CN111933318B - 一种模拟弹棒试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟弹棒试验装置及方法，属于核电站技术领域，包括：模拟试验段，包括压力容器和设置在压力容器顶部的泄放阀，压力容器内部设有提供驱动杆进行往复运动的容置空间。高压稳压系统，其连接压力容器，用于在开启泄放阀之前升高压力容器内部的压力，在开启泄放阀后控制压力容器内部的压力下降速度，以及用于采集并输出压力容器内的实时压力数据。棒位测量系统，其设置在压力容器外部，用于测量驱动杆在压力容器内的位移数据，并输出该位移数据。本发明的有益效果：能够测试压力边界发生破口事故时，控制棒的驱动杆在压力容器内的位移与时间关系曲线。

Description

一种模拟弹棒试验装置及方法
技术领域
本发明涉及核电站技术领域，尤其涉及一种模拟弹棒试验装置及方法。
背景技术
核电站是指通过适当的装置将核能转变成电能的设施。核电站以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，使核能转变成热能来加热水产生蒸汽。核反应堆的原料是由二氧化铀陶瓷芯块和锆合金材料包壳组成的核燃料棒，实际应用时需要将若干核燃料棒组合在一起构成核燃料组件使用。
反应堆正常运行时，由控制棒驱动机构完成控制棒组件在堆芯内的提升与下落，实现反应性控制。在紧急停堆或失去外电源时，控制棒依靠重力落入堆芯，确保安全停堆。控制棒驱动机构的承压外壳是反应堆的承压边界，事故工况下，承压外壳有可能破裂，一回路的高压冷却剂会将控制棒冲出反应区，发生弹棒事故，使反应性增加，造成堆芯融化，因此要采取有效手段防止弹棒事故的发生。
目前缺乏针对承压外壳发生破口事件时对控制棒驱动杆在压力容器内部的位移和时间关系进行测试的模拟弹棒试验装置及方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开一种模拟弹棒试验装置及方法，测试压力边界发生破口事故时，控制棒的驱动杆在压力容器内的位移与时间关系曲线。
本发明采用如下技术方案：
一种模拟弹棒试验装置，包括：
模拟试验段，包括压力容器和设置在压力容器顶部的泄放阀，压力容器内部设有提供驱动杆进行往复运动的容置空间；
高压稳压系统，其连接压力容器，用于在开启泄放阀之前升高压力容器内部的压力，在开启泄放阀后控制压力容器内部的压力下降速度，以及用于采集并输出压力容器内的实时压力数据；
棒位测量系统，其设置在压力容器外部，用于测量驱动杆在压力容器内的位移数据，并输出该位移数据。
优选的，所述模拟弹棒试验装置还包括：
控制系统，其连接泄放阀、棒位测量系统和高压稳压系统，用于接收实时压力数据和位移数据，控制系统根据实时压力数据控制高压稳压系统的升压和稳压，并根据实时压力数据控制泄放阀的启闭，控制系统还用于根据实时压力数据处理得到压力-时间关系数据，根据位移数据处理得到位移-时间关系数据。
优选的，所述模拟试验段包括相互连通的第一容器和第二容器，第一容器位于第二容器的上方，泄放阀设置在第一容器的顶部，第一容器的直径小于第二容器的直径；
驱动杆具有较小直径的一末端设置于第一容器内，驱动杆具有较大直径的另一末端设置于第二容器内。
优选的，驱动杆为金属材质；
所述棒位测量系统包括棒位测量线圈和连接棒位测量线圈的棒位采集处理装置，棒位测量线圈设置在容置空间外侧，驱动杆在容置空间内移动时与外侧的棒位测量线圈产生相对位移，棒位采集处理装置根据相对位移产生的感应电动势处理得到位移数据，并输出该位移数据。
优选的，高压稳压系统包括高压稳压管路和设置在高压稳压管路上的压力调节组件，所述压力容器连接在高压稳压管路上。
优选的，高压稳压管路一端用于接入水源，另一端安装安全泄放阀。
本发明还公开一种模拟弹棒试验方法，基于上述模拟弹棒试装置；所述模拟弹棒试验方法包括：
