一种非能动安全壳冷却试验系统的制作方法

1.本发明涉及属于核设施(包括核电厂、浮动电站等)安全壳(堆舱)环境温度、压力控制试验领域，具体涉及一种非能动安全壳冷却试验系统。


背景技术：

2.在安全壳发生高能管道破口(如失水事故、蒸汽管道断裂事故)后，高温高压的流体喷放进入安全壳，随着安注等专设安全设施的投入，安全壳内在较长时间内存在热量释放，为防止安全壳(堆舱)出现超压导致承压边界失效，需要对安全壳进行长期冷却。在叠加可靠电源丧失事故条件下，喷淋等能动冷却系统无法有效运行，因此，一些核设施如华龙一号、esbwr等通过设置非能动安全壳冷却系统来实现高能管路破口叠加可靠电源丧失事故条件下安全壳内的长期排热，提高系统的安全特性。
3.为确保非能动安全壳冷却系统能够满足事故后安全壳内长期可靠排热需求，需要对非能动安全壳冷却系统的运行特性、影响因素等进行分析和评估。国际上现有涉及非能动安全壳冷却系统试验台诸如puma、panda等主要针对一种特定形式系统设计在不同影响因素下运行特性，无法开展多系统设计对比。因此，急需设计一套能够对非能动安全壳冷却系统进行综合试验分析的试验台架，研究多系统设计方案在不同系统运行影响因素下的特性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种可可模拟多种工况、对非能动安全壳冷却系统进行综合试验分析的非能动安全壳冷却试验系统。
5.本发明采用的技术方案为：一种非能动安全壳冷却试验系统，包括安全壳模拟体、喷淋系统、冷却水箱、第一冷却换热器和第二冷却换热器，所述安全壳模拟体分别与氦气供应管路、压缩空气供应管路和蒸汽供应管路连通；所述第一冷却换热器安装在安全壳模拟体内；第一冷却换热器的冷源入口通过第一管路与冷却水箱连通，第一冷却换热器的冷源出口通过第二管路与设于冷却水箱内的气体分散器连通；所述第二冷却换热器内置于冷却水箱，第二冷却换热器的热源入口通过第三管路与安全壳模拟体的蒸汽空间连通，第二冷却换热器的热源出口通过第四管路与安全壳模拟体的内部连通；各管路上分别配置有阀门。
6.按上述方案，所述第二管路与第三管路之间通过第六管路连通，第六管路上配置有第二切换隔离阀；所述第一管路和第四管路之间通过第七管路连通，第七管路上配置有第四切换隔离阀。
7.按上述方案，所述非能动安全壳冷却试验系统还包括凝液收集罐，凝液收集罐通过第五管路与冷却水箱连通，第五管路上沿流体流动方向依次配置有水箱排水阀和补水阀；所述凝液收集罐的顶部设有第二安全阀，凝液收集罐的顶部设有第二排放管路，第二排放管路上安装第二排水阀。
8.按上述方案，所述第五管路上连通第八管路的一端，第八管路的另一端与安全壳模拟体的底部连通；所述第八管路上配置有补水隔离阀。
9.按上述方案，所述第一冷却换热器的下部设置有凝水收集装置，凝水收集装置与外设的凝水收集管路连通，凝水收集管路上沿流体流动方向依次配置有凝水隔离阀和疏水阀。
10.按上述方案，所述非能动安全壳冷却试验系统还设有喷淋组件，喷淋组件包括喷淋泵和喷淋头，所述喷淋头安装在安全壳模拟体的内顶部，喷淋头的进水口经第一喷淋管路与喷淋泵的出口连通，喷淋泵的入口通过第二喷淋管路与冷却水箱的底部连通；所述第一喷淋管路上配置有喷淋隔离阀，第二喷淋管路上配置有喷淋水箱隔离阀。
11.按上述方案，所述冷却水箱还设有循环水泵和水箱换热器，循环水泵的入口通过喷淋取水隔离阀与第二喷淋管路连通，循环水泵的出口通过第一支路与水箱换热器的第一流体入口连通，循环水泵的出口通过水箱补水阀与冷却水箱的底部连通。
12.按上述方案，所述第二喷淋管路与第五管路连通。
13.按上述方案，所述蒸汽供应管路上配置有蒸汽供应调节阀组，包括蒸汽高位供应调节阀、蒸汽中位供应调节阀和蒸汽低位供应调节阀；蒸汽供应管路上还连通有蒸汽旁通管路，蒸汽旁通管路上沿流体流动方向依次配置有蒸汽旁通隔离阀和蒸汽旁通调节阀。
14.按上述方案，所述安全壳模拟体的顶部设有第一安全阀；安全壳模拟体的顶部连通有蒸汽排放支路，蒸汽排放支路上配置有第一排放阀；所述安全壳模拟体的底部设有第一排放管路，第一排放管路上配置有第一排水阀。
15.本发明的有益效果为：
16.1、本发明通过调整安全壳蒸汽出口高度，可评估不同破口位置对非能动安全壳冷却系统运行影响；通过注入氦气，模拟事故后安全壳内氢气等不凝气，评估安全壳内不凝气对非能动安全壳冷却系统运行特性影响；通过收集非能动安全壳冷却换热器凝水并实时称重，评估换热器冷凝特性；通过调整气体分散器设置，评估气体分散器设置对非能动安全壳冷却系统运行特性影响。
17.2、本发明可开展不同冷源形式的系统运行试验，评估不同冷源特性对非能动安全壳冷却系统的运行影响：调整冷却水箱水位高度，评估水装量对系统特性影响；通过加热装置调节水箱不同的初始水温，评估初始冷却水温对系统运行特性影响；通过在试验过程中调节水箱冷却器循环水流量，评估恒定水温条件下非能动安全壳冷却系统特性。
