核级设备恶劣工况下性能评价的试验系统及其试验方法

摘要

本发明公开了核级设备恶劣工况下性能评价的试验系统及其试验方法，包括汽源容器、试验容器，还包括连接在汽源容器和试验容器之间的过热容器，所述过热容器的输入端与汽源容器相连通，所述过热容器的输出端与试验容器相连通，所述过热容器与汽源容器之间、过热容器与试验容器之间均通过快开阀控制通断；所述汽源容器、过热容器内均设置加热元件；所述过热容器和试验容器的连接管路上设置加热装置。本发明解决了现有技术中试验设备难以满足三代核电机组在恶劣环境工况下的设备性能评价试验需求的问题，实现了完全覆盖三代核电标准下恶劣环境工况下设备性能评价试验要求的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及核安全领域，具体涉及核级设备恶劣工况下性能评价的试验系统及其试验方法。

背景技术

针对核电站设计基准事故等恶劣环境条件下的核级设备性能评价试验，是指根据压水堆核电站建造规范，在实验中模拟核电站反应堆安全壳内事故条件恶劣的热工和化学环境，对反应堆安全壳内具有核安全等级要求的设备和材料进行考核试验，验证在恶劣环境中核级设备材料能否正常工作。恶劣环境工况下的设备性能评价试验在核电规范要求的核电设备开发中具有重要地位，特别是在福岛核事故后，各方都充分认识到核设施发生事故后安全级设备保证正常工作能力的重要意义。

恶劣环境工况下的设备性能评价试验的依据主要是规范及标准规定的试验曲线。我国目前商用核电厂主要为从法国M310堆型基础上发展的二代及二代加核电机组，因此试验主要遵循法国RCC-E 2005《压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则》的规定。然而，随着国内三代核电技术的大力发展、三代机组的建设以及设备国产化的进程，三代机组核级设备的试验需求大大增加。RCC-E 2005规定的试验曲线要求的温度提升最高值为156℃、0.56MPa，试验介质为饱和蒸汽，热冲击时间30s，升温速率约3.5℃/s。以三代核电AP1000堆型为例，AP1000的试验曲线温度峰值要求试验开始1秒温度从50℃上升约90℃，达到约140℃；20秒内温度达到215℃，压力0.55MPa。因此，相比于二代机组，三代机组的试验曲线对试验装置提出了更高的技术要求，尤其是试验前期升温过程，试验介质为过热状态，升温速率达到约90℃/s，试验介质不同，温度提升的速率和幅度远高于二代核电的要求。总的说来，三代核电恶劣环境工况下的设备性能评价试验对试验装置的介质、升温能力、温度均匀性等各方面提出了更高的要求。然而各核电站现有的试验设备难以满足三代核电机组在恶劣环境工况下的设备性能评价试验需求。

发明内容

本发明的目的在于提供核级设备恶劣工况下性能评价的试验系统及其试验方法，以解决现有技术中试验设备难以满足三代核电机组在恶劣环境工况下的设备性能评价试验需求的问题，实现完全覆盖三代核电标准下恶劣环境工况下设备性能评价试验要求的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

核级设备恶劣工况下性能评价的试验系统，包括汽源容器、试验容器，还包括连接在汽源容器和试验容器之间的过热容器，所述过热容器的输入端与汽源容器相连通，所述过热容器的输出端与试验容器相连通，所述过热容器与汽源容器之间、过热容器与试验容器之间均通过快开阀控制通断；所述汽源容器、过热容器内均设置加热元件；所述过热容器和试验容器的连接管路上设置加热装置。

