能够进行功率调节的二回路能量消耗模拟试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种能够进行功率调节的二回路能量消耗模拟试验装置及方法，包括蒸汽发生器模拟装置，所述蒸汽发生器模拟装置连接有若干个冷凝装置，并且冷凝装置和蒸汽发生器模拟装置之间的连通能够进行切换，且每个冷凝装置均连接有给水装置，给水装置均与蒸汽发生器模拟装置连通，在冷凝装置和给水装置之间设置有稳压装置，且稳压装置同时与所有的冷凝装置和所有的给水装置连通。本试验装置及方法能够实现二回路功率的快速准确调节，并实现了整个二回路系统的模拟，成本低，保证了试验的准确性，可操作性强，便于实现，为核反应堆整体模拟试验系统提供了完整的二回路系统试验模拟解决方案。

说明书

技术领域

本发明涉及一种核反应堆二回路系统的模拟试验技术，具体涉及一种能够进行功率调节的二回路能量消耗模拟试验装置及方法。

背景技术

在压水堆反应堆系统中，二回路系统通过蒸汽发生器将一回路堆芯中产生的热量带走，并推动汽轮机做功发电，实现能量的转换。在核反应堆二回路系统中，涉及到蒸汽发生器、汽轮机、冷凝器、给水泵以及其他辅助设备，系统非常复杂。在核反应堆系统整体模拟试验系统时，如果完全按照核反应堆二回路系统的设备配置进行模拟建设，成本将非常高昂，不适用于一般的试验研究。对于核动力反应堆来说，其需要具备较强的瞬态运行性能，在设计和研发需要研究掌握其瞬态运行性能，因此在整体模拟试验系统中，要求二回路模拟装置具备功率快速调节功能。而目前的整体模拟试验装置较多的关注不同功率水平下的稳态研究以及一回路事故瞬态工况，不具备功率快速变化的瞬态工况研究能力，特别是二回路系统的功率快速变化工况。

申请号为“201510630539X”、名称为“一种模拟二回路汽轮机耗汽的试验系统”的中国专利公开了一种模拟二回路汽轮机耗汽的试验系统，其包括依次连通的蒸汽发生装置、蒸汽减压阀、喷雾头，还包括冷凝器，喷雾头设置在冷凝器内部，蒸汽减压阀与喷雾头之间的连接管道上设置有压力测量装置。该系统可以以低成本的方式模拟汽轮机的耗汽过程，通过节流阀和冷凝器的联合工作来模拟蒸汽在汽轮机中的耗汽过程，解决反应堆热工水力系统试验中二回路模拟的难题。但是它只是模拟汽轮机做功耗汽，不具备功率快速调节功能，且并不是一个完整的二回路能量消耗模拟系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有反应堆系统整体模拟试验装置中不具备能够实现功率快速调节的二回路系统，而完全按照实际反应堆二回路系统进行试验装置建设成本又非常高，不具有实际利用价值，因此本发明的目的在于提供一种能够进行功率调节的二回路能量消耗模拟试验装置及方法，该模拟试验装置及方法能够在试验过程中进行低成本整体试验模拟，同时对模拟试验过程进行功率快速调节，从而实现功率快速变化的瞬态工况模拟。

本发明通过下述技术方案实现：

能够进行功率调节的二回路能量消耗模拟试验装置，包括蒸汽发生器模拟装置，所述蒸汽发生器模拟装置连接有若干个冷凝装置，并且冷凝装置和蒸汽发生器模拟装置之间的连通能够进行切换，且每个冷凝装置均连接有给水装置，给水装置均与蒸汽发生器模拟装置连通，在冷凝装置和给水装置之间设置有稳压装置，且稳压装置同时与所有的冷凝装置和所有的给水装置连通。目前在现有技术中可以以低成本的方式模拟汽轮机的耗汽过程，通过节流阀和冷凝装置的联合工作来模拟蒸汽在汽轮机中的耗汽过程，解决反应堆热工水力系统试验中二回路汽轮机的模拟难题。但是这种技术仅仅是模拟蒸汽在汽轮机中的耗汽过程，其功能单一，而且其仅仅是局部模拟，应用范围和取得的效果有限，并且在整个模拟过程，并未实现功率的快速调节，不能开展功率快速瞬态变化的工况模拟，而本方案通过联合调节蒸汽管路上的调节阀实现蒸汽流量的快速控制，进而实现功率的快速调节，避免了采用汽轮机模拟带来的高昂费用，有效地降低了试验装置建设成本，增强了试验装置的可操作性和调控性能。

