CN202258091U - 可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于核电能源技术领域，特别涉及一种能够进行教学实验、模拟压水堆正常运行及失水事故的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型。由蒸汽发生器、压力容器、稳压器、管路、测量系统以及加热元件构成，蒸汽发生器的下封头由隔板分成进水室和出水室；进水室通过进水管路与压力容器的上部连接，出水室通过出水管路与压力容器的下部连接；在进水管路上通过设置旁路，与稳压器连接；稳压器的顶部通过管路分别与4根液柱压力计的顶部连接，4根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的4个出口连接。本模型结构简单，易于实施，既安全可靠，又能让学生亲自操作，从而增强学生对核反应堆的感性与理性认识，达到教学、科研目的。

Description

可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型

技术领域

本实用新型属于核电能源技术领域，特别涉及一种能够进行教学实验、模拟压水堆正常运行及失水事故的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型。

背景技术

核电站是一个庞大的系统工程，由于核岛的封闭性，即便是到了核电厂也不太可能见到具体的堆芯结构，这就造成了核电专业的学生与其所学对象严重分隔，很多学生直到毕业也没有见过核反应堆。目前，核电教学用于演示核反应堆原理的演示模型多为塑料或泡沫制造的静态模型，只能够显示核岛内设备构成，但是不能演示一回路中的冷却剂流动过程，一、二回路的传热过程，蒸汽发生器中蒸汽的产生过程，以及堆芯失水再淹没过程。

发明内容

本实用新型针对现有压水堆核电站静态模型的缺点，提供一种可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型。

本实用新型采用的技术方案为：

由蒸汽发生器、压力容器、稳压器、管路、测量系统以及加热元件构成，其特征在于，蒸汽发生器的下封头采用半球形，由隔板分成进水室和出水室；所述进水室通过进水管路与压力容器的上部连接，所述出水室通过出水管路与压力容器的下部连接；在所述进水管路上通过设置旁路，与稳压器连接；稳压器的顶部通过管路分别与4根液柱压力计的顶部连接，4根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的4个测压口连接；该模型采用自然循环，压力容器中的电加热棒加热一回路中的冷却剂，冷却剂通过蒸汽发生器把热量传给二回路的工质，使二回路的水产生蒸汽。

所述的蒸汽发生器、稳压器、压力容器以及管路均由玻璃制成。

所述一回路的冷却剂和二回路中的工质为水。

所述压力容器中，以电加热棒模拟核反应堆燃料组件，且所述电加热棒的功率可调。

所述蒸汽发生器侧壁上、压力容器内部、进水管路上、出水管路上均设置热电偶。

所述出水管路上设置手动调节角阀，在出水管路的旁路上设置泄漏阀。

设置循环水箱，循环水箱的出口分别与一回路和二回路的进水口连接；在循环水箱的出口与入口之间设置喷射泵，且喷射泵的一个出口与蒸汽发生器的顶部入口连接；通过喷射泵产生的负压，使二回路中的工质在低于100℃下沸腾。

本实用新型的有益效果是：为增强核电专业学生及相关工作人员对压水堆核电厂核岛部分主要部件的了解，以及一、二回路之间的传热过程的理解，通过建立动态透明模拟反应堆来配合教学，以可调节功率的电加热棒模拟核反应堆燃料组件，采用耐热耐压的玻璃容器及管路来模拟反应堆的堆芯压力容器、稳压器、蒸汽发生器、传热U形管等管路，同时配备了监控传感器和电加热调节装置。本模型可以完成四种实验教学：一回路热臂流速实验；压力容器空泡份额实验；电加热棒表面传热系数实验；堆芯失水再淹没过程演示实验。本模型结构简单，成本低，易于实施，既安全可靠，又能让学生亲自操作，从而增强学生对核反应堆的感性与理性认识，达到教学、科研目的。

附图说明

图1是本实用新型所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型的结构图；

图2是本实用新型所述的管路布置系统图；

图3是U形管排列图。

图中标号：

1-蒸汽发生器；2-稳压器；3-压力容器；4-蒸汽发生器进水口；5-蒸汽发生器出水口；6-第八热电偶；7-一回路进水口；8-手动调节角阀；9-泄漏阀；10-二回路压力计；11-第六热电偶；12-第七热电偶；13-一回路压力计；14-安全阀；15-墨水注射器；16-第五热电偶；17-第四热电偶；18-第三热电偶；19-第二热电偶；20-第一热电偶；21-第一液柱压力计；22-第二液柱压力计；23-第三液柱压力计；24-第四液柱压力计；25-喷射泵；26-循环水箱出口；27-蒸汽发生器顶部；28-循环水箱入口；29-二回路进水口。

