CN204087820U - 模拟核电安全壳基准事故工况的实验*** - Google Patents

模拟核电安全壳基准事故工况的实验*** Download PDF

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姚勇
熊仁金
郑振华
邵正锋
杨金水
苏永军
周绍飞
张志�
唐辉
朱宏志
朱新亮
杜杰
赖新春
王鑫
张鹏程
李嵘
窦天军
佘瑞峰
唐涛
王欢
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Abstract

本实用新型公开了一种模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，解决现有技术无法全面模拟核电基准事故工况的问题。本实用新型包括用于装载非能动氢气复合器整机的实验容器，设置在实验容器内、用于检测实验容器内部压力的第一压力传感器，数据采集***，以及均与实验容器连接的排气管道、空气供应***、氢气供应***和至少为四个的取样管道；所述实验容器通过多点热电偶与数据采集***连接。本实用新型结构设计合理，能够真实、全面地模拟核电基准事故工况，并以此来对非能动氢气复合器的消氢性能进行测试，其测试结果非常接近实际工况，因此也为复合器的研究和设计提供了非常好的参考标准。

Description

模拟核电安全壳基准事故工况的实验***
技术领域
本实用新型涉及一种关于核电氢安全设备方面的实验***，具体涉及的是一种模拟核电安全壳基准事故工况的实验***。
背景技术
日本福岛核事故以后，核电安全壳内的氢风险控制越来越受到重视，对氢安全设备的要求越来越高，特别是作为主要消氢手段的非能动氢复合器(PARs)，更是要考核其在事故工况的运行性能。作为氢复合器的标准性能考核，需要考核其在设计基准事故工况下的消氢性能。设计基准事故工况条件为，初始温度为常温或≤50℃，无毒化气体(例如CO、气溶胶、水蒸汽等)，其余气氛为空气，氢浓度2％～4％,这样就能考核氢复合器在无毒化的正常工作状态下的消氢性能。
我国的非能动氢气复合器主要从法国阿海珐公司进口。国内虽有这方面的研究，但由于技术方面的限制，对复合器设计基准事故工况的模拟试验通常只能用于实验室研究，并且也不能对非能动氢气复合器整机进行测试，因而其尚处于理论分析的阶段，所研究的复合器水平也比较低，不能全面反映非能动氢气复合器在基准事故工况下真正的消氢性能，因此也难以满足目前实际工况的需要。
实用新型内容
针对上述技术不足，本实用新型提供了一种模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，能够真实、全面地模拟核电站设计基准事故工况的各种条件，从而对非能动氢复合器的消氢性能进行充分的检测。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，包括用于装载非能动氢气复合器整机的实验容器，设置在实验容器内、用于检测实验容器内部压力的第一压力传感器，以及数据采集***，还包括均与实验容器连接的排气管道、空气供应***、氢气供应***和至少为四个的取样管道；所述实验容器通过多点热电偶与数据采集***连接。
具体地说，所述空气供应***包括通过第一管道与实验容器连接的第一空气源，以及依次设置在第一管道中的第一减压阀、第一流量计、单向阀、第一隔离阀和第一阻火器；所述第一减压阀位于第一空气源与第一流量计之间。
具体地说，所述氢气供应***包括通过第二管道与实验容器连接的氢气源，以及依次设置在第二管道中的第二减压阀、第二流量计、第三减压阀第一电磁阀、第二阻火器和第三隔离阀；所述第二减压阀位于氢气源与第二流量计之间。
进一步地，本实用新型还包括均与实验容器连接的喷淋***、气溶胶供应***、电缆燃烧产物供应***以及水蒸汽在线供应***；所述气溶胶供应***与喷淋***连接。