利用高压稳压系统对模拟试验段中的压力容器进行升压操作以升高压力容器内部的压力；
开启压力容器顶部的泄放阀以对压力容器内部的压力进行泄放；
开启泄放阀后，利用高压稳压系统对压力容器进行稳压操作以控制压力容器内部的压力下降速度，利用设置在压力容器外部的棒位测量系统测量驱动杆在压力容器内的位移数据，并输出该位移数据；
利用高压稳压系统采集泄放阀开启前后压力容器内的实时压力数据，并输出该实时压力数据。
优选的，所述模拟弹棒试验方法还包括：
根据实时压力数据控制高压稳压系统的升压操作和稳压操作，并根据实时压力数据控制泄放阀的启闭，根据实时压力数据处理得到压力-时间关系数据，根据位移数据处理得到位移-时间关系数据。
优选的，利用高压稳压系统对模拟试验段中的压力容器进行升压操作以升高压力容器内部的压力至17.2Mpa；
开启泄放阀后，利用高压稳压系统对压力容器进行稳压操作以控制压力容器内部的压力在5s内至多下降到12MPa；
在压力容器内部压力下降到12MPa时，关闭泄放阀。
优选的，所述模拟弹棒试验方法还包括：
利用高压稳压系统对压力容器进行升压操作前，对高压稳压系统自身依次进行预升压操作和预稳压操作；
预升压操作为对高压稳压系统进行初次升压直至达到系统安全泄放压力，并触发高压稳压系统的初次安全泄放时停止初次升压；
预稳压操作为对高压稳压系统进行初次降压直至达到系统安全下降压力时停止初次降压，并在初次降压到达系统安全下降压力的过程中调节高压稳压系统内部的压力在预设误差范围内。
本发明的有益效果：模拟试验段和高压稳压系统构成回路系统，通过高压稳压系统对模拟试验段内的压力容器升压以模拟压力容器正常工作时的状态，通过开启压力容器顶部的泄放阀模拟回路系统的压力边界发生破口事件时控制棒的驱动杆在压力容器内的位移，并通过棒位测量系统检测驱动杆的位移情况，在模拟过程中通过高压稳压系统对回路系统的压力泄放过程进行控制以延长泄放过程的时间，最后通过对位移情况进行分析得到发生破口事故时，控制棒的驱动杆在压力容器内的位移-时间关系数据。
附图说明
图1为本发明一种优选的实施例中，模拟试验段的结构示意图。
图2为本发明一种优选的实施例中，模拟弹棒试验装置的结构示意图之一。
图3为本发明一种优选的实施例中，模拟弹棒试验装置的结构示意图之二。
图中标记：
1-模拟试验段；2-高压稳压系统；3-棒位测量系统；4-控制系统；5-压力容器；6-泄放阀；7-第一容器；8-第二容器；9-驱动杆；10-棒位测量线圈；11-棒位采集处理装置；12-高压稳压管路；13-高压泵；14-调节阀；15-第一压力表；16-高点放气阀；17-第一压力传感器；18-低点放水阀；19-电磁阀；20-氮气储能器；21-第二压力表；22-第二压力传感器；23-安全泄放阀；24-泄放阀控制装置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，下述技术方案，技术特征之间可以相互组合。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
如图1和2所示，本发明公开一种模拟弹棒试验装置，包括模拟试验段1、高压稳压系统2、以及棒位测量系统3，模拟试验段1和高压稳压系统2相互连接构成回路系统。其中，模拟试验段1包括压力容器5和设置在压力容器5顶部的泄放阀6，压力容器5内部设有提供驱动杆9进行往复运动的容置空间。高压稳压系统2用于在开启泄放阀6之前升高压力容器5内部的压力，在开启泄放阀6后控制压力容器5内部的压力下降速度，以及用于采集并输出压力容器5内的实时压力数据。棒位测量系统3设置在压力容器5外部，用于测量驱动杆9在压力容器5内的位移数据，并输出该位移数据。
