运动条件下非能动余热排出系统实验初始工况建立方法及系统与流程

本发明涉及一种实验方法，具体涉及一种在静止、倾斜、摇摆和升潜等运动条件下建立非能动余热排出系统初始工况的实验方法。

背景技术：

浮在大海和大洋上的核动力装置及平台因海浪的冲击作用，会产生倾斜、摇摆或升潜等运动，此种情况下非能动余热排出系统是否依然能够带走堆芯余热保证反应堆安全，需要开展运动条件下非能动余热排出系统实验进行技术验证。通常非能动余热排出系统实验在系统投入之后是不需要人工干预的，实验的难点和关键在于建立实验初始工况，而运动条件下非能动余热排出系统实验初始工况的建立是一个更复杂的过程。目前，国内尚未有运动条件下非能动余热排出系统实验初始工况建立方法的相关报道。鉴于这一情况，本发明提出一套非能动余热排出系统实验初始工况的建立方法，为开展运动条件下非能动余热排出系统实验提供基础和前提。针对静止、倾斜、摇摆和升潜等运动条件下非能动余热排出系统实验，制定了建立初始工况的基本思路和方法，先建立静止条件或者倾斜条件下初始工况，再建立摇摆运动条件或者升潜运动条件下初始工况；提出了每种运动条件下初始工况建立的方法、步骤和判据；本发明降低了初始工况建立难度，缩短了初始工况建立时间，提高了初始工况建立效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一套在静止、倾斜、摇摆和升潜等运动条件下建立非能动余热排出系统初始工况的实验方法，为开展运动条件下非能动余热排出系统实验提供基础和前提。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种运动条件下非能动余热排出系统实验初始工况建立方法，包括如下步骤：

步骤一，使平台处于静止状态；

步骤二，启动回路升温升压，调节相关回路参数，使回路系统逐渐达到能量平衡；

步骤三，根据回路参数与初始工况目标值的偏差情况，根据公式1，判定静止条件下初始工况是否建立：

Δp＝|p-p_o|≤Δp_o (1)

式中：Δp为回路参数测量值与初始工况目标值的偏差；p为回路参数测量值；p₀为初始工况目标值；Δp₀为回路参数值与初始工况目标值的允许最大偏差。

作为优选，包括如下步骤：

步骤四，启动运动平台使其倾斜至某一角度，待回路参数趋于平稳后，再微调相关回路参数，使回路系统达到能量平衡；最后，根据回路参数与初始工况目标值的偏差情况，根据公式1，判定倾斜条件下初始工况是否建立。

作为优选，包括如下步骤：

启动平台使其在某一角度和频率下做摇摆运动，回路参数会呈现与摇摆运动相同频率的周期性波动，待回路参数在公式2规定范围以内波动，隔若干时间提取若干周期的回路参数数据；最后，根据前后两个周期内的回路参数偏差情况，根据公式3，判断摇摆运动条件下初始工况是否建立；

p_min≤p_w≤p_max (2)

Δp_w,i＝|p_w,i+1-p_w,i|≤Δp_wo (3)

式中：p_min为允许波动范围下限值；p_max为允许波动范围上限值；p_w为回路参数波动值；Δp_w,i为第i+1区间与第i区间前后两个周期的回路参数测量值偏差；p_w,i+1为第i+1区间回路参数测量值；p_w,i为第i区间回路参数测量值；Δp_wo为前后两个周期的回路参数测量值的允许最大偏差。

作为优选，包括如下步骤：

启动运动平台使其在某一幅度和频率值下做升潜运动，待回路参数趋于平稳后，记录相关回路参数；再次，根据上次记录完成相关回路参数二次设定，再次启动运动平台做升潜运动，待回路参数在公式2规定范围以内波动，隔若干时间提取若干周期的回路参数数据；最后，根据前后两个周期内的回路参数偏差情况，根据公式3，判断升潜运动条件下初始工况是否建立；

p_min≤p_w≤p_max (2)