针对现有技术中试验设备难以满足三代核电机组在恶劣环境工况下的设备性能评价试验需求的问题，本发明首先提出一种核级设备恶劣工况下性能评价的试验系统，在汽源容器和试验容器之间连接过热容器，使得气体在汽源容器内产生后，流动顺序是先经过过热容器，再进入试验容器。汽源容器内的加热元件将水分蒸发为饱和蒸汽，过热容器内的加热元件对饱和蒸汽进一步加热，形成过热蒸汽，从而使得试验容器内能够很快的达到过热环境。由于三代核电恶劣环境工况设备性能评价试验要求环境温度在1s内由50℃上升至约140℃，蒸汽必须在1s内快速进入试验容器中，因此本系统在过热容器与汽源容器之间、过热容器与试验容器之间均通过快开阀控制通断。快开阀由关闭达到全开状态时间可达到0.5s以内，使蒸汽流量在打开时刻即能达到最大，从而提高试验容器内部的升温效率。过热容器和试验容器的连接管路上还设置加热装置，用于在试验前对过热容器和试验容器之间的管道壁进行加热，避免过热蒸汽在该管道壁上发生冷凝，使过热蒸汽参数降低干扰试验容器内部的升温效率。本系统工作时，首先向汽源容器中加水，封闭汽源容器，启动汽源容器中的加热元件，使汽源容器内的气体达到饱和蒸汽状态。饱和蒸汽的温度也压力曲线几乎成正比，因此随着汽源容器内部压力的升高，饱和蒸汽的温度逐渐上升。待饱和蒸汽的温度上升到预定温度后，打开汽源容器和过热容器之间的快开阀，使饱和蒸汽快速的进入过热容器中，封闭过热容器，启动过热容器中的加热元件；同时启动过热容器和试验容器的连接管路上的加热装置。由于此时过热容器封闭，随着气温升高，从汽源容器内进入的饱和蒸汽逐渐被加热呈过热蒸汽，待过热蒸汽的压力和温度范围满足三代核级设备恶劣工况下性能评价试验需求时，打开过热容器与试验容器之间所有的快开阀，向试验容器中供入过热蒸汽进行试验。快开阀在0.5s内完成完全打开，此时过热蒸汽经过已经预热的管路快速的涌入试验容器中，使得试验容器内的升温速率在打开后的1s内能够达到100℃/s以上，从而满足三代核级设备的试验需求。当过热容器和试验容器压力平衡后，过热容器内的高温过热蒸汽无法继续主动进入试验容器中，只能依靠热传导的方式传递热量，导致效率低下，极易导致试验容器内温度下降。然而本系统能够完美的规避该问题，具体的，在过热容器和试验容器压力平衡后，打开汽源容器与过热容器之间的快开阀，由于汽源容器内使用存在高压的饱和蒸汽，因此通过汽源容器内的压头推动过热容器内的过热蒸汽继续进入试验容器，直至试验结束，从而简单高效的实现对试验容器的二次升温，保证试验容器内部温度能够快速的进行提升，从而完全覆盖三代核电核级设备设计基准事故恶劣环境工况下的设备性能评价要求。

进一步的，所述过热容器的输出端连接N根主输气管路，每根主输气管路上均设置快开阀，主输气管路位于快开阀下游的一端分叉为M根末端输气管路，所有末端输气管路均连通至试验容器内；其中M≥2，N≥2。即是N条主输气管路向外输出过热蒸汽，又通过N乘以M根数量的末端输气管路向试验容器快速地提供大量过热蒸汽，多条末端输气管路可提高试验容器升温速率，同时可以改善试验容器内温度的均匀性。

进一步的，所述汽源容器、试验容器内均设置压力监测单元、温度监测单元、液位监测单元；所述过热容器内设置压力监测单元、温度监测单元。通过压力监测单元、温度监测单元、液位监测单元监测汽源容器和试验容器内的压力、温度、液位情况，便于工作人员灵活的调控各项参数。同样的，通过压力监测单元、温度监测单元监测过热容器内的压力和温度，便于工作人员在过热蒸汽的压力和温度达到试验需求后再向试验容器中通入，确保本系统的使用稳定性和可靠性。

优选的，所述试验容器内的温度监测单元为快速响应热电偶。快速响应热电偶每秒钟采集频率能够达到10次以上，极大的提高对试验容器内温度变化的响应敏感性。

优选的，所述过热容器和试验容器的连接管路上设置温度监测单元。便于在提前预热过热容器和试验容器之间连接管路时，对管壁温度进行实时的监测，确保管壁温度不低于过热蒸汽的温度，彻底杜绝过热蒸汽在管壁冷凝的现象出现，进一步提高本发明的使用稳定性。

