CN113990171A - 一种模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核电严重事故研究技术领域，公开一种模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，包括压力容器、设置在压力容器内的气体主管路和气体分支管路、及加热模块；所述压力容器的底部设置与气体主管路连通的氢气主进气口，侧壁上设置分别连通对应气体分支管路的氢气分支进口、氧气进口、空气进口、氮气进口和水蒸气进口；所述压力容器的内腔设置一层或一层以上的模拟环境，每层所述模拟环境分别设置温度测点、压力测点、样气取气点、水蒸气浓度测点和点火器；所述加热模块与所述氢气主进气口位置相对应。本发明可模拟核电站严重事故条件下安全壳较大空间的氢气爆燃过程，获得爆燃过程中温度、压力等信号变化，为氢气爆燃过程演变提供基础数据。
Description
技术领域
本发明涉及核电严重事故研究技术领域，更具体的说，特别涉及一种模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置。
背景技术
现有技术大多注重氢气燃烧或爆炸的演示或教学，部分技术虽与核电相关，但是规模较小或者应对环境与核电站严重事故环境有很大差别，无法判断核电站发生严重事故后，安全壳内大空间氢气爆燃过程中温度和压力的分布状态，因此现有技术对研究核电站严重事故氢气爆燃进程有很大不足。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，能够创造核电站严重事故条件实现安全壳较大空间的氢气爆燃过程，整体结构简单、可靠也易于实现。
为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，包括压力容器、设置在所述压力容器内的气体主管路和气体分支管路、及加热模块；
所述压力容器的底部设置与所述气体主管路连通的氢气主进气口，侧壁上设置分别连通对应气体分支管路的氢气分支进口、氧气进口、空气进口、氮气进口和水蒸气进口；所述压力容器的内腔设置一层或一层以上的模拟环境，每层所述模拟环境分别设置温度测点、压力测点、样气取气点、水蒸气浓度测点和点火器；所述加热模块与所述氢气主进气口位置相对应。
进一步的，所述氢气分支进口沿所述压力容器轴向设置2～20个；所述模拟环境采用5～10层水平层，每层模拟环境上的所述点火器、温度测点、样气取气点和压力测点由压力容器的中心向侧壁依次设置，所述水蒸气浓度测点位于所述压力容器的内壁上，所述点火器位于所述压力容器的轴线上。
进一步的，所述每层模拟环境上均布3～12个温度测点、1～5个压力测点、1～5个样气取气点、1～5个水蒸气浓度测点和1～5个点火器。
进一步的，所述气体主管路采用环形气体管路，所述气体分支管路采用环形或半环形气体分布管路；所述气体分支管路采用直径为8～14mm不锈钢管，环半径为压力容器内壁至中心距离的3/8～5/8。
进一步的，所述气体分支管路水平设置在所述压力容器内部，下表面均匀分布直径为1～5mm的圆孔，相邻圆孔之间的间距为所述气体分支管路长度的1/120～1/50。
进一步的，所述温度测点安装K型铠装热电偶，所述压力测点连接压力变送器，所述样气取气点安装取样管路并连接氢氧分析仪，所述水蒸气浓度测点安装取样管路并连接湿度变送器。
进一步的，所述热电偶和取样管路的安装点位于所述压力容器内壁到中心的1/4～3/4位置，并由中心向内壁呈1～4层分布。
进一步的，所述点火器采用电热塞式、火花塞式或电火花式，并与热电偶错开布置。
进一步的，所述压力容器的外表面还设置进行安全保护的安全模块，所述安全模块包括设置在所述压力容器侧面或顶部的爆破片、以及设置在所述压力容器顶部的安全泄放阀。
进一步的，所述压力容器内设置风扇、或者外部连接与内腔连通的自循环管道。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，该装置可以具有较大的规模。该装置底部设置了氢气主进气口，通过氢气主管路，将氢气由底部均匀通入，有利于氢气混合均匀；通过设置了加热模块，可以均匀加热整个压力容器内部气体，设定爆燃环境初始温度；通过控制压力容器内初始温度、氢气含量、湿度以及点火方式等，可以在相对空间较小的反应器内模拟出核电站严重事故条件下，安全壳较大空间的氢气爆燃过程，并记录爆燃过程中温度、压力等信号变化，为氢气爆燃过程演变提供基础数据。