Δp_w,i＝|p_w,i+1-p_w,i|≤Δp_wo (3)

式中：p_min为允许波动范围下限值；p_max为允许波动范围上限值；p_w为回路参数波动值；Δp_w,i为第i+1区间与第i区间前后两个周期的回路参数测量值偏差；p_w,i+1为第i+1区间回路参数测量值；p_w,i为第i区间回路参数测量值；Δp_wo为前后两个周期的回路参数测量值的允许最大偏差。

一种权利要求前面所述的方法的实验系统，该系统包括稳压器、反应堆模拟体、堆芯模拟件、主管道进口阀门、蒸汽发生器模拟体、蒸汽发生器模拟体冷却系统、主泵、主管道出口阀门、非能动余热排出系统进口阀门、余热排出冷却器模拟体、余热排出冷却器模拟体冷却系统和非能动余热排出系统出口阀门，所述的稳压器连接反应堆模拟体，所述堆芯模拟件设置在反应堆模拟体中，反应堆模拟体的出口和进口分别连接主管道进口阀门和主管道出口阀门，主管道进口阀门和主管道出口阀门连接第一管路和第二管路，所述第一管路和第二管路并联，所述第一管路设置蒸汽发生器模拟体，蒸汽发生器模拟体出口连接主泵，蒸汽发生器模拟体冷却系统连接蒸汽发生器模拟体；第二管路设置余热排出冷却器模拟体，余热排出冷却器模拟体冷却系统连接余热排出冷却器模拟体，余热排出冷却器模拟体的进口和出口分别连接非能动余热排出系统进口阀门和非能动余热排出系统出口阀门，所述实验系统设置在运动平台上。

一种前面的实验系统的实验方法，包括如下步骤：

保持运动平台静止，利用稳压器1将回路升压至某一水平后，将稳压器与回路系统连通，开启主管道进口阀门、主管道出口阀门和非能动余热排出系统进口阀门，关闭非能动余热排出系统出口阀门，启动主泵，投入堆芯模拟件电源进行加热，使回路继续升温升压；当反应堆平均温度接近初始工况时，调节堆芯功率和蒸汽发生器模拟体冷却系统流量，使回路系统逐渐达到能量平衡；当堆芯功率、稳压器压力、反应堆进出口温度和反应堆进出口温差与初始工况目标值偏差小于规定值，再稳定若干时间，即可判定静止条件下初始工况成功建立。

作为优选，包括如下步骤：静止条件下的初始工况成功建立后，启动运动平台使其倾斜至规定的倾斜角度，回路参数出现短暂较大幅度变化，待趋于平稳后，再微调堆芯功率和蒸汽发生器二次侧冷却水流量，使回路系统再次达到能量平衡；当回路参数与初始工况目标值偏差小于规定值，再保持稳定若干时间以后，即可判定倾斜条件下初始工况成功建立。

作为优选，包括如下步骤：静止条件下的初始工况成功建立后，参照静止条件下初始工况和倾斜条件下初始工况成功建立时的堆芯功率和蒸汽发生器二次侧冷却水流量，取其中值设定好以后，再启动运动平台按照规定的摇摆角度和频率进行摇摆运动；回路参数会呈现与摇摆运动相同频率的周期性波动，当回路参数波动在规定范围以内，再持续若干时间以后，每隔一段时间提取一个周期的回路参数数据，若前后两个周期内的最大偏差小于规定值，即可判定摇摆运动条件下初始工况成功建立；若偏差大于规定值，则须先停运运动平台，在静止条件下调整堆芯功率和蒸汽发生器二次侧冷却水流量后，再重复上述步骤，直至达到上述标准成功建立摇摆运动条件下初始工况。