优选的，所述过热容器与汽源容器之间的连接管路上还设置有用于调整流量大小的电控阀。通过电控阀调控从汽源容器中进入过热容器中的饱和蒸汽的流量大小。便于在二次升温时稳定的对过热容器施加压力推动过热蒸汽逐渐进入试验容器内补充热量。

进一步的，还包括辅助管路，所述辅助管路的一端连通至过热容器与汽源容器之间的快开阀的上游端、辅助管路的另一端连通至试验容器内；所述辅助管路上设置有用于调整流量大小的电控阀。对于传统的二代核设备而言，无需使用过热容器将饱和蒸汽转换为过热蒸汽，因此本方案设置辅助管路，通过辅助管路，能够使得从汽源容器出来的饱和蒸汽直接通过辅助管路进入试验容器中实现二代核设备的恶劣工况下性能评价试验，使得本系统在适用于三代核电核级设备设计基准事故恶劣环境工况下的设备性能评价试验的同时，还可兼顾覆盖二代核电设备的试验，对于处在转型过渡期的商用核电产业具有极高的适应性。

优选的，所述快开阀为球阀。球阀开启后阻力较小，全开时局部阻力系数接近为0，因此能极大的减少压力损耗，确保工作稳定性。

核级设备恶劣工况下性能评价试验方法，包括以下步骤：

(a)向汽源容器中加水，封闭汽源容器，启动汽源容器中的加热元件，使汽源容器内的气体达到饱和蒸汽状态；

(b)打开汽源容器和过热容器之间的快开阀，使饱和蒸汽进入过热容器中，封闭过热容器，启动过热容器中的加热元件；同时启动过热容器和试验容器的连接管路上的加热装置；

(c)待过热容器内的饱和蒸汽被加热成温度350℃～400℃、压力2MPa～3MPa的过热蒸汽时，打开过热容器与试验容器之间所有的快开阀，向试验容器中供入过热蒸汽进行试验；

(d)待过热容器和试验容器压力平衡后，打开汽源容器与过热容器之间的快开阀，通过汽源容器内的压力推动过热容器内的过热蒸汽继续进入试验容器，直至试验结束。

本方法能够使得试验容器内部温度具有极高的均匀性和可靠性，试验容器内部1秒内环境温度升温速率达到100℃/s以上，20秒内温度达到220℃以上，充分满足三代核电核级设备设计基准事故恶劣环境工况下的设备性能评价要求。

优选的，步骤(a)中控制汽源容器内的饱和蒸汽温度在180℃～220℃之间。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明核级设备恶劣工况下性能评价的试验系统及其试验方法，解决了现有技术中试验设备难以满足三代核电机组在恶劣环境工况下的设备性能评价试验需求的问题，实现了完全覆盖三代核电标准下恶劣环境工况下设备性能评价试验要求的目的。

2、本发明核级设备恶劣工况下性能评价的试验系统及其试验方法，在适用于三代核电核级设备设计基准事故恶劣环境工况下的设备性能评价试验的同时，还可兼顾覆盖二代核电设备的试验，对于处在转型过渡期的商用核电产业具有极高的适应性。

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为本发明具体实施例1的连接关系示意图；

图2为本发明具体实施例2的连接关系示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-汽源容器，2-试验容器，3-过热容器，4-快开阀，5-加热元件，6-主输气管路，7-末端输气管路，8-压力监测单元，9-温度监测单元，10-液位监测单元，11-电控阀，12-辅助管路。