蒸汽发生器模拟装置与冷凝装置之间通过出口蒸汽管线连接。蒸汽发生器模拟装置和冷凝装置之间的蒸汽管线上设置有依次连通的压力测量装置一、温度测量装置一、流量测量装置一、气动调节阀一和电动调节阀，且压力测量装置一与蒸汽发生器模拟装置连通，电动调节阀与所有的冷凝装置连通。调节功能由两部分实现，其必须相辅相成，这种连接方式是和后面的冷凝装置进行共同作用，实现二回路功率的快速调节，电动调节阀与冷凝装置之间均设置有依次连通的气动开关阀一、气动调节阀二、压力测量装置二和温度测量装置二，且气动开关阀一与电动调节阀连通，温度测量装置二均与对应的冷凝装置连通。在电动调节阀下游，蒸汽管线分为两条支路，其中一条支路连接小功率冷凝装置，另外一条支路连接大功率冷凝装置，每条支路上都先后安装一台气动开关阀一和气动调节阀二，并且在进入两台冷凝装置之前的管线上都需要安装温度测量装置二和压力测量装置二。在该部分，气动开关阀一用于选择开展试验时采用哪一台冷凝装置，当功率为0～50％额定功率时采用小功率冷凝装置，当功率为0～100％额定功率时采用大功率冷凝装置。在运行时，蒸汽管线上一共有三台阀门，其中电动调节阀作为减压阀，将蒸汽发生器模拟装置中产生的高压蒸汽变为低压蒸汽，排入大、小功率冷凝装置中。另外两台气动调节阀配合电动调节阀，实现二回路功率的快速调节，在这个过程中需要采用三阀联调的方式达到二回路的稳态功率控制以及瞬态变化快速调节。

根据模拟时试验装置建设成本，将冷凝装置和给水装置的数量均为两个，并且冷凝装置之间的功率、给水装置之间的流量调节范围都各不相同。采用两个不同功率的冷凝装置和两个不同流量调节范围的给水装置，能够在最低建设的成本下，实现功率精确快速调节功能。这两个冷凝装置分别和上游电动调节阀以及气动调节阀一起可以模拟汽轮机做功，实现对一回路传递给二回路能量的消耗。在每台冷凝装置中安装有S型换热管，将二回路中的能量带走，实现二回路的能量消耗。由于电动调节阀、气动调节阀、冷凝装置以及换热管成本都较低，有效地降低了试验装置的建设成本。

在冷凝装置的底部均打孔安装冷水管线，每条管线上安装有温度测量装置和气动开关阀二，气动开关阀二同时与稳压装置和对应的冷凝装置连通。温度测量装置用于测量从冷凝装置出来的冷水温度，以便于控制冷凝装置中换热管内的冷却水流量。气动开关阀二用于确定投入哪一台冷凝装置。两条冷水管线在气动开关阀的下游汇合成一条管线，与给水装置连接，在这条管线上安装一台稳压器，其作用是为小流量给水装置和大流量给水装置确定背压，防止给水装置启动时发生汽蚀，此外为二回路能量消耗系统提供膨胀空间以及补充水源。蒸汽发生器模拟装置和所有的给水装置之间均设置有依次连通的气动调节阀三和气动开关阀三，且气动调节阀三分别与对应的给水装置连通，气动开关阀三均与蒸汽发生器模拟装置连通。稳压装置和所有的给水装置之间均设置有气动调节阀四，且气动调节阀四均连通有流量测量装置二，流量测量装置二分别与对应的气动调节阀三连通。气动开关阀三和蒸汽发生器模拟装置之间设置有依次连通的给水预热装置、气动调节阀五和流量测量装置三，且给水预热装置与所有的气动开关阀三连通，流量测量装置三与蒸汽发生器模拟装置连通。

