CN112798309A - 模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验装置及方法，该装置主体包括圆柱筒体、下降段模拟管、非均匀热流密度加热棒束、中央隔板和可拆卸底座。其中圆柱筒体顶部设有湿蒸汽出口，圆柱筒体下部两侧分别与两根下降段模拟管相接，其底部与可拆卸底座连接。可拆卸底座上固定有非均匀热流密度加热棒束，布置的棒束的正中间被安装中央隔板分成两组；本发明还提供了该装置的试验方法；由以上装置及方法，本发明可同时兼顾对带有轴流式预热器和不带轴流式预热器的蒸汽发生器进行模拟试验。

Description

模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器试验装置及方法

技术领域

本发明涉及蒸汽发生器一二次侧传热强化技术领域，具体涉及一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器试验装置及方法。

背景技术

对于核电站立式自然循环蒸汽发生器而言，提高蒸汽发生器内一二次侧传热效率对于提高核电站运行效率，降低核电成本有很大帮助。蒸汽发生器中安装的轴流式预热器，可使冷热两侧的二次侧流体(冷态给水和再循环水)在给水管线以下的下降通道到中央隔板顶部之前的管束区内都能相对独立地进行流动传热，以增大冷侧传热管一、二次侧流体的温差以及冷侧预热区长度的方式强化传热。

但是目前关于轴流式预热器对蒸汽发生器传热强化效果的研究，以及最优冷态给水和再循环水的分配比例的试验研究较少。

中国专利申请号201610809982.8公开了一种带轴向预热器蒸汽发生器的实验方法及应用，其中涉及了一种带轴向预热器(也可称为轴流式预热器)蒸汽发生器的试验装置的设计。该设计从研究轴流式预热器对蒸汽发生器传热效果强化的角度来看，设计过于复杂，其下降段的设计完全可以采用水力直径相同的圆形管道来模拟。该发明对蒸汽发生器U型管的模拟采用一流体回路实现，导致试验回路增加，从合理简化角度出发完全可以采用电加热棒模拟(前人在这方面的研究广泛使用电加热棒模拟U型管，足以说明其可行性)。复杂的设计会导致制造成本高，且操作繁琐。另一方面，该发明的试验装置不适合进行对比试验，该装置的轴向预热器的设计不便于快速拆卸安装，这就导致如果需要做无轴向预热器的对比试验，就需要耗费巨大的时间代价改造，导致效率低下。

中国专利申请号201320413431.1公开了一种蒸汽发生器下降通道的模拟结构。该结构中的底部环形围筒的设计对于加工制造来说极其困难，该发明的设计是从筒体壁中“掏”出一大环圈的物质来形成该结构，同时这一变薄的筒壁与下降管的连接强度也会大大折扣。该结构向下延伸部分与底部形成的间隙用以模拟蒸汽发生器筒体底部环形缺口，但是，在蒸汽发生器二次侧下降通道采用下降管段模拟的情况下，这种模拟环形缺口已经意义不大。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器试验装置及方法，能够在结构足够简单的条件下，同时满足对带轴流式预热器和不带轴流式预热器的两种蒸汽发生器进行各种工况下的对比试验。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验装置，包括圆柱筒体6，所述圆柱筒体6顶部设有湿蒸汽出口3，所述圆柱筒体6下部两侧分别与一根用以模拟蒸汽发生器二次侧下降环段的下降段模拟管1相连通，所述圆柱筒体6底端与可拆卸底座8连接；所述圆柱筒体6内沿轴向设置有多个非均匀热流密度加热棒束5，所述非均匀热流密度加热棒束5被中央隔板7分成左右两组分别为左侧棒束和右侧棒束，左侧棒束用以模拟蒸汽发生器U型管束热侧，右侧棒束用以模拟蒸汽发生器U型管束冷侧；在含有中央隔板7的情况下，模拟有轴流式预热器的蒸汽发生器，在拆除中央隔板7的情况下，模拟无轴流式预热器的蒸汽发生器。

所述下降段模拟管1由孔径大的长直管、渐缩管、90度弯管和孔径小的短直管四部分依次连接而成，所述孔径小的短直管与圆柱筒体6下部侧面连接；所述孔径大的长直管是用以模拟蒸汽发生器二次侧下降通道，孔径小的短直管用以模拟蒸汽发生器筒体底部环形缺口。