具体地说，所述喷淋***包括喷淋液混合箱，通过第四管道与该喷淋液混合箱连接并置于实验容器内的喷淋头，以及依次设置在第四管道中的循环泵、第二电磁阀和第四隔离阀；所述循环泵位于喷淋液混合箱和第二电磁阀之间；所述第四管道与气溶胶供应***连接。
具体地说，所述气溶胶供应***包括通过第五管道与第四管道连通的第二空气源，以及依次设置在该第五管道中的第五隔离阀、气溶胶发生器和第六隔离阀；所述第五隔离阀位于第二空气源与气溶胶发生器之间。
再进一步地，所述电缆燃烧产物供应***包括通过第六管道与实验容器连接的第三空气源，依次设置在该第六管道中的第五减压阀、电缆燃烧室和第七隔离阀，以及设置在第六管道上并位于第七隔离阀与实验容器之间的第二压力传感器；所述第五减压阀位于第三空气源与电缆燃烧室之间。
更进一步地，所述水蒸汽在线供应***包括通过第七管道与实验容器连接的水蒸汽发生器，依次设置在第七管道中的第八隔离阀和第九隔离阀，以及设置在第七管道上并位于水蒸汽发生器与第八隔离阀之间的第三压力传感器。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
(1)本实用新型通过合理的***结构，在充分考虑到安全的基础上，较为真实、全面地模拟出了核电基准事故工况的条件，并以此来对非能动氢气复合器的性能进行实时测试。由于模拟的工况真实、全面，并且是对非能动氢气复合器整机进行测试，其对压力反应容器的性能、进行反应和取样等安全性的考虑是试验室级别所达不到的，因此，本实用新型对复合器的性能测试结果非常接近实际工况，可直接作为研究和设计非能动氢气复合器的参考标准之一。
(2)本实用新型还设置了喷淋***、气溶胶供应***、电缆燃烧产物供应***以及水蒸汽在线供应***，可以使本实用新型除了模拟核电站设计基准事故工况外，还可以模拟核电站设计严重事故工况，从而进一步以“实时在线”的方式对非能动氢气复合器的各种性能(启动性能、稳定反应性能、重复性能、耐水性能等等)进行全面的测试，其测试的结果同样非常接近实际工况，可以作为在核电站中布置非能动氢气复合器的依据。
(3)本实用新型设计严谨、安全性高，模拟的事故工况真实、全面，并且能够分别模拟核电基准事故和严重事故两种工况。本实用新型为非能动氢气复合器的设计能够达到相应实际工况的技术标准提供了非常有价值的参考，其很好地顺应了科技的发展潮流，因而具有非常良好的应用前景和推广前景。
附图说明
图1为本实用新型的***结构示意图。
其中，附图标记对应的零部件名称为：
1-实验容器，2-数据采集***，3-排气管道，4-取样管道，5-第一空气源，6-第一管道，7-第一减压阀，8-第一流量计，9-单向阀，10-第一隔离阀，11-第一阻火器，12-分支管道，13-第二隔离阀，14-氢气源，15-第二管道，16-第二减压阀，17-第二流量计，18-第三减压阀，19-第一电磁阀，20-第二阻火器，21-第三隔离阀，22-第四减压阀，23-喷淋液混合箱，24-第四管道，25-循环泵，26-第二电磁阀，27-第四隔离阀，28-喷淋头，29-第二空气源，30-第五管道，31-第五隔离阀，32-气溶胶发生器，33-第六隔离阀，34-第三空气源，35-第六管道，36-第五减压阀，37-电缆燃烧室，38-第七隔离阀，39-第二压力传感器，40-水蒸汽发生器，41-第七管道，42-第三压力传感器，43-第八隔离阀，44-第九隔离阀，45-非能动氢气复合器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1所示，本实用新型提供了一种可以模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，以便测试非能动氢气复合器的消氢性能，从而为复合器的研究和设计提供参考。在设备方面，本实用新型包括实验容器1、数据采集***2、空气供应***以及氢气供应***。所述实验容器1用于装载非能动氢气复合器整机，其上设有排气管道3、至少为四个的取样管道4，以及一些安全阀门，而该实验容器1内则设置了第一压力传感器，用于检测其内部的压力。所述数据采集***2用于记录实验过程中，实验容器1内的数据(温度、浓度等)，并进行分析，该数据采集***2通过多点热电偶与实验容器1连接。本实用新型所采用的数据采集***2和多点热电偶均为现有技术，其中，本实施例的数据采集***采用5块16路数据采集卡同时记录数据，然后再利用读取设备导出数据，然后进行分析，而本实施例中的多点热电偶则优选采用K型热电偶。