本试验装置具有两条并联的给水装置支路，每条支路上分别安装一台给水装置，对应小流量给水装置和大流量给水装置，由于两条支路主要的区别就是给水装置流量不同，其余都是相同的，因此以小流量给水装置支路为例进行描述。在该支路上还安装有一台气动调节阀三和气动开关阀三，与小流量给水装置并联一条回水支路，在该支路上安装一套流量测量装置二和气动调节阀四，回水支路的作用是保护小流量给水装置。气动开关阀主要用于确定是否投入该条给水装置支路，在功率为0～50％额定功率时，投入小流量给水装置支路，在功率为0～100％额定功率时，投入大流量给水装置支路。该方式可以使二回路能量消耗模拟试验装置具有更强的调控性能。

两条给水装置支路汇合成一条给水管线与蒸汽发生器模拟装置入口连接，在该管线上先后安装预热器、温度测量装置、气动调节阀五和流量测量装置三。预热器用于调节蒸汽发生器入口给水温度，其优选形式可以为电加热预热器也可以为蒸汽加热形式的回热器。给水装置通过调节频率控制总给水流量大小，与给水管线上的气动调节阀、给水装置支路上的气动调节阀和回水支路上的阀门一起控制蒸汽发生器模拟装置的给水流量。

而能够进行功率调节的二回路能量消耗模拟试验方法，蒸汽发生器模拟装置中产生的蒸汽通过依次连通的压力测量装置一、温度测量装置一、流量测量装置一、气动调节阀一和电动调节阀，采用以下两种方式切换：

(1)模拟二回路功率在0～50％额定功率水平变化时，其中与大功率冷凝装置连通的气动开关阀一和气动开关阀二、与大流量给水装置连通的气动开关阀三关闭，开启与小功率冷凝装置连通的气动开关阀一和气动开关阀二、与小流量给水装置连通的气动开关阀三，使得蒸汽通过小功率冷凝装置和小流量给水装置后回到蒸汽发生器模拟装置，通过联调气动调节阀一、电动调节阀和第一气动调节阀二快速调节试验装置功率变化，联调第一气动调节阀三和气动调节阀五实现给水的快速调节；

(2)模拟二回路功率在0～100％额定功率水平变化时，其中与小功率冷凝装置连通的气动开关阀一和气动开关阀二、与小流量给水装置连通的气动开关阀三关闭，开启与大功率冷凝装置连通的气动开关阀一和气动开关阀二、与大流量给水装置连通的气动开关阀三，使得蒸汽通过大功率冷凝装置和大流量给水装置后回到蒸汽发生器模拟装置，通过联调气动调节阀一、电动调节阀和第二气动调节阀二快速调节试验装置功率变化，联调第二气动调节阀三和气动调节阀五实现给水的快速调节。

通过上述试验装置和试验方法的特点，构成了一个完整的二回路能量消耗模拟试验装置，可以用于核反应堆整体模拟试验系统中二回路系统的模拟，能较好的模拟二回路的稳态特性以及瞬态功率变化调节特性，从而保证了试验的准确性，满足需求。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

a.在蒸汽管线上采用两台气动调节阀和一台电动调节阀可以较好的实现二回路系统功率的快速调节，与冷凝装置一起可以实现能量消耗功能，避免了采用汽轮机模拟带来的高昂费用，有效地降低了试验装置建设成本；

