一种整体效应试验装置及其缩比非能动换热器的设计方法与应用

本发明属于核能系统设计研发相关的试验，具体涉及一种整体效应试验装置及其缩比非能动换热器的设计方法与应用。

背景技术：

1、非能动换热器是先进压水堆核电厂中专门用以应对和缓解事故的专用安全设备，一般通过密度差、自然对流等非能动方式运行。事故情况下，非能动换热器通过与专设安全系统内的管路和热阱配合，在热阱与堆芯之间形成稳定的自然循环流动，从而带走堆芯的衰变热，实现堆芯余热的非能动排出。因运行过程简单可靠，不需要外部动力，在提高核电厂安全性的同时还能提高经济性，非能动换热器在先进压水堆核电技术中得到了广泛应用。

2、由于非能动换热器的运行性能对核电厂事故进程存在着重要影响，在整体效应试验装置设计中往往需要对原型非能动换热器进行专门的缩比设计，以确保缩比非能动换热器在典型事故过程能够再现核电厂原型换热器的性能，实现对核电厂设计安全性能的准确模拟。

3、在世界范围内已经建成的整体效应试验装置中，设计有缩比非能动换热器的试验装置主要有日本原子能研究院的rosa试验装置、意大利的spes-2试验装置、美国俄勒冈州立大学的apxe试验装置、我国国家电投集团的acme试验装置和中广核集团的二次侧非能动试验装置。因核电厂原型非能动换热器设计的差异和整体效应试验装置缩比方法的不同，上述各试验装置中的缩比非能动换热器均针对特定事故设计，无法满足多种类型事故模拟的需求。如rosa和spes-2中的缩比非能动换热器采用功率-体积方法设计，对于非破口失水类事故的模拟比例失真较大；apex和acme中的非能动换热器主要针对破口失水事故的模拟需求，将通流面积相似作为主要准则，对其换热能力采取了保守处理，导致试验获得的换热器换热能力与核电厂原型不满足相似；二次侧非能动试验装置中，非能动换热器专门用于模拟蒸汽冷凝换热过程，其通用性较差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种整体效应试验装置及其缩比非能动换热器的设计方法与应用，提高对破口失水和非破口失水两种类型事故的综合模拟能力。本发基于通用的接口参数和非能动换热器的结构特征，设计了一种同时满足自然循环现象相似和换热性能相似的缩比非能动换热器，该非能动换热器能够在不同典型事故下准确复现核电厂原型换热器的流动换热特性。

2、一种整体效应试验装置，包括主回路系统、缩比非能动换热器、数据采集系统和辅助系统；所述缩比非能动换热器是以核电厂安全系统非能动换热器为参考原型，采用特定比例设计得到的缩比模型；所述缩比非能动换热器包括换热器壳体、换热管束及其支撑结构件；所述换热管束布置于换热器壳体内部，换热管束通过两端的凸缘法兰及支撑结构件固定，并通过进口端盖、出口端盖、进口接管、出口接管与主回路系统连接，在换热管束的入口管线上设有常开阀门，在换热管束的出口管线上设有常闭阀门；所述主回路系统设有模拟热源、模拟蒸汽发生器、回路管线、排汽阀、循环泵和稳压器，主回路系统和缩比非能动换热器上均设有测量仪表。

3、进一步地，所述换热管束中换热管的排列方式采用顺排或叉排，所述顺排为正方形排列，所述叉排为三角形排列。

4、进一步地，所述换热管束中换热管采用直管、u型管或c型管。

5、进一步地，所述测量仪表包括温度测量仪表、压力测量仪表、压差测量仪表和液位测量仪表，温度测量仪表用于获取缩比非能动换热器内部不同位置的温度，压力测量仪表用于获取缩比非能动换热器内不同流动截面上的压力，压差测量仪表用于获取特定两点间的流动阻力或坍塌液位，液位测量仪表用于获取缩比非能动换热器中管侧和壳侧的水位变化情况。

6、一种整体效应试验装置中缩比非能动换热器的设计方法，包括以下设计步骤：

7、步骤1：获取核电厂原型及其非能动换热器的参数，包括换热管的数量n及其排列方式、换热管的管间距p、换热管外径dtube及内径din、壁厚δ、换热管总长lt、换热管不同区间的长度li、换热器壳体高度lshell及体积vshell；