所述可拆卸底座8与圆柱筒体6内非均匀热流密度加热棒束5连接并固定，所述中央隔板7与可拆底座8通过L型支架10螺钉连接。

进一步的，所述用以模拟蒸汽发生器U型管束热侧的左侧棒束在轴向上可分成四段不同热流密度的区域，所述四段区域热流密度从下向上逐渐降低，例如，从下向上分别采用2.58、2.48、2.38、2.28W/cm²的热流密度(该数值大小与需要模化的研究对象和采用的模化比例有关)，用以模拟蒸汽发生器U型管束热侧在轴向上随着热量交换温度逐渐降低的工况。类似的，所述用以模拟蒸汽发生器U型管束冷侧的右侧棒束在轴向上可分成四段不同热流密度的区域，所述四段区域热流密度从上向下逐渐降低，例如，从上向下分别采用2.28、2.18、2.08、1.98W/cm²的热流密度。所述左、右两侧棒束在顶端区域热流密度相等。

所述非均匀热流密度加热棒束5的左侧棒束和右侧棒束通过将螺旋状缠绕的电阻丝在加热棒轴向上以不同密度布置实现非均匀热流密度。

本发明所述一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验装置的尺寸，是对所需要研究的立式自然循环蒸汽发生器进行简化，根据其如二次侧液位高度、二次侧下降段水力直径、U型管管间距、U型管直径、U型管高度等重要尺寸，选取合适的缩放比例系数后，再通过Ishii比例方法对上述参数进行模化得出模型试验装置的尺寸如：下降段模拟管1高度和直径，非均匀热流密度加热棒束5的高度和功率，圆柱筒体6的高度均采用Ishii比例方法对所需研究的真实蒸汽发生器尺寸模化得出，所述模化的比例为：先选取长度比例l_R(0.1～0.4，模型长度与原型长度的比)，依据Ishii方法，在等物性条件下有：速度比为

水力直径比为

单位热源比为

其中加热棒束数量需要按照实验室所能提供的最大功率选取(通常情况下，模化后数量还是太大)，按照蒸汽发生器中正三角形的排布方式，相同的间距管径比排列，由此得出圆柱筒体的内径，然后以循环倍率比为1和总加热功率可求出给水流量。

所述的一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验装置的试验方法，包括模拟有轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法和模拟无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法；

所述模拟有轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法包括如下步骤：

1).试验前，对试验装置加水，开展打压试验，确保试验装置无泄露后排水、卸压，开始正式试验；

2).从左侧下降段模拟管入口2和右侧下降段模拟管入口4注入冷态给水，保证冷态给水能够淹没非均匀热流密度加热棒束5；

3).开启非均匀热流密度加热棒束5的电加热，逐步提升功率，使装置升压，并调整给水，全程需保证给水能够淹没加非均匀热流密度加热棒束5；

4).开启湿蒸汽出口3，该湿蒸汽会被外接的冷凝器冷却为冷却水，其中60～65％送入电加热器加热至饱和后作为再循环水，所述再循环水再分流85～90％经过循环泵送入到左侧下降段模拟管入口2，剩余10～15％再循环水与剩余的35～40％冷却水混合送入右侧下降段模拟管入口4，配合中央隔板7，以实现模拟蒸汽发生器中轴流式预热器的运行；

所述模拟无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法包括如下步骤：

1).卸下可拆卸底座8，拆除中央隔板7，完成无轴流式预热器的蒸汽发生器的转换；

2).试验前，对试验装置加水，开展打压试验，确保试验装置无泄露后排水、卸压，开始正式试验；

3).从左侧下降段模拟管入口2和右侧下降段模拟管入口4注入冷态给水，保证冷态给水能够淹没加非均匀热流密度加热棒束5；

4).开启非均匀热流密度加热棒束5的电加热，逐步提升功率，使装置升压，调整给水，全程需保证给水能够淹没非均匀热流密度加热棒束5；

5).开启湿蒸汽出口3，该湿蒸汽会被外接的冷凝器冷却为冷却水，其中60～65％被送入电加热器加热至饱和后作为再循环水，所述再循环水再与剩余的35～40％冷却水混合后，按照1：1分别送入左侧下降段模拟管入口2和右侧下降段模拟管入口4，以模拟无轴流式预热器蒸汽发生器中运行的情况。