作为优选，包括如下步骤：静止条件下的初始工况成功建立后，启动运动平台使其按照规定的幅度和频率值进行升潜运动，持续若干时间后停运运动平台，根据升潜运动时的回路参数对堆芯功率和蒸汽发生器二次侧冷却水流量进行设定，再次启动运动平台，再持续若干时间，每隔一段时间提取一个周期的回路参数数据，若前后两个周期内的最大偏差小于规定值，即可判定升潜运动条件下初始工况成功建立；若偏差大于规定值，重复上述步骤，直至达到上述标准成功建立升潜运动条件下初始工况。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1)本发明将回路参数分解为“均值”和“脉动值”，由此制定了建立初始工况的基本思路和方法：先建立静止条件或者倾斜条件下初始工况，解决“均值”模拟问题；再建立摇摆运动条件或者升潜运动条件下初始工况，解决“脉动值”模拟问题；降低了初始工况建立难度，缩短了初始工况建立时间，提高了初始工况建立效率。

2)静止条件和倾斜条件下初始工况建立方法通过调节相关回路参数使回路系统处于能量平衡状态，保证了所建立的初始工况是一个稳态或准稳态工况；静止条件和倾斜条件下初始工况建立方法还确立了量化判定准则，为初始工况建立过程是否结束、建立结果是否满足要求提供了量化判据。

3)摇摆运动条件下初始工况建立方法中的初次回路参数设定参照静止条件下和倾斜条件下的初始工况，由于摇摆运动条件的初始工况位于静止条件下初始工况和倾斜条件下初始工况之间，因此可使回路参数快速逼近初始工况目标值；摇摆运动条件下初始工况建立方法采用前后两个周期内的回路参数偏差情况作为量化判定准则，为摇摆运动条件下初始工况建立过程是否结束、建立结果是否满足要求提供了量化判据。

(4)升潜运动条件下初始工况建立方法中的回路参数设定采用逐次逼近的方法，具体方法为：初次回路参数设定参照静止条件下的初始工况，此时蒸汽发生器二次侧冷却水流量为Q₀，若稳压器压力偏高，保持堆芯功率不变，较大幅度地增加蒸汽发生器二次侧冷却水流量至Q₁，使稳压器压力低于目标值；然后在Q0和Q1之间蒸汽发生器二次侧冷却水流量，当稳压器压力波动与初始工况目标值偏差小于规定值时，再调节回路使反应堆进出口温度和反应堆进出口温差与初始工况目标值偏差小于规定值。这样可使回路参数的波动快速限制在规定范围以内；升潜运动条件下初始工况建立方法采用前后两个周期内的回路参数偏差情况作为量化判定准则，为升潜运动条件下初始工况建立过程是否结束、建立结果是否满足要求提供了量化判据。

附图说明

图1是非能动余热排出系统流程图；

图2是静止、倾斜条件下回路参数曲线；

图3是摇摆、升潜条件下回路参数曲线；

图4为反应堆模拟体示意图；

图5是设置隔板后流体流动示意图。

其中，

1-稳压器；2-反应堆模拟体；3-堆芯模拟件；4-主管道进口阀门；5-蒸汽发生器模拟体；6-蒸汽发生器模拟体冷却系统；7-主泵；8-主管道出口阀门；9-非能动余热排出系统进口阀门；10-余热排出冷却器模拟体；11-余热排出冷却器模拟体冷却系统；12-非能动余热排出系统出口阀门。

反应堆模拟体中，31、上封头，32、压力壳体中段，33、压力壳体下段，34、下封头，35、中段筒体，36、波纹管，37、下段筒体，38、堆芯模拟体，39、正极铜排，310、负极铜排，311、进口管道，312、出口管道，313中段空腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

运动条件下非能动余热排出系统实验初始工况建立方法包括本发明包括了静止、倾斜、摇摆和升潜条件下初始工况建立方法，其基本过程是首先建立静止条件下实验初始工况，然后再建立倾斜条件或者摇摆运动条件或者升潜运动条件下的实验初始工况。