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1：

如图1所示的核级设备恶劣工况下性能评价的试验系统，包括汽源容器1、试验容器2，还包括连接在汽源容器1和试验容器2之间的过热容器3，所述过热容器3的输入端与汽源容器1相连通，所述过热容器3的输出端与试验容器2相连通，所述过热容器3与汽源容器1之间、过热容器3与试验容器2之间均通过快开阀4控制通断；所述汽源容器1、过热容器3内均设置加热元件5；所述过热容器3和试验容器2的连接管路上设置加热装置。本系统工作时，首先向汽源容器1中加水，封闭汽源容器1，启动汽源容器1中的加热元件5，使汽源容器1内的气体达到饱和蒸汽状态。待饱和蒸汽的温度上升到180℃～220℃后，打开汽源容器1和过热容器3之间的快开阀4，使饱和蒸汽快速的进入过热容器3中，封闭过热容器3，启动过热容器3中的加热元件5；同时启动过热容器3和试验容器2的连接管路上的加热装置。饱和蒸汽逐渐被加热呈过热蒸汽，待过热蒸汽的压力和温度范围处于温度350℃～400℃、压力2MPa～3MPa时，打开过热容器3与试验容器2之间所有的快开阀4，向试验容器2中供入过热蒸汽进行试验。快开阀4在0.5s内完成完全打开，此时过热蒸汽经过已经预热的管路快速的涌入试验容器2中，使得试验容器2内的升温速率在打开后的1s内能够达到100℃/s以上。在过热容器3和试验容器2压力平衡后，打开汽源容器1与过热容器3之间的快开阀4，由于汽源容器1内使用存在高压的饱和蒸汽，因此通过汽源容器1内的压头推动过热容器3内的过热蒸汽继续进入试验容器2，直至试验结束，从而简单高效的实现对试验容器2的二次升温，保证试验容器2内部温度能够快速的进行提升，20秒内温度能够达到220℃以上，从而完全覆盖三代核电核级设备设计基准事故恶劣环境工况下的设备性能评价要求。

实施例2：

如图2所示的核级设备恶劣工况下性能评价的试验系统，在实施例1的基础上，所述过热容器3的输出端连接N根主输气管路6，每根主输气管路6上均设置快开阀4，主输气管路6位于快开阀4下游的一端分叉为M根末端输气管路7，所有末端输气管路7均连通至试验容器2内；其中M≥2，N≥2。所述汽源容器1、试验容器2内均设置压力监测单元8、温度监测单元9、液位监测单元10；所述过热容器3内设置压力监测单元8、温度监测单元9。所述试验容器2内的温度监测单元9为快速响应热电偶。所述过热容器3和试验容器2的连接管路上设置温度监测单元9。所述过热容器3与汽源容器1之间的连接管路上还设置有用于调整流量大小的电控阀11。还包括辅助管路12，所述辅助管路12的一端连通至过热容器3与汽源容器1之间的快开阀4的上游端、辅助管路12的另一端连通至试验容器2内；所述辅助管路12上设置有用于调整流量大小的电控阀11。所述快开阀4为球阀。

实施例3：

一种核级设备恶劣工况下性能评价试验方法，包括以下步骤：(a)向汽源容器中加水，封闭汽源容器，启动汽源容器中的加热元件，使汽源容器内的气体达到饱和蒸汽状态；(b)打开汽源容器和过热容器之间的快开阀，使饱和蒸汽进入过热容器中，封闭过热容器，启动过热容器中的加热元件；同时启动过热容器和试验容器的连接管路上的加热装置；(c)待过热容器内的饱和蒸汽被加热成温度350℃～400℃、压力2MPa～3MPa的过热蒸汽时，打开过热容器与试验容器之间所有的快开阀，向试验容器中供入过热蒸汽进行试验；(d)待过热容器和试验容器压力平衡后，打开汽源容器与过热容器之间的快开阀，通过汽源容器内的压力推动过热容器内的过热蒸汽继续进入试验容器，直至试验结束。本方法能够使得试验容器内部温度具有极高的均匀性和可靠性，试验容器内部1秒内环境温度升温速率达到100℃/s以上，20秒内温度达到220℃以上，充分满足三代核电核级设备设计基准事故恶劣环境工况下的设备性能评价要求。

优选的，步骤(a)中控制汽源容器内的饱和蒸汽温度在180℃～220℃之间。

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。