CN115274148A - 一种核电厂安全壳密封性模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种核电厂安全壳密封性模拟试验系统，包括：本发明提供一种核电厂安全壳密封性模拟试验系统，包括：安全壳模拟体、充排系统、卸压系统、采集系统、分析系统、温度控制系统、湿度控制系统、压力控制系统，泄漏引入系统。安全壳模拟体、充气系统、排气系统、数据采集系统和数据分析系统构成密封性试验的基础配置部分，实现壳内升压、降压以及压力平台上的数据采集、数据分析，满足核电厂安全壳密封性试验的基础需求。温度控制系统、湿度控制系统、压力控制系统和泄漏引入系统构成科研研究环境配置部分，实现壳内温度、湿度、压力、泄漏等因素的变化控制。

Description

一种核电厂安全壳密封性模拟试验系统

技术领域

本发明涉及核工程技术科研领域，具体涉及一种核电厂安全壳密封性模拟试验系统。

背景技术

安全壳是核电安全的最后一道物理屏障，安全壳密封性是衡量安全壳安装质量的重要指标。

然而，在核电厂，执行一次安全壳密封性试验需要耗时1周多，这对核电厂来说带来极大的经济损失，因此核电厂不会允许在实际的安全壳上开展任何影响工期的科研研究；另外，安全壳密封性试验伴随强度试验执行，压力将超设计压力，属于破坏性试验，因此试验次数越少越好，除必要的定期试验，不会允许多余的试验执行。

但另一方面，出于核电厂安全壳密封性试验的重要性，核电厂对安全壳密封性试验的顺利开展又有着极高的要求，对试验人员的技术成熟度以及试验技术的成熟度也有极高的期望。

然而，即使核电厂运行单位、核电设计单位对安全壳密封性试验有一些想法，但由于需要投入巨大的资金，因而难以通过实践测试效果；这也导致核电厂运行单位诸如缩短安全壳密封性试验时间、快速提高试验成熟度的期望难以实现，也使得国内核电厂安全壳密封性试验技术多年来陈旧不堪，停步不前。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种专门用于开展科研研究的核电厂安全壳密封性模拟试验系统。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种核电厂安全壳密封性模拟试验系统，包括：安全壳模拟体、充排系统、卸压系统、采集系统、分析系统、温度控制系统、湿度控制系统、压力控制系统，泄漏引入系统，

所述充排系统与安全壳模拟体连通，用于向安全壳模拟体内部充/排气体，以使安全壳模拟体内部的压力达到预设的试验压力，

所述卸压系统连通于安全壳模拟体和大气环境之间，用于对安全壳模拟体进行卸压，以使其恢复至大气压力，

所述温度控制系统与安全壳模拟体相连，用于模拟安全壳内关键热源对安全壳模拟体内气体进行加热，以使安全壳模拟体内气体温度维持预设的试验温度，或使安全壳模拟体内气体以设定的速率进行升温或降温，

湿度控制系统与安全壳模拟体相连，用于模拟安全壳内关键水源对安全壳模拟体内气体进行加湿，以使安全壳模拟体内气体湿度维持预设的试验湿度，或使安全壳模拟体内气体以设定的速率进行加湿，

压力控制系统与安全壳模拟体相连，用于向安全壳模拟体内充/排气体，以使安全壳模拟体内部的压力维持预设的试验压力，

泄漏引入系统与安全壳模拟体相连，用于在安全壳模拟体不同位置引入设定泄漏量的气体，

所述采集系统用于采集安全壳模拟体和各模块气体参数，分析系统与采集系统电连接，用于在安全壳模拟体内部的压力达到或维持预设的试验压力后，根据所述采集系统采集的数据，确定安全壳模拟体的泄漏率。

可选地，所述温度控制系统包括布置在安全壳模拟体中心位置的第一组电加热元件、布置在安全壳模拟体与安全壳底封头对应位置的第二组电加热元件、布置在安全壳模拟体与安全壳第一层隔间对应位置的第三组电加热元件、布置在安全壳模拟体与安全壳第二层隔间对应位置的第四组电加热元件件，以及布置在安全壳模拟体与安全壳上部空间对应位置的第五组电加热元件，第一组电加热元件的多个电加热元件沿安全壳模拟体的高度方向间隔布置，其余每组的多个电加热元件沿安全壳模拟体的环向间隔布置。

可选地，所述温度控制系统还包括多个温控单元，多个温控单元与多组电加热元件一一对应，

每个温控单元包括温度传感器、PID温控器和手动功率调节器，所述温度传感器设于相应的电加热元件附近，温度传感器与相应的PID温控器和手动功率调节器分别电连接，电加热元件与相应的PID温控器和手动功率调节器分别电连接，温度传感器测量相应的电加热元件附近气体的温度，并传输至PID温控器和手动功率调节器，PID温控器或手动功率调节器根据温度传感器传输的数据，调节相应的电加热元件的功率。

可选地，湿度控制系统包括加湿模块，所述加湿模块包括储水罐、主工艺管道、增压泵、加湿流量变送器、第一组喷头、第二组喷头和第三组喷头，储水罐与外部水源相连，主工艺管道的一端与储水罐相连，另一端向上延伸至安全壳模拟体与安全壳上封头对应的位置，增压泵和加湿流量变送器设于主工艺管道上，第一组喷头设于安全壳模拟体与安全壳底封头对应的位置，第二组喷头设于安全壳模拟体与安全壳第二层隔间顶部对应的位置，第三组喷头设于安全壳模拟体与安全壳上封头对应的位置，第一组喷头、第二组喷头和第三组喷头均通过支管与主工艺管道相连通，所述主工艺管道和支管上均设有电磁阀；

所述加湿流量变送器与采集系统电连接，所述储水罐内设有液位计，所述液位计与采集系统电连接。

可选地，湿度控制系统还包括除湿模块，所述除湿模块包括干燥器、循环风机和循环管，所述循环管的两端伸入安全壳模拟体内，干燥器和循环风机均设于循环管上，循环风机用于将安全壳模拟体内的气体抽入干燥器中干燥后送回至安全壳模拟体内，所述循环管上设有隔离阀。