所述空气供应***用于向实验容器1内部通入空气，其包括通过第一管道6与实验容器1连接的第一空气源5，以及依次设置在第一管道6中的第一减压阀7、第一流量计8、单向阀9、第一隔离阀10和第一阻火器11；所述第一减压阀7位于第一空气源5与第一流量计8之间；所述第一管道6上还设有也与实验容器1连通的分支管道12，并且在该分支管道12中还设有第二隔离阀13。
所述氢气供应***则用于向实验容器1内部提供氢气，其包括通过第二管道15与实验容器1连接的氢气源14，以及依次设置在第二管道15中的第二减压阀16、第二流量计17、第三减压阀18第一电磁阀19、第二阻火器20和第三隔离阀21；所述第二减压阀16位于氢气源14与第二流量计17之间；所述第二管道15通过第三管道与第一管道6连通，并且在该第三管道中还设有第四减压阀22。
为能更好地进行模拟实验，上述一些设备的技术参数分别如下：
实验容器
材质：不锈钢，抗氢脆效果较好，不易引起泄露或氢爆，安全性较高；内部容积：大于40m3，能提供流量足够大的氢气和空气；耐受最高温度：200℃；耐受最高压力：2MP。
第一空气源：可以提供大于或等于500m3/h的空气流量。
氢气源：可以提供大于或等于400L/min的氢气流量。
按照上述设备结构，下面对本实用新型模拟检测氢复合器在标准工况(起始温度常温、起始压力略高于常压、氢浓度2％～4％)时的消氢性能的实现过程进行详细介绍。
首先，将非能动氢气复合器45整机装入到实验容器1内，然后将多点热电偶的多个测点固定在该非能动氢气复合器45的各个测量位置上，并连接数据采集***2。
为确保安全测试，试验开始前，先向实验容器1中充入0.5MPa的空气，然后保压30～35min，测试实验容器1的密封性。在保压测试的过程中，实验容器1内的第一压力传感器实时检测实验容器1内部的压力值，保压结束时，若实验容器1内的压力有变化，且压降小于或等于2kPa，则可以认为该实验容器1具有良好的密封性；反之，则需要对实验容器1进行捡漏修复，重新密封实验容器1。
检测实验容器1的密封性后，分别打开排气管道3和第一减压阀7，利用第一减压阀7将第一空气源5的出口压力调节至0.1～0.2MPa。然后打开单向阀9和第一隔离阀10，并根据第一流量计8显示的流量，利用第一隔离阀10将欲通入到实验容器1中的空气流量调节至700～750m3/h，利用进入的空气对实验容器1吹洗10min以上。而后，关闭排气管道4，并继续通入空气，直至实验容器内1的压力略大于0.1MPa时关闭第一减压阀7和第一隔离阀10。
紧接着，依次打开第二减压阀16和第三减压阀18，利用第二减压阀16将氢气源14的出口压力调节至0.5～0.7MPa，再利用第三减压阀18将气体压力调节至0.1～0.2MPa，分层次调节可实现氢气的稳定输出同时，可以满足试验要求。调节好氢气的压力后，再依次打开第一电磁阀19和第三隔离阀21，根据第二流量计17显示的流量，利用第三隔离阀19将欲通入到实验容器1中的氢气流量调节至400L/min左右，然后监测实验容器1内不同取样点氢气浓度的变化(可通过氢气浓度检测仪检测)，以及实验容器1内不同测点的温度变化。
持续上述情况，约2～4min后，关闭相应阀门，停止通入氢气，此时实验容器1内的平均氢气浓度可达到2％～4％左右。
而后，利用数据采集***采集的数据，观察非能动氢气复合器45催化板的表面温度，若发现温度有明显的上升趋势，则开始记录复合器的启动时间h，该启动时间h的记录起点为氢气停止通入时的时间，记录终止时间为催化板表面温度上升10℃的时间。
