简便和有效的方式实现了自然循环系统的复杂动态自反馈特性的研究。该方法简单可行，能够分析和研究自然循环系统动态自反馈特性，具有实质的优点和显著的进步。

Description

一种研究自然循环系统动态自反馈特性的实验装置和方法

技术领域

本发明涉及热工技术领域，具体涉及一种研究自然循环系统动态自反馈特性的实验装置和方法。

背景技术

自然循环系统是一种自组织的具有复杂动态反馈特性的系统。当自然循环系统结构确定后，堆芯热工水力参数的变化会导致热管段的流体温度、压力等产生发生变化，进而引起自燃循环系统的驱动力发生变化。自然循环系统驱动力增加或者降低后，自然循环流量随之出现增加或者降低。自然循环系统流量变化后，又会引起自燃循环系统的其它参数发生变化。比如自然循环系统流量增加会导致堆芯出口的流体温度下降，自然循环流速的增加会导致沿程阻力和局部阻力都增加，阻力的增加会引起自然循环流量降低。自然循环不需要泵、风机等能动设备提供动力，在核反应堆事故工况下，即便厂外电丧失，堆芯衰变热也可以通过自然循环导出。正是因为自然循环系统的这种复杂动态反馈特性，导致其在核反应堆的应用严重受限。因此非常有必要开展自然循环系统的复杂动态自反馈特性进行研究，摸索其特性规律，为自然循环在核反应堆中的深入应用提供支撑。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了解决上述问题的一种研究自然循环系统动态自反馈特性的实验装置和方法，可用于研究自然循环系统的复杂动态自反馈特性，为自然循环在核反应堆中的深入应用提供有效支撑。

本发明通过下述技术方案实现：

一种研究自然循环系统动态自反馈特性的实验装置，沿流体流动方向依次包括热源、冷源和流量调节装置；所述热源的输出端连接有温度上升管段，温度上升管段的另一端连接至上部水平管段；上部水平管段的另一端连接至温度下降管段；温度下降管段的另一端连接至下部水平管段；下部水平管段的另一端连接至热源入口管段；热源入口管段的另一端连接至热源的输出段；所述上部水平管段上设置冷源，下部水平管段上设置流量调节装置；所述热源上、温度上升管段上、温度下降管段上及热源入口管段上均设有温度测点；所述下部水平管段上还设有流量测量装置；所述温度上升管段的入口端设有压力测点。

进一步地，所述温度上升管段、上部水平管段、温度下降管段、下部水平管段及热源入口管段均为直管段。

进一步地，所述热源上沿流体流动方向上依次分布设置N个测温点，N为≥1的正整数；温度上升管段上沿流体流动方向上依次分布设置M个测温点，M为≥1的正整数；温度下降管段上沿流体流动方向上依次分布设置n个测温点，n为≥1的正整数；热源入口管段上沿流体流动方向上依次分布设置m个测温点，m为≥1的正整数。

进一步地，所述流量测量装置设置在流量调节装置的下游测。

进一步地，所述热源热源采用不锈钢管，所述不锈钢管通过直流电源对其进行加热。

进一步地，所述冷源的类型包括板式换热器、套管式换热器、翅片式换热器、热管换热器、交叉流换热器。

进一步地，所述流量调节装置的类型包括气动调节阀、电动调节阀或、手动调节阀。

一种自然循环系统动态自反馈特性的研究方法，采用上述的一种研究自然循环系统动态自反馈特性的实验装置，包括以下步骤：

步骤1，向实验装置中注水，在实验装置内构成自然循环系统；

步骤2，通过热源、冷源和流量调节装置将实验装置将自然循环系统的流体温度和流量参数调节至稳定状态；

步骤3，根据各段流体的温度和压力获得各段流体的密度；根据各段流体的温度、压力和质量流速以及实验装置各管的结构参数获得各段流体的摩擦阻力系数；

步骤4，依据步骤3的方法，分析热源功率扰动、冷源功率扰动以和/或流量扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性。

进一步地，所述步骤2中，通过热源调节温度上升管段内流体的温度；通过调节冷源的投入时间及冷却功率控制温度下降管段内流体的温度；通过流量调节装置控制实验装置内流体自然循环流量；保证设定时间以内自然循环系统的全部流体温度和流量参数的偏差不大于1％。

进一步地，所述步骤4操作方法包括以下步骤：

步骤4-1，热源功率扰动下的自然循环系统动态自反馈特性分析：通过按照一定的扰动幅值增加或减小热源的功率，实时记录各参数，采用步骤3中的方法实时分析自然循环系统特性，根据分析结果提取包括温度、压力、流量、驱动力、阻力在内的各参数，分析热源功率扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性；