8、步骤2：确定整体效应试验装置相对于核电厂原型的缩比比例，包括长度缩比比例lr和通流面积缩比比例ar；

9、步骤3：设计缩比非能动换热器中的换热管，换热管的总体结构形式与原型保持一致，总长度为lt·lr，不同区间的长度为li·lr，换热管外径设计为换热管的壁厚δ设计可以承受管侧流体和壳侧流体运行的压力差；

10、步骤4：设计缩比非能动换热器中的换热器壳体，换热器壳体的容积设计为高度设计为lshelllr；

11、步骤5：设计缩比非能动换热器中的换热管束，换热管的数量设计为根据实际结果向下取整数；换热管的排布方式与原型保持一致，根据换热器壳体的等效内径和换热管排布情况确定管间距；

12、步骤6：核算缩比非能动换热器性能，根据确定的设计参数，计算缩比非能动换热器的换热能力和通流能力，两项核算结果均在0.5～1之间时，即认为缩比非能动换热器的换热能力和通流能力可满足不同类型整体效应试验的需求；

13、若核算结果不满足要求，则重新选择换热管规格，重复设计步骤3至步骤6，重新设计直至满足要求。

14、进一步地，所述步骤5中，管间距设计的取值区间为其中，pmin为考虑缩比换热器结垢排污、换热气泡最大直径因素的最小管间距，为换热管外壁面间距离保持原型值不变时对应的管间距。

15、进一步地，所述步骤6中，通流能力的核算方法为换热能力的核算方法为

16、一种整体效应试验装置的应用：用于进行整体效应试验，获取不同事故类型中原型非能动换热器的运行特性和安全性能，具体包括以下操作步骤：

17、(1)试验主回路充水，开启排气阀，同时打开换热管束的出口处的常闭阀门，使缩比非能动换热器及其所在系统充满水，确认缩比非能动换热器密封性良好无泄漏后，关闭出口处的常闭阀门；向换热器壳体内部充水，直至确认换热管束被淹没并达到预定水位，保持换热器壳体的常压状态；

18、(2)通过模拟热源、模拟蒸汽发生器、循环泵和稳压器实现主回路系统的加压升温，达到试验工况要求的温度和压力，保持主回路系统处于稳定的循环流动状态；期间对缩比非能动换热器进行暖管操作，检查确认缩比非能动换热器密封性良好，确认换热管束和换热器壳体的温度、压力满足试验要求，确认各测量仪表运行正常；

19、(3)试验开始后，缩比非能动换热器与主回路系统压力保持相等，模拟热源与缩比非能动换热器之间形成的自然循环流动现象；

20、(4)在试验前稳态和实验过程中，数据采集系统实时记录缩比非能动换热器的流量、温度和压降参数，同时记录换热器壳体内部各典型位置的温度和水位变化情况；

21、(5)实验达到终止条件后，试验装置进入冷停闭过程，缩比非能动换热器进行自然冷却；待主回路系统达到室温后，将主回路系统与非能动换热器中的水排出；

22、(6)更换试验条件和控制逻辑，重复操作步骤(1)至步骤(5)，获取不同事故类型中非能动换热器的运行特性和安全性能。

23、本发明的有益效果在于：

24、本发明基于自然循环现象和局部换热过程的相似分析，通过对非能动换热器缩比准则优化，通过具有代表性的接口参数和结构参数，确定缩比非能动换热器设计，实现其与原型换热器的相似，并实现与整体效应试验装置的一致性。本发明设计的缩比非能动换热器能够在各类整体效应模拟试验中以较高的准确度复现核电厂换热器在事故条件下的和流动换热特性和安全性能，提高了缩比非能动换热器的通用性，拓展了整体效应试验装置可开展模拟试验的类型。基于本发明提供的缩比非能动换热器开展的整体效应试验能够为非能动换热器及相关安全系统的计算分析提供低失真度的工程量级试验数据，可直接应用于先进压水堆核电厂安全系统的设计优化及有效性评估。

25、本发明在结构参数设计和接口参数设计上具有较强的通用性，特别适用于已有整体效应试验装置非能动换热器的局部设计优化和升级，经过进一步的方案设计和接口优化，可以不改变原有系统接口和布置方式，对试验装置原有结构和布置的影响小，改造工作量少，在提升试验装置模拟能力的同时可保证成本较低，工期可控，具有良好的经济性。