通过高压稳压系统3对模拟试验段2内的压力容器5升压以模拟压力容器5正常工作时的状态，通过开启压力容器5顶部的泄放阀6模拟回路系统的压力边界发生破口事件时控制棒(图中未示出)的驱动杆9在压力容器5内的位移，并通过棒位测量系统3检测驱动杆9的位移情况，在模拟过程中通过高压稳压系统2对回路系统的压力泄放过程进行控制以延长泄放过程的时间，最后通过对控制棒的驱动杆9的位移情况进行分析得到发生破口事故时，控制棒的驱动杆9在压力容器5内的位移-时间关系数据。
进一步的，继续参照图2，所述模拟弹棒试验装置还包括：
控制系统4，其连接泄放阀6、棒位测量系统3和高压稳压系统2，用于接收实时压力数据和位移数据，控制系统4根据实时压力数据控制高压稳压系统2的升压，进而控制压力容器5内部的升压，控制系统4还用于根据实时压力数据控制泄放阀6的启闭，并在泄放阀6开启后，根据实时压力数据控制高压稳压系统2的稳压，进而控制压力容器5内部的稳压以避免压力容器5内部的压力下降过快难以采集足够的数据。
控制系统4还用于根据实时压力数据处理得到压力-时间关系数据，根据位移数据处理得到位移-时间关系数据，根据压力-时间关系数据和位移-时间关系数据可以得到发生破口事故时，不同泄放速度对应的驱动棒9的位移情况。
进一步的，继续参照图1，所述模拟试验段1包括相互连通的第一容器7和第二容器8，第一容器7位于第二容器8的上方，泄放阀6设置在第一容器7的顶部，第一容器7的直径小于第二容器8的直径。
驱动杆9具有较小直径的一末端设置于第一容器7内，驱动杆9具有较大直径的另一末端设置于第二容器8内。
进一步的，继续参照图2，驱动杆9为金属材质；
所述棒位测量系统3包括棒位测量线圈10和连接棒位测量线圈10的棒位采集处理装置11，棒位测量线圈10设置在容置空间外侧，驱动杆9在容置空间内移动时与外侧的棒位测量线圈10产生相对位移，棒位采集处理装置11根据相对位移产生的感应电动势处理得到位移数据，并输出该位移数据。
具体的，通过交流电源为棒位测量线圈10的原边提供励磁电压，其主要功能是将220VAC转换为5～12VAC的电压，要求其输出电压在要求范围内可调。对棒位测量线圈10的副边感应电压进行超限触发，要求至少能同时处理26路信号，且触发阈值可独立调节。硬件尽量采用纯模拟电路实现。通过棒位采集处理装置11采集触发信号和部分互感线圈的电压信号，并记录这些信号所发生的时间。
数字量信号的采样周期不大于5ms，数字量通道数不少于32个。
模拟量为0～12VAC、50Hz的交流电压，模拟信号采集通道要求能采集到尽量完整的电压波形，模拟信号采集量通道不少于8路，用于采集部分原边与副边电压，为调节触发阈值提供依据。
棒位采集处理装置11能与上位机(图中未示出)通讯，能在上位机控制信号触发和采集，同时还能将所采集的数据储存在上位机，在上位机上能对所采集的数据有显示，并且存储这些数据，以便后期数据分析。上位机可以采用普通便携式个人电脑。上位机也可以作为控制系统。
棒位测量系统3可额外配置稳压系统以设置掉电保护，电气自动终止试验功能，确保试验安全。
进一步的，如图3所示，高压稳压系统2包括高压稳压管路12和设置在高压稳压管路12上的压力调节组件，所述压力容器5连接在高压稳压管路12上。
压力调节组件包括依次设置在高压稳压管路12上的高压泵13、调节阀14、第一压力表15、高点放气阀16、第一压力传感器17、低点放水阀18、电磁阀19、氮气储能器20、第二压力表21、第二压力传感器22、以及安全泄放阀23。高压稳压管路12一端用于接入水源，通过水源向高压稳压管路12中输入去离子水，另一端安装安全泄放阀6。高压稳压系统2的布置应合理紧凑，便于控制操作，系统中设置高点放气、低点放水，并具备防护措施。
具体的，高压稳压系统2的高压泵13为变频控制，通过第一压力传感器17和第二压力传感器22的反馈信号能自动调节输出流量，从而精确控制高压稳压系统2的系统压力。
高压稳压系统2通过控制系统4全自动控制，精确控制升压—稳压—泄放的全过程，并能记录压力泄放过程中系统压力与时间的变化。
