一种铅铋快堆非能动应急余热排出系统实验装置及方法
阅读说明：本技术 一种铅铋快堆非能动应急余热排出系统实验装置及方法 (Experimental device and method for passive emergency waste heat removal system of lead-bismuth fast reactor ) 是由 张魁 商宝娟 吴志远 田文喜 苏光辉 秋穗正 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：一种铅铋快堆非能动应急余热排出系统实验装置及方法,该实验装置包括冷凝系统、补水系统、预热段、加热系统、氮气供应系统、流量测量系统、去离子水补水系统、主蒸汽管线电动截止阀和回流管线电动截止阀。冷凝系统用于将高温蒸汽冷凝成单相水,为自然循环提供冷源；补水系统用于非能动应急余热排出系统投运后,向单根螺旋管二次侧注水以带走堆芯衰变热,保证非能动余热排出系统的正常运行；预热段用于加热冷凝系统流出的单相水,使流入单根螺旋管的水达到符合要求的压力和温度；加热系统用于将单相水加热成单相蒸汽,带走堆芯衰变热,为自然循环提供热源。本发明可用于开展应急余热排出系统启动与稳态运行自然循环流动换热特性实验研究。(An experimental device and method for a passive emergency waste heat discharge system of a lead-bismuth fast reactor are disclosed. The condensing system is used for condensing the high-temperature steam into single-phase water to provide a cold source for natural circulation; the water supplementing system is used for injecting water to the secondary side of the single spiral pipe to take away decay heat of the reactor core after the passive emergency waste heat discharging system is put into operation, so that the normal operation of the passive waste heat discharging system is ensured; the preheating section is used for heating single-phase water flowing out of the condensing system, so that the water flowing into the single spiral pipe reaches the pressure and the temperature meeting the requirements; the heating system is used for heating single-phase water into single-phase steam, takes away decay heat of the reactor core and provides a heat source for natural circulation. The invention can be used for developing the experimental study on the starting and steady-state operation natural circulation flow heat exchange characteristics of the emergency waste heat discharge system.)
技术领域
本发明涉及非能动应急余热排出系统技术领域，具体涉及一种铅铋快堆非能动应急余热排出系统实验装置及方法。
背景技术