步骤4-2，冷源功率扰动下的自然循环系统动态自反馈特性分析：通过按照一定的扰动幅值增加或减小冷源的功率，实时记录各参数，采用步骤3中的方法实时分析自然循环系统特性，根据分析结果提取包括温度、压力、流量、驱动力、阻力在内的参数，分析冷源功率扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性；

步骤4-3，流量扰动下的自然循环系统动态自反馈特性分析：通过按照一定的扰动幅值增加或减小流量调节装置的开度，实时记录各参数，采用步骤3中的方法实时分析自然循环系统特性，根据分析结果提取包括温度、压力、流量、驱动力、阻力在内的各参数，分析流量扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提供了一种可以分析和研究自然循环系统动态自反馈特性的实验装置和方法，可用于研究自然循环系统的复杂动态自反馈特性。通过根据自然循环系统中流体参数的变化规律特性，合理设置了温度、压力和流量测点，以及其简便和有效的方式实现了自然循环系统的复杂动态自反馈特性的研究。该方法简单可行，能够分析和研究自然循环系统动态自反馈特性，具有实质的优点和显著的进步。

本发明可以分析和研究自然循环系统动态自反馈特性，是自然循环系统热工水力特性的重要基础，研究成果已成功应用于动态自反馈条件下临界热流密度研究项目中；此外，本发明还可以用于自然循环系统的其他特性研究。

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为本发明的自然循环系统动态自反馈特性研究装置示意图；

图2为本发明的热源温度测点布置图；

图3为本发明的温度上升管段温度测点布置图；

图4为本发明的温度下降管段温度测点布置图；

图5为本发明的热源入口管段温度测点布置图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-热源，2-温度上升管段，2-温度上升管段，4-冷源，5-温度下降管段，6-下部水平管段，7-热源入口管段，8-流量调节装置，9-流量测量装置，10-测温点，11-压力测点。

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

本实施例提供了一种研究自然循环系统动态自反馈特性的实验装置，沿流体流动方向依次设置热源1、冷源4和流量调节装置8；热源1的输出端连接有温度上升管段2，温度上升管段2的另一端连接至上部水平管段3；上部水平管段3的另一端连接至温度下降管段5；温度下降管段5的另一端连接至下部水平管段6；下部水平管段6的另一端连接至热源入口管段7；热源入口管段7的另一端连接至热源1的输出段；温度上升管段2、上部水平管段3、温度下降管段5、下部水平管段6及热源入口管段7均为直管段，且围成封闭的长方形管路。

各测温、测压分布如下：

(1)上部水平管段3上设置冷源4，下部水平管段6上设置流量调节装置8，自然循环系统中，自然循环流量的变化范围非常大，从十几kg/m²s到几百kg/m²s；位于流量调节装置8下游测的下部水平管段6上设置流量测量装置9，流量测量装置9采用专门设计的宽量程、低流量文丘里流量计；

(2)温度上升管段2的入口端设有压力测点11；

(3)热源1上沿流体流动方向上依次分布设置10个测温点10，如图2所示；温度上升管段2上沿流体流动方向上依次分布设置7个测温点10，如图3所示；温度下降管段5上沿流体流动方向上依次分布设置3个测温点10，如图4所示；热源入口管段7上沿流体流动方向上分布设置1个测温点10，如图5所示。

热源1热源采用不锈钢管，所述不锈钢管通过直流电源对其进行加热；冷源4采用常规的套管式换热器；流量调节装置8采用常规的电动调节阀。

实施例2

本实施例提供了一种自然循环系统动态自反馈特性的研究方法，采用实施例1提供的一种研究自然循环系统动态自反馈特性的实验装置，具体步骤如下所示：

步骤1，向实验装置中注水，在实验装置内构成自然循环系统；

步骤2，通过热源1、冷源4和流量调节装置8将实验装置将自然循环系统的流体温度和流量参数调节至稳定状态；具体地，通过热源1调节温度上升管段2内流体的温度；通过调节冷源4的投入时间及冷却功率控制温度下降管段5内流体的温度；通过流量调节装置8控制实验装置内流体自然循环流量；保证设定时间以内自然循环系统的全部流体温度和流量参数的偏差不大于1％。

