CN115077854A - 一种核电站堆坑通风系统阻力特性测试方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于核电站堆坑通风系统测试技术领域,具体涉及一种核电站堆坑通风系统阻力特性测试方法。
背景技术
堆坑通风系统是核岛工程的重要组成部分,主要用于堆坑区域的通风冷却。由于堆坑通风系统的空气流动空间的空气流场比较复杂,很难用现有的经验公式去准确地获取系统的阻力特性。国内已建、在建核电厂中堆坑通风系统的阻力特性均采用传统经验估算方法确定,对于堆坑内部阻力特性均未开展过详细的阻力特性模拟测试,而堆坑通风系统的原型尺寸较大,在现有的技术条件下,开展1:1模型试验研究,存在成本高、难度大的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的是提供一种能够通过模型模拟堆坑通风系统进而了解堆坑通风系统的阻力特性的核电站堆坑通风系统阻力特性测试方法。
为达到以上目的,本发明采用的技术方案是:一种核电站堆坑通风系统阻力特性测试方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤(1)、建立阻力特性测试装置模型,阻力特性测试装置模型包括堆坑区域模型和通风系统模型;
进一步,堆坑区域模型包括堆坑外壳、堆容器、堆顶固定屏蔽部和多个贯穿件,堆坑外壳的底部具有支撑裙,堆容器位于堆坑外壳的内部且设置在支撑裙上,堆容器包括从上至下依次连接设置的圆柱形的颈部、截头圆锥形的锥顶段、圆柱形的直筒段和下封头;堆顶固定屏蔽部安装在堆坑外壳的上部,包括顶板、底板和环形侧壁,堆顶固定屏蔽部中部形成有固定屏蔽腔;多个贯穿件贯穿固定屏蔽腔,多个贯穿件的上端固定于顶板,多个贯穿件的下端延伸穿过底板至锥顶段上方且与锥顶段相间隔。
进一步,通风系统模型包括第一送风管、第二送风管、第三送风管、排风管以及测量系统,第一送风管和第二送风管都与堆坑外壳的下部相连通,排风管与堆坑外壳的上部相连通;第三送风管与堆顶固定屏蔽部相连通,测量系统用于测定第一送风管、第二送风管、第三送风管和排风管的流量和压强,直筒段上从上至下设置有八个测量高程断面。
进一步,通风系统模型还包括正五边形送风环管和正四边形送风环管,第一送风管有五个,五个第一送风管分别连接正五边形送风环管的五个管段的中部,第三送风管有四个,四个第三送风管分别连接正四边形送风环管的四个顶角;第二送风管有一个,第二送风管连接正五边形送风环管的一个顶角。
进一步,通风系统模型还包括排风管,排风管有十个,十个排风管环绕堆坑外壳设置。
其中:pix为第二送风管的压强,Qx为第二送风管的送风流量;piz1,piz2,piz3,piz4,piz5分别为五个第一送风管的压强;Qz1,Qz2,Qz3,Qz4,Qz5分别为五个第一送风管的送风流量。
其中,ρ为空气密度,vix为第二送风管的断面流速,Qx为第二送风管的送风流量;viz1,viz2,viz3,viz4,viz5分别为五个第一送风管的断面流速,Qz1,Qz2,Qz3,Qz4,Qz5分别为五个第一送风管的送风流量;vid为四个第三送风管的断面流速,Qd为四个第三送风管的送风流量。
其中:pix为第二送风管的压强,Qx为第二送风管的送风流量;piz1,piz2,piz3,piz4,piz5分别为五个第一送风管的压强;Qz1,Qz2,Qz3,Qz4,Qz5分别为五个第一送风管的送风流量。
其中,ρ为空气密度,vix为第二送风管的断面流速,Qx为第二送风管的送风流量;viz1,viz2,viz3,viz4,viz5分别为五个第一送风管的断面流速,Qz1,Qz2,Qz3,Qz4,Qz5分别为五个第一送风管的送风流量。