此外，本发明在压力容器的顶部设置了安全泄放阀，并在侧部及顶部设置多个爆破片，前者可以在试验压力超过设定压力时及时排放气体减压，后者可以在紧急情况下保证压力容器整体的绝对安全，从而保证试验装置工作的可靠性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本发明模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置的示意图。
图2为本发明试验装置实施例的效果图。
附图标记说明如下：1-压力容器、2-氢气主进气口、3-氢气分支进口、4-氧气进口、5-空气进口、6-氮气进口、7-水蒸气进口、8-温度测点、9-压力测点、10-样气取气点、11-水蒸气浓度测点、12-点火器、13-爆破片、14-安全泄放阀、15-加热模块。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。
此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参阅图1所示，本发明提供一种模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，该试验装置包括压力容器1、设置在所述压力容器1内的气体主管路、气体分支管路和加热模块。
所述压力容器1的底部设置氢气主进气口2，中部侧壁上设置2～20个氢气分支进口3，中部侧壁上还设置独立的氧气进口4、空气进口5和氮气进口6，下部侧壁上设置水蒸气进口7。所述压力容器1上的氢气主进气口2与内部的气体主管路连接，保证氢气输入后在所述压力容器1内部均匀上升扩散。所述氢气分支进口3与压力容器1内部对应的气体分支管路连接，保证氢气局部输入，从而模拟一个或多个破口事故条件。所述氧气进口4、空气进口5、氮气进口6及水蒸气进口7也连接所述压力容器1内对应的气体分支管路，分别用于输入氧气、空气、氮气和水蒸气。
所述压力容器1的内腔设置多个温度、压力以及样气取气点，整个压力容器1内腔可以分成数层模拟环境，每层模拟环境由中心向四周分别布置点火器12、温度测点8、样气取气点10和压力测点9；其中每一层的点火器12、温度测点8、样气取气点10和压力测点9需围绕压力容器1的轴线均匀布置。
具体的，所述氧气进口4、空气进口5、氮气进口6和水蒸气进口7位于所述压力容器1轴线的同一侧，所述氢气分支进口3也沿所述压力容器1的轴向均匀设置在同一侧壁上，这样方便进行试验和操作。对于较大型压力容器，设置多个氢气分支进口3有利于气体均匀分布，尤其测试过程中的快速通氢过程，但过多的进口也会对试验控制造成影响。所述压力容器1的下部还设置有操作孔，方便进行操作和安装。
本实施例中，所述压力容器1为钢制压力容器，采用立式罐型容器、卧式罐型容器或球罐容器，可以模拟核电站安全壳内局部空间，直径为1～10m，容积为2～200m3，耐压为1～10MPa，耐温最高可达1600℃。为了更好地模拟较大规模的压力容器1内部环境变化，所述压力容器1内设置多个气体进口包括氢气主进气口2、氢气分支进口3、氧气进口4、空气进口5、氮气进口6和水蒸气进口7，并设置有多个点火器12、温度测点8、样气取气点10和压力测点9，从而可靠地完成模拟试验。
进一步的，所述压力容器1内腔设置5～10层模拟环境，每层模拟环境上均布3～12个温度测点8、1～5个压力测点9、1～5个样气取气点10、1～5个水蒸气浓度测点11、1～5个点火器12，所述点火器12、温度测点8、样气取气点10和压力测点9在压力容器1的每一层面上均匀分布，所述水蒸气浓度测点11位于所述压力容器1的内壁上，所述点火器12位于所述压力容器1的轴线上，这样可以保证试验装置工作的可靠性。
本实施例中，所述模拟环境层数的设定根据经验选取，对于较大规模的容器，采用5-10层可以保证试验过程的可靠性，而为了可靠地模拟氢气爆燃的真实环境，设置不同数量的测点和点火器，并可以根据需要进行调整，数量太少无法进行真实可靠地模拟，数量太多也会导致装置过于复杂，影响模拟试验过程。