最后，继续观察并记录实验容器1内不同取样点的氢气浓度变化，以及实验容器1内不同测点的温度变化，在停止通入氢气约60min以后，停止监测和记录，并结束试验。
假设所记录到的各个取样点的平均氢气浓度为CH’，且初始通入容器内氢气浓度为CH，则试验后的消氢效率η可采用如下公式计算：
η＝(1-CH’/CH)×100％；
依照上述计算结果，如果复合器样机的启动时间h≤30min，且消氢效率η≥85％，则认为该复合器性能正常。
上述即为本实用新型模拟基准事故工况时测试非能动氢气复合器消氢性能的实现过程。而在此基础上，本实用新型还可以模拟非能动氢气复合器在严重事故工况下的性能测试。还是如图1所示，具体地说，在***结构方面，本实用新型还设置了均与实验容器1连接的喷淋***、气溶胶供应***、电缆燃烧产物供应***以及水蒸汽在线供应***，通过这几个***，以及与实验容器1、空气供应***和氢气供应***的配合，即可实现非能动氢气复合器在严重事故工况下的模拟测试。
在上述设置的几个***中，所述喷淋***用于向实验容器1内喷入喷淋液。具体来说，该喷淋***包括内装有由水、2000～2200ppm的硼酸和0.4％～0.6％的氢氧化钠混合而成的喷淋液的喷淋液混合箱23，通过第四管道24与该喷淋液混合箱23连接并置于实验容器1内的喷淋头28，以及依次设置在第四管道24中的循环泵25、第二电磁阀26和第四隔离阀27；所述循环泵25位于喷淋液混合箱23和第二电磁阀26之间。
所述气溶胶供应***用于向实验容器1内通入气溶胶。具体来说，该气溶胶供应***包括通过第五管道30与第四管道24连通的第二空气源29，以及依次设置在该第五管道30中的第五隔离阀31、气溶胶发生器32和第六隔离阀33；所述第五隔离阀31位于第二空气源29与气溶胶发生器32之间。
所述电缆燃烧产物供应***用于向实验容器1内通入电缆燃烧气体产物。该电缆燃烧产物供应***包括通过第六管道35与实验容器1连接的第三空气源34，依次设置在该第六管道35中的第五减压阀36、电缆燃烧室37和第七隔离阀38，以及设置在第六管道35上并位于第七隔离阀38与实验容器1之间的第二压力传感器39；所述第五减压阀36位于第三空气源34与电缆燃烧室37之间。
而所述水蒸汽在线供应***则用于向实验容器1内通入水蒸汽。该水蒸汽在线供应***包括通过第七管道41与实验容器1连接的水蒸汽发生器40，依次设置在第七管道41中的第八隔离阀43和第九隔离阀44，以及设置在第七管道41上并位于水蒸汽发生器40与第八隔离阀43之间的第三压力传感器42；所述第一管道6通过第八管道与第七管道连通，并且该第八管道中还设有阀门。
在上述几个***中，一些主要设备的技术参数分别如下：
喷淋头：能实现2m3/h的喷淋流量。
气溶胶发生器：外置加热，并且能在10分钟内向实验容器内喷入约2kg的气溶胶。
电缆燃烧室：能密封加热至600℃以上。
水蒸汽发生器：消耗水量大于或等于500kg/h。
下面对本实用新型模拟严重事故工况(高温、高压、高湿度、气溶胶、电缆燃烧气体产物、碘蒸气、喷淋液)并测试非能动氢气复合器消氢性能的实现过程进行详细介绍。
与上述步骤一样，将非能动氢气复合器45装入实验容器1内，并分别连接多点热电偶和数据采集***2，然后对实验容器1进行保压测试。
保压测试合格后，同样利用空气对实验容器1进行吹洗，然后关闭空气进气的相应阀门，直至实验容器1内的压力略大于0.1MPa后，关闭排气管道3。
接着，分别开启第五减压阀36和电缆燃烧室37中的燃烧电源，并设定加热温度为600℃，然后在调节好第三空气源34的出口压力后，通入到电缆燃烧室37中，实现对电缆的燃烧。电缆燃烧结束后，打开第七隔离阀38，调节电缆燃烧气体产物的流量至200L/min，压力控制在0.1～0.2MPa，让电缆燃烧气体产物通入到实验容器1内，约8～10min后，关闭第七隔离阀38，停止通入电缆燃烧气体产物。