附图说明
图1是本发明的核电站堆坑通风系统阻力特性测试方法的流程图;
图2是本发明的堆坑区域模型的外部结构示意图;
图3是本发明的堆容器的结构示意图;
图4是本发明的堆坑区域模型移除贯穿件的结构示意图;
图5是本发明的通风系统模型的管道布置立体图;
图6是本发明的通风系统模型的第一送风管和第二送风管在堆坑外壳上的布置图;
图7是本发明的通风系统模型的管道在支撑裙上的布置图;
图8是本发明的阻力特性测试装置模型整体结构示意图;
图9是本发明的正四边形送风环管的结构示意图;
图10是本发明的正五边形送风环管的结构示意图;
图11是本发明的八个测量高程断面的测点布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
实施例一
如图1所示,本实施例提供一种核电站堆坑通风系统阻力特性测试方法,包括以下步骤:
步骤(1)、建立阻力特性测试装置模型,阻力特性测试装置模型包括堆坑区域模型和通风系统模型;
当不考虑热源条件下,堆坑通风系统的空气流动仅受到风机作用,且没有对流换热现象发生,要保证试验模型与原型的流动相似,需满足两者的雷诺相似。
当考虑热源条件下,堆坑通风系统的流动和传热特性是自然对流和强制对流现象的综合体现。自然对流现象中,格拉晓夫数Gr和努谢尔特数Nu分别表征其流动和传热特性,且Nu可表示为格拉晓夫数Gr和普兰特数Pr的函数,即Nu=f(Gr,Pr);强制对流现象中,雷诺数Re和努谢尔特数Nu分别表征其流动和传热特性,且Nu表示为雷诺数Re和普兰特数Pr的函数,即Nu=f(Re,Pr)。当堆坑通风系统以自然对流换热为主(Gr/Re2>16)时,要保证试验模型与原型的流动和传热相似,需满足两者的格拉晓夫数相似;当堆坑通风系统以强制对流换热为主(0<Gr/Re2<0.3)时,要保证试验模型与原型的流动和传热相似,需满足两者的雷诺数相似。
依据现有堆坑通风系统原型的基本资料,对原型中通风系统的换热能力进行初步估算,分析结果表明满足额定工况堆容器散热量条件,堆坑通风系统送风温度为18℃时,堆坑环形断面的空气流速为0.93m/s,综合对流换热系数为5.12W/(m2·℃)。故堆坑环形断面的流动状态为紊流(流动雷诺数Re=9.48×104>104),并以强制对流换热为主(Gr/Re2=0.28)。由前述分析结果表明,模型试验研究中,考虑和不考虑热源条件下均采用雷诺相似准则进行约束。
在本实施例中,模型试验研究采用雷诺相似准则进行设计。分别选取几何比尺λL=5,10,15进行对比分析,模型尺寸和流动特性的对比分别见表1和表2所示。
表1不同比尺条件下模型尺寸的对比
表2不同比尺条件下空气流动特性的对比
由表1和表2中的对比结果中可以看出,几何比尺选择较小(λL=5)时,试验模型的整体结构为直径3.48m,高3.62m的圆柱体,直筒段环形断面的流动雷诺数Re为4887~29324满足原型的紊流流动特性,但是如此大的几何结构尺寸会增大模型试验测量和操作的难度;几何比尺选择过大(λL=15)时,试验模型的整体结构为直径1.16m,高1.21m的圆柱体,几何结构尺寸易于进行试验测量,但是直筒段环形断面的流动雷诺数Re为1629~9775,并不满足原型结构中的紊流特性,如果要保证流动相似则送风管道的断面风速会高于30m/s,从而降低模型试验的可操作性。综合考虑模型相似率和模型试验的实际可操作性,试验模型初步选取λL=10的几何比尺搭建模型试验平台。搭建试验模型平台过程中,由于堆容器下封头尺寸受到不锈钢标准件固有尺寸的约束,故将模型几何比尺修正为λL=9.9。