其特点在于：

(1)静止条件下初始工况建立方法。

首先，使运动平台处于静止状态；其次，启动回路升温升压，调节相关回路参数，使回路系统逐渐达到能量平衡；最后，根据回路参数与初始工况目标值的偏差情况(见公式1)，判定静止条件下初始工况是否建立。

Δp＝|p-p_o|≤Δp_o (1)

式中：Δp为回路参数测量值与初始工况目标值的偏差；p为回路参数测量值；p₀为初始工况目标值；Δp₀为回路参数值与初始工况目标值的允许最大偏差。

(2)倾斜条件下初始工况建立方法。

首先，在静止条件下建立初始工况；其次，启动运动平台使其倾斜至某一角度，待回路参数趋于平稳后，再微调相关回路参数，使回路系统达到能量平衡；最后，根据回路参数与初始工况目标值的偏差情况(见公式1)，判定倾斜条件下初始工况是否建立。

(3)摇摆运动条件下初始工况建立方法。

首先，在静止条件下建立初始工况；其次，参照静止条件下和倾斜条件下的初始工况，完成相关回路参数初次设定；再次，启动运动平台使其在某一角度和频率下做摇摆运动，通常回路参数会呈现与摇摆运动相同频率的周期性波动，待回路参数在规定范围以内波动(见公式2)，隔若干时间提取若干周期的回路参数数据；最后，根据前后两个周期内的回路参数偏差情况(见公式3)，判断摇摆运动条件下初始工况是否建立。

p_min≤p_w≤p_max (2)

Δp_w,i＝|p_w,i+1-p_w,i|≤Δp_wo (3)

式中：p_min为允许波动范围下限值；p_max为允许波动范围上限值；p_w为回路参数波动值；Δp_w,i为第i+1区间与第i区间前后两个周期的回路参数测量值偏差；p_w,i+1为第i+1区间回路参数测量值；p_w,i为第i区间回路参数测量值；Δp_wo为前后两个周期的回路参数测量值的允许最大偏差。

(4)升潜运动条件下初始工况建立方法。

首先，在静止条件下建立初始工况；其次，启动运动平台使其在某一幅度和频率值下做升潜运动，待回路参数趋于平稳后，记录相关回路参数；再次，根据上次记录完成相关回路参数二次设定，再次启动运动平台做升潜运动，待回路参数在规定范围以内波动(见公式2)，隔若干时间提取若干周期的回路参数数据；最后，根据前后两个周期内的回路参数偏差情况(见公式3)，判断升潜运动条件下初始工况是否建立。

为了进行实验，建立了实验平台，如图1所示，非能动余热排出系统由稳压器1、反应堆模拟体2、堆芯模拟件3、主管道进口阀门4、蒸汽发生器模拟体5、蒸汽发生器模拟体冷却系统6、主泵7、主管道出口阀门8、非能动余热排出系统进口阀门9、余热排出冷却器模拟体10、余热排出冷却器模拟体冷却系统11和非能动余热排出系统出口阀门12组成。

所述的稳压器1连接反应堆模拟体2，所述堆芯模拟件3设置在反应堆模拟体2中，反应堆模拟体2的出口和进口分别连接主管道进口阀门4和主管道出口阀门8，主管道进口阀门4和主管道出口阀门8连接第一管路和第二管路，所述第一管路和第二管路并联，所述第一管路设置蒸汽发生器模拟体5，蒸汽发生器模拟体5出口连接主泵7，蒸汽发生器模拟体冷却系统6连接蒸汽发生器模拟体5；第二管路设置余热排出冷却器模拟体10，余热排出冷却器模拟体冷却系统11连接余热排出冷却器模拟体10，余热排出冷却器模拟体的进口和出口分别连接非能动余热排出系统进口阀门9和非能动余热排出系统出口阀门12。