紧接着，向气溶胶发生器32中加入1.0～1.2g的碘和2000g的固体BaSO4粉末混合，并打开第五隔离阀31，将第二空气源29中的空气通入到气溶胶发生器32中，然后对混合物进行加热，设定加热的温度为100℃。加热约30～35min后，温度达到600℃以上，且得到含有碘蒸气的气溶胶，然后依次打开第五隔离阀31和第六隔离阀33，利用第二空气源29提供的空气，推动气溶胶持续通入到实验容器1内，使气溶胶持续通入到实验容器1内，待该实验容器1内的碘蒸气浓度大于或等于30mg/m3、固体气溶胶浓度大于或等于50g/m3时，关闭第六隔离阀33，同时停止加热。
调节水蒸汽发生器40的输出压力值至0.5～0.6MPa，然后依次开启第八隔离阀43和第九隔离阀44，将水蒸汽持续通入到实验容器1内。待实验容器1内的压力达到0.55～0.6MPa后，调节水蒸汽发生器40出口处的压力调节阀，使实验容器1内的压力稳定在0.55～0.6MPa(可通过稳压阀实现)，并持续通入30min以上，使实验容器内温度大于或等于150℃，压强大于或等于0.5MPa。
依次打开第二减压阀16和第三减压阀18，利用第二减压阀16和第三减压阀18将氢气源14的出口压力调节至0.5MPa以上，分层次调节可实现氢气的稳定输出同时，可以满足试验要求。调节好氢气的压力后，再依次打开第一电磁阀19和第三隔离阀21，根据第二流量计17显示的流量，利用第三隔离阀19将欲通入到实验容器1中的氢气流量调节至400L/min左右，然后监测实验容器1内不同取样点氢气浓度的变化(可通过氢气浓度检测仪检测)，以及实验容器1内不同测点的温度变化。
持续上述情况，约8～17min后，关闭相应阀门，停止通入氢气，此时实验容器1内的平均氢气浓度可达到2％～4％左右。
接着，利用数据采集***采集的数据，观察非能动氢气复合器45催化板的表面温度，若发现温度有明显的上升趋势，则开始记录复合器的启动时间h，该启动时间h的记录起点为氢气停止通入时的时间，记录终止时间为催化板表面温度上升10℃的时间。
在停止通入氢气30～35min后，启动喷淋***。打开第二电磁阀26以及第四隔离阀27，然后通过循环泵25将预先在喷淋液混合箱23中配制好的喷淋液(即水、2000～2200ppm的硼酸和0.4％～0.6％的氢氧化钠混合的水溶液)泵出，并通过喷淋头28以大于或等于2m3/h的流量喷入到实验容器1内。观察喷淋过程中实验容器1内的压力变化以及各个取样点的氢气浓度变化，待喷淋时间达到10min以上后，停止喷淋。
停止喷淋后，继续观察和记录实验容器1内不同取样点的氢气浓度变化，以及实验容器1内不同测点的温度变化。在停止通入氢气约60min以后，停止观察和记录，并结束试验。
依照上述试验所记录的数据，下面对严重事故工况下非能动氢气复合器的消氢性能进行分析。
假设记录到的各取样点的平均氢浓度为CH’，且初始通入容器内氢气浓度为CH，则试验后的消氢效率η同样可以采用上述公式计算：
η＝(1-CH’/CH)×100％；
依照上述计算结果，如果复合器样机的启动时间h≤30min，消氢效率η≥60％，则认为复合器在模拟严重事故工况下性能下降不多，仍能正常工作。
本实用新型通过合理的结构设计，能够进行模拟设计基准事故工况下的复合器性能测试试验，并且在此基础上，利用增设的其他***，本实用新型还能模拟出核电站严重事故工况，并对非能动氢气复合器的性能进行测试。另外，本实用新型的***结构如果稍加改动后，同样也能够用在其他核电氢安全设备的研制和性能检测上。由此可见，本实用新型能够很好地为非能动氢气复合器的性能提供准确的测试评价，进而为复合器的研究和设计能够达到相应的技术标准提供有意义、有价值的参考。因此，本实用新型与现有技术相比，技术进步明显，具有实质性的特点和的进步。
