一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其包括一稳压保护单元，其特征在于，其还包括一高压预热单元和一循环处理单元；所述高压预热单元将冷却液体进行预热和高压处理；所述循环处理单元将高温的水蒸气降温变为液态水并且直接过滤掉回路中的各种颗粒杂质，并对液体的体积进行调整；所述稳压保护单元对回路进行充气保护。本发明的回路系统中增加了调压阀和安全阀，使系统压力调节速度和幅度可控，实现杂质的返回；本发明装置能模拟核电站蒸汽发生器传热管与管板缝隙杂质浓集和返回工艺研究；本发明装置结构紧凑，占用空间小，移动方便，热效率高；工作温度为280℃，压力范围为0.1～6.5MPa，传热管热负荷0-8.2×105KJ/m2·h连续可调。
【专利说明】一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种核电站模拟实验装置，尤其涉及本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置。
【背景技术】
[0002]蒸汽发生器是压水堆核电站的关键设备之一，蒸汽发生器传热管是一回路压力边界的最为薄弱环节，蒸汽发生器传热管容易受设计、制造和运行等诸多因素的影响出现缺陷而品质下降，引起壁厚仅Imm左右的传热管变形、失效或者破裂，导致一回路放射性介质扩散到二回路冷却系统，造成反应堆一回路失水而被迫降低功率甚至停堆，最终导致放射性物质释放到环境中的严重事故；可见蒸汽发生器传热管的可靠性直接影响到反应堆运行的可靠性、安全性和经济性。
[0003]美国西屋公司(Westinghouse)对近几年核电站蒸汽发生器传热管破损的统计数据表明，70%以上的核电站蒸汽发生器传热管腐蚀损坏都是由于蒸汽发生器传热管与管板间缝隙区的杂质浓集引起的。美国电力研究所(EPRI)和压水堆电站合作成立了蒸汽发生器工作组(SG0G)，根据核电站蒸汽发生器运行过程中出现的缝隙腐蚀问题，开展有效的研究，掌握了缝隙杂质浓集的规律，开发了缝隙杂质返回技术，利用换料维修期间降功率运行的过程中实施缝隙杂质返回技术。
[0004]在实验室研究中，模拟一回路与二回路能量交换过程是关键，美国电力研究所(EPRI)及欧洲核能研究发达国家采用传热管内通入温度压力更高的水介质来模拟一回路与二回路的传热，因此能量耗费巨大，效率十分低下。本发明中采用电加热棒来直接模拟一回路热源，能量效率高，加热速率快。二回路补水通过预热器加热到设定温度后进入高压釜(模拟蒸汽发生器二次侧)，采用内加热的方式直接对预热器内的水加热，加热速度快，温度控制精确，在我们需要的温度范围内准确连续可调。
[0005]鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置用以克服上述技术缺陷。
[0007]为实现上述目的，本发明提供本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其包括一稳压保护单元，其还包括一高压预热单元和一循环处理单元；其中，
[0008]所述高压预热单元包括一套管换热器，所述套管换热器利用所述高压预热单元产生的高温高压液体将冷却液体进行预热处理，再将所述预热处理后的液体进行高压处理；
[0009]所述循环处理单元包括一冷却过滤装置、一液态水泵入装置和一稳压缓冲装置；所述冷却过滤装置用以将高温的水蒸气降温变为液态水并且过滤回路中的各种颗粒杂质；所述液态水泵入装置用以将常温低压液态水变为常温高压液态水，然后泵入所述套管换热器中；所述稳压缓冲装置用以对回路中液态水的体积进行调整；[0010]所述稳压保护单元包括一气瓶，所述气瓶分别通过一截止阀与所述高压预热单元和循环处理单元相连接。
[0011]较佳的，所述高压预热单元还包括一高压釜和一预热器，所述高压釜通过一截止阀与所述套管换热器相连接，所述套管换热器与所述预热器前端相连接，所述预热器后端通过一截止阀与所述高压釜相连接；
[0012]所述高压釜内的高温高压液体流经所述套管换热器的外管，将套管换热器内管内的水加热后送入预热器，预热器再将预热后的水送入高压釜内循环处理；所述套管换热器外管与所述冷却过滤装置相连接。
[0013]较佳的，所述冷却过滤装置包括一冷却器和一过滤器；
