CN107293340A - 一种小型蒸汽发生器热工水力分析试验*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开的小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，属于核电站蒸汽发生器设备技术领域。包括：一回路单元、二回路单元、蒸汽发生器及数据采集单元；一回路单元与二回路单元分别通过管路与蒸汽发生器相连，一回路单元的流体能够用于加热二回路单元的流体。数据采集单元用于采集一回路单元和二回路单元流入蒸汽发生器的流体温度、压力及流量一回路单元采用回热器、加热水箱来加热冷却水，代替了结构复杂的核反应堆。一回路单元和二回路单元均采用回热器引入回热循环，节省了能量，提高了***的能源利用率。
Description
技术领域
本发明属于核电站蒸汽发生器设备技术领域，具体涉及一种小型蒸汽发生器热工水力分析试验***。
背景技术
核动力蒸汽发生器是双回路核电站的重要运行设备，是连接一、二回路的枢纽，核电站能否安全、高效的投入运行，在很大程度上取决于蒸汽发生器的工作状况。在核岛中，核裂变的能量传递给一回路载热剂，并通过主循环泵的作用进入蒸汽发生器，在蒸汽发生器内与二回路给水进行热交换后产生蒸汽，经汽水分离后，品质合格的蒸汽被送至汽轮机。因此，蒸汽发生器既是一回路设备又是二回路设备，被称作一、二回路的枢纽。
在核电站，为保证蒸汽发生器正常运行，需要实时监控蒸汽发生器内部的温度、压力、流量、蒸汽干度等一系列参数。蒸汽发生器内部的温度分布是通过输入边界条件后经软件计算得到的，温度分布包含一回路流体、传热管内壁外壁和二回路流体的温度分布。软件的准确性需要通过试验来验证。然而，实际的蒸汽发生器，内部压力大，传热管数量多，结构复杂，同时，一回路冷却剂的热量来自于核反应堆，核反应堆构造复杂且带有较强的放射性。这些因素都给搭建蒸汽发生器试验台带来了难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，该试验***结构设计合理，操作简单，能够模拟实际蒸汽发生器的工作状态。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开的一种小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，包括一回路单元、二回路单元、蒸汽发生器及数据采集单元；
一回路单元与二回路单元分别通过管路与蒸汽发生器相连，一回路单元的流体能够用于加热二回路单元的流体；
一回路单元包括储水箱I、冷却器I、回热器I及加热水箱I；在一回路单元内形成：储水箱I—冷水—回热器I—加热水箱I—蒸汽发生器—热水—回热器I—冷却器I—冷水—储水箱I的液体内循环；
二回路单元包括储水箱II、回热器II、加热水箱II、冷却器II及计量水箱；在二回路单元内形成：储水箱II—冷水—回热器II—加热水箱II—蒸汽发生器—蒸汽—回热器II—冷却器II—液态水—计量水箱的液体-气体-液体内循环；
数据采集单元用于采集一回路单元和二回路单元流入蒸汽发生器的流体温度、压力及流量。
优选地，数据采集单元采用的是IMP数据采集***，除水位计以外的所有测量仪器(包括电磁流量计、电子流量计、差压表、压力表I、压力表II、压力表III、压力表IV、压力表V)均与IMP板相连，读数在电脑上显示。更进一步优选地，温度的测量采用的是热电偶，每个热电偶也需与IMP板相连。
优选地，一回路单元中，储水箱I的出水口与回热器I的冷水进口相连，回热器I的冷水出口与加热水箱I的进水口相连，加热水箱I的出水口与蒸汽发生器的一回路热水进水口相连，蒸汽发生器的一回路热水出水口与回热器I热水进水口相连，回热器I的热水出水口与冷却器I的进水口相连，冷却器I的出水口与储水箱I相连；