结合图2至图11所示,本实施例的堆坑区域模型1包括堆坑外壳11、堆容器12、堆顶固定屏蔽部13和多个贯穿件14,堆坑外壳11的底部具有支撑裙,堆容器12位于堆坑外壳11的内部且设置在支撑裙11a上,堆容器12包括从上至下依次连接设置的圆柱形的颈部12a、截头圆锥形的锥顶段12b、圆柱形的直筒段12c和下封头12d;堆顶固定屏蔽部13安装在堆坑外壳11的上部,包括顶板14a、底板14b和环形侧壁14c,堆顶固定屏蔽部13中部形成有固定屏蔽腔14d;多个贯穿件14贯穿固定屏蔽腔14d,多个贯穿件14的上端固定于顶板14a,多个贯穿件14的下端延伸穿过底板14b至锥顶段12b上方且与锥顶段12b相间隔堆坑外壳11和堆顶固定屏蔽部14采用双层有机玻璃加工,堆容器12采用不锈钢材质加工。多个贯穿件采用有机玻璃加工。从而,良好地保证堆坑通风系统阻力特性测试装置的热源特性以及边界条件。模型试验中为了便于安装布置,在一优选实施例中,有机玻璃外部结构和不锈钢堆容器12均采用多段式结构。有机玻璃外部结构分为堆坑下段、堆坑上段和堆顶固定屏蔽部14三个部分,每部分之间均通过外置法兰盘连接。在一实施例中,不锈钢堆容器12分为上下两段,堆容器12的颈部12a与锥顶段12b焊接为一体(上段),直筒段12c与椭圆下封头12d焊接为一体(下段),上下两段再通过内置法兰盘连接;替代地,堆容器12的颈部12a、锥顶段12b、直筒段12c与椭圆下封头12d两两焊接,或者两两通过内置法兰盘连接;所有连接法兰盘均采用玻璃胶密封。为了防止堆容器加热后的高温破坏有机玻璃材质,在堆坑底板上铺设石棉防护结构。
进一步,通风系统模型2包括第一送风管21、第二送风管22、第三送风管23、排风管24以及测量系统,第一送风管21和第二送风管22都与堆坑外壳11的下部相连通,排风管24与堆坑外壳11的上部相连通;第三送风管23与堆顶固定屏蔽部13相连通,测量系统用于测定第一送风管21、第二送风管22、第三送风管23和排风管24的流量和压强,直筒段12c上从上至下设置有八个测量高程断面。也就是说,第一送风管21从堆坑外壳11外部、延伸穿过堆坑外壳11并延伸至环形区域;第二送风管22从堆坑外壳11外部、延伸穿过堆坑外壳11并延伸穿过支撑裙11a;第三送风管23从堆顶屏蔽部14外部、延伸穿过堆顶屏蔽部14的顶板14a且延伸至固定屏蔽腔14d中。通风系统2的送风流量包括输送至堆坑外壳11与堆容器12的直筒段12c以及支撑裙11a之间的环形区域的第一送风流量Q1,输送到堆容器12底部的支撑裙11a内部的第二送风流量Q2,和输送到固定屏蔽部14的固定屏蔽腔14d内的第三送风流量Q3。第二送风流量Q2用于堆容器12的椭圆下封头12d的通风散热;第一送风量Q1与第二送风流量Q2共同用于堆容器12的直筒段12c和锥顶段12b的通风散热;第三送风量Q3用于多个贯穿件13的通风散热;通风系统2的送风流量从堆坑外壳11的上部输出,总流量为Q1+Q2+Q3。
进一步,通风系统模型2还包括正五边形送风环管25和正四边形送风环管26,第三送风管23有四个,四个第三送风管分别在正方形送风环管的边长的中心处竖直连接到正四边形送风环管26;第一送风管21有五个,五个第一送风管21分别在正正五边形送风环管25的边长的中心处连接到正五边形送风环管25,一个第二送风管22连接到正正五边形送风环管25的一个角部。五个第一送风管21用于输送堆容器环形区域内的直筒段送风流量Q1;一个第二送风管道22用于输送堆容器支撑裙送风流量Q2,位于支撑裙上的多个支撑裙排风孔24用于将支撑裙送风流量Q2排出到堆坑外壳11与堆容器12的直筒段12c以及支撑裙11a之间的环形区域,从而支撑裙送风流量Q2与直筒段送风流量Q1汇聚;四个第三送风管道23用于输送固定屏蔽腔14d内的送风流量Q3,多个贯穿件13与底板14b中的通孔之间存在间隙,从而固定屏蔽腔内的送风流量Q3通过间隙流入环形区域。