进一步的，所述气体主管路采用环形气体管路，所述气体分支管路采用环形或半环形气体分布管路，保证氢气局部输入，确保氢气持续均匀燃烧。所述气体分支管路采用直径为8～14mm不锈钢管，环半径为压力容器1内壁至中心距离的3/8～5/8，根据氢气的流量选择合适直径的气体管路，有助于控制氢气爆燃时的火焰，保证试验过程的可靠性。所述气体分支管路水平设置在所述压力容器1内部，下表面均匀分布直径为1～5mm的圆孔，使氢气由圆孔中喷出，实现可靠的氢气爆燃环境，相邻圆孔之间的间距为所述气体分支管路长度的1/120～1/50。
进一步的，为保证氢气输入所述压力容器1内部后均匀分布，所述压力容器1内安装1～4个气动风扇、或在外侧采用无保温措施的自循环管道并连接于所述压力容器1的上部和下部。
进一步的，所述温度测点8上安装K型铠装热电偶，所述压力测点9连接压力变送器，所述样气取气点10安装取样管路并连接氢氧分析仪，所述水蒸气浓度测点11上安装取样管路并连接湿度变送器。具体的，所述压力容器1侧面设置若干管法兰接口，用于固定安装热电偶、压力变送器和取样管路，所述压力变送器、氢氧分析仪和湿度变送器分别位于所述压力容器1外侧。
进一步的，所述热电偶和取样管路的安装点位于所述压力容器1内壁到中心的1/4～3/4位置，并由中心向外呈1～4层分布。具体的，为保证热电偶和取样管路在所述压力容器1内稳定固定，所述压力容器1内设置1～5层环廊支架，用于对热电偶和取样管路进行固定。
进一步的，所述点火器12采用为电热塞式、火花塞式或电火花式，并与热电偶错开布置。本实施例中，由于点火器12在试验过程中一直处于打开状态，为了避免对热电偶测温的影响，将所述点火器12与所述热电偶错开布置，从而保证试验装置工作的可靠性。
进一步的，所述加热模块15用于预热所述压力容器1内的气体，采用电加热、导热油加热或高温蒸汽方式加热，并设置在所述压力容器1内腔的下部与所述氢气主进气口2位置相对应，能够可靠对所述压力容器1内的气体进行预热。
进一步的，所述压力容器1的外表面还设置进行安全保护的安全模块，所述安全模块包括设置在所述压力容器1侧面或顶部的爆破片13、以及设置在所述压力容器1顶部的安全泄放阀14。
本实施例中，所述爆破片13作为主要安全保护措施，所述安全泄放阀14作为次要安全保护措施。所述爆破片13的起爆压力低于所述压力容器1的耐压，在所述压力容器1的压力超出耐压时瞬间泄压，有效保护整个试验装置。所述爆破片13设置有1～6个，所述安全泄放阀14设置有1～5个，两者的数量可以根据所述压力容器1的大小及爆燃气体类型进行调整，来保证试验过程的可靠性和安全性。
本实施例中，在初始压力和温度分别为70kPa和90℃，水蒸气浓度约为5％，氢氧浓度分别为10％和35％时，通过点火器12点火形成爆燃过程，并维持特定的氢气分支进气流量，温度最高可达1400℃。
下面通过具体实例来进一步说明本发明提供的试验装置。
所述压力容器1采用立式罐型容器，直径为3.6m，容积为60m3，耐压为1MPa，耐温最高可达1600℃。所述氢气分支进口3沿所述压力容器1轴向设置五个，并分别连接所述压力容器1内部对应的气体分支管路，保证氢气局部输入，可以模拟五个破口事故条件。
所述压力容器1的内腔设置五层模拟环境，每层所述模拟环境设置6个温度测点8、1个压力测点9、5个样气取气点10、1个水蒸气浓度测点11、2个点火器12，所述点火器12采用电火花式。所述热电偶和取气管路的安装点位于所述压力容器1内壁到中心的1/2位置，并由中心向外呈1层分布。所述压力容器1内设置3层环廊支架，用于固定所述热电偶和取气管路。
所述压力容器1的外侧壁设置4个DN400爆破片13，起爆压力为0.9MPa；顶部还设置3个安全泄放阀14，整定压力为0.9MPa。初始试验压力和温度分别为70kPa和90℃，水蒸气浓度约为5％，氢、氧浓度分别为10％和35％，同时启动全部点火器12形成爆燃过程，形成的温度曲线如图2所示。
由图2中可知，爆燃过程最高温度可以达到920℃，且450℃后温度平稳下降，200℃以上维持了超过550秒，这一温度曲线完全符合某一类核电站严重事故工况下氢气爆燃环境的温度变化曲线。通过初始温度、压力和氢气氧气浓度的设置可以在压力容器1内部，实现不同的温度和压力变化曲线的爆燃环境，因此能够有效模拟不同条件下核电站严重事故氢气爆燃环境。
