一种耦合传热的非能动余热排出系统实验装置及方法

本发明涉及非能动应急余热排出系统，具体涉及一种耦合传热的非能动余热排出系统实验装置及方法。

背景技术：

1、

2、针对非能动余热排出系统的热工水力试验可以分为两类，分别为局部分离效应试验和整体效应试验。目前，局部分离效应试验主要问题是所采用的传热管数量较少，无法反映非能动余热排出系统换热器的c型传热管束真实流动传热特性。由于prs结构庞杂，工作环境复杂多变，以及c型管换热器、蒸汽发生器和堆芯之间的复杂耦合传热模式，非能动余热排出系统换热器的试验数据十分有限，给程序开发中相关模型的选取及验证带来了困难。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种耦合传热的非能动余热排出系统实验装置及方法，为研究非能动应急余热排出系统启动和运行过程中的流动换热特性提供实验装置和方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种耦合传热的非能动余热排出系统实验装置，由一回路系统、二回路系统、非能动余热排出系统和应急补水系统组成；

4、所述一回路系统包括高温高压水箱1、屏蔽泵2、第一孔板流量计3、一回路调节阀4、一回路预热器5、第一电动调节阀6、蒸汽发生器7、第二电动调节阀8、一回路安全阀9和氮气瓶10；其中高温高压水箱1顶部与氮气瓶10连接，高温高压水箱1底部与屏蔽泵2进口连接；屏蔽泵2出口与第一孔板流量计3进口相连；第一孔板流量计3出口与一回路调节阀4一端相连；一回路调节阀4另一端与一回路预热器5进口相连；一回路预热器5出口经过第一电动调节阀6与蒸汽发生器7一次侧进口相连；蒸汽发生器7一次侧出口经过第二电动调节阀8与屏蔽泵2进口相连；一回路安全阀9设置在一回路预热器5出口处，与第一电动调节阀6进口相连；

5、所述二回路系统包括常压水箱11、柱塞泵12、质量流量计13、二回路调节阀14、二回路预热器15、第一电动截止阀16、第二电动截止阀17、第三电动截止阀18、冷凝器19和背压阀20；其中常压水箱11底部与柱塞泵12进口连接；柱塞泵12出口与质量流量计13进口连接；质量流量计13出口与二回路调节阀14一端相连；二回路调节阀14另一端与二回路预热器15进口相连；二回路预热器15出口经过第一电动截止阀16与蒸汽发生器7二次侧进口相连；蒸汽发生器7二次侧出口经过第二电动截止阀17与冷凝器19进口相连；第三电动截止阀18一端与二回路预热器15出口相连，另一端与冷凝器19进口相连；冷凝器19出口经过背压阀20与常压水箱11底部相连；

6、所述非能动余热排出系统包括冷凝水箱21、c型管换热器22、加热棒23、第二孔板流量计24、气动截止阀25、第三电动调节阀26、总孔板流量计27、止回阀37、第四电动截止阀28、安全阀组29和第五电动截止阀30；其中c型管换热器22和加热棒23置于冷凝水箱21预设液位下；c型管换热器22出口连接第二孔板流量计24进口；第二孔板流量计24出口依次经过气动截止阀25和第三电动调节阀26连接总孔板流量计27进口；总孔板流量计27出口依次经过止回阀37和第四电动截止阀28与蒸汽发生器7二次侧进口相连；c型管换热器22进口通过第五电动截止阀30与蒸汽发生器7二次侧出口相连；安全阀组29设置在蒸汽发生器7二次侧出口处，与第五电动截止阀30进口相连；第四电动截止阀28和第五电动截止阀30起到为非能动余热排出系统隔离蒸汽发生器主蒸汽的作用；