进一步,通风系统模型2还包括排风管24,排风管24有十个,十个排风管24环绕堆坑外壳11设置。从环形区域的上部通往堆坑外壳11外部的十个排风管道25用于排出所有送风流量(Q1+Q2+Q3),同时为了减少排风口的动能损失,采用扩散角为8°的喇叭口结构。
在模型试验中为了满足通风系统的送风要求,需要布置相应的风机和送风管道。正五边形送风环管25和正四边形送风环管26均在一个角部处分别通过第一主管道MP1和第二主管道MP2连接到风机。第二主管道MP2包括下水平管段、上弯管段和上水平管段。模型试验为了满足通风系统的送风要求,需对风机进行选型。根据雷诺相似,其中雷诺相似是保证试验模型与原型满足流动和传热相似的前提,体现为阻力相似和边界层相似,根据满足雷诺相似的阻力损失计算方法,分析模型试验中不同送风流量的压力损失,估算满足设计流量条件的最大压损,并考虑20%的设计裕量,作为模型试验中风机的风量和风压选型的依据。第一主管道MP1中设置有两个风机以满足第一送风流量Q1和第二送风流量Q2,第二主管道MP2中设置有一个风机以满足第三送风流量Q3。送风流量测量系统包括分别设置于五个第一送风管21中的每一个中的五个涡街流量计M以测量第一送风机构的第一送风流量Q1、设置于第二送风管22中的一个涡街流量计M以测量第二送风机构的第二送风流量Q2、和设置于第二主管道MP2中的一个涡街流量计M以测量第三送风机构的第三送风流量Q3。
并且,在本实施例中,压力测量系统包括分别布置于五个第一送风管21中的每个中的至少一个压力测点YP21、一个第二送风管22中的每个中的至少一个压力测点YP22和四个第三送风管23中的每个中的至少一个压力测点YP23以及十个喇叭形排风管25中的每个中的至少一个压力测点YP25,也就是,一共至少10个测点。每个管中的所述至少一个压力测点均可包括4个测点,该4个测点在同一个压力测量断面上均匀布置。
其中:pix为第二送风管22的压强,Qx为第二送风管22的送风流量;piz1,piz2,piz3,piz4,piz5分别为五个第一送风管的压强;Qz1,Qz2,Qz3,Qz4,Qz5分别为五个第一送风管的送风流量。
其中,ρ为空气密度,vix为第二送风管的断面流速,Qx为第二送风管的送风流量;viz1,viz2,viz3,viz4,viz5分别为五个第一送风管的断面流速,Qz1,Qz2,Qz3,Qz4,Qz5分别为五个第一送风管的送风流量;vid为四个第三送风管的断面流速,Qd为四个第三送风管的送风流量。
实施例二
作为本发明的又一实施例,与实施例一不同的是,本实施例采用八个测量高程断面所测得流量和压强数据,因此,本实施例在堆坑外壳11的对应于堆容器直筒段12c的内壁上、沿高度方向上均匀设置4层水平断面,分别为SEC1、SEC2、SEC3和SEC4,每个断面上沿圆周方向上均匀布置8个压力测点YPZ,因此,4层水平断面一共32个压力测点YPZ。
其中:pix为第二送风管的压强,Qx为第二送风管的送风流量;piz1,piz2,piz3,piz4,piz5分别为五个第一送风管的压强;Qz1,Qz2,Qz3,Qz4,Qz5分别为五个第一送风管的送风流量。
其中,ρ为空气密度,vix为第二送风管的断面流速,Qx为第二送风管的送风流量;viz1,viz2,viz3,viz4,viz5分别为五个第一送风管的断面流速,Qz1,Qz2,Qz3,Qz4,Qz5分别为五个第一送风管的送风流量。