所述实验系统设置在运动平台上。

下面结合实验系统对本申请进行详细的说明。

如图1所示，保持运动平台静止，建立静止条件下初始工况(包括堆芯功率、稳压器1压力、反应堆进口温度和反应堆进出口温差等参数)。首先，利用稳压器1将回路升压至某一水平后，将稳压器1与回路系统连通，开启主管道进口阀门4、主管道出口阀门8和非能动余热排出系统进口阀门9，关闭非能动余热排出系统出口阀门12，启动主泵7，投入堆芯模拟件3电源进行加热，使回路继续升温升压；当反应堆平均温度接近初始工况时，调节堆芯功率和蒸汽发生器模拟体冷却系统6流量，使回路系统逐渐达到能量平衡。当堆芯功率、稳压器1压力、反应堆进出口温度和反应堆进出口温差与初始工况目标值偏差小于规定值，再稳定若干时间，即可判定静止条件下初始工况成功建立。

静止条件下的初始工况成功建立后，启动运动平台使其倾斜至规定的倾斜角度，回路参数出现短暂较大幅度变化，待趋于平稳后，再微调堆芯功率和蒸汽发生器二次侧冷却水流量，使回路系统再次达到能量平衡。当回路参数与初始工况目标值偏差小于规定值，再保持稳定若干时间以后，即可判定倾斜条件下初始工况成功建立。

静止条件下的初始工况成功建立后，参照静止条件下初始工况和倾斜条件下初始工况成功建立时的堆芯功率和蒸汽发生器二次侧冷却水流量，取其中值设定好以后，再启动运动平台按照规定的摇摆角度和频率进行摇摆运动。回路参数会呈现与摇摆运动相同频率的周期性波动，当回路参数波动在规定范围以内，再持续若干时间以后，每隔一段时间提取一个周期的回路参数数据，若前后两个周期内的最大偏差小于规定值，即可判定摇摆运动条件下初始工况成功建立；若偏差大于规定值，则须先停运运动平台，在静止条件下调整堆芯功率和蒸汽发生器二次侧冷却水流量后，再重复上述步骤，直至达到上述标准成功建立摇摆运动条件下初始工况。

静止条件下的初始工况成功建立后，启动运动平台使其按照规定的幅度和频率值进行升潜运动，持续若干时间后停运运动平台，根据升潜运动时的回路参数对堆芯功率和蒸汽发生器二次侧冷却水流量进行设定，再次启动运动平台，再持续若干时间，每隔一段时间提取一个周期的回路参数数据，若前后两个周期内的最大偏差小于规定值，即可判定升潜运动条件下初始工况成功建立；若偏差大于规定值，重复上述步骤，直至达到上述标准成功建立升潜运动条件下初始工况。

针对本模拟系统，本发明还采用了新式的反应堆模拟体，所述模拟体如图4所示。

图4展示了一种反应堆模拟体，如图4所示，所述核反应堆模拟体从上往下依次包括上封头31、压力壳体中段32、压力壳体下段33和下封头34，所述上封头31连接压力壳体中段32，所述压力壳体中段32连接压力壳体下段33，所述压力壳体下段33连接下封头34，所述压力壳体中段32内设置中段筒体35和波纹管36，所述中段筒体35下端连接波纹管36；所述压力壳体中段32的内壁和中段筒体35外壁、波纹管外壁之间限定了中段空腔313。

压力壳体下段33内设置下段筒体37；下段筒体37内设置堆芯模拟体38；所述压力壳体中段32设置进口通道311，所述中段筒体35上设置出口通道312，所述出口通道312延伸到压力壳体中段32的外壁外；所述堆芯模拟体38包括电加热元件314；

流体由进口通道311流入，流过中段空腔313后，进入下段筒体37，流经堆芯模拟体38并加热，后依次通过波纹管36及中段筒体35，最终经出口通道流出。

为了适用前面的试验要求，所述的进口通道311和出口通道可以设置两个，分别对应蒸汽发生器37和38。

作为优选，流体是去离子水。

作为优选，所述上封头31与压力壳体中段32之间、压力壳体中段32与压力壳体下段33之间以及压力壳体下段33与下封头34之间通过法兰连接。

本发明的上封头31、压力壳体中段32、压力壳体下段33和下封头34可以拆卸进行替换，如压力壳体中段和压力壳体下段高度可调以实现不同流道长度的需求；中段筒体，波纹管，下段筒体内外径可调以实现不同堆芯流通面积的需求。因此便于模拟不同工况的核反应。