高压稳压系统应在下列环境条件下正常可靠工作：
工作环境最高空气温度：50℃。
工作环境最低空气温度：5℃。
工作环境空气相对湿度：≥50％。
本发明还公开一种模拟弹棒试验方法，基于上述模拟弹棒试验装置，所述模拟弹棒试验方法包括：
利用高压稳压系统2对模拟试验段1中的压力容器5进行升压操作以升高压力容器5内部的压力。
开启压力容器5顶部的泄放阀6以对压力容器5内部的压力进行泄放。
开启泄放阀6后，利用高压稳压系统2对压力容器5进行稳压操作以控制压力容器5内部的压力下降速度，利用设置在压力容器5外部的棒位测量系统3测量驱动杆9在压力容器5内的位移数据，并输出该位移数据。
利用高压稳压系统2采集泄放阀6开启前后压力容器5内的实时压力数据，并输出该实时压力数据。
进一步的，所述模拟弹棒试验方法还包括：
根据实时压力数据控制高压稳压系统2的升压操作和稳压操作，并根据实时压力数据控制泄放阀6的启闭，根据实时压力数据处理得到压力-时间关系数据，根据位移数据处理得到位移-时间关系数据。
模拟试验段1连接高压稳压系统2构成回路系统，并保持压力稳定，系统压力超过最大限值时，能安全释放。在回路系统运行时，快速开启试验模拟段1顶端泄放阀6，使压力容器5内部压力快速泄放，并利用高压稳压系统2保证回路系统内的压力在预设时间段内缓慢下降，在这个过程中，利用棒位测量系统3测得驱动杆9的位移与时间的关系曲线。从而实现测试回路系统压力边界发生破口事故时，控制棒驱动杆9在压力容器内的位移与时间关系曲线的目的。
进一步的，利用高压稳压系统2对模拟试验段1中的压力容器5进行升压操作以升高压力容器5内部的压力至17.2Mpa，之后开启泄放阀6。
开启泄放阀6后，利用高压稳压系统2对压力容器5进行稳压操作以控制压力容器5内部的压力在5s内至多下降到12MPa。
在压力容器5内部压力下降到12MPa时，关闭泄放阀6。
进一步的，所述模拟弹棒试验方法还包括：
利用高压稳压系统2对压力容器5进行升压操作前，对高压稳压系统2自身依次进行预升压操作和预稳压操作；
预升压操作为对高压稳压系统2进行初次升压直至达到系统安全泄放压力，并触发高压稳压系统2的初次安全泄放时停止初次升压；
预稳压操作为对高压稳压系统2进行初次降压直至达到系统安全下降压力时停止初次降压，并在初次降压到达系统安全下降压力的过程中调节高压稳压系统2内部的压力在预设误差范围内。
具体的，预升压操作时，将试验模拟段1和高压稳压系统2连接，形成试验回路系统，将回路系统充满水，通过高压稳压系统2中高压泵13对回路系统进行升压，初次升压至系统安全泄放压力22.5MPa，触发系统安全泄放时停止升压。
预稳压操作时，开启高压稳压系统2的高点泄放阀16对回路系统降压，系统压力低于17.2MPa时停止泄放，同时启用高压稳压系,2中高压泵13、调节阀14等，保持回路系统压力维持在17.2MPa±0.1MPa。
完成预升压操作和预稳压操作后，开启泄放阀6，对回路系统进行快速泄压，泄压过程中回路系统压力应缓慢下降，泄放阀6开启后5s内系统压力应保持大于12MPa，系统压力降至12MPa时停止泄放。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟弹棒试验装置，其特征在于，包括：
模拟试验段（1），包括压力容器（5）和设置在压力容器（5）顶部的泄放阀（6），压力容器（5）内部设有提供驱动杆（9）进行往复运动的容置空间；
高压稳压系统（2），其连接压力容器（5），用于在开启泄放阀（6）之前升高压力容器（5）内部的压力，在开启泄放阀（6）后控制压力容器（5）内部的压力下降速度，以及用于采集并输出压力容器（5）内的实时压力数据；
棒位测量系统（3），其设置在压力容器（5）外部，用于测量驱动杆（9）在压力容器（5）内的位移数据，并输出该位移数据；