步骤3，根据各段流体的温度和压力获得各段流体的密度；根据各段流体的温度、压力和质量流速以及实验装置各管的结构参数获得各段流体的摩擦阻力系数；

具体地，获得的自然循环系统特性如下式所示：

其中，热源的长度为L₁、截面积为A₁、内径为d₁；温度上升管段的长度为L₂、截面积为A₂、内径为d₂；上部水平管段的长度为L₃、截面积为A₃、内径为d₃；温度下降段的长度为L₅、截面积为A₅、内径为d₅；下部水平管段的长度为L₆、截面积为A₆、内径为d₆；热源入口管段的长度为L₇、截面积为A、内径为d₇；

P为压力测点获得的自然循环系统的压力；

G为自然训话那系统的质量流速；

K₄、K₈和K₉分别为冷源、流量调节装置和流量测量装置的总阻力系数；

T₁₁～T₁₁₀为热源上各温度测点获得的各段流体的温度；

T₂₁～T₂₇为温度上升管段上各温度测点获得的各段流体的温度；

T₃₁～T₃₃为温度下降管段上各温度测点获得的各段流体的温度；

T₄₁为热源入口管段上各温度测点获得的各段流体的温度；

根据各段流体的温度和压力可以获得各段流体的密度ρ₁₁～ρ₁₁₀、ρ₂₁～ρ₂₇、ρ₃₁～ρ₃₃和ρ₄₁。根据各段流体的温度、压力和质量流速获得各段流体的摩擦阻力系数f₁₁～f ₁₁₀、f ₂₁～f ₂₇、f ₃₁～f ₃₃和f ₄₁。

步骤4，依据步骤3的方法，分析热源功率扰动、冷源功率扰动以和/或流量扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性，操作方法如下所示：

步骤4-1，热源功率扰动下的自然循环系统动态自反馈特性分析：通过按照一定的扰动幅值增加或减小热源的功率，实时记录各参数，采用步骤3中的方法实时分析自然循环系统特性，根据分析结果提取包括温度、压力、流量、驱动力、阻力在内的各参数，分析热源功率扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性；

步骤4-2，冷源功率扰动下的自然循环系统动态自反馈特性分析：通过按照一定的扰动幅值增加或减小冷源的功率，实时记录各参数，采用步骤3中的方法实时分析自然循环系统特性，根据分析结果提取包括温度、压力、流量、驱动力、阻力在内的参数，分析冷源功率扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性；

步骤4-3，流量扰动下的自然循环系统动态自反馈特性分析：通过按照一定的扰动幅值增加或减小流量调节装置的开度，实时记录各参数，采用步骤3中的方法实时分析自然循环系统特性，根据分析结果提取包括温度、压力、流量、驱动力、阻力在内的各参数，分析流量扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性。

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 (9)

1.一种自然循环系统动态自反馈特性的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，向实验装置中注水，在实验装置内构成自然循环系统；

步骤2，通过热源（1）、冷源（4）和流量调节装置（8）将实验装置的流体温度和流量参数调节至稳定状态；

步骤3，根据各段流体的温度和压力获得各段流体的密度ρ₁₁～ρ₁₁₀、ρ₂₁～ρ₂₇、ρ₃₁～ρ₃₃和ρ₄₁；根据各段流体的温度、压力和质量流速以及实验装置各管的结构参数获得各段流体的摩擦阻力系数f ₁₁～f ₁₁₀、f ₂₁～f ₂₇、f ₃₁～f ₃₃和f ₄₁；

自然循环系统特性如下式所示：

其中，热源的长度为L₁、截面积为A₁、内径为d₁；温度上升管段的长度为L₂、截面积为A₂、内径为d₂；上部水平管段的长度为L₃、截面积为A₃、内径为d₃；温度下降管段的长度为L₅、截面积为A₅、内径为d₅；下部水平管段的长度为L₆、截面积为A₆、内径为d₆；热源入口管段的长度为L₇、截面积为A_7、内径为d₇；

P为压力测点获得的自然循环系统的压力；

G为自然循环系统的质量流速；

K₄、K₈和K₉分别为冷源、流量调节装置和流量测量装置的总阻力系数；

T₁₁～T₁₁₀为热源上各温度测点获得的各段流体的温度；

T₂₁～T₂₇为温度上升管段上各温度测点获得的各段流体的温度；

T₃₁～T₃₃为温度下降管段上各温度测点获得的各段流体的温度；

T₄₁为热源入口管段上各温度测点获得的各段流体的温度；

根据自然循环系统特性计算公式，计算获得自然循环系统的阻力和驱动力；

步骤4，热源功率扰动、冷源功率扰动和/或流量扰动条件下，通过按照一定的扰动幅值增加或减小相应的热源功率、冷源功率和/或流量调节装置的开度，实时记录各参数，基于步骤3的分析方法实时分析自然循环系统特性，根据分析结果提取包括温度、压力、流量、驱动力、阻力在内的各参数，分析热源功率扰动、冷源功率扰动和/或流量扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性；