本发明所述Ishii比例方法，是Ishii等人以单相自然循环为基础，假设自然循环系统是沿管道轴向的一维流动，通过对质量、动量、流量方程及传热方程的积分，获取自然循环的特征方程。再将控制方程无量纲化，与相似准则数结合就可得到单相自然循环的比例分析方法。在单相自然循环控制方程的基础上，引入漂移流模型，并将控制方程改写为两相，得到两相自然循环的控制方程，根据单相的方法，同理可得到两相自然循环比例准则及相似准则数。该方法适用于含有两相流动的自然循环蒸汽发生器的二次侧模拟。

所述蒸汽发生器U型管束热侧是指压水堆核电站一回路热流体进入的一侧，所述蒸汽发生器U型管束冷侧是指压水堆核电站一回路热流体进入后流出的一侧。

本发明的有益效果有以下：

1)本发明可同时兼顾对带有轴流式预热器和不带轴流式预热器的蒸汽发生器进行模拟试验，便于进行对比试验，而无需建造新的试验装置，大幅降低了成本；

2)本发明在棒束区的布置与蒸汽发生器原型基本一致，可以准确的模拟出有无轴流式预热器对蒸汽发生一二次侧换热能力的影响；

3)本发明采用非均匀热流密度加热棒对蒸汽发生器U型管进行模拟，既降低了使用管内走热流体来模拟U型管的复杂性，又大幅减少了使用均匀热流密度加热棒带来的模拟失真；

4)本发明采用了国际上广泛使用的Ishii比例方法进行模化设计，可在尽可能减少失真的情况下缩小试验装置的尺寸和功率；

5)本发明结构简单，建造维护方便，可操作性强，可拓展到其它类型的含轴流式余热器的蒸汽发生器热工水力试验领域。

附图说明

图1为本发明试验装置整体结构示意图；

图2为沿图1中本发明试验装置截面A-A结构示意图。

图3位本发明试验装置中央隔板与可拆卸底座连接示意图。

附图中标记的主要零部件分别为：1-下降段模拟管，2-左侧下降段模拟管入口，3-湿蒸汽出口，4-右侧下降段模拟管入口，5-非均匀热流密度加热棒束，6-圆柱筒体，7-中央隔板，8-可拆卸底座，9-法兰螺孔，10-L型支架。

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。

如图1和图2所示，本发明一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器试验装置，其整体主要部件包括圆柱筒体，两根下降段模拟管，非均匀热流密度加热棒束，中央隔板和可拆卸底座。其中圆柱筒体6下部两侧分别与两根用以模拟蒸汽发生器二次侧下降环段的下降段模拟管1相连通。

下降段模拟管1由孔径大的长直管、渐缩管、90度弯管和孔径小的短直管四部分依次连接而成，孔径大的长直管是用以模拟蒸汽发生器二次侧下降通道，孔径小的短直管是用以模拟蒸汽发生器筒体底部环形缺口。

圆柱筒体6顶部还设有湿蒸汽出口3，经加热棒束区后的流体，如水会加热成饱和蒸汽(湿蒸汽)后会从此出口流出。

如图1和图2所示，圆柱筒体6底端与可拆卸底座8通过法兰盘密封连接，两者是可拆的。如图3所示，中央隔板7与可拆底座8通过L型支架10螺钉连接，两者是可拆的。在不拆除中央隔板7的情况下，下降段入口一2提供约90％的再循环水，下降段入口二4提供剩余10％再循环水和全部的冷态给水，即可进行有轴流式预热器的试验。在拆除中央隔板7的情况下，下降段入口一2和下降段入口二4各提供50％混合后的再循环水和冷态给水，即可进行没有轴流式预热器的试验。非均匀热流密度加热棒束5则是固定在可拆卸底座8上，导线钻孔后引出，并需要密封。

