CN113447401B - 小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统及方法，该系统包括一号水箱、试验容器、可视化试验段、二号水箱、离心泵、高速摄像机、数据采集系统、PIV光源、法兰、调节阀、泄放阀以及止回阀；一号水箱用于模拟小型核反应堆的压力容器，试验容器用于模拟小型核反应堆的蒸汽发生器环腔，可视化试验段的几何结构与小型核反应堆余排系统取水接管保持一致，可视化试验段与相邻管道采用铝法兰连接。向回路中注入水至各容器液位达到所需高度，调节离心泵及调节阀使流量稳定在实验工况附近，采用高速摄像机、数据采集系统以及PIV光源观测并记录可视化试验段内的两相流动特殊热工水力现象，包括涡流吸气现象以及限流汽化现象。

Description

小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统及方法
技术领域
本发明涉及核反应堆工程领域，具体涉及一种小型核反应堆余排系统取水接 管多相流试验系统及方法。
背景技术
核电作为稳定高效安全清洁发电的能源，应该在实现双碳目标的过程中发挥 重要作用，而基于小型压水堆技术的海上小型核电站分布式能源系统，正是彻底 解决我国近海、远海及岛礁等地区稳定能源供应的重要途径。
对于各种用途的核反应堆，最基本的要求是安全，核反应堆发生事故并紧急 停堆后，堆芯仍会产生大量的衰变热，而余热排出系统正是防止堆芯熔化、确保 一回路压力边界完整的重要安全设施。小型核反应堆余排系统与一回路连接处的 接管内存在一些特殊的热工水力现象，主要包括涡轮吸气现象和限流汽化现象。 在压力容器顶盖开启的冷停堆或换料停堆模式下，一回路水位与余排系统取水口 的高度差较低，由于不均匀的来流本身存在一定的漩涡，而取水口截面突缩流速 较大，会造成局部压强较低，这两个因素会造成中心流体压强减小使得液面下凹， 产生吸气的现象。为了限制反应堆冷却剂系统取水管线发生破口的尺寸，取水接 管内部设置了限流结构，当余热排出系统大流量运行时，水通过限流结构由于流 速过高压力会大幅下降，当流体的压力降至饱和压力以下时会发生局部汽化现象。 以上两种吸气现象均属于气液两相流动，不仅会影响泵组效率，气泡进入泵组后 还会造成汽蚀损坏，影响系统的安全性。
以上特殊的热工水力现象所涉及的流道复杂，采用数值模拟分析偏差较大， 应当开展相应的试验，对涡流吸气、限流汽化两种两相流动特殊热工水力现象进 行试验验证，为余热排出系统的设计、改进或运行策略提供参考。
发明内容
本发明的目的是提供一种小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统 及方法，通过试验观测余热排出系统取水接管内的涡流吸气现象以及限流汽化现 象，为小型核反应堆余热排出系统的设计与改进提供参考。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统，所述试验系统包括一号水 箱1，通过管道与一号水箱1的出口相连的试验容器2，与试验容器2的出口紧 密连接的可视化试验段3，可视化试验段3的出口通过法兰9及管道与二号水箱 4相连，二号水箱4的出口通过管道与离心泵5的入口相连，离心泵5的出口通 过管道与一号水箱1的入口相连。高速摄像机6悬挂在可视化试验段3上方用于 拍摄两相流现象，数据采集系统7与高速摄像机6相连用于接收高速摄像机6的 数据，PIV光源8放置在可视化试验段3旁边用于提供拍摄所需的光源；一号水 箱1的入口管道及二号水箱4的出口管道上各装有一个调节阀10，一号水箱1、 试验容器2以及二号水箱4底部各装有一个泄放阀11；离心泵5出口管道上装有 一个止回阀12，防止水倒流入离心泵5中。
所述一号水箱1用于模拟小型核反应堆的压力容器，试验容器2用于模拟小 型核反应堆的蒸汽发生器环腔，可视化试验段3的几何结构与小型核反应堆余排 系统的取水接管保持一致。
所述可视化试验段3采用高透光有机玻璃制成，能够使用高速摄像机6记录 可视化试验段3内部两相流动的现象。
所述法兰9采用铝法兰，能够实现有机玻璃与不锈钢管道的紧固连接。
所述小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统的试验方法，试验前， 打开两个调节阀10和止回阀12，关闭三个泄放阀11，向回路中注水使得一号水 箱1、试验容器2以及二号水箱4的水位达到所需高度，打开离心泵5并将流量 调至试验工况要求并保持稳定，所述试验容器2中存在涡流，当液面与取水口接 近时会吸入空气，造成水和空气两相流动；所述可视化试验段3中由于局部压力 降低会造成部分水汽化，形成水和蒸汽两相流动；打开高速摄像机6、数据采集 系统7以及PIV光源8，向回路中注入PIV示踪粒子，观察并记录可视化试验段3 内的两相流动现象；试验结束后，关闭高速摄像机6、数据采集系统7以及PIV 光源8，关闭离心泵5，关闭两个调节阀10和止回阀12，打开三个泄放阀11排 空试验回路中的水。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明所述试验系统及方法实现了小型压水堆余热排出系统取水接管两 相流动试验研究，可以对取水接管这一关键部件做相关性能测试，实现对余排系 统安全性能的评价。
2、本发明的试验系统，可视化试验段采用高透光有机玻璃制成，同时采用 铝法兰与相邻不锈钢管道相连，在保证设备抗压能力的同时能够直接观测到接管 内的两相流动现象。
3、本发明的试验系统，采用PIV技术观测记录接管内的两相流动过程，具 有较高的测量精度。
4、本发明的试验系统，在泵的入口前设置二号水箱，可以增加试验回路水 装量，有效防止离心泵运转提高回路水温进而对两相流动产生影响；同时空气在 水箱中会与主流分离，避免气泡直接进入泵造成汽蚀损坏。
附图说明
图1为本发明小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统的整体结构示 意图；