7、所述应急补水系统包括第六电动截止阀31、第一补水箱32、第二补水箱33、第七电动截止阀34、第三孔板流量计35和第四电动调节阀36；其中第一补水箱32和第二补水箱33为并联水箱，第一补水箱32和第二补水箱33顶部经过第六电动截止阀31与蒸汽发生器7二次侧出口处的第五电动截止阀30出口相连；第一补水箱32和第二补水箱33底部经过第七电动截止阀34与第三孔板流量计35进口连接；第三孔板流量计35出口经过第四电动调节阀36与气动截止阀25出口和第三电动调节阀26进口连接；第六电动截止阀31起到为应急补水系统隔离蒸汽发生器主蒸汽的作用。

8、所述实验装置采用1:1等温等压模化，保证蒸汽发生器7与c型管换热器22的进、出口温度与原堆型设备参数一致，即可保证进出口密度、密度差与原堆型参数相等，实现等物性模拟。

9、所述实验装置与原堆型冷热源高度差按照1:6.25的比例进行模化，自然循环速度比为1:2.5，反映原堆型系统的自然循环特性。

10、所述实验装置设置第一电动调节阀6、第二电动调节阀8、第三电动调节阀26和第四电动调节阀36作为节流装置调节分段阻力，解决了模化过程中对管路进行比例缩小会导致回路的阻力损失与驱动力不匹配的问题。

11、所述高温高压水箱1模拟压水堆一回路稳压器，为一回路系统提供去离子水，并且起到稳压的作用。

12、所述一回路系统的屏蔽泵2断电后内部飞轮惰转，保证一回路系统流量逐渐缓慢下降。所述二回路系统用于模拟核电站二回路正常运行状态，二回路系统为模拟全场断电事故，需要关闭柱塞泵12、第一电动截止阀16和第二电动截止阀17，开启第三电动截止阀18和第五电动截止阀30，使蒸汽发生器7产生的蒸汽全部进入非能动余热排出系统，二回路系统停止运行。

13、所述非能动余热排出系统的c型管换热器22起到冷凝蒸汽发生器7产生的全部蒸汽的作用；冷凝水箱21作为非能动余热排出系统的冷阱；加热棒23作用是加热冷凝水箱21中的冷却水至初始工况温度；气动截止阀25用来模拟非能动余热排出系统在全场断电事故后的实际响应情况；止回阀37保证经c型管换热器22冷凝后的液态水能回流到蒸汽发生器7二次侧进口。

14、所述应急补水系统的第七电动截止阀34在收到触发信号后开启，第一补水箱32和第二补水箱33依靠重力向蒸汽发生器7二次侧进口注水，补偿蒸汽发生器二次侧水位的降低；第一补水箱32和第二补水箱33水位低于设定值后第六电动截止阀31和第七电动截止阀34关闭，以避免蒸汽旁通进入第一补水箱32和第二补水箱33。

15、所述c型管换热器22采用16根c型换热管，采用4×4排列方式，其中四角位置的4根c型管设计有球阀，可实现全通或全断，中心区域12根c型管始终保持全通状态。

16、所述一种耦合传热的非能动余热排出系统实验装置的实验方法，

17、实验开始前对所述实验装置进行充水检漏、水压实验，确保实验装置无泄漏发生；并调试完成数据采集设备，确保在实验环境下数值显示、数据记录、数据存储等功能正常；检查一回路系统、二回路系统、非能动余热排出系统、应急补水系统及其他设备的状态，确定实验装置流量、温度、压力的调节范围及调节精度具备实验条件；验证电加热系统的加热功能和控制功能，保证电加热预留足够裕量；确定气动截止阀25、第四电动截止阀28、第五电动截止阀30以及第七电动截止阀34处于关闭状态，第六电动截止阀31处于开启状态，即非能动余热排出系统和应急补水系统处于备用状态；确定第三电动截止阀18处于关闭状态，第一电动截止阀16和第二电动截止阀17处于开启状态，确保二回路系统在正常运行状态下去离子水经过蒸汽发生器7加热，冷凝器19冷凝，形成循环回路；调节第一电动调节阀6、第二电动调节阀8、第三电动调节阀26和第四电动调节阀36调节非能动余热排出系统的阻力系数；