可选地，所述压力控制系统包括壳内正压控制模块和壳内负压控制模块，壳内正压控制模块用于向安全壳模拟体内充入气体，以使安全壳模拟体内部的压力维持预设的试验压力，壳内负压控制模块用于对安全壳模拟体内进行抽气，以使安全壳模拟体内部的压力维持预设的试验压力。

可选地，所述壳内正压控制模块包括正压PID控制单元、充气管路，以及位于充气管路上的应急空压机、正压电动调节阀、正压流量变送器、正压压力变送器、正压温度变送器和正压湿度变送器，充气管路与安全壳模拟体连通，其上还设有隔离阀，

正压流量变送器、正压压力变送器、正压温度变送器和正压湿度变送器均与采集系统电连接，

采集系统、正压PID控制单元和正压电动调节阀依次电连接，正压PID控制单元根据采集系统采集的充气管路中气体的参数和安全壳模拟体内气体参数，调节正压电动调节阀的开度，以使安全壳模拟体内部的压力维持预设的试验压力。

可选地，所述壳内负压控制模块包括负压PID控制单元、抽气管路，以及位于抽气管路上的抽风机、负压电动调节阀和负压流量变送器，抽气管路与安全壳模拟体连通，其上还设有隔离阀，

负压流量变送器、采集系统、负压PID控制单元和负压电动调节阀依次电连接，负压PID控制单元根据采集系统采集的抽气管路中气体的参数和安全壳模拟体内气体参数，调节负压电动调节阀的开度，以使安全壳模拟体内部的压力维持预设的试验压力。

可选地，所述压力控制系统还包括引压管网，引压管网位于安全壳模拟体内且与充气管路和抽气管路分别连通，其用于将充气管路中气体分流后流入安全壳模拟体内不同位置，或，将安全壳模拟体内气体汇集后进入抽气管路。

可选地，所述泄漏引入系统包括泄漏引入单元和多个泄漏测点单元，多个泄漏测点单元分设于安全壳模拟体不同位置，所述泄漏测点单元包括接入管和快插接头，接入管的一端伸入安全壳模拟体内，另一端与所述快插接头相连，接入管上设有隔离阀；

所述泄漏引入单元包括引入PID控制器、引入管路，以及位于引入管路上的引入电动调节阀、引入流量变送器、引入压力变送器、引入温度变送器和引入湿度变送器，引入管路的一端用于通过快插接头与相应的接入管相连通，另一端用于与抽气设备或充气设备相连，

引入流量变送器、引入压力变送器、引入温度变送器和引入湿度变送器均与采集系统电连接，

采集系统、引入PID控制器和引入电动调节阀依次电连接，引入PID控制器根据采集系统采集的引入管路中气体的参数，调节正压电动调节阀的开度，以使泄漏引入系统向安全壳模拟体引入设定泄漏量的气体。

本发明所构建的核电厂安全壳密封性模拟试验系统，不仅包含模拟开展核电厂安全壳密封性试验所需的标准配置，能够实现核电厂安全壳密封性试验过程的全部模拟；还创新地增加了温度控制、湿度控制、压力控制、漏位置控制等专门用于科研研究环境模拟系统，可以在指定温度、湿度、压力和泄漏位置的环境平台上开展核电厂安全壳密封性试验的科研研究。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的核电厂安全壳密封性模拟试验系统的组织框图；

图2为温度控制系统布置的俯视图；

图3为温度控制系统布置的正视图；

图4为湿度控制系统的设计示意图；

图5为压力控制系统的设计示意图；

图6为泄漏引入系统的设计示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种核电厂安全壳密封性模拟试验系统，包括：安全壳模拟体、充排系统、卸压系统、采集系统、分析系统、温度控制系统、湿度控制系统、压力控制系统，泄漏引入系统，

所述充排系统与安全壳模拟体连通，用于向安全壳模拟体内部充/排气体，以使安全壳模拟体内部的压力达到预设的试验压力，

所述卸压系统连通于安全壳模拟体和大气环境之间，用于对安全壳模拟体进行卸压，以使其恢复至大气压力，

所述温度控制系统与安全壳模拟体相连，用于模拟安全壳内关键热源对安全壳模拟体内气体进行加热，以使安全壳模拟体内气体温度维持预设的试验温度，或使安全壳模拟体内气体以设定的速率进行升温或降温，

湿度控制系统与安全壳模拟体相连，用于模拟安全壳内关键水源对安全壳模拟体内气体进行加湿，以使安全壳模拟体内气体湿度维持预设的试验湿度，或使安全壳模拟体内气体以设定的速率进行加湿，

压力控制系统与安全壳模拟体相连，用于向安全壳模拟体内充/排气体，以使安全壳模拟体内部的压力维持预设的试验压力，

泄漏引入系统与安全壳模拟体相连，用于在安全壳模拟体不同位置引入设定泄漏量的气体，

所述采集系统用于采集安全壳模拟体和各模块气体参数，分析系统与采集系统电连接，用于在安全壳模拟体内部的压力达到或维持预设的试验压力后，根据所述采集系统采集的数据，确定安全壳模拟体的泄漏率。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种核电厂安全壳密封性模拟试验系统，包括：安全壳模拟体1、充排系统6、卸压系统7、采集系统8、分析系统9、温度控制系统2、湿度控制系统3、压力控制系统4，泄漏引入系统5，

充排系统6与安全壳模拟体1连通，用于向安全壳模拟体1内部充/排气体，以使安全壳模拟体1内部的压力达到预设的试验压力，

卸压系统7连通于安全壳模拟体1和大气环境之间，用于对安全壳模拟体1进行卸压，以使其恢复至大气压力，

温度控制系统2与安全壳模拟体1相连，用于模拟安全壳内关键热源对安全壳模拟体1内气体进行加热，以使安全壳模拟体1内气体温度维持预设的试验温度，或使安全壳模拟体1内气体以设定的速率进行升温或降温，