二回路单元中，储水箱II的出水口与回热器II的进水口相连，回热器II的出水口与加热水箱II的进水口相连，加热水箱II的出水口与蒸汽发生器的二回路进水口相连，蒸汽发生器顶部的蒸汽导管经过回热器II后连接至冷却器II的进气口，冷却器II的液体出口与计量水箱的进水口相连。
优选地，在一回路单元中，冷却器I与储水箱I相连的管路上设有背压阀I和电磁流量计I，储水箱I与回热器I相连的管路上依次设有开关阀I和液体泵I；在二回路单元中，冷却器II与计量水箱相连的管路上设有背压阀II，储水箱II与回热器II相连的管路上依次设有开关阀II和液体泵II，在加热水箱II和蒸汽发生器相连的管路上还设有电磁流量计II。
优选地，所述蒸汽发生器包括筒体，筒体内套设有衬筒，衬筒底部设有U形传热管，U形传热管的上方设有汽水分离器，汽水分离器底部设有给水管，在汽水分离器对应位置的筒体外壁上设有水位计，在筒体顶部还设有安全阀。
优选地，衬筒底部设有4根U形传热管，4根U形传热管在筒体中的排布规律为：以筒体的中轴线为中心，纵向等距排布3根U形传热管a、b、c，在位于中间的U形传热管b的水平方向靠近筒壁一侧再设置一根U形传热管d；假设a、b、c之间的距离为t，d与b之间的距离也为t，且t不小于1.25倍的U形传热管外径。
优选地，筒体顶部采用圆形封头密封，底部采用平板封头密封。
优选地，一回路单元中的加热水箱I为3个，且3个加热水箱依次相连；二回路单元中的加热水箱II为1个，一、二回路单元中的加热水箱结构相同；加热水箱底部设有两个入水口，顶部设有一个出水口及一个安全阀，顶部采用对焊高颈法兰密封，底部采用平板封头焊接；在加热水箱内部设有一个或多个加热棒，加热棒由支撑段和加热段组成，支撑段与顶部法兰固连。
优选地，所述回热器I和回热器II均采用套管式换热器，热流体通过管内，冷流体通过管外。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，该***与实际压水堆核电站相比，具有结构简单、安全高效的特点，略去了核反应堆这一复杂***，大大节约了搭建试验***所需空间和成本。该试验***包括一回路单元、二回路单元、蒸汽发生器及数据采集单元；一回路单元与二回路单元分别通过管路与蒸汽发生器相连，一回路单元的流体能够用于加热二回路单元的流体。数据采集单元用于采集一回路单元和二回路单元流入蒸汽发生器的流体温度、压力及流量一回路单元采用回热器、加热水箱来加热冷却水，代替了结构复杂的核反应堆。一回路单元和二回路单元均采用回热器引入回热循环，节省了能量，提高了***的能源利用率。
进一步地，一回路单元的电磁流量计设置在背压阀后，背压阀能够将一回路单元的高压降低到常压，使得电磁流量计是在常温常压下进行流量测量，简单易行。
进一步地，在能准确反映实际蒸汽发生器传热特性的前提下，所述蒸汽发生器内只排布了4根U形传热管，并且省略了干燥器且不再区分上、下筒体，大大简化了蒸汽发生器的设计。
附图说明
图1为本发明小型蒸汽发生器热工水力分析试验***的结构示意图；
图2为本发明蒸汽发生器的结构示意图；
图3为蒸汽发生器U形传热管排布的截面示意图；
图4为加热水箱结构示意图。
图5为支撑板和U形传热管的局部连接示意图。
其中，1.电磁流量计I；2.储水箱I；3.液体泵I；4.压力表I；5.背压阀I；6.流量调节阀I；7.开关阀I；8.冷却器I；9.回热器I；10.流量调节阀II；(11.12.13)加热水箱I；(14.15.16.17.25)安全阀；18.蒸汽发生器；19.蒸汽导管；20.压力表II；21.差压表；22.压力表III；23.压力表IV；24.电磁流量计II；26.加热水箱II；27.流量调节阀III；28.回热器II；29.数据采集单元；30.冷却器II；31.背压阀II；32.流量调节阀IV；33.液体泵II；34.开关阀II；35.