18.3、本发明可用于喷淋系统与非能动安全壳冷却系统冷却性能对比试验，评估两种系统对于长期排热性能。
19.4、本发明通过切换不同换热器的运行方式，模拟多种非能动安全壳系统的运行工况。
附图说明
20.图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
21.其中，1
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蒸汽旁通隔离阀，2
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蒸汽旁通调节阀、3
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蒸汽高位供应调节阀、4
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蒸汽中位供应调节阀、5
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蒸汽低位供应调节阀、6
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压缩空气隔离阀、7
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氦气调节阀、8
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安全壳模拟体、9
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第一安全阀、10
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第一排放阀、11
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喷淋头、12
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第一冷却换热器、13
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凝水收集装置、14
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第一排水阀、15
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补水隔离阀、16
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喷淋泵、17
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喷淋隔离阀、18
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第二切换隔离阀、19
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第一切换隔离阀、20
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第二上升段隔离阀、21
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第二冷却换热器、22
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第二下降段隔离阀、23
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第三切换隔离阀、24
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第四切换隔离阀、25
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第一上升段隔离阀、26
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气体分散器、27
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第一下降段隔离阀、28
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凝水隔离阀、29
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疏水阀、30
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凝液收集罐、31
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第二安全阀、32
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第二排放阀、33
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称重装置、34
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第二排水阀、35
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补水阀、36
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冷却水箱、37
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循环水泵、38
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水箱冷却隔离阀、39
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水箱补水阀、40
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喷淋取水隔离阀、41
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喷淋水箱隔离阀、42
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水箱换热器、43
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电加热器、44
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排水阀。
具体实施方式
22.为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
23.如图1所示的一种非能动安全壳冷却试验系统，包括安全壳模拟体8、喷淋系统、冷却水箱36、第一冷却换热器12和第二冷却换热器21，所述安全壳模拟体8分别与氦气供应管路、压缩空气供应管路和蒸汽供应管路连通；所述第一冷却换热器12安装在安全壳模拟体8内；第一冷却换热器12的冷源入口通过第一管路与冷却水箱36连通，第一冷却换热器12的冷源出口通过第二管路与设于冷却水箱36内的气体分散器26连通；所述第二冷却换热器21内置于冷却水箱36，第二冷却换热器21的热源入口通过第三管路与安全壳模拟体8的蒸汽空间连通，第二冷却换热器21的热源出口通过第四管路与安全壳模拟体8的内部连通；各管路上分别配置有阀门。
24.本实施例中，所述氦气供应管路的入口与氦气源连通；氦气供应管路上配置有氦气调节阀7，调节氦气调节阀7控制进入安全壳模拟体8内的氦气模拟事故过程中氢气的产生。所述蒸汽供应管路的入口与蒸汽源连通；蒸汽供应管路上配置有蒸汽供应调节阀组，包括蒸汽高位供应调节阀3、蒸汽中位供应调节阀4和蒸汽低位供应调节阀5；蒸汽供应管路上还连通有蒸汽旁通管路，蒸汽旁通管路上沿流体流动方向依次配置有蒸汽旁通隔离阀1和蒸汽旁通调节阀2。开启蒸汽旁通隔离阀1和蒸汽旁通调节阀2，通过调节对应位置的蒸汽供应调节阀，控制进入安全壳模拟体8内的蒸汽流量，模拟破口后长期流量喷放。
25.本实施例中，所述安全壳模拟体8的顶部设有第一安全阀9；安全壳模拟体8的顶部连通有蒸汽排放支路，蒸汽排放支路上配置有第一排放阀10；所述安全壳模拟体8的底部设有第一排放管路，第一排放管路上配置有第一排水阀14。
26.本实施例中，所述第一管路上配置有第一下降段隔离阀27；第二管路上配置有第一上升段隔离阀25；所述第三管路上配置有第二上升段隔离阀20和第一切换隔离阀19；所述第四管路上配置有第二下降段隔离阀22和第三切换隔离阀23。
27.优选地，所述第二管路与第三管路之间通过第六管路连通，第六管路上配置有第二切换隔离阀18；所述第一管路和第四管路之间通过第七管路连通，第七管路上配置有第四切换隔离阀24。
28.优选地，所述非能动安全壳冷却试验系统还包括凝液收集罐30，凝液收集罐30通过第五管路与冷却水箱36连通，第五管路上沿流体流动方向依次配置有水箱排水阀44和补水阀35；所述凝液收集罐30的顶部设有第二安全阀31，凝液收集罐30的顶部设有第二排放管路，第二排放管路上安装第二排水阀32。
29.优选地，所述第五管路上连通有第八管路，第八管路的另一端与安全壳模拟体8的
底部连通。本实施例中，所述第八管路上配置有补水隔离阀15。
30.优选地，所述第一冷却换热器12的下部设置有凝水收集装置13，凝水收集装置13与外设的凝水收集管路连通，凝水收集管路上沿流体流动方向依次配置有凝水隔离阀28和疏水阀29。