湿度控制系统3与安全壳模拟体1相连，用于模拟安全壳内关键水源对安全壳模拟体1内气体进行加湿，以使安全壳模拟体1内气体湿度维持预设的试验湿度，或使安全壳模拟体1内气体以设定的速率进行加湿，

压力控制系统4与安全壳模拟体1相连，用于向安全壳模拟体1内充/排气体，以使安全壳模拟体1内部的压力维持预设的试验压力，

泄漏引入系统5与安全壳模拟体1相连，用于在安全壳模拟体1不同位置引入设定泄漏量的气体，

采集系统8用于采集安全壳模拟体1和各模块气体参数，分析系统9与采集系统8电连接，用于在安全壳模拟体1内部的压力达到或维持预设的试验压力后，根据采集系统8采集的数据，确定安全壳模拟体1的泄漏率。

具体地，如图1所示，安全壳模拟体1、充排系统6、卸压系统7、采集系统8和分析系统9构成密封性试验的基础配置部分，实现壳内升压、降压以及压力平台上的数据采集、数据分析。

本实施例中的充排系统6包括充气系统和排气系统，充气系统可以对安全壳模拟体1进行充气，以使安全壳模拟体1呈正压，模拟内层安全壳泄漏率试验；排气系统对安全壳模拟体1进行抽气，以使安全壳模拟体1呈微负压，模拟外层安全壳泄漏率试验。

在充排系统6将安全壳模拟体1压力调节至预设的试验压力后，关闭充排系统6，通过采集系统8采集安全壳模拟体1内气体的参数，再通过分析系统9计算即可得到安全壳模拟体1的泄漏率，此为常规的压降法实现泄漏率的测量，也即基础配置部分能够满足核电厂安全壳密封性试验的基础需求。

继续参阅图1，温度控制系统2、湿度控制系统3、压力控制系统4和泄漏引入系统5构成科研研究环境配置部分，实现壳内温度、湿度、压力、泄漏等因素的变化控制。

核电厂安全壳密封性试验期间，壳内温度并非是恒定不变的，那么温度的变化对泄漏是否存在影响呢？为给核电技术人员提供一个深度研究的机会，本实施例的综合科研平台中设计了温度控制系统2，通过对安全壳模拟体1内的温度平台控制，以实现温度平台对泄漏率的影响研究，且通过对安全壳模拟体内的温度变化速率控制，以实现温度变化速率对泄漏率的影响研究。此外，还通过模拟核电厂安全壳的热源进行布置，可用于开展局部热源对泄漏率的影响研究。

核电厂安全壳密封性试验期间，壳内湿度并非是恒定不变的，那么湿度的变化对泄漏是否存在影响呢？为给核电技术人员提供一个深度研究的机会，本实施例的综合科研平台中设计了湿度控制系统3，通过对安全壳模拟体1内的湿度平台控制，以实现湿度平台对泄漏率的影响研究，且通过对安全壳模拟体内的湿度变化速率控制，以实现湿度变化速率对泄漏率的影响研究。

核电厂压降法安全壳密封性试验期间，壳内的压力是逐渐下降的，那么压力变化对泄漏是否存在影响呢？压力持续下降得到的泄漏率与指定压力平台的泄漏率存在多大的偏差呢？为给核电技术人员提供一个深度研究的机会，本实施例的综合科研平台中设计了压力控制系统4，以实现压力平台对泄漏率的影响研究。

在充排系统6向安全壳模拟体1内充排气体至压力达到在预设的试验压力后，再通过压力控制系统4向安全壳模拟体1内部充/排气体的流量，使安全壳模拟体1内部的压力维持在预设的试验压力，再通过采集系统8采集安全壳模拟体1内气体的参数，以及压力控制系统4向安全壳模拟体1内部充/排气体的参数，分析系统9采用安全壳模拟体1内气体的参数计算基础泄漏流量，还采用压力控制系统4向安全壳模拟体1内部充/排气体的参数计算补偿泄漏流量，两者相结合可得到安全壳模拟体1的泄漏率。此为全新的恒压法实现安全壳泄漏率的测量。由于维持了壳内压力恒定，从而有效地改善了传统压降法由于压力快速单调下降带来的拟合偏差(在恒定压力下安全壳泄漏率实际值也将是一个定值，这时采用直线拟合是非常准确的)；并且，该方法仅需要一次连续试验，即可以得到在微负压环境下安全壳模拟体泄漏率准确的数据；而传统的压降法测量微负压环境下的泄漏率需要至少6次的重复试验得到拟合的估计值，从而恒压法大大缩减了试验次数，节省了时间成本。

通过对比压降法和恒压法测得的泄漏率，即可分析得出二者测得的泄漏率偏差。

核电厂安全壳密封性试验期间，由安全壳内向安全壳外泄漏的位置、占比是未知的，但是壳内压力测点、温度测点、湿度测点是固定的。那么，在测点固定的情况下，不同的泄漏位置、不同泄漏大小对安全壳泄漏率的测量是否有影响呢？为给核电技术人员提供一个深度研究的机会，综合科研平台中设计了泄漏引入系统5，通过对安全壳不同部位泄漏占比的控制，实现不同泄漏位置对泄漏率的影响研究。

为验证不同的泄漏位置、不同泄漏大小对安全壳泄漏率测量的影响，可在完成泄漏率试验后，在原试验的基础上再通过泄漏引入系统5在安全壳模拟体1不同位置引入不同设定泄漏量的气体，再次测得安全壳泄漏率，根据引入试验和原试验的安全壳泄漏率可得到参考泄漏率计算值，并根据泄漏引入系统5向安全壳模拟体1内部充入气体的参数，可确定参考泄漏率引入值，由参考泄漏率计算值和参考泄漏率引入值计算得到参考泄漏率变化率。通过设计泄漏引入系统5，引入已知的泄漏流量，得到叠加已知泄漏流量后的泄漏率，即可用于评估外层安全壳泄漏率测量的可靠性。且由此可验证不同的泄漏位置、不同泄漏大小对安全壳泄漏率测量的影响。