采用以下实验装置进行试验：沿流体流动方向依次包括热源（1）、冷源（4）和流量调节装置（8）；

所述热源（1）的输出端连接有温度上升管段（2），温度上升管段（2）的另一端连接至上部水平管段（3）；上部水平管段（3）的另一端连接至温度下降管段（5）；温度下降管段（5）的另一端连接至下部水平管段（6）；下部水平管段（6）的另一端连接至热源入口管段（7）；热源入口管段（7）的另一端连接至热源（1）的输入端；

所述上部水平管段（3）上设置冷源（4），下部水平管段（6）上设置流量调节装置（8）；

所述热源（1）上、温度上升管段（2）上、温度下降管段（5）上及热源入口管段（7）上均设有温度测点（10）；所述下部水平管段（6）上还设有流量测量装置（9）；所述温度上升管段（2）的入口端设有压力测点（11）。

2.根据权利要求1所述的一种自然循环系统动态自反馈特性的研究方法，其特征在于，所述温度上升管段（2）、上部水平管段（3）、温度下降管段（5）、下部水平管段（6）及热源入口管段（7）均为直管段。

3.根据权利要求1或2所述的一种自然循环系统动态自反馈特性的研究方法，其特征在于，所述热源（1）上沿流体流动方向上依次分布设置N个测温点（10），N为≥1的正整数；温度上升管段（2）上沿流体流动方向上依次分布设置M个测温点（10），M为≥1的正整数；温度下降管段（5）上沿流体流动方向上依次分布设置n个测温点（10），n为≥1的正整数；热源入口管段（7）上沿流体流动方向上依次分布设置m个测温点（10），m为≥1的正整数。

4.根据权利要求1所述的一种自然循环系统动态自反馈特性的研究方法，其特征在于，所述流量测量装置（9）设置在流量调节装置（8）的下游测。

5.根据权利要求1所述的一种自然循环系统动态自反馈特性的研究方法，其特征在于，所述热源（1）采用不锈钢管，所述不锈钢管通过直流电源对其进行加热。

6.根据权利要求1所述的一种自然循环系统动态自反馈特性的研究方法，其特征在于，所述冷源（4）的类型包括板式换热器、套管式换热器、翅片式换热器、热管换热器、交叉流换热器。

7.根据权利要求1所述的一种自然循环系统动态自反馈特性的研究方法，其特征在于，所述流量调节装置（8）的类型包括气动调节阀、电动调节阀或手动调节阀。

8.根据权利要求1所述的一种自然循环系统动态自反馈特性的研究方法，其特征在于，所述步骤2中，通过热源（1）调节温度上升管段（2）内流体的温度；通过调节冷源（4）的投入时间及冷却功率控制温度下降管段（5）内流体的温度；通过流量调节装置（8）控制实验装置内流体自然循环流量；保证设定时间以内自然循环系统的全部流体温度和流量参数的偏差不大于1%。

9.根据权利要求1或8所述的一种自然循环系统动态自反馈特性的研究方法，其特征在于，所述步骤4操作方法包括以下步骤：

步骤4-1，热源功率扰动下的自然循环系统动态自反馈特性分析：通过按照一定的扰动幅值增加或减小热源的功率，实时记录各参数，采用步骤3中的方法实时分析自然循环系统特性，根据分析结果提取包括温度、压力、流量、驱动力、阻力在内的各参数，分析热源功率扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性；

步骤4-2，冷源功率扰动下的自然循环系统动态自反馈特性分析：通过按照一定的扰动幅值增加或减小冷源的功率，实时记录各参数，采用步骤3中的方法实时分析自然循环系统特性，根据分析结果提取包括温度、压力、流量、驱动力、阻力在内的参数，分析冷源功率扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性；

步骤4-3，流量扰动下的自然循环系统动态自反馈特性分析：通过按照一定的扰动幅值增加或减小流量调节装置的开度，实时记录各参数，采用步骤3中的方法实时分析自然循环系统特性，根据分析结果提取包括温度、压力、流量、驱动力、阻力在内的各参数，分析流量扰动条件下的自然循环系统动态自反馈特性。

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