在筒体内，非均匀热流密度加热棒束5被中央隔板7分成左右两组，左侧棒束用以模拟蒸汽发生器U型管束热侧，右侧棒束用以模拟蒸汽发生器U型管束冷侧。其中用以模拟蒸汽发生器U型管束热侧的左侧棒束在轴向上可分成四段不同热流密度的区域，该四段区域热流密度从下向上逐渐降低，例如，从下向上分别采用2.58、2.48、2.38、2.28W/cm²的热流密度(该数值大小与需要模化的研究对象和采用的模化比例有关)，用以模拟蒸汽发生器U型管束热侧在轴向上随着热量交换温度逐渐降低的工况。类似的，用以模拟蒸汽发生器U型管束冷侧的右侧棒束在轴向上也可分成四段不同热流密度的区域，该四段区域热流密度从上向下逐渐降低，例如，从上向下分别采用2.28、2.18、2.08、1.98W/cm²的热流密度。需要注意的是左、右两侧棒束在顶端区域热流密度相等，因为模拟的是整个一段U型管束，用非均匀热流密度加热棒束来对U型管束模拟，可以大幅简化试验装置，同时防止失真过大。

试验装置的尺寸，是对所需要研究的立式自然循环蒸汽发生器进行简化，根据其如二次侧液位高度、二次侧下降段水力直径、U型管管间距、U型管直径、U型管高度等重要尺寸，选取合适的缩放比例系数后，再通过Ishii比例方法对上述参数进行模化得出模型试验装置的尺寸如：下降段模拟管1高度和直径，非均匀热流密度加热棒束5的高度和功率，圆柱筒体6的高度均采用Ishii比例方法对所需研究的真实蒸汽发生器尺寸模化得出，所述模化的比例为：先选取长度比例l_R(0.1～0.4，模型长度与原型长度的比)，依据Ishii方法，在等物性条件下有：速度比为

水力直径比为

单位热源比为

其中加热棒束数量需要按照实验室所能提供的最大功率选取(通常情况下，模化后数量还是太大)，按照蒸汽发生器中正三角形的排布方式，相同的间距管径比排列，由此得出圆柱筒体的内径，然后以循环倍率比为1和总加热功率可求出给水流量。该Ishii模化方法在关于试验台架的模化上广泛应用，可使得在模拟失真尽可能少的情况下，尽可能减少试验装置的尺寸和功率，大大提高了试验装置的经济性。

本发明所述的一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验装置的试验方法，包括模拟有轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法和模拟无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法；

所述模拟有轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法包括如下步骤：

1).试验前，对试验装置加水，开展打压试验，确保试验装置无泄露后排水、卸压，开始正式试验；

2).从左侧下降段模拟管入口2和右侧下降段模拟管入口4注入冷态给水，保证冷态给水能够淹没非均匀热流密度加热棒束5；

3).开启非均匀热流密度加热棒束5的电加热，逐步提升功率，使装置升压，并调整给水，全程需保证给水能够淹没加非均匀热流密度加热棒束5；

4).开启湿蒸汽出口3，该湿蒸汽会被外接的冷凝器冷却为冷却水，其中60～65％送入电加热器加热至饱和后作为再循环水，所述再循环水再分流85～90％经过循环泵送入到左侧下降段模拟管入口2，剩余10～15％再循环水与剩余的35～40％冷却水混合送入右侧下降段模拟管入口4，配合中央隔板7，以实现模拟蒸汽发生器中轴流式预热器的运行；

所述模拟无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法包括如下步骤：

1).卸下可拆卸底座8，拆除中央隔板7，完成无轴流式预热器的蒸汽发生器的转换；

2).试验前，对试验装置加水，开展打压试验，确保试验装置无泄露后排水、卸压，开始正式试验；

3).从左侧下降段模拟管入口2和右侧下降段模拟管入口4注入冷态给水，保证冷态给水能够淹没加非均匀热流密度加热棒束5；

4).开启非均匀热流密度加热棒束5的电加热，逐步提升功率，使装置升压，调整给水，全程需保证给水能够淹没非均匀热流密度加热棒束5；

5).开启湿蒸汽出口3，该湿蒸汽会被外接的冷凝器冷却为冷却水，其中60～65％被送入电加热器加热至饱和后作为再循环水，所述再循环水再与剩余的35～40％冷却水混合后，按照1：1分别送入左侧下降段模拟管入口2和右侧下降段模拟管入口4，以模拟无轴流式预热器蒸汽发生器中运行的情况。

以上所述仅为本发明的一个具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验装置，其特征在于：包括圆柱筒体(6)，所述圆柱筒体(6)顶部设有湿蒸汽出口(3)，所述圆柱筒体(6)下部两侧分别与一根用以模拟蒸汽发生器二次侧下降环段的下降段模拟管(1)相连通，所述圆柱筒体(6)底端与可拆卸底座(8)连接；