综上，本发明所提出的核电厂安全壳密封性试验研究综合科研平台，是一套专门用于开展核电厂安全壳密封性试验理论和试验方法研究的科研平台，为国内核电厂、核电设计单位提供了一个可开展安全壳密封性试验机理研究的大型、综合性平台。在核电厂安全壳密封性试验基础需求的基础上，创新的引入了环境因素的控制，用于建立多种工况的环境以完成核电厂无法开展的科学研究，包含温度控制影响研究、湿度控制影响研究、压力控制影响研究、泄漏位置影响研究等。

本发明提出的核电厂安全壳密封性试验研究综合科研平台，发明单位已经构建完成，并经试验验证非常精准地实现了科研研究常用的环境控制功能，包含温度平台控制、温度变化速率控制、湿度平台控制、湿度变化速率控制、压力平台控制、泄漏位置控制等；另外，综合科研平台，还以备用贯穿孔的方式，预留了其他新型研究的拓展接口。

本实施例中的安全壳模拟体1，壳内容积超过1000m³，高度约20m。并参照核电厂底板、主泵、蒸发器、压力容器、20m平台、穹顶的布置，在壳内设置了底封头、环廊+隔间层、直筒段、顶封头。其中，隔间分为两层，每层环形分布6个隔间和1个中心隔间。

本实施例中，温度控制系统2包括布置在安全壳模拟体1中心位置的第一组电加热元件21、布置在安全壳模拟体1与安全壳底封头对应位置的第二组电加热元件22、布置在安全壳模拟体1与安全壳第一层隔间对应位置的第三组电加热元件23、布置在安全壳模拟体1与安全壳第二层隔间对应位置的第四组电加热元件件24，以及布置在安全壳模拟体1与安全壳上部空间对应位置的第五组电加热元件25，第一组电加热元件21的多个电加热元件沿安全壳模拟体1的高度方向间隔布置，其余每组的多个电加热元件沿安全壳模拟体1的环向间隔布置。

本实施例中，温度控制系统2还包括多个温控单元，多个温控单元与多组电加热元件一一对应，

每个温控单元包括温度传感器、PID温控器和手动功率调节器，温度传感器设于相应的电加热元件附近，温度传感器与相应的PID温控器和手动功率调节器分别电连接，电加热元件与相应的PID温控器和手动功率调节器分别电连接，温度传感器测量相应的电加热元件附近气体的温度，并传输至PID温控器和手动功率调节器，PID温控器或手动功率调节器根据温度传感器传输的数据，调节相应的电加热元件的功率。

温度控制系统2参照核电厂安全壳内反应堆压力容器、主泵、蒸发器三种关键热源的位置进行设计，包含5组分散布置的电加热元件，每组电加热元件配置一套用于信号反馈的温度传感器、PID控制单元和手动功率调节器，用于独立调节每组电加热元件的加热功率。综合科研平台通过5组电加热元件实现了壳内温度平台控制、温度变化速率控制和局部热源模拟。

电加热元件的总功率按照壳内温度2h升高10℃的加热能力进行设计，总功率为64kW。第1组由4个4kW的电加热元件组成，分别布置在四个不同高度的中心位置。2-5组每组由6个2kW的分散布置的电加热元件组成，第2组布置在底封头，第3组布置在第一层隔间内，第4组布置再第二层隔间内，第5组布置在上部；加热元件分布示意如图2和图3所示。

本发明所构建的上述温度控制系统2，实现了大型壳体内的温度平台控制，控制精度达到±0.2℃，非常精准地实现了温度平台对泄漏率的影响研究；且实现了大型壳体内的温度变化速率控制，非常精准地实现了温度变化速率对泄漏率的影响研究；此外，还通过模拟核电厂安全壳的热源进行布置，可用于开展局部热源对泄漏率的影响研究。

1)温度平台控制方案

温度平台控制需启用PID自动控制功能，目前已经通过不断的测试，得到了5组电加热元件对应的PID参数，成功将大型安全壳模拟体内部温度控制在目标温度±0.2℃的范围。进行平台控制和更改的步骤如下：

1.1)给温度控制系统2送电，使系统处于运行状态；

1.2)设置目标温度T1及对应PID参数；

1.3)电加热元件将进入加热状态，并由PID控制自动调节加热速率；

1.4)在PID作用下，壳内温度将稳定在T1温度平台，小幅波动；

1.5)若要调整温度平台，重复步骤1.2-1.4。

2)温度变化速率控制方案

温度变化速率控制需采用手动功率调节器控制功能，目前已经通过不断的测试，得到了一些安全壳模拟体内温度变化速率与加热功率的关系，成功控制了大型安全壳模拟体内部温度升温速率，以及在一定范围内的降温速率控制。进行温度变化速率控制的步骤如下：

2.1)给温度控制系统2送电，使系统处于运行状态；

2.2)根据要实现的温度变化速率，设置各组电加热元件的加热功率；

2.3)电加热元件将进入加热状态，可通过采集系统实时监测到壳内升温速率；

2.4)温度越高，散热越快，若目标温度较高，需要不断的根据实时温度调整加热功率；

2.5)降温速率的最大值即是无加热时的降温速率，若要延缓降温，可根据要实现的降温速率，引入对应的加热功率，补偿部分散热的热量。

3)局部热源模拟实施方案

局部热源模拟，仅启动对应位置的电加热元件，其余位置加热元件处于停运状态。

局部热源模拟，选择要运行的加热元件，以一定的功率进行局部持续加热，用以模拟安全壳内对应位置有持续热源发热的环境。

本实施例中，如图4所示，湿度控制系统3包括加湿模块31，加湿模块31包括储水罐311、主工艺管道312、增压泵313、过滤器320、加湿流量变送器314、第一组喷头315、第二组喷头316和第三组喷头317，储水罐311与外部水源相连，主工艺管道312的一端与储水罐311相连，另一端向上延伸至安全壳模拟体1与安全壳上封头对应的位置，增压泵313、过滤器320和加湿流量变送器314设于主工艺管道312上，第一组喷头315设于安全壳模拟体1与安全壳底封头对应的位置，第二组喷头316设于安全壳模拟体1与安全壳第二层隔间顶部对应的位置，第三组喷头317设于安全壳模拟体1与安全壳上封头对应的位置，第一组喷头315、第二组喷头316和第三组喷头317均通过支管与主工艺管道312相连通，主工艺管道312和支管上均设有电磁阀；