[0014]所述冷却器用以将高温的水蒸气降温变为液态水，所述过滤器用以直接过滤掉回路中的各种颗粒杂质；所述冷却器与所述过滤器之间有一个安全装置，所述安全装置用以调整控制整个回路系统的压力。
[0015]较佳的，所述循环处理单元还包括一收集箱，用于对回路中液体取样；所述收集箱的入水口端与所述稳压缓冲装置的出水口端相连接。
[0016]较佳的，所述液态水泵入装置与收集箱的出水口端相连接，用以将常温低压水经过变为常温高压水，然后泵入所述套管换热器内管中。
[0017]较佳的,所述气瓶包括氮气瓶和氦气瓶,所述氮气瓶用以回路除氧，所述氦气瓶用以为所述高压釜中的实验段充氦气。
[0018]较佳的，所述实验装置杂质浓集的工作条件为为:精密柱塞泵冲程为20%，流量为12L/h，热负荷为2.68X105KJ/m2 *h，预热器和高压釜的温度分别为240°C和280°C，吗啉调节pH为9.6，本体溶液氯离子浓度为lmg/L。
[0019]较佳的，在所述杂质的浓集工艺中，浓集因子的计算公式为:
[0020]F=40(cl-c2)/0.364，
[0021]式中，F为杂质浓集因子，40为每次取样体积固定为40mL，0.364为缝隙体积0.364mL, cl为取样瓶中的杂质离子浓度，c2为高压釜中杂质离子浓度。
[0022]较佳的，所述实验装置杂质返回试样的制备的工作条件为:泵冲程为30%，流量为19.8L/h，预热器温度为240°C，高压釜温度为280°C，实验段热负荷为2.49X105KJ/m2.h ；在浓集24小时后，切断实验段电源，同时将预热器和高压釜的温度设定值降低为180°C。
[0023]较佳的，在所述杂质的返回工艺中，杂质返回效率η的计算公式为:
[0024]n = (kl-k2)/kl
[0025]式中，kl为返回前缝隙取样瓶中杂质离子浓度，k2为返回工艺后缝隙取样瓶中杂质离子浓度。
[0026]与现有技术比较本发明的有益效果在于:
[0027]本发明采用电加热棒来直接模拟一回路热源，能量效率高，加热速率快；回路系统中增加了调压阀和安全阀，系统压力调节速度和幅度可控，实现杂质的返回；有益效果还包括以下四点:
[0028](I)本发明装置能模拟核电站蒸汽发生器传热管与管板缝隙杂质浓集和返回工艺研究；
[0029](2)本发明装置结构紧凑，占用空间小，移动方便，热效率高；[0030](3)本发明装置工作温度可以达到300°C，压力可达lOMPa，能够模拟我国在役的、在建的和将来要建的APlOOO等先进压水堆核电站二回路工况。本发明装置的工作温度为280°C，压力范围为0.1?6.5MPa ；
[0031](4)本发明装置采用内加热的方式直接对预热器内的水加热，加热速度快，温度控制精确，传热管热负荷0-8.2X105KJ/m2 *h连续可调；能够模拟核电站开堆-功率提升-满功率运行-功率降低-停堆时蒸汽发生器传热管一次侧热流的变化；实验段内部为电加热元件，通过调整电加热功率而实现对蒸汽发生器传热管热负荷的模拟。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置的缝隙杂质浓集实验流程图；
[0033]图2为本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置的实施例一缝隙取样口与回路中其它位置杂质离子浓度对比图；
[0034]图3为本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置的实施例二模拟停堆后高压釜中氯离子浓度随时间的变化图；
[0035]图4为本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置的实施例三模拟停堆后回路取样罐中氯离子浓度随时间的变化图；
[0036]图5为本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置的实施例四模拟停堆后回路大水罐中氯离子浓度随时间的变化图；
[0037]图6为本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置的实施例五模拟停堆后回路返回水中氯离子浓度随时间的变化图。
【具体实施方式】
[0038]以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