b.提供了小功率冷凝装置和大功率冷凝装置、小流量给水装置和大流量给水装置根据试验装置模拟功率变化范围自由选择方案，增强了试验装置的可操作性和调控性能；

c.在大、小功率冷凝装置和大、小流量给水装置之间的管线上安装了稳压器，可以避免给水装置启动过程中发生汽蚀现象，保护给水装置；

d.给水装置回水支路的设置，可以在变功率工况中有效保护给水装置，确保给水装置的安全；

e.给水管线上的气动调节阀与大、小流量给水装置支路上的气动调节阀以及回水支路气动调节阀联调，可以有效调节蒸汽发生器模拟装置的给水流量；

f.在给水管线上设置预热器，可以有效调节给水温度，其具有两种优选方案，分别是电加热预热器和蒸汽加热形式的回热器；

g.本发明对核反应堆二回路系统的模拟成本低，便于实现。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-蒸汽发生器模拟装置，2-流量测量装置一，3-气动调节阀一，4-电动调节阀，5-第一气动开关阀一，6-第一气动调节阀二，7-第一压力测量装置二，8-第一温度测量装置二，9-小功率冷凝器，10-小功率换热管，11-第一气动开关阀二，12-第二气动开关阀一，13-第二气动调节阀二，14-大功率冷凝器，15-大功率换热管，16-第二气动开关阀二，17-稳压装置，18-小流量给水泵，19-第一气动调节阀三，20-第一气动开关阀三，21-第一流量测量装置二，22-第一气动调节阀四，23-大流量给水泵，24-第二气动调节阀三，25-第二气动开关阀三，26-第二流量测量装置二，27-第二气动调节阀四，28-给水预热装置，29-气动调节阀五，30-流量测量装置三，31-温度测量装置一，32-压力测量装置一。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，本发明的设计功能是为了实现核反应堆二回路系统的低成本模拟以及二回路系统功率变化的精确快速调节，其硬件结构包括蒸汽发生器模拟装置1，所述蒸汽发生器模拟装置1连接有两个冷凝装置，两个冷凝装置的功率不同，一般优选冷凝器，分别命名为小功率冷凝器9和大功率冷凝器14，给水装置的数量也为两个，两个给水装置的流量不同，一般优选给水泵，并且根据其流量命名为小流量给水泵18和大流量给水泵23，在冷凝装置和给水装置之间设置有稳压装置17，稳压装置17优选稳压器，稳压器同时与小功率冷凝器9、大功率冷凝器14、小流量给水泵18和大流量给水泵23连通。

蒸汽发生器模拟装置1与蒸汽管线连接，在蒸汽管线上安装有依次连通的压力测量装置一32、温度测量装置一31、流量测量装置一2、气动调节阀一3和电动调节阀4，随后蒸汽管线分为两条支路，一条支路与小功率冷凝器9连接，在这条支路的连接管线上先后安装有依次连通的第一气动开关阀一5、第一气动调节阀二6、第一压力测量装置二7和第一温度测量装置二8，在小功率冷凝器9内安装有小功率换热管10，在其底部打孔安装冷水管线，在冷水管线上先后安装温度测量装置和第一气动开关阀二11；另外一条支路与大功率冷凝器14连接，在该支路的在连接管线上先后安装有依次连通的第二气动开关阀一12、第二气动调节阀二13、压力测量装置和温度测量装置，在大功率冷凝器14内安装有大功率换热管15，在其底部打孔安装冷水管线，在冷水管线上先后安装温度测量装置和第二气动开关阀二16，随后两条冷水管线汇合成一条冷水管线，随后安装稳压器17，在稳压器17上安装有压力测量装置。冷水管线随后分为两条支路，其中一条支路先后安装小流量给水泵18、压力测量装置、第一气动调节阀三19和第一气动开关阀三20，与小流量给水泵18并联一条回水支路，在该支路上安装第一流量测量装置二21和第一气动调节阀四22；另外一条支路先后安装大流量给水泵23、压力测量装置、第二气动调节阀三24和第二气动开关阀三25，与大流量给水泵23并联一条回水支路，在该支路上安装第二流量测量装置二26和第二气动调节阀四27。随后两条给水泵管线汇合成一条给水管线，在该管线上先后安装给水预热器28、温度测量组件、气动调节阀五29和流量测量装置三30，最后给水管线与蒸汽发生器模拟装置1的入口连接，形成完整的二回路能量消耗模拟试验装置。