加湿流量变送器314与采集系统8电连接，储水罐311内设有液位计318，液位计318与采集系统8电连接。

此外，加湿模块31还包括多根与主工艺管道312相连的凝结水回收管，凝结水回收管上也设有电磁阀。

本实施例中，湿度控制系统3还包括除湿模块32，除湿模块32包括干燥器321、循环风机322和循环管323，循环管323的两端伸入安全壳模拟体1内，干燥器321和循环风机322均设于循环管323上，循环风机322用于将安全壳模拟体1内的气体抽入干燥器321中干燥后送回至安全壳模拟体1内，循环管323上设有隔离阀。

加湿模块31参照核电厂安全壳内地坑/内置换料水箱、主工艺管道、乏燃料水池、壳内喷淋等水源位置进行设计，在三个不同高度处环形布置了三组高压微雾喷头，第一组位于底封头，第二组位于第二层隔间的顶部，第三层位于上封头。加湿模块31由自来水供水，经过壳外储水罐319缓冲排气后，通过双道安全壳隔离阀进入安全壳内设置的储水罐311，储水罐311上安装的液位计318可将罐内液位信号反馈到采集系统8，用来报警高低液位。储水罐311下游的增压泵313，可将下游管路中压力提高至4MPa，实现喷淋高压微雾(1.5MPa时，即可开始喷雾)，管路上的加湿流量变送器314，可监测喷雾流量，控制加湿速率。各管路上的电磁阀可控制运行回路的切换，实现喷雾水回收、不同位置喷雾加湿等。

除湿模块32用于在压力平台上，不降压的情况下对壳内空气进行干燥，可有效降低壳内湿度。主要用于壳内加湿后，快速建立下一次试验研究所需要的湿度环境。除湿模块32由一个连通壳内的循环回路组成，回路包含循环风机322、隔离阀、干燥器321等。

本发明所构建的上述湿度控制系统3，实现了大壳壳体内湿度平台的控制，非常精准地实现了湿度平台对泄漏率的影响研究。且实现了大壳壳体内湿度变化速率的控制，非常精准地实现了湿度变化速率对泄漏率的影响研究。

4)湿度平台控制方案

安全壳模拟体1内湿度平台的控制，通过计算预分析、高压微雾引入、流量监测等手段实现，具体步骤如下：

4.1)通过壳外储水罐319、和两道壳外隔离阀向壳内储水罐311注水，完成后关闭壳外隔离阀；

4.2)通过采集系统8监测当前安全壳内的湿度分布，计算平均湿度，计算壳内水蒸气含量；

4.3)确定目标湿度平台，计算目标湿度平台的水蒸气含量；

4.4)确定安全壳内要引入的水蒸气量；

4.5)开启增压泵入口的电磁阀和各支管上的隔离阀；

4.6)启动增压泵313，通过采集系统8记录加湿流量变送器314的数据；

4.7)加湿流量变送器314的累计流量达到计算的要引入的水蒸气量时，关闭增压泵313；

4.8)关闭增压泵入口电磁阀，各支管上的隔离阀仍开启；

4.9)等待一段时间，通过采集系统8观察壳内各湿度测点数据变化，确定由高压微雾引入的水蒸气扩散到位后，计算壳内平均湿度；

4.10)若要继续加湿，重复步骤4.2-4.9。

若要降低壳内湿度，实现低湿度平台，就要启运除湿模块32，步骤如下：

4.11)开启循环管323上的两道隔离阀；

4.12)启动干燥器321，保持干燥器321处于运行状态；

4.13)启动循环风机322，将壳内的湿空气经壳外干燥器321干燥后返回壳内；

4.14)通过采集系统8观察壳内各湿度测点数据变化，计算壳内平均湿度，当计算的平均湿度接近目标湿度时，立即停运干燥器321；

4.15)保持循环风机322运行，通过采集系统8持续观察一段时间的壳内各湿度测点数据变化，计算壳内湿度，确认是否需要继续除湿；

4.16)如果需要继续除湿，重复步骤4.12和步骤4.14、步骤4.15；如果不需要继续除湿，进入步骤4.17；

4.17)停运循环风机322；

4.18)关闭循环管323上的两道隔离阀。

5)湿度变化速率控制方案

湿度变化速率控制，实质是要控制扩散到壳内大气中的水蒸气流量。在综合科研平台上是通过增压泵313的变频控制实现的，增压泵313的运行频率直接影响着增压泵313下游的压力和喷雾流量，结合管路上的流量计，能够有效的控制加湿速率。实现步骤如下：

5.1)确认要实现的加湿速率，计算该速率下需要引入的喷雾流量；

5.2)开启增压泵313入口的电磁阀和各支管上的隔离阀；

5.3)启动增压泵313，从0开始，逐步增加增压泵313的运行频率，通过采集系统8记录加湿流量变送器314的数据，直至加湿流量变送器314的流量达到计算的要引入的喷雾流量。

本实施例中，如图5所示，压力控制系统4包括壳内正压控制模块41和壳内负压控制模块42，壳内正压控制模块41用于向安全壳模拟体1内充入气体，以使安全壳模拟体1内部的压力维持预设的试验压力，壳内负压控制模块42用于对安全壳模拟体1内进行抽气，以使安全壳模拟体1内部的压力维持预设的试验压力。