本发明的效果在于:本发明的方法通过构建了阻力特性测试装置模型,并且利用阻力特性测试装置模型中的堆坑区域模型模拟了核电站堆坑,节约了1比1模型建立的成本,保证了试验模型与原型的流动相似,并且利用通风系统模型2获得堆坑区域模型的进风平均压强进风平均动压出风平均压强和出风平均动压从而利用公式计算出通风系统的阻力模型相似率和模型试验的实际可操作性都较高。
本领域技术人员应该明白,本发明的方法和系统并不限于具体实施方式中的实施例,上面的具体描述只是为了解释本发明的目的,并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式,同样属于本发明的技术创新范围,本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
2.如权利要求1所述的核电站堆坑通风系统阻力特性测试方法,其特征在于,所述堆坑区域模型包括堆坑外壳、堆容器、堆顶固定屏蔽部和多个贯穿件,所述堆坑外壳的底部具有支撑裙,所述堆容器位于所述堆坑外壳的内部且设置在所述支撑裙上,所述堆容器包括从上至下依次连接设置的圆柱形的颈部、截头圆锥形的锥顶段、圆柱形的直筒段和下封头;所述堆顶固定屏蔽部安装在所述堆坑外壳的上部,包括顶板、底板和环形侧壁,所述堆顶固定屏蔽部中部形成有固定屏蔽腔;多个所述贯穿件贯穿所述固定屏蔽腔,多个所述贯穿件的上端固定于所述顶板,多个所述贯穿件的下端延伸穿过所述底板至所述锥顶段上方且与所述锥顶段相间隔。
3.如权利要求2所述的核电站堆坑通风系统阻力特性测试方法,其特征在于,所述通风系统模型包括第一送风管、第二送风管、第三送风管、排风管以及测量系统,所述第一送风管和第二送风管都与所述堆坑外壳的下部相连通,所述排风管与所述堆坑外壳的上部相连通;所述第三送风管与所述堆顶固定屏蔽部相连通,所述测量系统用于测定所述第一送风管、第二送风管、第三送风管和所述排风管的流量和压强,所述直筒段上从上至下设置有八个测量高程断面。
4.如权利要求3所述的核电站堆坑通风系统阻力特性测试方法,其特征在于,所述通风系统模型还包括正五边形送风环管和正四边形送风环管,所述第一送风管有五个,五个所述第一送风管分别连接所述正五边形送风环管的五个管段的中部,所述第三送风管有四个,四个所述第三送风管分别连接所述正四边形送风环管的四个顶角;所述第二送风管有一个,所述第二送风管连接所述正五边形送风环管的一个顶角。
5.如权利要求4所述的核电站堆坑通风系统阻力特性测试方法,其特征在于,所述通风系统模型还包括排风管,所述排风管有十个,十个所述排风管环绕所述堆坑外壳设置。
其中:pix为所述第二送风管的压强,Qx为所述第二送风管的送风流量;piz1,piz2,piz3,piz4,piz5分别为五个所述第一送风管的压强;Qz1,Qz2,Qz3,Qz4,Qz5分别为五个所述第一送风管的送风流量。
其中:pix为所述第二送风管的压强,Qx为所述第二送风管的送风流量;piz1,piz2,piz3,piz4,piz5分别为五个所述第一送风管的压强;Qz1,Qz2,Qz3,Qz4,Qz5分别为五个所述第一送风管的送风流量。
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CN115512862A (zh) * | 2022-09-23 | 2022-12-23 | 中国原子能科学研究院 | 快堆堆顶固定屏蔽及其测风仪安装结构 |
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