本发明提供的模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，该装置具有较大的规模，可创造核电站严重事故条件实现安全壳较大空间的氢气爆燃过程，获得爆燃过程中温度、压力等信号变化，为氢气爆燃过程演变提供基础数据。此外，本发明根据需要也可以模拟其它环境条件下氢气、天然气等可燃气体的爆燃过程。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，其特征在于：包括压力容器、设置在所述压力容器内的气体主管路和气体分支管路、及加热模块；
所述压力容器的底部设置与所述气体主管路连通的氢气主进气口，侧壁上设置分别连通对应气体分支管路的氢气分支进口、氧气进口、空气进口、氮气进口和水蒸气进口；所述压力容器的内腔设置一层或一层以上的模拟环境，每层所述模拟环境分别设置温度测点、压力测点、样气取气点、水蒸气浓度测点和点火器；所述加热模块与所述氢气主进气口位置相对应。
2.根据权利要求1所述的模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，其特征在于：所述氢气分支进口沿所述压力容器轴向设置2～20个；所述模拟环境采用5～10层水平层，每层模拟环境上的所述点火器、温度测点、样气取气点和压力测点由压力容器的中心向侧壁依次设置，所述水蒸气浓度测点位于所述压力容器的内壁上，所述点火器位于所述压力容器的轴线上。
3.根据权利要求1所述的模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，其特征在于：所述每层模拟环境上均布3～12个温度测点、1～5个压力测点、1～5个样气取气点、1～5个水蒸气浓度测点和1～5个点火器。
4.根据权利要求1所述的模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，其特征在于：所述气体主管路采用环形气体管路，所述气体分支管路采用环形或半环形气体分布管路；所述气体分支管路采用直径为8～14mm不锈钢管，环半径为压力容器内壁至中心距离的3/8～5/8。
5.根据权利要求4所述的模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，其特征在于：所述气体分支管路水平设置在所述压力容器内部，下表面均匀分布直径为1～5mm的圆孔，相邻圆孔之间的间距为所述气体分支管路长度的1/120～1/50。
6.根据权利要求1所述的模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，其特征在于：所述温度测点安装K型铠装热电偶，所述压力测点连接压力变送器，所述样气取气点安装取样管路并连接氢氧分析仪，所述水蒸气浓度测点安装取样管路并连接湿度变送器。
7.根据权利要求6所述的模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，其特征在于：所述热电偶和取样管路的安装点位于所述压力容器内壁到中心的1/4～3/4位置，并由中心向内壁呈1～4层分布。
8.根据权利要求6所述的模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，其特征在于：所述点火器采用电热塞式、火花塞式或电火花式，并与热电偶错开布置。
9.根据权利要求1所述的模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，其特征在于：所述压力容器的外表面还设置进行安全保护的安全模块，所述安全模块包括设置在所述压力容器侧面或顶部的爆破片、以及设置在所述压力容器顶部的安全泄放阀。
10.根据权利要求1所述的模拟核电站严重事故氢气爆燃环境的试验装置，其特征在于：所述压力容器内设置风扇、或者外部连接与内腔连通的自循环管道。
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