上述实施例仅为本实用新型的优选实施例，并非是对本实用新型保护范围的限制，但凡采用本实用新型的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，包括用于装载非能动氢气复合器整机的实验容器(1)，设置在实验容器(1)内、用于检测实验容器内部压力的第一压力传感器，以及数据采集***(2)，其特征在于，还包括均与实验容器(1)连接的排气管道(3)、空气供应***、氢气供应***和至少为四个的取样管道(4)；所述实验容器(1)通过多点热电偶与数据采集***(2)连接。
2.根据权利要求1所述的模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，其特征在于，所述空气供应***包括通过第一管道(6)与实验容器(1)连接的第一空气源(5)，以及依次设置在第一管道(6)中的第一减压阀(7)、第一流量计(8)、单向阀(9)、第一隔离阀(10)和第一阻火器(11)；所述第一减压阀(7)位于第一空气源(5)与第一流量计(8)之间。
3.根据权利要求2所述的模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，其特征在于，所述氢气供应***包括通过第二管道(15)与实验容器(1)连接的氢气源(14)，以及依次设置在第二管道(15)中的第二减压阀(16)、第二流量计(17)、第三减压阀(18)第一电磁阀(19)、第二阻火器(20)和第三隔离阀(21)；所述第二减压阀(16)位于氢气源(14)与第二流量计(17)之间。
4.根据权利要求3所述的模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，其特征在于，还包括均与实验容器(1)连接的喷淋***、气溶胶供应***、电缆燃烧产物供应***以及水蒸汽在线供应***；所述气溶胶供应***与喷淋***连接。
5.根据权利要求4所述的模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，其特征在于，所述喷淋***包括内装有由水、2000～2200ppm的硼酸和0.4％～0.6％的氢氧化钠混合而成的喷淋液的喷淋液混合箱(23)，通过第四管道(24)与该喷淋液混合箱(23)连接并置于实验容器(1)内的喷淋头(28)，以及依次设置在第四管道(24)中的循环泵(25)、第二电磁阀(26)和第四隔离阀(27)；所述循环泵(25)位于喷淋液混合箱(23)和第二电磁阀(26)之间；所述第四管道(24)与气溶胶供应***连接。
6.根据权利要求5所述的模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，其特征在于，所述气溶胶供应***包括通过第五管道(30)与第四管道(24)连通的第二空气源(29)，以及依次设置在该第五管道(30)中的第五隔离阀(31)、气溶胶发生器(32)和第六隔离阀(33)；所述第五隔离阀(31)位于第二空气源(29)与气溶胶发生器(32)之间。
7.根据权利要求6所述的模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，其特征在于，所述电缆燃烧产物供应***包括通过第六管道(35)与实验容器(1)连接的第三空气源(34)，依次设置在该第六管道(35)中的第五减压阀(36)、电缆燃烧室(37)和第七隔离阀(38)，以及设置在第六管道(35)上并位于第七隔离阀(38)与实验容器(1)之间的第二压力传感器(39)；所述第五减压阀(36)位于第三空气源(34)与电缆燃烧室(37)之间。
8.根据权利要求7所述的模拟核电安全壳基准事故工况的实验***，其特征在于，所述水蒸汽在线供应***包括通过第七管道(41)与实验容器(1)连接的水蒸汽发生器(40)，依次设置在第七管道(41)中的第八隔离阀(43)和第九隔离阀(44)，以及设置在第七管道(41)上并位于水蒸汽发生器(40)与第八隔离阀(43)之间的第三压力传感器(42)。
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