压力表V；36.计量水箱；37.储水箱II；38.圆形封头；39.水位计；40.给水管；41.汽水分离器；42.支撑板；43.U形传热管；44.筒体；45.衬筒；46.正常工作水位线；47.焊口；48.平板封头；49.入水口；50.平板封头；51.水箱壁；52.出水口；53.加热棒；54.上法兰；55.法兰盘；56.螺栓紧固件；57.垫片。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明公开了一种小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，包括一回路单元、二回路单元、蒸汽发生器18及数据采集单元29；
一回路单元与二回路单元分别通过管路与蒸汽发生器18相连，一回路单元的流体能够用于加热二回路单元的流体；
一回路单元包括储水箱I 2、冷却器I 8、回热器I 9及加热水箱I，一回路单元中的加热水箱I(11,12,13)为3个，且3个加热水箱依次相连；一回路单元中，储水箱I 2的出水口与回热器I 9的冷水进口相连，回热器I 9的冷水出口与加热水箱I 11的进水口相连，加热水箱I的出水口与蒸汽发生器18的一回路热水进水口相连，蒸汽发生器18的一回路热水出水口与回热器I 9热水进水口相连，回热器I 9热水出水口与冷却器I 8进水口相连，冷却器I 8出水口与储水箱I 2相连；冷却器I 8与储水箱I 2相连的管路上设有背压阀I 5和电磁流量计I 1，背压阀I 5和电磁流量计I 1之间的管路上还设有压力表I 4。电磁流量计I 1测量的是一回路流体常温常压时的体积流量，由于质量流量是恒定的，且密度可由温度和压力查得，因此高温高压下的一回路流体的体积流量可以通过计算得到。这样，就能够解决高压下一回路流体的体积流量难以测量的问题。
储水箱I 2与回热器I 9相连的管路上依次设有开关阀I 7和液体泵I 3，储水箱I2冷水流出的管路上设有流量调节阀I 6，用于调节管路的液体流量。回热器I 9的冷水出口与加热水箱I 11相连的管路上设有流量调节阀II 10；三个加热水箱I 11,12,13顶部对应设有一个安全阀14,15,16；蒸汽发生器18顶部也设有一个安全阀17，在蒸汽发生器18的一回路热水进水口处设有压力表II 20；差压表21用于测量蒸汽发生器的一回路流动阻力，其高压端连接在一回路入口，低压端连接在一回路出口。在一回路单元内形成：储水箱I—冷水—回热器I—加热水箱I—蒸汽发生器1—热水—回热器I—冷却器I—冷水—储水箱I的液体内循环。
二回路单元包括储水箱II 37、回热器II 28、加热水箱II 26、冷却器II 30及计量水箱36；二回路单元中，储水箱II 37的出水口与回热器II 28的进水口相连，回热器II 28的出水口与加热水箱II 26的进水口相连，加热水箱II 26的出水口与蒸汽发生器18的二回路进水口相连，蒸汽发生器18顶部的蒸汽导管19经过回热器II 28后连接至冷却器II 30的进气口，冷却器II 30的液体出口与计量水箱36的进水口相连。冷却器II 30与计量水箱36相连的管路上依次设有背压阀II 31和压力表V 35，储水箱II 37与回热器II 28相连的管路上依次设有开关阀II 34和液体泵II 33，在加热水箱II 26和蒸汽发生器18相连的管路上还依次设有电磁流量计II 24和压力表IV 23，储水箱II 37冷水流出的管路上设有流量调节阀IV 32，用于调节管路的液体流量。回热器II 28与加热水箱II 26相连的管路上设有流量调节阀III 27，蒸汽发生器18的蒸汽导管19上设有压力表III 22；在二回路单元内形成：储水箱II—冷水—回热器II—加热水箱II—蒸汽发生器—蒸汽—回热器II—冷却器II—液态水—计量水箱的液体-气体-液体内循环。