所述模拟试验段（1）包括相互连通的第一容器（7）和第二容器（8），第一容器（7）位于第二容器（8）的上方，泄放阀（6）设置在第一容器（7）的顶部，第一容器（7）的直径小于第二容器（8）的直径；
驱动杆（9）具有较小直径的一末端设置于第一容器（7）内，驱动杆（9）具有较大直径的另一末端设置于第二容器（8）内。
2.如权利要求1所述的模拟弹棒试验装置，其特征在于，所述模拟弹棒试验装置还包括：
控制系统（4），其连接泄放阀（6）、棒位测量系统（3）和高压稳压系统（2），用于接收实时压力数据和位移数据，控制系统（4）根据实时压力数据控制高压稳压系统（2）的升压和稳压，并根据实时压力数据控制泄放阀（6）的启闭，控制系统（4）还用于根据实时压力数据处理得到压力-时间关系数据，根据位移数据处理得到位移-时间关系数据。
3.如权利要求1所述的模拟弹棒试验装置，其特征在于，驱动杆（9）为金属材质；
所述棒位测量系统（3）包括棒位测量线圈（10）和连接棒位测量线圈（10）的棒位采集处理装置（11），棒位测量线圈（10）设置在容置空间外侧，驱动杆（9）在容置空间内移动时与外侧的棒位测量线圈（10）产生相对位移，棒位采集处理装置（11）根据相对位移产生的感应电动势处理得到位移数据，并输出该位移数据。
4.如权利要求1所述的模拟弹棒试验装置，其特征在于，高压稳压系统（2）包括高压稳压管路（12）和设置在高压稳压管路（12）上的压力调节组件，所述压力容器（5）连接在高压稳压管路（12）上。
5.如权利要求4所述的模拟弹棒试验装置，其特征在于，高压稳压管路（12）一端用于接入水源，另一端安装安全泄放阀（6）。
6.一种模拟弹棒试验方法，其特征在于，基于上述权利要求1-5 中任一项所述的模拟弹棒试验装置；所述模拟弹棒试验方法包括：
利用高压稳压系统（2）对模拟试验段（1）中的压力容器（5）进行升压操作以升高压力容器（5）内部的压力；
开启压力容器（5）顶部的泄放阀（6）以对压力容器（5）内部的压力进行泄放；
开启泄放阀（6）后，利用高压稳压系统（2）对压力容器（5）进行稳压操作以控制压力容器（5）内部的压力下降速度，利用设置在压力容器（5）外部的棒位测量系统（3）测量驱动杆（9）在压力容器（5）内的位移数据，并输出该位移数据；
利用高压稳压系统（2）采集泄放阀（6）开启前后压力容器（5）内的实时压力数据，并输出该实时压力数据。
7.如权利要求6所述的模拟弹棒试验方法，其特征在于，所述模拟弹棒试验方法还包括：
根据实时压力数据控制高压稳压系统（2）的升压操作和稳压操作，并根据实时压力数据控制泄放阀（6）的启闭，根据实时压力数据处理得到压力-时间关系数据，根据位移数据处理得到位移-时间关系数据。
8.如权利要求7所述的模拟弹棒试验方法，其特征在于，利用高压稳压系统（2）对模拟试验段（1）中的压力容器（5）进行升压操作以升高压力容器（5）内部的压力至17.2Mpa；
开启泄放阀（6）后，利用高压稳压系统（2）对压力容器（5）进行稳压操作以控制压力容器（5）内部的压力在5s内至多下降到12MPa；
在压力容器（5）内部压力下降到12MPa时，关闭泄放阀（6）。
9.如权利要求6所述的模拟弹棒试验方法，其特征在于，所述模拟弹棒试验方法还包括：
利用高压稳压系统（2）对压力容器（5）进行升压操作前，对高压稳压系统（2）自身依次进行预升压操作和预稳压操作；
预升压操作为对高压稳压系统（2）进行初次升压直至达到系统安全泄放压力，并触发高压稳压系统（2）的初次安全泄放时停止初次升压；
预稳压操作为对高压稳压系统（2）进行初次降压直至达到系统安全下降压力时停止初次降压，并在初次降压到达系统安全下降压力的过程中调节高压稳压系统（2）内部的压力在预设误差范围内。
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