如图1所示，1为一号水箱，2为试验容器，3为可视化试验段，4为二号水 箱，5为离心泵，6为高速摄像机，7为数据采集系统，8为PIV光源，9为法兰， 10为调节阀，11为泄放阀，12为止回阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：
如图1所示，本发明小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统，所述 试验系统包括一号水箱1，通过管道与一号水箱1的出口相连的试验容器2，与 试验容器2的出口紧密连接的可视化试验段3，可视化试验段3的出口通过法兰 9及管道与二号水箱4相连，二号水箱4的出口通过管道与离心泵5的入口相连， 离心泵5的出口通过管道与一号水箱1的入口相连。高速摄像机6悬挂在可视化 试验段3上方用于拍摄两相流现象，数据采集系统7与高速摄像机6相连用于接 收高速摄像机6的数据，PIV光源8放置在可视化试验段3旁边用于提供拍摄所 需的光源。一号水箱1的入口管道及二号水箱4的出口管道上各装有一个调节阀 10，一号水箱1、试验容器2以及二号水箱4底部各装有一个泄放阀11。离心泵 5出口管道上装有一个止回阀12，防止水倒流入离心泵5中。
所述一号水箱1用于模拟小型核反应堆的压力容器，试验容器2用于模拟小 型核反应堆的蒸汽发生器环腔，可视化试验段3的几何结构与小型核反应堆余排 系统的取水接管保持一致。
所述可视化试验段3采用高透光有机玻璃制成，能够使用高速摄像机6记录 可视化试验段3内部两相流动的现象。
所述法兰9采用铝法兰，能够实现有机玻璃与不锈钢管道的紧固连接，而采 用法兰连接有利于更换试验段，使得试验台架能够测试不同类型的取水接管。
如图1所示，本发明所述小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统的 试验方法。试验前，打开两个调节阀10和止回阀12，关闭与三个大容积水箱相 连的泄放阀11，向回路中注水，使得一号水箱1、试验容器2以及二号水箱4的 水位达到所需高度，打开离心泵5将流量调至试验工况附近，调节调节阀10使 流量稳定在试验工况要求的值，待回路中的水流动稳定后，试验容器2中存在涡 流，当液面与取水口接近时会吸入空气，造成水和空气两相流动；所述可视化试 验段3中由于局部压力降低会造成部分水汽化，形成水和蒸汽两相流动；打开高 速摄像机6、数据采集系统7以及PIV光源8，向回路中注入PIV示踪粒子，观察 并记录可视化试验段3内的两相流动现象。试验结束后，关闭高速摄像机6、数 据采集系统7以及PIV光源8，关闭离心泵5，关闭两个调节阀10和止回阀12， 打开三个泄放阀11排空试验回路中的水。
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中的普通技术人 员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都 应当视为在本发明的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统的试验方法，其特征在于：所述试验系统包括一号水箱（1），通过管道与一号水箱（1）的出口相连的试验容器（2），与试验容器（2）的出口紧密连接的可视化试验段（3），可视化试验段（3）的出口通过法兰（9）及管道与二号水箱（4）相连，二号水箱（4）的出口通过管道与离心泵（5）的入口相连，离心泵（5）的出口通过管道与一号水箱（1）的入口相连；高速摄像机（6）悬挂在可视化试验段（3）上方用于拍摄两相流现象，数据采集系统（7）与高速摄像机（6）相连用于接收高速摄像机（6）的数据，PIV光源（8）放置在可视化试验段（3）旁边用于提供拍摄所需的光源；一号水箱（1）的入口管道及二号水箱（4）的出口管道上各装有一个调节阀（10），一号水箱（1）、试验容器（2）以及二号水箱（4）底部各装有一个泄放阀（11）；离心泵（5）出口管道上装有一个止回阀（12），防止水倒流入离心泵（5）中；
所述小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统的试验方法，试验前，打开两个调节阀（10）和止回阀（12），关闭三个泄放阀（11），向回路中注水使得一号水箱（1）、试验容器（2）以及二号水箱（4）的水位达到所需高度，打开离心泵（5）将流量调至试验工况要求并保持稳定；所述试验容器（2）中存在涡流，当液面与取水口接近时会吸入空气，造成水和空气两相流动；所述可视化试验段（3）中由于局部压力降低会造成部分水汽化，形成水和蒸汽两相流动；打开高速摄像机（6）、数据采集系统（7）以及PIV光源（8），向回路中注入PIV示踪粒子，观察并记录可视化试验段（3）内的两相流动现象；试验结束后，关闭高速摄像机（6）、数据采集系统（7）以及PIV光源（8），关闭离心泵（5），关闭两个调节阀（10）和止回阀（12），打开三个泄放阀（11）排空试验回路中的水。
2.根据权利要求1所述的小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统的试验方法，其特征在于：所述一号水箱（1）用于模拟小型核反应堆的压力容器，试验容器（2）用于模拟小型核反应堆的蒸汽发生器环腔，可视化试验段（3）的几何结构与小型核反应堆余排系统的取水接管保持一致。
3.根据权利要求1所述的小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统的试验方法，其特征在于：所述可视化试验段（3）采用高透光有机玻璃制成，能够使用高速摄像机（6）记录可视化试验段（3）内部两相流动的现象。
4.根据权利要求1所述的小型核反应堆余排系统取水接管多相流试验系统的试验方法，其特征在于：所述法兰（9）采用铝法兰，能够实现有机玻璃与不锈钢管道的紧固连接。
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