本发明是一种能够实现功率快速调节的二回路能量消耗模拟试验装置，可以实现二回路系统稳态特性和功率瞬态变化调节的特性，为了增强系统的可调节性，按照功率变化范围分了两种实施方案，分别是0～50％额定功率水平实施方案(实施方案1)和0～100％额定功率水平实施方案(实施方案2)，下面将具体介绍两个实施方案。

实施方案1：

在实施方案1中，功率变化范围为0～50％额定功率水平，在该方案中第二气动开关阀一12、第二气动开关阀二16和第二气动开关阀三25关闭，不启用大功率冷凝器14和大流量给水泵23，开启第一气动开关阀一5、第一气动开关阀二11、第一气动开关阀三20，投入小功率冷凝器9和小流量给水泵18。在该方案中，蒸汽发生器模拟装置1中产生的蒸汽通过压力测量装置一32、温度测量装置一31、流量测量装置一2、气动调节阀一3、电动调节阀4、第一气动开关阀一5和第一气动调节阀二6流入小功率冷凝器9中。当模拟二回路功率在0～50％额定功率水平变化时，调节电动调节阀4对蒸汽发生器模拟装置1产生的高温高压蒸汽进行减压调节，辅助气动调节阀一3和第一气动调节阀二6联合调节，实现蒸汽流量的快速调节，进而实现功率快速变化的模拟，在这个过程中可以通过流量测量装置一2以及压力测量装置一32进行监测测量，进而调整电动调节阀4、气动调节阀一3和第一气动调节阀二6的开度。由于三台调节阀为线性度非常好的调节阀，因此每次开展瞬态试验之前，可以预先在瞬态功率变化范围内选取最高功率、最小功率以及中间功率对调节阀阀门开度进行标定。在正式开展瞬态试验时，可以通过自动控制程序对电动调节阀4、气动调节阀一3和第一气动调节阀二6进行自动控制调节，实现功率的快速调节。通过减压后的蒸汽流入小功率冷凝器9内进行冷凝，通过小功率换热管10把蒸汽中的能量带走，将蒸汽冷凝为过冷水。然后小流量给水泵18通过冷水管线从小功率冷凝器9中抽取过冷水，然后通过给水预热器28加热后沿着给水管线流入蒸汽发生器模拟装置1的入口。小流量给水泵18启动之前，稳压器17需要具有一定的压力，为小流量给水泵18提供背压，防止启动过程中出现汽蚀现象，损坏小流量给水泵18。在开展稳态试验时，将小流量给水泵18通过设定频率调节到一定的总给水流量上，通过联调第一气动调节阀三19、第一气动调节阀四22和气动调节阀五29，调节流入蒸汽发生器模拟装置1的实际给水流量，并通过第一流量测量装置二21和流量测量装置三30测量获得，并固定阀门开度。通过调节预热器功率将来自小流量给水泵18的冷水加热到设计给水温度，该预热器可以为电加热预热器也可以为蒸汽加热的回热器。在开展瞬态试验时，可以通过自动控制程序联调第一气动调节阀三19、第一气动调节阀四22和气动调节阀五29，为蒸汽发生器模拟装置1提供与功率匹配的给水，保证蒸汽发生器模拟装置1的水位。并且在该过程中，可以通过自动连续调节预热器功率实现给水温度的精确控制。小流量给水泵18的回水支路除了具有调节给水流量的功能外，还具有保护小流量给水泵18安全的作用。