[0039]下面对本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置的过程进行详述。本发明中的采用电加热棒来直接模拟一回路热源，能量效率高，加热速率快。二回路补水通过预热器加热到设定温度后进入高压釜(模拟蒸汽发生器二次侧)，采用内加热的方式直接对预热器内的水加热，加热速度快，温度控制精确，在需要的温度范围内准确连续可调。
[0040]请参阅图1所示，其为本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置的缝隙杂质浓集实验流程图。该实验流程的装置包括一高压预热单元、一循环处理单元和一稳压保护单元。所述高压预热单元包括一高压釜1、一套管换热器2和一预热器3。所述高压釜包括一冷却水出水口 11和一冷却水进水口 12。所述高压釜通过一截止阀与套管换热器2相连接，所述套管换热器2与预热器3前端相连接，所述预热器3后端通过一截止阀与高压釜I相连接。冷却水进入高压釜I后变为高温高压水，高压釜内的高温高压水流经套管换热器2外管，将套管换热器2内管内的水被加热后送入预热器3，预热器3再将预热后的水送入高压釜I内循环处理，使得能量利用率大大提高。
[0041]所述高压釜I为模拟蒸汽发生器传热管二次侧温度与压力，实验段为模拟蒸汽发生器传热管一次侧与二次侧的边界，一次侧主要通过电加热元件模拟核电站蒸汽发生器一次侧的热负荷，二次侧由高压釜模拟蒸汽发生器二次侧的温度与压力。预热器3为模拟蒸汽发生器给水温度。套管换热器2为模拟蒸汽发生器产生的蒸汽推动汽轮机做功后的温度下降，另一个作用为加热内套管的水，致使进入预热器的水温不至于太低，提高能量利用率。
[0042]所述循环处理单元包括一冷却器4、一过滤器5、一稳压缓冲器6、一收集箱7和一精密柱塞泵8。所述一精密柱塞泵8将常温低压水经过精密柱塞泵后变为常温高压水，然后泵入所述套管换热器2中。所述冷却器4包括一冷却水出水口 41和冷却水入水口 42。所述冷却器4通过一安全阀101与过滤器5相连接，所述过滤器通过一减压阀104和一截止阀与所述稳压缓冲器6相连接，所述稳压缓冲器6通过一截止阀与收集箱7相连接。所述收集箱7与所述精密柱塞泵8连接。所述过滤器还通过所述减压阀104和一截止阀与收集箱7连接。
[0043]所述冷却器4使用自来水冷却水罐将高温液体降温，作用为模拟蒸汽发生器产生的水蒸气推动汽轮机做功后能量下降最后变为液态水过程。所述过滤器5直接过滤掉回路中的各种颗粒杂质，作用为过滤回路中的固体杂质，防止回路中杂质堵塞管道。所述稳压缓冲器6的作用主要为调整回路中水的体积。所述收集箱7的作用主要为对回路中的水取样。所述精密柱塞泵8为高低压的边界，作用为将常温低压水经过精密柱塞泵后变为常温高压水。
[0044]所述稳压保护单元包括一气瓶9、一稳压缓冲器6和一高压釜1.所述气瓶分别通过一截止阀与高压釜I和稳压缓冲器6相连接，从而对回路进行保护。所述高压釜I包括一实验段，所述实验段内部为电加热元件模拟一回路蒸汽发生器传热管热负荷，实验段外部为模拟二回路工况，因此实验段模拟传热管壁与管板之间存在温差，温差的存在使得缝隙内液体体不断地沸腾，各种杂质在缝隙区不断浓集。所述气瓶9包括氮气瓶和氦气瓶，所述氮气瓶的作用为回路除氧，所述氦气瓶的作用为实验段充氦高温氧化保护和热传导。加热棒与传热管中间充有氦气，其目的是增加加热棒与传热管之间的导热和防止氧化，高压氦气瓶并非直接与加热棒相连，而是中间连接氦气缓冲罐，是为了保持氦气在间隙中的压力平稳，增加导热的稳定性。
[0045]对于杂质返回过程，在所述精密柱塞泵8的后端增加了调压阀，在冷却器与缓冲罐中间连接了安全阀101，冷却器与过滤器之间有一个安全阀，调整此安全阀能控制整个回路系统的压力，通过回路系统压力的改变而达到杂质返回的目的。
[0046]下面对本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置的过程进行详述。
[0047]所述精密柱塞泵8把常温水推入套管换热器内管，所述高压釜I内的高温高压水流经换热器外管，所述套管换热器2内管内的水被加热后送入预热器3 ;冷却器后连接过滤器，蛇形管内高温液体经过自来水冷却水罐变为常温水，然后经过安全阀回流到收集箱，完成整个回路流程。