本实施例中，壳内正压控制模块41包括正压PID控制单元、充气管路412，以及位于充气管路412上的应急空压机413、空气储罐420、干燥机419、正压电动调节阀414、正压流量变送器415、正压压力变送器416、正压温度变送器417和正压湿度变送器418，充气管路412与安全壳模拟体1连通，其上还设有正压隔离阀411，

正压流量变送器415、正压压力变送器416、正压温度变送器417和正压湿度变送器418均与采集系统8电连接，

采集系统8、正压PID控制单元和正压电动调节阀414依次电连接，正压PID控制单元根据采集系统8采集的充气管路412中气体的参数和安全壳模拟体1内气体参数，调节正压电动调节阀414的开度，以使安全壳模拟体1内部的压力维持预设的试验压力。

本实施例中，壳内负压控制模块42包括负压PID控制单元、抽气管路422，以及位于抽气管路422上的抽风机423、负压电动调节阀424和负压流量变送器425，抽气管路422与安全壳模拟体1连通，其上还设有负压隔离阀411，

负压流量变送器425、采集系统8、负压PID控制单元和负压电动调节阀424依次电连接，负压PID控制单元根据采集系统8采集的抽气管路422中气体的参数和安全壳模拟体1内气体参数，调节负压电动调节阀424的开度，以使安全壳模拟体1内部的压力维持预设的试验压力。

本实施例中，压力控制系统4还包括引压管网43，引压管网43位于安全壳模拟体1内且与充气管路412和抽气管路422分别连通，其用于将充气管路412中气体分流后流入安全壳模拟体1内不同位置，或，将安全壳模拟体1内气体汇集后进入抽气管路422。

引压管网43的设置，是对核电厂安全壳密封性试验的技术方案的创新，与仅有一个管口的方案相比，引压管网43起到流量分配、化整为零的作用，减小充气过程对壳内造成的气流绕扰动，不仅在压力平台控制上效果显著，在安全壳充压过程中同样适用。

本发明所构建的上述压力控制系统4，实现了大型壳体内的压力平台控制，控制精度达到±0.5kPa，非常精准地实现了压力平台对泄漏率的影响研究。

6)压力平台控制方案

压力平台控制要实现的目标是要改善传统压降法壳内压力持续下降的问题，达到安全壳内压力恒定的状态。在综合科研平台中，压力平台控制是通过壳内压力反馈、PID自动控制空气补充流量来实现的。实现壳内压力恒定控制的步骤如下：

6.1)通过充气系统对安全壳进行升压，到达目标压力后，停运充气系统，做好壳体隔离；

6.2)启动充气管路412上的应急空压机413和干燥机419；

6.3)开启充气管路412上的正压隔离阀411；

6.4)在正压电动调节阀414对应的PID控制中，设置目标压力P；

6.5)通过采集系统8实时获取壳内平均压力，并反馈给正压PID控制单元自动调节正压电动调节阀414的开度，以适应壳内压力始终为目标压力P。

以上是进行壳内正压压力平台的控制流程，一般情况下用于(内层)安全壳密封性试验的研究，而对于外层安全壳密封性试验，需要将壳内压力维持在恒定的微负压，实现的步骤如下：

6.1)开启抽气管路422上的负压隔离阀411；

6.2)在负压电动调节阀424对应的PID控制中，设置目标压力P1；

6.3)启动抽风机423；

6.4)通过数据采集系统实时获取壳内平均压力，并反馈给负压PID控制单元自动调节负压电动调节阀424的开度，以适应壳内压力始终为目标压力P1。

本实施例中，如图6所示，泄漏引入系统5包括泄漏引入单元51和多个泄漏测点单元52，多个泄漏测点单元52分设于安全壳模拟体1不同位置，泄漏测点单元52包括接入管521和快插接头522，接入管521的一端伸入安全壳模拟体1内，另一端与快插接头522相连，接入管521上设有隔离阀；

泄漏引入单元51包括引入PID控制器、引入管路512，以及位于引入管路512上的引入电动调节阀513、引入流量变送器514、引入压力变送器515、引入温度变送器516和引入湿度变送器517，引入管路512的一端用于通过快插接头522与相应的接入管521相连通，另一端用于与抽气设备或充气设备相连，

引入流量变送器514、引入压力变送器515、引入温度变送器516和引入湿度变送器517均与采集系统8电连接，

采集系统8、引入PID控制器和引入电动调节阀513依次电连接，引入PID控制器根据采集系统8采集的引入管路512中气体的参数，调节正压电动调节阀414的开度，以使泄漏引入系统5向安全壳模拟体1引入设定泄漏量的气体。

具体地，本实施例的泄漏引入系统5，在安全壳模拟体1上设置了5条泄漏率接入管线，每条接入管线位于不同位置，高度不同或角度不同，这样，就可以按照需要，在5各不同的位置引入想要的泄漏量，改变不同位置泄漏量的占比。每条泄漏接入管521上均设有一只隔离阀和壳外快插接头522，核心的控制和测量部分包含引入流量变送器514、引入压力变送器515、引入温度变送器516和引入湿度变送器517。5条泄漏率接入管线，在壳外隔离阀下游直接与同一控制和引入部分相接，通过相同的控制部件和测量仪表，消除了壳外系统引入的干扰。

本发明所构建的上述泄漏引入系统5，实现了大壳不同部位泄漏占比的控制，非常精准地实现了不同泄漏位置对泄漏率的影响研究。

7)泄漏位置控制方案

不同的泄漏位置分别引入相同的泄漏率，可对比不同位置对泄漏率测量的影响，在综合科研平台中，可很好的开展此项研究。

实现该研究过程的步骤如下：

7.1)确定要研究的要引入的泄漏大小Q；

7.2)启动数据采集系统，连续监测和记录泄漏位置控制系统仪表数据，包含引入流量变送器514、引入压力变送器515、引入温度变送器516和引入湿度变送器517的数据；