福岛核事故后，二代加与三代百万千瓦级压水堆中广泛采用二次侧非能动应急余热排出(ECS)系统以满足全场断电等超设计基准事故中堆芯衰变热导出的需求。ECS系统基于蒸汽发生器二次侧闭式自然循环基本原理，蒸汽发生器二次侧产生的蒸汽在换热器中冷凝变成单相水后再返回至蒸汽发生器二次侧，换热器将一回路堆芯产生的衰变热传递至换热水箱中的水，无需外部电源即可导出堆芯衰变热，而对于新设计系统在投入工程应用前需要验证相关设计的合理性。国内外学者针对AC600、CPR1000、华龙一号等堆型的非能动应急余热排出系统进行了广泛的实验和理论研究，发现由于自然循环的驱动压头相对较小，ECS系统的启动和运行特性在不同的工况下有很大变化。目前，国内外针对铅铋快堆应急余热排出系统启动和运行过程中的流动换热特性研究还处于初步探索阶段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铅铋快堆非能动应急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。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铅铋快堆非能动应急余热排出系统实验装置，由冷凝系统、补水系统、预热段1、加热系统、氮气供应系统、流量测量系统、去离子水补水系统、主蒸汽管线电动截止阀5和回流管线电动截止阀11组成；所述冷凝系统由冷凝水箱6与冷凝器7组成，冷凝水箱6内置多根电加热棒8，冷凝器7置于冷凝水箱6中，泄放阀20连接冷凝水箱6用于调节冷凝水箱6压力；冷凝器7与预热段1连接的回流管道上设置回流管线电动截止阀11；所述加热系统采用单根螺旋管4模拟铅铋快堆直流蒸汽发生器，流体在单根螺旋管内至下而上流动；单根螺旋管4出口和冷凝器7入口之间连接的管道是主蒸汽管线；冷凝器7出口和单根螺旋管4入口之间连接的管道是回流管线；单根螺旋管4与冷凝器7之间设置一个主蒸汽管线电动截止阀5；预热段1与加热系统之间连接了一个止回阀2防止倒流；泄放阀3用于排空实验回路所有水；所述补水系统由启动补水箱14以及设置在启动补水箱14上的安全阀15组成，其中启动补水箱14和氮气瓶13之间连接的管道为氮气接口管道，启动补水箱14通过主蒸汽入口管道与主蒸汽管线电动截止阀5和冷凝器7之间的管道相连，启动补水箱14通过去回流管线与止回阀10和回流管线电动截止阀11之间的管线相连；所述氮气供应系统由氮气瓶13与加热系统相连的第一阀门V1、氮气瓶13与主蒸汽管线相连的第二阀门V2、氮气瓶13与启动补水箱14相连的第三阀门V3和氮气瓶13组成；所述流量测量系统由第一流量测量计9、第二流量测量计12和第三流量测量计21组成，第一流量测量计9设置在冷凝器7和止回阀10之间，第二流量测量计12设置在回流管线电动截止阀11和预热段1之间，第三流量测量计21设置在启动补水箱14的去回流管线上，其中第一流量测量计9和第二流量测量计12之间连接了一个止回阀10防止倒流；所述去离子水补水系统由相连接的离心泵18和去离子水箱19组成；去离子水补水系统通过第一截止阀16与补水系统相连，通过第二截止阀17与冷凝系统相连。
所述预热段采用低压大电流的交流电通过钢管本身的电阻直接加热，通过自耦变压器连续调节电压，改变电加热功率(电功率可连续调节)，经大电流变压器变为低电压大电流，用铜辫和铜板直接接入电加热管段，以调节单根螺旋管入口流体温度，实现多组变工况实验。
通过调节离心泵18的工作频率、冷凝水箱6中电加热棒8的功率及泄放阀20的开度，保证冷凝水箱6内水温稳定；启动补水箱14设计高径比为1.83，有助于减小工作过程中的压力波动。
所述冷凝系统的高度高于加热系统，存在高度差，能够真实反映原型系统的自然循环特性。
所述预热段1和单根螺旋管4包有硅酸铝纤维毡，以便对其进行有效保温。
所述冷凝器7的换热管为蛇形，管内能够承受高达13MPa的蒸汽压力。
所述的一种铅铋快堆非能动应急余热排出系统实验装置的实验方法，
实验开始时，打开泄放阀3，排尽回路中的水，消除对回路流量的影响，提高实验精度；
开启第二阀门V2，通过调节第二阀门V2开度，使主蒸汽管线电动截止阀5和冷凝器7出口的止回阀10之间的管道充满表压氮气；调节第三阀门V3开度，使启动补水箱14及去回流管线压力增大至所需值；开启第一阀门V1，调节第一阀门V1开度使单根螺旋管4内压力稳定在要求值，减少系统压力对实验结果的影响；在调节过程中，结合调节预热段1的加热功率，调节单根螺旋管4的进口水温，并调节去离子水补水系统的离心泵18的工作频率、冷凝水箱6的电加热棒8功率及泄放阀20的开度，保证冷凝水箱6内水温稳定；实验完成后，开启回路底部泄放阀3，排空单根螺旋管4内液体，开启第一阀门V1，加热系统充满表压氮气，即充氮保护。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1)预热段可以有效控制调节加热系统的入口温度，从而可以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；
2)去离子水补水系统采用离心泵、冷凝水箱设置电加热棒及泄放阀，可保证冷凝水箱内水温较为稳定，保证实验精度；
3)蒸汽管线阀门和回流管线阀门采用电动截止阀，具备5-30.0s线性开启功能，且开启时间可调，使阀门的启闭操作得到可靠保证。
附图说明