数据采集单元用于采集一回路单元和二回路单元流入蒸汽发生器的流体温度、压力及流量。数据采集单元采用的是IMP数据采集***，除水位计39以外的所有测量仪器均与IMP板相连，读数在电脑上显示。
优选地，所述的蒸汽发生器的材料采用304不锈钢，且筒体和U形传热管需要经过强度校核计算，以达到耐高压的要求。
所述的回热器和冷却器的材料也采用304不锈钢，也需要经过强度校核计算，达到耐压的要求。回热器和冷却器的进出口温度可以自己选定。所述回热器采用套管式换热器，热流体走管内，冷流体走管外。
参见图2，蒸汽发生器包括筒体44，筒体44内套设有衬筒45，衬筒45底部设有U形传热管43，U形传热管43的上方设有汽水分离器41，汽水分离器41底部设有给水管40，在汽水分离器41对应位置的筒体44外壁上设有水位计39，在筒体44顶部还设有安全阀17。蒸汽发生器18的底部采用平板封头50焊接，顶部采用圆形封头38密封，均要求具备良好密封性，同时，为达到耐高压的需求，平板封头和圆形封头需要经过强度校核。此外，U形传热管43和筒体44也需经过强度校核。参见图5，支撑板42的作用是固定管束，支撑板42和U形传热管43采用四叶梅花孔结构的方式焊接，流体经支撑板42和U形传热管43间的空隙流过。
参见图3，衬筒底部设有4根U形传热管，4根U形传热管在筒体中的排布规律为：以筒体的中轴线为中心，纵向等距排布3根U形传热管a、b、c，在位于中间的U形传热管b的水平方向靠近筒壁一侧再设置一根U形传热管d；假设a、b、c之间的距离为t，d与b之间的距离也为t，且t不小于1.25倍的U形传热管外径。
参见图4，加热水箱底部设有两个入水口49，顶部设有一个出水口52及一个安全阀，顶部采用对焊高颈法兰密封，法兰盘55和上法兰54通过螺栓紧固件56固定，内设垫片57；底部采用平板封头50焊接；在加热水箱内部设有1个或多个加热棒53，加热棒由支撑段和加热段组成，支撑段与顶部法兰固连。
本发明的小型蒸汽发生器热工水力分析试验***的工质流程为：
打开开关阀I 7，一回路储水箱I 2中的常温冷水由液体泵I 3加压输送，经过回热器I 9加热，依次进入三个水箱11、12、13进行加热，并控制输出温度、压力达到蒸汽发生器18一回路进口温度、工作压力后，进入蒸汽发生器18加热二回路流体。流出蒸汽发生器18的一回路热水经由回热器I 9加热冷水以降低加热水箱11、12、13的功率并节省能源，然后流经冷却器I 8冷却至常温，经过背压阀I 5后降至常压进入储水箱I 2完成一回路的循环。
打开开关阀II 34，二回路冷流体从储水箱II 37流出，经过液体泵II 33加压后进入回热器II 28和加热水箱II 26，达到给水要求温度后进入蒸汽发生器18吸收一回路的热量并产生蒸汽。产生的蒸汽从蒸汽导管19导出，经回热器II 28加热冷水以降低加热水箱II26的功率并节省能源。接着，蒸汽经冷却器II 30冷却成液态水，经过背压阀II 31降至常压，最后进入计量水箱36计量产量。数据采集单元29主要用于采集蒸汽发生器18内的一回路流体的进出口温度、压力、流量以及二回路流体进出口温度、压力、流量。
本发明试验***的一回路工作压力为15.5MPa，二回路工作压力为6MPa，蒸汽发生器的一回路流体进出口温度分别为323℃、280℃，二回路给水温度为226℃。这是大亚湾核电站蒸汽发生器的满功率稳态运行参数。不同的蒸汽发生器这5个参数会有不同，但是所设计试验***必须与对应蒸汽发生器的实际运行参数保持一致。
Claims (8)
1.一种小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，其特征在于，包括一回路单元、二回路单元、蒸汽发生器及数据采集单元；
一回路单元与二回路单元分别通过管路与蒸汽发生器相连，一回路单元的流体能够用于加热二回路单元的流体；