具体实施方式

本实用新型提供了一种可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，下面结合附图以及具体实验步骤和原理对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，根据压水堆原理，本实验仪器由蒸汽发生器、稳压器、压力容器三个主要设备，以及管道、阀门、测量系统和加热元件构成。

蒸汽发生器1的下封头采用半球形，由隔板分成进水室和出水室，其中并联了8根平行的U形管，增大了换热面积，从而提高的传热效率；所述进水室通过进水管路与压力容器3的上部连接，所述出水室通过出水管路与压力容器3的下部连接；在所述出水管路上通过设置旁路，与稳压器2连接；稳压器2的顶部通过管路分别与第一液柱压力计21、第二液柱压力计22、第三液柱压力计23、第四液柱压力计24的顶部连接，4根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的4个测压口连接；压力容器3中，设置7根可调节功率的电加热棒，每根最大功率为250W，模拟核反应堆燃料组件，用来加热一回路中的冷却剂。蒸汽发生器1及其中的U形管、稳压器2、压力容器3以及管路全部由玻璃制成。考虑到玻璃容器不能耐高压，因此本实验仪器无主循环泵，采用自然循环，以水作为一回路的冷却剂和二回路的工质。

稳压器2上设置安全阀14及一回路压力计13，当一回路的压力超过安全压力，则安全阀自动泄压。蒸汽发生器1上设置一回路压力计10。

出水管路上设置手动调节角阀8，在出水管路的旁路上设置泄漏阀9。

测量系统包括：在压力容器3出口附近的热臂上设置墨水注射器15，通过记录一定时间内墨水流动的距离可以测量冷却剂在热臂的流速；模型内共设置八个热电偶，分别分布在：压力容器3内部的电加热棒上由上至下依次设置的第三热电偶18、第二热电偶19以及第一热电偶20，压力容器3进口处的第四热电偶17，压力容器3出口处的第五热电偶16，蒸汽发生器1容器壁上的第六热电偶11，蒸汽发生器1进口处的第七热电偶12，蒸汽发生器1出口处的第八热电偶6；一回路压力计13和二回路压力计10分别安装在稳压器器壁和蒸汽发生器器壁，用来测量一、二回路的初压。在压力容器3的器壁垂直高度上均匀分布着四个与液柱压力计连接的测压口，用来估算压力容器截面的空泡份额α。

如图2所示，设置循环水箱，循环水箱出口26分别与一回路进水口7、二回路的进水口29连接；在循环水箱出口26与循环水箱入口28之间设置喷射泵25，且喷射泵25的一个出口与蒸汽发生器顶部入口27连接；通过喷射泵25产生的负压，使二回路中的工质在低于100℃下沸腾。

冷却剂通过自然循环在一回路中流动，进入蒸汽发生器1下封头中的进水室，然后进入并联的U形管中，通过管壁把热量传递给二回路。因为一回路中为常压，温度不会超过100℃，所以二回路温度也不会超过100℃。为使二回路中的水产生饱和蒸汽，在蒸汽发生器的顶部连接喷射泵。通过喷射泵产生的负压使蒸发器的二次侧压力降低，从而使水的沸点降低，在低于100℃的温度下使蒸汽发生器二次侧的水沸腾。

使用本模型的实验步骤如下：

(1)确定实验设备各个阀门状态：压力容器3顶部的阀门开启；稳压器2泄压阀开启；手动调节角阀8关闭；泄漏阀9开启。

(2)向一回路注水，要求冷却剂以一定的速度流经一回路，以能够冲掉蒸汽发生器1里U形管里顶部的气泡为准。

(3)打开各个热电偶，显示器显示第三热电偶18的温度。

(4)打开稳压器2上的出水口，以使稳压器2里的水位达到合适的高度。

(5)轻敲四个液柱压力计的玻璃管，清除其中的气泡，因为稳压器2顶端的阀门开启，并且与四个液柱压力计连接，所以里面的空气都是一个大气压。四个液柱压力计的初始水位应该等高。