图1为本发明铅铋快堆非能动应急余热排出系统实验装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如附图1所示，本发明一种铅铋快堆非能动应急余热排出系统实验装置，由冷凝系统、补水系统、预热段1、加热系统、氮气供应系统、流量测量系统、去离子水补水系统、主蒸汽管线电动截止阀5和回流管线电动截止阀11组成；冷凝系统用于将高温蒸汽冷凝成单相水，为自然循环提供冷源，无需外部电源即可导出堆芯衰变热；补水系统用于非能动应急余热排出系统投运后，向单根螺旋管二次侧注水以带走堆芯衰变热，保证非能动余热排出系统的正常运行；预热段用于加热冷凝系统流出的单相水，使流入单根螺旋管的水达到符合要求的压力和温度；加热系统用于将单相水加热成单相蒸汽，带走堆芯衰变热，为自然循环提供热源。流量测量系统用于回路中的流量。该实验装置可用于开展应急余热排出系统启动与稳态运行自然循环流动换热特性实验研究。
所述冷凝系统主体为一开式立方体，由冷凝水箱6与冷凝器7组成，冷凝器7主要由直管和部分弯管焊接连接而成，材质为304不锈钢，冷凝器7置于冷凝水箱6中，冷凝水箱6材质为304不锈钢，由5块不锈钢板焊接而成，内置有8根电加热棒8来维持冷凝水箱6内的压力和温度；所述预热段1为在单根螺旋管进口附近设计的蛇形预热段，对流体温度进行控制，由内外三层组成，最内层为不锈钢，外有硅酸铝隔热保温棉，最外层为包覆材料；冷凝器7与预热段1连接的回流管道上设置回流管线电动截止阀11；所述加热系统包括单根螺旋管4，单根螺旋管4进、出口各焊接有一法兰，用于和实验台架主管道上两块法兰进行固定连接，相连法兰之间采用绝缘垫片。单根螺旋管4进、出口直管各夹持一个紫铜板电极，采用编织铜辫将铜板电极与直流电源正、负极相连，并用银钎焊连接；单根螺旋管4出口和冷凝器7入口之间连接的管道是主蒸汽管线；冷凝器7出口和单根螺旋管4入口之间连接的管道是回流管线；单根螺旋管4与冷凝器7之间设置一个主蒸汽管线电动截止阀5；所述补水系统主体为启动补水箱14，启动补水箱14为圆筒型，材质为304不锈钢，顶部设有安全阀15，其中启动补水箱14和氮气瓶13之间连接的管道为氮气接口管道，启动补水箱14通过主蒸汽入口管道与主蒸汽管线电动截止阀5和冷凝器7之间的管道相连，启动补水箱114通过去回流管线与止回阀10和回流管线电动截止阀11之间的管线相连；氮气供应系统由氮气瓶13与加热系统相连的阀门V1、氮气瓶13与主蒸汽管线相连的阀门V2、氮气瓶13与启动补水箱相连的阀门V3和氮气瓶13组成，通过调节阀门开度实现对回路的压力控制和保护。所述流量测量系统由第一流量测量计9、第二流量测量计12和第三流量测量计21组成，第一流量测量计9设置在冷凝器7和止回阀10之间，第二流量测量计12设置在回流管线电动截止阀11和预热段1之间，第三流量测量计21设置在启动补水箱14的去回流管线上，其中第一流量测量计9和第二流量测量计12之间连接了一个止回阀10防止倒流；所述去离子水补水系统由离心泵18和去离子水箱19组成，去离子水补水系统通过第一截止阀16与补水系统相连，通过第二截止阀17与冷凝系统相连通过调节离心泵18的工作频率、冷凝水箱6的电加热棒8的功率及泄放阀20的开度，保证冷凝水箱6内水温较为稳定。
作为本发明的优选实施方式，主蒸汽管线电动截止阀5和回流管线电动截止阀11，具备5-30.0s线性开启功能，且开启时间可调，使阀门的启闭操作得到可靠保证，并消除了水锤对实验结果的影响。
作为本发明的优选实施方式，所述预热段，电加热功率可连续调节，可控制加热系统的入口温度，提高了实验精度。
如图1所示，本发明一种铅铋快堆非能动应急余热排出系统实验装置的实验方法，打开泄放阀3，排空实验回路所有水；开启第二阀门V2，调节阀门开度，使主蒸汽管线电动截止阀5和冷凝器7出口的止回阀10之间的管道充满表压氮气；调节第三阀门V3开度，使启动补水箱14及去回流管线压力增大至11MPa；调节第一阀门V1开度，使单根螺旋管4内压力稳定在11MPa；接通单根螺旋管4实验段电源，调节直流电源投入功率，注意观察单根螺旋管4进出口压力、温度等参数变化；线性开启单根螺旋管4出口主蒸汽管线电动截止阀5，开启时间20s，注意观察冷凝器7出口压力是否达到规定值；该阀门完全打开10s并开启冷凝器7出口止回阀10后，线性开启回流管线电动截止阀11，开启时间20s，至此启动补水箱14中的水流入单根螺旋管4，注意观察并记录应急余热排出系统启动阶段实验回路压力、流量、温度及压差等参数变化；待系统稳定运行后，观察并记录应急余热排出系统启动阶段实验回路压力、流量、温度及压差等参数变化；在以上调节过程中，可结合调节预热段1的功率，调节单根螺旋管4的进口水温；在以上调节过程中，还需调节去离子水补水系统离心泵18的工作频率、冷凝水箱6的电加热棒8的功率及泄放阀20的开度，保证冷凝水箱6内水温较为稳定；实验做完后，开启回路底部泄放阀3，排空加热系统实验段内液体，开启第一阀门V1，加热系统充满表压氮气，即充氮保护。
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