作为优选，所述压力壳体中段32、压力壳体下段33为圆形结构，所述的中段筒体35与压力壳体中段32在横截面上为同心圆的结构；所述的压力壳体下段33和下段筒体37也是在横截面上为同心圆的结构。

作为优选，下段筒体37外壁为圆形截面，内壁为方形截面。优选为正方形截面。通过设置内壁为方形结构，便于电加热元件的分布，保证加热均匀。

作为优选，下段筒体37沿着上下方向设置分隔板。通过设置分隔板，使得流体的流程分为至少两部分。流体在下段筒体内先在一侧从上向下流动，然后再进入另一侧从下往上流动，或者使流体先从外部从上往下流动，然后从中间从下往上流动。如图5所示。

作为优选，所述堆芯模拟体38包括电加热元件。

作为优选，电加热元件是多组，所述多组电加热元件采用串联的方式连接，电加热组件间通过导电铜线相连。

堆芯模拟体中电加热元件的组数以及每组电加热元件的数量及单根电加热元件的外径均可调节以满足不同表面热流密度需求。

作为优选，沿着流体的流动方向，将电加热元件单位长度的电加热功率W设置为流体流动路径S的函数，其中S是距离流体进入堆芯模拟体入口的长度，即W＝F(S)，F’(S)>0，其中F’(S)是F(S)的一次导数。

上述的电加热功率的变化，实际上就是沿着流体的流动方向上，单位长度的电加热功率逐渐升高。通过上述的电加热功率的规律变化，可为极大的提高流体的换热效率，通过实验发现，在相同的总功率下，能够提高15％左右的换热效率。通过理论分析，发现采用上述的规律变化，类似于换热器中的逆流换热。

作为优选，F"(S)>0，其中F"(S)是F(S)的二次导数。沿着流体的流动方向上，单位长度的电加热功率逐渐升高的幅度越来越大。通过实验发现，在相同的总功率下，上述的设置能够提高8％左右的吸热效率。

作为优选，流体在堆芯模拟体38流动的总路径长度为S_总，流体在堆芯模拟体出口位置的单位长度的电加热功率为W_后，则在流体进入堆芯模拟体入口的长度s处的单位长度的加热功率为w＝W_后*(s/S)^a，其中a是系数，1.23＜a＜1.34。

上述的关系是通过大量的数值模拟及其实验获得的，通过大量的实验得到了验证。通过上述的关系进行功率分配，能够使得流体的热量吸收达到最佳的效果。

作为优选，1.28＜a＜1.30。

作为优选，随着s/S增加，a逐渐减小。

作为优选，所述堆芯模拟体8包括多组电加热元件，所述多组电加热元件之间是串联结构。

作为对于前面加热规律的具体实施方式，作为优选，所述电加热元件分为多段，沿着流体的流动方向，不同段的加热功率逐渐增加。通过上述的优化的设计，便于加工。

所述电加热元件采用电阻加热的方式。

作为优选，所述电加热元件为棒状电阻。

作为优选，所述电加热元件为电阻丝。

作为优选，所述电加热元件为串联结构，所述电加热元件(作为优选一个或者多个棒状电阻或者一个或者多个电阻丝)沿着流体的流动方向，电加热装置的外径越来越小，即电加热装置越来越细。通过上述的优化设置，达到电加热装置不同位置的发热功率不同，从而提高电加热的效率。

作为优选，沿着流体的流动方向，电加热装置外径变小的幅度越来越大。

通过采用外径变化，达到电加热装置不同位置的发热功率不同。

作为优选，电加热元件的外部形状为抛物线的形状。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。