一回路单元包括储水箱I、冷却器I、回热器I及加热水箱I；在一回路单元内形成：储水箱I—冷水—回热器I—加热水箱I—蒸汽发生器—热水—回热器I—冷却器I—冷水—储水箱I的液体内循环；
二回路单元包括储水箱II、回热器II、加热水箱II、冷却器II及计量水箱；在二回路单元内形成：储水箱II—冷水—回热器II—加热水箱II—蒸汽发生器—蒸汽—回热器II—冷却器II—液态水—计量水箱的液体-气体-液体内循环；
数据采集单元用于采集一回路单元和二回路单元流入蒸汽发生器的流体温度、压力及流量。
2.根据权利要求1所述的小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，其特征在于，一回路单元中，储水箱I的出水口与回热器I的冷水进口相连，回热器I的冷水出口与加热水箱I的进水口相连，加热水箱I的出水口与蒸汽发生器的一回路热水进水口相连，蒸汽发生器的一回路热水出水口与回热器I热水进水口相连，回热器I的热水出水口与冷却器I的进水口相连，冷却器I的出水口与储水箱I相连；
二回路单元中，储水箱II的出水口与回热器II的进水口相连，回热器II的出水口与加热水箱II的进水口相连，加热水箱II的出水口与蒸汽发生器的二回路进水口相连，蒸汽发生器顶部的蒸汽导管经过回热器II后连接至冷却器II的进气口，冷却器II的液体出口与计量水箱的进水口相连。
3.根据权利要求1所述的小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，其特征在于，在一回路单元中，冷却器I与储水箱I相连的管路上设有背压阀I和电磁流量计I，储水箱I与回热器I相连的管路上依次设有开关阀I和液体泵I，
在二回路单元中，冷却器II与计量水箱相连的管路上设有背压阀II，储水箱II与回热器II相连的管路上依次设有开关阀II和液体泵II，在加热水箱II和蒸汽发生器相连的管路上还设有电磁流量计II。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，其特征在于，所述蒸汽发生器包括筒体，筒体内套设有衬筒，衬筒底部设有U形传热管，U形传热管的上方设有汽水分离器，汽水分离器底部设有给水管，在汽水分离器对应位置的筒体外壁上设有水位计，在筒体顶部还设有安全阀。
5.根据权利要求4所述的小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，其特征在于，衬筒底部设有4根U形传热管，4根U形传热管在筒体中的排布规律为：以筒体的中轴线为中心，纵向等距排布3根U形传热管a、b、c，在位于中间的U形传热管b的水平方向靠近筒壁一侧再设置一根U形传热管d；假设a、b、c之间的距离为t，d与b之间的距离也为t，且t不小于1.25倍的U形传热管外径。
6.根据权利要求4所述的小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，其特征在于，筒体顶部采用圆形封头密封，底部采用平板封头密封。
7.根据权利要求1～3中任意一项所述的小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，其特征在于，一回路单元中的加热水箱I为3个，且3个加热水箱依次相连；二回路单元中的加热水箱II为1个，一、二回路单元中的加热水箱结构相同；加热水箱底部设有两个入水口，顶部设有一个出水口及一个安全阀，顶部采用对焊高颈法兰密封，底部采用平板封头焊接；在加热水箱内部设有一个或多个加热棒，加热棒由支撑段和加热段组成，支撑段与顶部法兰固连。
8.根据权利要求1～3中任意一项所述的小型蒸汽发生器热工水力分析试验***，其特征在于，所述回热器I和回热器II均采用套管式换热器，热流体通过管内，冷流体通过管外。
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