[0048]对于杂质返回过程，在精密柱塞泵8的后端增加了一截止阀，在冷却器3与缓冲罐2中间连接了安全阀，用调压阀和安全阀共同调节回路系统增压和降压的速度与幅度，调整此安全阀能控制整个回路系统的压力，通过回路系统压力的改变而达到杂质返回的目的。
[0049]下面对本发明一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置的实施例进行详述。
[0050]实施例一:缝隙杂质浓集实验
[0051]请参阅图2和表一所示，其为28小时浓集后回路中各处氯离子浓度对比图/表。当精密柱塞泵冲程为20%，流量为12L/h，热负荷为2.68X105KJ/m2 *h。预热器和高压釜的温度分别为240°C和280°C，吗啉调节pH为9.6，本体溶液氯离子浓度为lmg/L。浓集28小时后，浓集因子为1.75 X IO4倍。
[0052]图2中横坐标中28-1指浓集28小时后I号位(缝隙)取样瓶中杂质离子浓度，28-2为高压釜中杂质离子浓度，28-3为取样罐中杂质离子浓度，28-4为大水罐中杂质离子浓度，28-4R为返水中杂质离子浓度。经过上述工况28小时浓集后，缝隙取样瓶中、高压爸、取样罐、大水罐和返水中杂质氯离子浓度分别为162mg/L, 1.7mg/L, 1.03mg/L, 1.12mg/L和1.65mg/L。由此计算出缝隙区杂质浓集因子为1.75X IO4倍。浓集因子的计算公式为:F=40 (cl-c2) /0.364，F为杂质浓集因子，40为每次取样体积固定为40mL，0.364为缝隙体积
0.364mL,cl为1#位取样瓶中的杂质离子浓度，c2为2#位高压釜中杂质离子浓度。能够模拟核电站工况条件下杂质离子的浓集现象及浓集规律。
[0053]表1缝隙取样口与回路中其它位置杂质离子浓度对比表
[0054]
实验流量为12L/h，热负荷为2.68xl05KJ/m2*h。预热器和高压釜的温度分别为240
条件 O和28(TC,吗啉`调节pH为9.6,本体溶液氯离子浓度为lmg/L。_
浓集28小时
时间______
位置__I__2__3__4__4R_
位置缝隙取样瓶高压釜取样罐大水罐回路返回水
说明______
浓度 162，Ifil.5 1.6575, I, 7021 1.0842, 1.0309 1.0568, I, 1217 1.6576, 1.6491
(mg/L)______
BC的BC分别为离子色谱对同一个样品的两次测量。
说明 _
[0055]
浓集1.75 XIO4
倍率 _
[0056]实施例二:缝隙杂质返回实验
[0057]所述实验装置杂质返回试样的制备的工作条件为，泵冲程为30%，流量为19.8L/h，预热器温度为240°C，高压釜温度为280°C，实验段热负荷为2.49X105KJ/m2 *h。用吗啉调节pH值为9.6，浓集时间为24小时，浓集因子为2.67 X IO4倍。在浓集24小时后，马上切断实验段电源，同时将预热器和高压釜的温度设定值降低为180°C (模拟反应堆停堆)。图3-6中或表2-5中所示，Oh为实验段停止加热，预热器和高压釜设定温度为180°C后，氯离子浓度变化。0.5h为第一次快速变压(4MPa-0.lMPa_4MPa)，泄压为5秒，升压为60秒，大水罐体积变化可以忽略。Ih为第二次快速变压，2h为第三次快速变压，3h为第四次快速变压，4h为第五次快速变压，20h为第六次快速变压，22h为第七次，24h为第八次，26h为第九次，28h为第十次。
[0058]经过28小时杂质返回工艺，杂质返回效率为98%，返回效率的计算公式为:杂质返回效率n的计算公式为:n = (k1-k2)/ki
[0059]式中，kl为返回前缝隙取样瓶中杂质离子浓度，k2为返回工艺后缝隙取样瓶中杂质离子浓度。
[0060]请参阅图3和表2所示，其为本发明高压釜中氯离子浓度随时间的变化图。由图3和表2可知:高压釜中氯离子浓度先是快速下降，然后随着变压次数(时间)的增加而缓慢增加。
[0061]表2模拟停堆后高压釜中氯离子浓度随时间的变化表
[0062]
【权利要求】