实施方案2：

在实施方案2中，功率变化范围为0～100％额定功率水平，在该方案中第一气动开关阀一5、第一气动开关阀二11和第一气动开关阀三20关闭，不启用小功率冷凝器9和小流量给水泵18，开启第二气动开关阀一12、第二气动开关阀二16、第二气动开关阀三25，投入大功率冷凝器14和大流量给水泵23。在该方案中，蒸汽发生器模拟装置1中产生的蒸汽通过气动调节阀一3、电动调节阀4、第二气动开关阀一12和第二气动调节阀二13流入大功率冷凝器14中。当模拟二回路功率在0～100％额定功率水平变化时，调节电动调节阀4对蒸汽发生器模拟装置1产生的高温高压蒸汽进行减压调节，辅助气动调节阀一3和第二气动调节阀二13联合调节，实现蒸汽流量的快速调节，进而实现功率快速变化的模拟，在这个过程中可以通过流量测量装置一2以及压力测量装置一进行监测测量，进而调整电动调节阀4、气动调节阀一3和第二气动调节阀二13的开度。由于三台调节阀为线性度非常好的调节阀，因此每次开展瞬态试验之前，可以预先在瞬态功率变化范围内选取最高功率、最小功率以及中间功率对调节阀阀门开度进行标定。在正式开展瞬态试验时，可以通过自动控制程序对电动调节阀4、气动调节阀一3和第二气动调节阀二13进行自动控制调节，实现功率的快速调节。通过减压后的蒸汽流入大功率冷凝器14内进行冷凝，通过大功率换热管15把蒸汽中的能量带走，将蒸汽冷凝为过冷水。然后大流量给水泵23通过冷水管线从大功率冷凝器14中抽取过冷水，然后通过给水预热器28加热后沿着给水管线流入蒸汽发生器模拟装置1的入口。大流量给水泵23启动之前，稳压器17需要具有一定的压力，为大流量给水泵23提供背压，防止启动过程中出现汽蚀现象，损坏大流量给水泵23。在开展稳态试验时，将大流量给水泵23通过设定频率调节到一定的总给水流量上，通过联调第二气动调节阀三24、第二气动调节阀四27和气动调节阀五29，调节流入蒸汽发生器模拟装置1的实际给水流量，并通过第二流量测量装置二26和流量测量装置三30测量获得，并固定阀门开度。通过调节预热器功率将来自大流量给水泵23的冷水加热到设计给水温度，该预热器可以为电加热预热器也可以为蒸汽加热的回热器。在开展瞬态试验时，可以通过自动控制程序联调第二气动调节阀三24、第二气动调节阀四27和气动调节阀五29，为蒸汽发生器模拟装置1提供与功率匹配的给水，保证蒸汽发生器模拟装置1的水位。并且在该过程中，可以通过自动连续调节预热器功率实现给水温度的精确控制。大流量给水泵23的回水支路除了具有调节给水流量的功能外，还具有保护大流量给水泵23安全的作用。本发明中蒸汽管线上的四个调节阀可以起到功率快速调节的作用，其中减压阀电动调节阀4起主调节作用，气动调节阀一3和第一气动调节阀二6或者第二气动调节阀二13起辅助调节作用。调节阀的开度线性度都非常好，确保可自动控制调节时的精确度。这四个阀门与大、小功率冷凝器一起实现了二回路能量的消耗，避免对汽轮机的模拟，降低了试验装置的成本。此外，本发明根据功率调节范围的不同，提供了两种不同的实施方案，便于整个二回路能量消耗系统的可调节性能。稳压器17的设置避免了大、小流量给水泵发生汽蚀，损坏给水泵。大、小流量给水泵支路不仅能够参与给水流量调节，而且能够较好的保护给水泵，防止给水泵过载烧坏。本发明中使用的流量测量装置一2、第一流量测量装置二21、第二流量测量装置二26和流量测量装置三30的结构相同，根据位置不同选择不同型号而已，其余气动调节阀一3、第一气动调节阀二6、第二气动调节阀二13、第一气动调节阀三19、第一气动调节阀四22、第二气动调节阀三24、第二气动调节阀四27和气动调节阀五29的结构也是相同，根据位置不同选择不同型号而已，第一气动开关阀一5、第一气动开关阀二11、第二气动开关阀12、第二气动开关阀二16、第一气动开关阀三20和第二气动开关阀三25的结构也是相同，根据位置不同选择不同型号而已，本试验装置的蒸汽发生器模拟装置1的给水温度通过预热器进行控制调节，预热器可以是电加热预热器也可以是蒸汽加热的回热器。本发明为核反应堆整体模拟试验系统提供了一套完整的二回路能量消耗模拟试验装置，具有流程简单，实现成本低的优点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。