(5)第一热电偶20、第二热电偶19、第三热电偶18、第四热电偶17以及第五热电偶16的初始温度应该是一样的。

(6)关闭所有的阀门，仅打开手动调节角阀8。

(7)把压力容器3中电加热棒的总功率提高到500W，打开喷射泵25。

(8)等待第三热电偶18达到平衡，蒸汽发生器1里的水沸腾，如果水位降到U形管以下，应及时补充水。

(9)记录八个热电偶的温度，四个液柱压力计和稳压器2的水位，一回路压力计13和二回路压力计10的压力，热段水流流速，还有蒸汽发生器和压力容器的现象。

(10)把压力容器3中电加热棒的总功率调到700W，900W和1200W，重复以上步骤。

(11)把功率调到零，关闭喷射泵。

本模型的实验原理为：

实验一：求热段流速

方法①：染料速度测定

$v=\frac{l}{t};$

其中：t为染料经过单位距离的时间

方法②：伯努利方程

对于一个自然循环的闭合回路，回路各部分i的流体浮力等于其因摩擦引起的压降损失。因此伯努利方程可表示为：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left(\underset{z_i}{\overset{z_{i-1}}{\∫}}\mathrm{\ρgdz}\right)}_i=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left({\mathrm{\ρ}}_0{f}_i\frac{L_i}{D_i}\frac{U_i^2}{2}\right)}_i+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left({\mathrm{\ρ}}_{0}K\frac{U_i^2}{2}\right)}_i;$

ρ₀为流体的平均密度，g为当地重力加速度，z为流体的垂直高度，f为流道的摩擦系数，K为局部损失系数，L_i为造成沿程损失的流道长度，D_i为水力直径，U_i为i部分的平均流速。

对于横截面变化的流道，应该考虑引入流道的不变量，即流量Q。把Q＝U_iA_i和 $A_i=\left({\mathrm{\πD}}_i^2\right)/4$ 带入，可写为：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left(\underset{z_i}{\overset{z_{i-1}}{\∫}}\mathrm{\ρgdz}\right)}_i=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left({\mathrm{\ρ}}_0{f}_i\frac{{8L}_i{Q}^2}{{\mathrm{\π}}^2{D}_i^5}\right)}_i+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left({\mathrm{\ρ}}_{0}K\frac{{8Q}^2}{{\mathrm{\π}}^2{D}_i^4}\right)}_i;$

本模型自然循环的浮力可由如下方程计算得出：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(\underset{z_i}{\overset{z_{i-1}}{\∫}}\mathrm{\ρgdz}\right)={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CL}}g{H}_{\mathrm{DC}}-\underset{0}{\overset{H_{\mathrm{DC}}}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{core}}\mathrm{gdz}=g{H}_{\mathrm{DC}}({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CL}}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{core}}).$

ρ_CL为实验仪器冷段的冷却剂密度，H_DC为冷却剂下降通道(downcomer)的垂直高度，ρ_core为反应堆压力容器各个高度的冷却剂密度，

为压力容器冷却剂的平均密度。正是因为冷却剂的密度差导致的系统的流体流动，而冷却剂的密度差可由当地温度估算：Δρ＝-βΔTρ₀。β为冷却剂的热膨胀系数，40℃时水的体膨胀系数为3.6×10^-4℃^-1。ΔT＝T_CL-T_core≈T_CL-(T_HL+T_CL)/2，T_HL为热段温度。以上可以得出浮力大小。

管道雷诺数为：

${\mathrm{Re}}_D=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{U}_i{D}_i}{\mathrm{\μ}}\≅\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{core}}{D}_i}{\mathrm{\μ}}{U}_i.$

U_i为管道冷却剂的流速，取最大值0.1m/s。D_i为管道直径，为0.019m。

${\mathrm{Re}}_D=\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{core}}{D}_i}{\mathrm{\μ}}{U}_i\≤\frac{\left({10}^3\right)(2\×{10}^{-2})\left({10}^{-1}\right)}{{10}^{-3}}=2000,$

所以管道中的流动为层流：f＝64/Re_D。

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left({\mathrm{\ρ}}_0{f}_i\frac{L_i}{D_i}\frac{U_i^2}{2}\right)}_i+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left(K\frac{U_i^2}{2}\right)}_i$

$={\mathrm{\ρ}}_0[\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left(\frac{64\mathrm{\μ}}{{\mathrm{\ρ}}_0{U}_i{D}_i}\frac{L_i}{D_i}\frac{U_i^2}{2}\right)}_i+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left(K\frac{U_i^2}{2}\right)}_i]$