7.3)将泄漏引入单元51的入口511与泄漏控制位1(第一个泄漏测点单元52)相连；

7.4)开启泄漏控制位1管路上的隔离阀；

7.5)缓慢逐步开启引入电动调节阀513，直至引入流量变送器514的数据与目标泄漏流量Q一致；

7.6)通过采集系统8和分析系统9计算在泄漏控制位1引入泄漏Q时的安全壳泄漏；

7.7)完成计算后，关闭泄漏控制位1管路上的隔离阀，并对快插接头进行自密封处理；

7.8)将泄漏引入单元51的入口511与泄漏控制位2(第二个泄漏测点单元52)相连；

7.9)开启泄漏控制位2管路上的隔离阀；

7.10)缓慢逐步开启引入电动调节阀513，直至引入流量变送器514的数据与目标泄漏流量Q一致；

7.11)通过采集系统8和分析系统9计算在泄漏控制位2引入泄漏Q时的安全壳泄漏；

7.12)完成计算后，关闭泄漏控制位2管路上的隔离阀，并对快插接头进行自密封处理；

7.13)将泄漏引入单元51的入口511与泄漏控制位3(第三个泄漏测点单元52)相连；

7.14)开启泄漏控制位3管路上的隔离阀；

7.15)缓慢逐步开启引入电动调节阀513，直至引入流量变送器514的数据与目标泄漏流量Q一致；

7.16)通过数据采集系统和数据分析系统计算在泄漏控制位3引入泄漏Q时的安全壳泄漏；

7.17)完成计算后，关闭泄漏控制位3管路上的隔离阀，并对快插接头进行自密封处理；

7.18)将泄漏引入单元51的入口511与泄漏控制位4(第四个泄漏测点单元52)相连；

7.19)开启泄漏控制位4管路上的隔离阀；

7.20)缓慢逐步开启引入电动调节阀513，直至引入流量变送器514的数据与目标泄漏流量Q一致；

7.21)通过数据采集系统和数据分析系统计算在泄漏控制位4引入泄漏Q时的安全壳泄漏；

7.22)完成计算后，关闭泄漏控制位4管路上的隔离阀，并对快插接头进行自密封处理；

7.23)将泄漏引入单元51的入口511与泄漏控制位5(第五个泄漏测点单元52)相连；

7.24)开启泄漏控制位5管路上的隔离阀；

7.25)缓慢逐步引入电动调节阀513，直至引入流量变送器514的数据与目标泄漏流量Q一致；

7.26)通过数据采集系统和数据分析系统计算在泄漏控制位5引入泄漏Q时的安全壳泄漏；

7.27)完成计算后，关闭泄漏控制位5管路上的隔离阀，并对快插接头进行自密封处理。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种核电厂安全壳密封性模拟试验系统，其特征在于，包括：安全壳模拟体(1)、充排系统(6)、卸压系统(7)、采集系统(8)、分析系统(9)、温度控制系统(2)、湿度控制系统(3)、压力控制系统(4)，泄漏引入系统(5)，

所述充排系统(6)与安全壳模拟体(1)连通，用于向安全壳模拟体(1)内部充/排气体，以使安全壳模拟体(1)内部的压力达到预设的试验压力，

所述卸压系统(7)连通于安全壳模拟体(1)和大气环境之间，用于对安全壳模拟体(1)进行卸压，以使其恢复至大气压力，

所述温度控制系统(2)与安全壳模拟体(1)相连，用于模拟安全壳内关键热源对安全壳模拟体(1)内气体进行加热，以使安全壳模拟体(1)内气体温度维持预设的试验温度，或使安全壳模拟体(1)内气体以设定的速率进行升温或降温，

湿度控制系统(3)与安全壳模拟体(1)相连，用于模拟安全壳内关键水源对安全壳模拟体(1)内气体进行加湿，以使安全壳模拟体(1)内气体湿度维持预设的试验湿度，或使安全壳模拟体(1)内气体以设定的速率进行加湿，

压力控制系统(4)与安全壳模拟体(1)相连，用于向安全壳模拟体(1)内充/排气体，以使安全壳模拟体(1)内部的压力维持预设的试验压力，

泄漏引入系统(5)与安全壳模拟体(1)相连，用于在安全壳模拟体(1)不同位置引入设定泄漏量的气体，

所述采集系统(8)用于采集安全壳模拟体(1)和各模块气体参数，分析系统(9)与采集系统(8)电连接，用于在安全壳模拟体(1)内部的压力达到或维持预设的试验压力后，根据所述采集系统(8)采集的数据，确定安全壳模拟体(1)的泄漏率。

2.根据权利要求1所述的核电厂安全壳密封性模拟试验系统，其特征在于，

所述温度控制系统(2)包括布置在安全壳模拟体(1)中心位置的第一组电加热元件(21)、布置在安全壳模拟体(1)与安全壳底封头对应位置的第二组电加热元件(22)、布置在安全壳模拟体(1)与安全壳第一层隔间对应位置的第三组电加热元件(23)、布置在安全壳模拟体(1)与安全壳第二层隔间对应位置的第四组电加热元件件(24)，以及布置在安全壳模拟体(1)与安全壳上部空间对应位置的第五组电加热元件(25)，第一组电加热元件(21)的多个电加热元件沿安全壳模拟体(1)的高度方向间隔布置，其余每组的多个电加热元件沿安全壳模拟体(1)的环向间隔布置。

3.根据权利要求2所述的核电厂安全壳密封性模拟试验系统，其特征在于，

所述温度控制系统(2)还包括多个温控单元，多个温控单元与多组电加热元件一一对应，

每个温控单元包括温度传感器、PID温控器和手动功率调节器，所述温度传感器设于相应的电加热元件附近，温度传感器与相应的PID温控器和手动功率调节器分别电连接，电加热元件与相应的PID温控器和手动功率调节器分别电连接，温度传感器测量相应的电加热元件附近气体的温度，并传输至PID温控器和手动功率调节器，PID温控器或手动功率调节器根据温度传感器传输的数据，调节相应的电加热元件的功率。