1.一种核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其包括一稳压保护单元，其特征在于，其还包括一高压预热单元和一循环处理单元； 所述高压预热单元包括一套管换热器，所述套管换热器利用所述高压预热单元产生的高温高压液体将冷却液体进行预热处理，再将所述预热处理后的液体进行高压处理； 所述循环处理单元包括一冷却过滤装置、一液态水泵入装置和一稳压缓冲装置；所述冷却过滤装置用以将高温的水蒸气降温变为液态水并且过滤回路中的各种颗粒杂质；所述液态水泵入装置用以将常温低压液态水变为常温高压液态水，然后泵入所述套管换热器中；所述稳压缓冲装置用以对回路中液态水的体积进行调整； 所述稳压保护单元包括一气瓶，所述气瓶分别通过一截止阀与所述高压预热单元和循环处理单元相连接。
2.根据权利要求1所述的核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其特征在于， 所述高压预热单元还包括一高压釜和一预热器，所述高压釜通过一截止阀与所述套管换热器相连接，所述套管换热器与所述预热器前端相连接，所述预热器后端通过一截止阀与所述高压釜相连接； 所述高压釜内的高温高压液体流经所述套管换热器的外管，将套管换热器内管内的水加热后送入预热器，预热器再将预热后的水送入高压釜内循环处理；所述套管换热器外管与所述冷却过滤装置相连接。
3.根据权利要求2所述的核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其特征在于， 所述冷却过滤 装置包括一冷却器和一过滤器； 所述冷却器用以将高温的水蒸气降温变为液态水，所述过滤器用以直接过滤掉回路中的各种颗粒杂质；所述冷却器与所述过滤器之间有一个安全装置，所述安全装置用以调整控制整个回路系统的压力。
4.根据权利要求1所述的核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其特征在于， 所述循环处理单元还包括一收集箱，用于对回路中液体取样；所述收集箱的入水口端与所述稳压缓冲装置的出水口端相连接。
5.根据权利要求4所述的核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其特征在于， 所述液态水泵入装置与收集箱的出水口端相连接，用以将常温低压水经过变为常温高压水，然后泵入所述套管换热器内管中。
6.根据权利要求5所述的核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其特征在于， 所述气瓶包括氮气瓶和氦气瓶，所述氮气瓶用以回路除氧，所述氦气瓶用以为所述高压釜中的实验段充氦气。
7.根据上述任意一项权利要求所述的核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其特征在于，所述实验装置杂质浓集的工作条件为为:精密柱塞泵冲程为20%，流量为12L/h，热负荷为2.68X105KJ/m2.h，预热器和高压釜的温度分别为240°C和280°C，吗啉调节pH为9.6，本体溶液氯离子浓度为lmg/L。
8.根据权利要求7所述的核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其特征在于， 在所述杂质的浓集工艺中，浓集因子的计算公式为:
F=40(cl-c2)/0.364， 式中，F为杂质浓集因子，40为每次取样体积固定为40mL，0.364为缝隙体积0.364mL,cl为取样瓶中的杂质离子浓度，c2为高压釜中杂质离子浓度。
9.根据上述任意一项权利要求所述的核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其特征在于，所述实验装置杂质返回试样的制备的工作条件为:泵冲程为30%，流量为19.8L/h，预热器温度为240°C，高压釜温度为280°C，实验段热负荷为2.49X105KJ/m2.h ;在浓集24小时后，切断实验段电源，同时将预热器和高压釜的温度设定值降低为180。。。
10.根据权利要求9所述的核电站蒸汽发生器杂质浓集与返回的模拟试验装置，其特征在于， 在所述杂质的返回工艺中，杂质返回效率H的计算公式为:
η = (kl_k2)/kl 式中，kl为返回前缝隙取样瓶中杂质离子浓度，k2为返回工艺后缝隙取样瓶中杂质离子浓度。`
【文档编号】G01M99/00GK103822792SQ201310699004
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】胡石林, 彭德全, 张平柱, 王辉, 周洪毅 申请人:中国原子能科学研究院