$=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left({\mathrm{\ρ}}_{0}K\frac{U_i^2}{2}\right)}_i+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left(\frac{32\mathrm{\μ}{L}_i{U}_i}{D_i^2}\right)}_i$

再由浮力可计算出U_i。

方法③：能量守恒法

P＝ρ_HA_tubeUC_p(T_H-T_C)其中A_tube为管道横截面积，C_p为水的比热容，T_H-T_C为冷热段温差。

实验二：估算RPV的空泡份额α

通过四个液柱压力计的读数可以知道压力容器垂直方向上的压力分布，其中高度方向上的i点的压强为：

P_i＝P_ref+ρ_wg(H_i-H_io)，

其中P_ref为系统初压，可由与之相连的稳压器上的压力表读数读出，ρ_w为室温下冷却剂的密度，H_io为i点距压力容器底部的距离，H_i为液柱压力计中的水位高度。

空泡份额可由如下两个公式计算得出：

P_j-P_i＝ΔP_loss+ρ_mixg(H_io-H_jo)≈ρ_mixg(H_io-H_jo)，

ρ_mix＝(1-α)ρ_w+αρ_s，

其中ΔP_loss为空泡在水中流动的能量损失，ρ_mix为两相流的混合密度，ρ_s为水蒸气的密度。

P_j-P_i＝ρ_wg(H_j-H_jo)-ρ_wg(H_i-H_io)＝ρ_wg[(H_j-H_i)-(H_jo-H_io)]，

ρ_mixg(H_jo-H_io)＝ρ_wg[(H_j-H_i)-(H_jo-H_io)]，

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}={\mathrm{\ρ}}_w\frac{(H_j-H_i)-(H_{\mathrm{jo}}-H_{\mathrm{io}})}{H_{\mathrm{io}}-H_{\mathrm{jo}}}={\mathrm{\ρ}}_w[1-\frac{H_j-H_i}{H_{\mathrm{jo}}-H_{\mathrm{io}}}],$

可得空泡份额α为：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{{\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_s}\frac{H_j-H_i}{H_{\mathrm{jo}}-H_{\mathrm{io}}}.$

分析：

若H_j＝H_i，则ρ_mix＝ρ_w，为单相水状态；

若H_j＞H_i，则ρ_mix＜ρ_w，为两相流状态；

若H_j＜H_i，则ρ_mix＞ρ_w，不可能出现这种状况。

实验三：求加热棒的表面换热系数

方法①：能量守恒法

加热棒的表面传热系数可用如下公式表示：

$\frac{P}{A_{\mathrm{rods}}}=h(T_w-T_f),$

其中P为7个电加热棒的加热功率之和，A_rods为7个电加热棒总的表面积，T_w为电加热棒的表面温度，T_f为水温。

方法②：努塞尔数法

$\mathrm{Nu}=0.023{\mathrm{Re}}^{0.8}{\mathrm{Pr}}^{0.4}=\frac{{\mathrm{hD}}_h}{k}$

其中h为电加热棒的表面换热系数，k为导热系数。

Claims (7)

1.可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，由蒸汽发生器(1)、压力容器(3)、稳压器(2)、管路、测量系统以及加热元件构成，其特征在于，蒸汽发生器(1)的下封头采用半球形，由隔板分成进水室和出水室；所述进水室通过进水管路与压力容器(3)的上部连接，所述出水室通过出水管路与压力容器(3)的下部连接；在所述进水管路上通过设置旁路，与稳压器(2)连接；稳压器(2)的顶部通过管路分别与4根液柱压力计的顶部连接，4根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的4个测压口连接。

2.根据权利要求1所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述的蒸汽发生器(1)、稳压器(2)、压力容器(3)以及管路均由玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述一回路的冷却剂和二回路中的工质为水。

4.根据权利要求1所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述压力容器(3)中设置功率可调的电加热棒。

5.根据权利要求1所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述蒸汽发生器(1)侧壁上、压力容器(3)内部、进水管路上、出水管路上均设置热电偶。

6.根据权利要求1所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述出水管路上设置手动调节角阀(8)，在出水管路的旁路上设置泄漏阀(9)。

7.根据权利要求3所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，设置循环水箱，循环水箱的出口分别与一回路和二回路的进水口连接；在循环水箱的出口与入口之间设置喷射泵，且喷射泵的一个出口与蒸汽发生器(1)的顶部入口连接。

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