4.根据权利要求1所述的核电厂安全壳密封性模拟试验系统，其特征在于，

湿度控制系统(3)包括加湿模块(31)，所述加湿模块(31)包括储水罐(311)、主工艺管道(312)、增压泵(313)、加湿流量变送器(314)、第一组喷头(315)、第二组喷头(316)和第三组喷头(317)，储水罐(311)与外部水源相连，主工艺管道(312)的一端与储水罐(311)相连，另一端向上延伸至安全壳模拟体(1)与安全壳上封头对应的位置，增压泵(313)和加湿流量变送器(314)设于主工艺管道(312)上，第一组喷头(315)设于安全壳模拟体(1)与安全壳底封头对应的位置，第二组喷头(316)设于安全壳模拟体(1)与安全壳第二层隔间顶部对应的位置，第三组喷头(317)设于安全壳模拟体(1)与安全壳上封头对应的位置，第一组喷头(315)、第二组喷头(316)和第三组喷头(317)均通过支管与主工艺管道(312)相连通，所述主工艺管道(312)和支管上均设有电磁阀；

所述加湿流量变送器(314)与采集系统(8)电连接，所述储水罐(311)内设有液位计(318)，所述液位计(318)与采集系统(8)电连接。

5.根据权利要求4所述的核电厂安全壳密封性模拟试验系统，其特征在于，

湿度控制系统(3)还包括除湿模块(32)，所述除湿模块(32)包括干燥器(321)、循环风机(322)和循环管(323)，所述循环管(323)的两端伸入安全壳模拟体(1)内，干燥器(321)和循环风机(322)均设于循环管(323)上，循环风机(322)用于将安全壳模拟体(1)内的气体抽入干燥器(321)中干燥后送回至安全壳模拟体(1)内，所述循环管(323)上设有隔离阀。

6.根据权利要求1所述的核电厂安全壳密封性模拟试验系统，其特征在于，

所述压力控制系统(4)包括壳内正压控制模块(41)和壳内负压控制模块(42)，壳内正压控制模块(41)用于向安全壳模拟体(1)内充入气体，以使安全壳模拟体(1)内部的压力维持预设的试验压力，壳内负压控制模块(42)用于对安全壳模拟体(1)内进行抽气，以使安全壳模拟体(1)内部的压力维持预设的试验压力。

7.根据权利要求6所述的核电厂安全壳密封性模拟试验系统，其特征在于，

所述壳内正压控制模块(41)包括正压PID控制单元、充气管路(412)，以及位于充气管路(412)上的应急空压机(413)、正压电动调节阀(414)、正压流量变送器(415)、正压压力变送器(416)、正压温度变送器(417)和正压湿度变送器(418)，充气管路(412)与安全壳模拟体(1)连通，其上还设有隔离阀，

正压流量变送器(415)、正压压力变送器(416)、正压温度变送器(417)和正压湿度变送器(418)均与采集系统(8)电连接，

采集系统(8)、正压PID控制单元和正压电动调节阀(414)依次电连接，正压PID控制单元根据采集系统(8)采集的充气管路(412)中气体的参数和安全壳模拟体(1)内气体参数，调节正压电动调节阀(414)的开度，以使安全壳模拟体(1)内部的压力维持预设的试验压力。

8.根据权利要求7所述的核电厂安全壳密封性模拟试验系统，其特征在于，

所述壳内负压控制模块(42)包括负压PID控制单元、抽气管路(422)，以及位于抽气管路(422)上的抽风机(423)、负压电动调节阀(424)和负压流量变送器(425)，抽气管路(422)与安全壳模拟体(1)连通，其上还设有隔离阀，

负压流量变送器(425)、采集系统(8)、负压PID控制单元和负压电动调节阀(424)依次电连接，负压PID控制单元根据采集系统(8)采集的抽气管路(422)中气体的参数和安全壳模拟体(1)内气体参数，调节负压电动调节阀(424)的开度，以使安全壳模拟体(1)内部的压力维持预设的试验压力。

9.根据权利要求8所述的核电厂安全壳密封性模拟试验系统，其特征在于，

所述压力控制系统(4)还包括引压管网(43)，引压管网(43)位于安全壳模拟体(1)内且与充气管路(412)和抽气管路(422)分别连通，其用于将充气管路(412)中气体分流后流入安全壳模拟体(1)内不同位置，或，将安全壳模拟体(1)内气体汇集后进入抽气管路(422)。

10.根据权利要求1所述的核电厂安全壳密封性模拟试验系统，其特征在于，

所述泄漏引入系统(5)包括泄漏引入单元(51)和多个泄漏测点单元(52)，多个泄漏测点单元(52)分设于安全壳模拟体(1)不同位置，所述泄漏测点单元(52)包括接入管(521)和快插接头(522)，接入管(521)的一端伸入安全壳模拟体(1)内，另一端与所述快插接头(522)相连，接入管(521)上设有隔离阀；

所述泄漏引入单元(51)包括引入PID控制器、引入管路(512)，以及位于引入管路(512)上的引入电动调节阀(513)、引入流量变送器(514)、引入压力变送器(515)、引入温度变送器(516)和引入湿度变送器(517)，引入管路(512)的一端用于通过快插接头(522)与相应的接入管(521)相连通，另一端用于与抽气设备或充气设备相连，

引入流量变送器(514)、引入压力变送器(515)、引入温度变送器(516)和引入湿度变送器(517)均与采集系统(8)电连接，

采集系统(8)、引入PID控制器和引入电动调节阀(513)依次电连接，引入PID控制器根据采集系统(8)采集的引入管路(512)中气体的参数，调节正压电动调节阀(414)的开度，以使泄漏引入系统(5)向安全壳模拟体(1)引入设定泄漏量的气体。

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