所述圆柱筒体(6)内沿轴向设置有多个非均匀热流密度加热棒束(5)，所述非均匀热流密度加热棒束(5)被中央隔板(7)分成左右两组分别为左侧棒束和右侧棒束，左侧棒束用以模拟蒸汽发生器U型管束热侧，右侧棒束用以模拟蒸汽发生器U型管束冷侧；在含有中央隔板(7)的情况下，模拟有轴流式预热器的蒸汽发生器，在拆除中央隔板(7)的情况下，模拟无轴流式预热器的蒸汽发生器。

2.根据权利要求1所述的一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验装置，其特征还在于：所述下降段模拟管(1)由孔径大的长直管、渐缩管、90度弯管和孔径小的短直管四部分依次连接而成，所述孔径小的短直管与圆柱筒体(6)下部侧面连接；所述孔径大的长直管是用以模拟蒸汽发生器二次侧下降通道，孔径小的短直管用以模拟蒸汽发生器筒体底部环形缺口。

3.根据权利要求1所述的一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验装置，其特征还在于：所述可拆卸底座(8)与圆柱筒体(6)内非均匀热流密度加热棒束(5)连接并固定，所述中央隔板(7)与可拆底座(8)通过L型支架(10)螺钉连接。

4.根据权利要求1所述的一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验装置，其特征还在于：所述用以模拟蒸汽发生器U型管束热侧的非均匀热流密度加热棒束(5)的左侧棒束沿着轴向方向热流密度从下向上递减，所述用以模拟蒸汽发生器U型管束冷侧的非均匀热流密度加热棒束(5)的右侧棒束沿着轴向方向热流密度从上向下递减。

5.根据权利要求4所述的一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验装置，其特征还在于：所述非均匀热流密度加热棒束(5)的左侧棒束和右侧棒束通过将螺旋状缠绕的电阻丝在加热棒轴向上以不同密度布置实现非均匀热流密度。

6.权利要求1至5任一项所述的一种模拟有或无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验装置的试验方法，其特征在于：包括模拟有轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法和模拟无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法；

所述模拟有轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法包括如下步骤：

1).试验前，对试验装置加水，开展打压试验，确保试验装置无泄露后排水、卸压，开始正式试验；

2).从左侧下降段模拟管入口(2)和右侧下降段模拟管入口(4)注入冷态给水，保证冷态给水能够淹没非均匀热流密度加热棒束(5)；

3).开启非均匀热流密度加热棒束(5)的电加热，逐步提升功率，使装置升压，并调整给水，全程需保证给水能够淹没加非均匀热流密度加热棒束(5)；

4).开启湿蒸汽出口(3)，该湿蒸汽会被外接的冷凝器冷却为冷却水，其中60～65％送入电加热器加热至饱和后作为再循环水，所述再循环水再分流85～90％经过循环泵送入到左侧下降段模拟管入口(2)，剩余10～15％再循环水与剩余的35～40％冷却水混合送入右侧下降段模拟管入口(4)，配合中央隔板(7)，以实现模拟蒸汽发生器中轴流式预热器的运行；

所述模拟无轴流式预热器的蒸汽发生器的试验方法包括如下步骤：

1).卸下可拆卸底座(8)，拆除中央隔板(7)，完成无轴流式预热器的蒸汽发生器的转换；

2).试验前，对试验装置加水，开展打压试验，确保试验装置无泄露后排水、卸压，开始正式试验；

3).从左侧下降段模拟管入口(2)和右侧下降段模拟管入口(4)注入冷态给水，保证冷态给水能够淹没加非均匀热流密度加热棒束(5)；

4).开启非均匀热流密度加热棒束(5)的电加热，逐步提升功率，使装置升压，调整给水，全程需保证给水能够淹没非均匀热流密度加热棒束(5)；

5).开启湿蒸汽出口(3)，该湿蒸汽会被外接的冷凝器冷却为冷却水，其中60～65％被送入电加热器加热至饱和后作为再循环水，所述再循环水再与剩余的35～40％冷却水混合后，按照1：1分别送入左侧下降段模拟管入口(2)和右侧下降段模拟管入口(4)，以模拟无轴流式预热器蒸汽发生器中运行的情况。

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