18、调节冷凝水箱21内水位为实验工况水位；

19、使用加热棒23加热冷凝水箱21内水温度为实验工况温度；

20、使用打压泵使非能动余热排出系统压力为实验工况压力；

21、启动二回路系统，开启柱塞泵12，调节柱塞泵工作频率，调节二回路调节阀14和背压阀20，使二回路系统质量流量和系统压力为实验目标工况；

22、缓慢提升二回路预热器15加热功率，使蒸汽发生器7二次侧进口温度为实验目标温度；

23、待二回路系统运行稳定后，启动一回路系统，使用打压泵使高温高压水箱1为实验目标压力，通过氮气瓶10精确调整一回路系统压力；

24、开启屏蔽泵2，调节屏蔽泵工作频率，调节一回路调节阀4，使一回路系统流量为实验目标流量；

25、缓慢提升一回路预热器5加热功率，使蒸汽发生器7一次侧进出口温度为实验目标温度；

26、待一回路系统运行稳定后，再次调节二回路系统的二回路调节阀14、背压阀20以及二回路预热器15，使蒸汽发生器7二次侧进出口温度和压力为目标实验工况，开始记录实验装置各仪器设备的运行参数；

27、模拟核电站全厂断电事故，同时关闭一回路系统屏蔽泵2和二回路系统柱塞泵12，第一电动截止阀16和第二电动截止阀17在工况预定时间后执行关闭动作，第三电动截止阀18在工况预定时间后执行开启动作；

28、二回路系统与蒸汽发生器7逐渐完全隔离，二回路系统去离子水由二回路预热器15加热，经过第三电动截止阀18沿另一支路进入冷凝器19，此后缓慢降低二回路预热器15功率；

29、屏蔽泵2内置飞轮惰转，一回路系统流量逐渐缓慢下降；一回路预热器5加热功率不变，丧失二回路系统冷却功能后，蒸汽发生器7二次侧液位降低，蒸汽发生器7一、二次侧压力升高；

30、启动非能动余热排出系统，第四电动截止阀28和第五电动截止阀30在工况预定时间后执行开启动作，气动截止阀25延迟预定时间后开启，蒸汽发生器7产生的蒸汽经过第五电动截止阀30流入c型管换热器22内冷凝，冷凝后的过冷水依靠重力回流至蒸汽发生器7二次侧，第二孔板流量计24测量经过c型管换热器22冷凝后的过冷水流量；

31、一回路预热器5为热源，蒸汽发生器7为冷源，自然循环建立；

32、启动应急补水系统，第七电动截止阀34在非能动余热排出系统投入运行预定时间后开启，第一补水箱32和第二补水箱33中的水注入蒸汽发生器二次侧，补偿期间蒸汽发生器7二次侧水位的降低，第三孔板流量计35测量由第一补水箱32和第二补水箱33补偿的流量，第一补水箱32和第二补水箱33水位低于设定值后，第六电动截止阀31和第七电动截止阀34执行关闭动作，防止蒸汽发生器7产生的蒸汽通过补水系统进入止回阀37所在的回流管线；

33、总孔板流量计27测量流入蒸汽发生器7二次侧的全部去离子水流量；

34、实验记录非能动余热排除系统启动过程中的压力、流量变化趋势及瞬态时间响应曲线，当非能动余热排除系统自然循环稳定后，记录稳态工况下非能动余热排除系统的流动换热特性。

35、和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

36、1)实验装置包含一回路、二回路及非能动余热排出系统，采用多回路耦合传热方式，根据华龙一号非能动应急余热排出系统缩比模化，可研究大型先进压水堆非能动应急余热排出系统瞬态启动特性和稳态运行特性；

37、2)实验装置设置多个电动调节阀作为节流装置调节分段阻力，解决管道阻力损失与驱动力不匹配的问题；

38、3)实验装置设置多个电动截止阀，具备5-30.0s线性开启功能，且开启时间可调，确保非能动应急余热排出系统瞬态启动过程符合要求；

39、4)屏蔽泵内部设有飞轮，模拟核电站主泵飞轮惰转特性。