31.优选地，所述非能动安全壳冷却试验系统还设有喷淋组件，所述喷淋组件的出水端位于安全壳模拟体8的内顶部，喷淋组件的进水端与冷却水箱36连通；具体地，喷淋组件包括喷淋泵16和喷淋头11，所述喷淋头11安装在安全壳模拟体8的内顶部，喷淋头11的进水口经第一喷淋管路与喷淋泵16的出口连通，喷淋泵16的入口通过第二喷淋管路与冷却水箱36的底部连通。本实施例中，所述第一喷淋管路上配置有喷淋隔离阀17，第二喷淋管路上配置有喷淋水箱隔离阀41。
32.优选地，所述冷却水箱36还设有循环水泵37和水箱换热器42，循环水泵37的入口通过喷淋取水隔离阀40与第二喷淋管路连通，循环水泵37的出口通过第一支路与水箱换热器42的第一流体入口连通，循环水泵37的出口通过水箱补水阀39与冷却水箱36的底部连通。优选地，所述第二喷淋管路与第五管路连通。
33.优选地，所述冷却水箱36还增设有电加热器43；冷却水箱36的顶部设有溢流管路。试验前开启水箱补水阀39，通过循环水泵37将冷却水箱那6液位提升到设定高度，通过加热器控制柜控制电加热器43，经冷却水箱36内冷却剂加热至设定温度。试验过程中，可调节水箱冷却隔离阀38开度，控制水箱换热器42的冷却水流量，以匹配传递到水箱的热功率。水位过高时，通过冷却水箱36顶部溢流管路以及底部的水箱排水阀44进行排水。
34.本发明中，喷淋组件通过开启喷淋取水隔离阀40或喷淋水箱隔离阀41，控制不同取水来源，控制喷淋调节阀17开度调节经喷淋泵16、喷淋头11进入到安全壳模拟体8内的喷淋流量。安全壳模拟体设置第一安全阀9和第一排放阀31，可防止安全壳模拟体8、凝液收集罐30出现超压；设置蒸汽第一排放阀10和第二排放阀32，用于全壳模拟体8、凝液收集罐30试验后排气；设置第一排水阀14和第二排水阀34以及水箱排水阀44，用于设备试验后排空设备内的积水。
35.本发明的工作原理为：
36.1、开启第一切换隔离阀19、第二上升段隔离阀20、第二下降段隔离阀22、第三切换隔离阀23，关闭第二切换隔离阀18、第一上升段隔离阀25、第四切换隔离阀24和第一下降段隔离阀27，建立换热器外置型非能动安全壳冷却系统。安全壳模拟体8内蒸汽及不凝气经过上升段在第二冷却换热器21的传热管内冷凝后，经第二下降段隔离阀22和第三切换隔离阀23返回安全壳模拟体8内，构成开式自然循环回路。
37.2、开启第二切换隔离阀18、第二上升段隔离阀20、第二下降段隔离阀22和第四切换隔离阀24，关闭第一上升段隔离阀25、第一切换隔离阀19、第三切换隔离阀23和第一下降段隔离阀27，建立热管式非能动安全壳冷却系统。安全壳模拟体8内蒸汽及不凝气混合后在第一冷却换热器12的传热管外壁面冷凝，并最后汇集到凝液收集罐30。第二冷却换热器12的传热管内冷却剂经加热后流经第二冷却换热器21冷却后返回第一冷却换热器12内，构成闭式循环回路。
38.3、开启第一上升段隔离阀25、第一下降段隔离阀27，关闭第二切换隔离阀18、第一切换隔离阀19、第二上升段隔离阀20、第二下降段隔离阀22、第三切换隔离阀23和第四切换
隔离阀24，建立换热器内置型非能动安全壳冷却系统，安全壳模拟体8内蒸汽及不凝气混合后在第一冷却换热器12的传热管外壁面冷凝，凝水经凝水收集器13采集后经凝水隔离阀28、疏水阀29汇集到凝液收集罐30，经过称重装置33对凝液收集罐30进行实时称重，测量第一冷却换热器12的实时凝液用以校核换热器的冷却能力。第一冷却换热器12上升段中产生的蒸汽经过气体分散器26，在冷却水箱36中冷凝，冷却水箱26中的冷却水经过第一下降段隔离阀27返回第一冷却换热器构成开始自然循环回路。
39.本发明中，蒸汽能够从安全壳模拟体8的不同高度处进入，模拟不同破口位置的质能释放过程；通过切换回路的通断，实现换热器布置在安全壳模拟体8内、换热器布置在安全壳模拟体外8的冷却水箱36内以及分离式热管这三种不同的非能动安全壳冷却设计方案的系统运行试验，研究不同系统设计方案的运行特性；收集第一冷却换热器12的传热管外侧冷凝的凝水并进行实时称重，能够用于校核换热器的冷却能力；调整布置在冷却水箱36内的气体分散器26的设置，研究气体分散器26的设置对非能动安全壳冷却系统运行影响；设置电加热装置45能够对冷却水箱36的初始运行温度进行设置，研究初步水温对系统运行影响；设置第二冷却换热器21并具有流量调节能力，能够跟随非能动安全冷却系统导入到冷却水箱36的加热功率进行匹配，将冷却水箱36水温维持在相对稳定的水平，研究不同恒定的冷却水温下系统的运行特性；冷却水箱36在试验前调整至试验所需的不同液位，试验过程中为非能动安全壳冷却系统提供热阱，能够分析不同水装量对系统运行的影响；凝液收集管路上安装有疏水阀29，具备阻汽排液的功能，在排出凝水的同时维持模拟体内的压力。
40.以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。