安全壳喷淋试验装置及方法与流程

本发明涉及核电厂系统技术领域，尤其涉及一种用于评估安全壳喷淋系统性能的安全壳喷淋试验装置及方法。

背景技术：

在发生高能管道破裂(如失水事故、蒸汽管道断裂事故)后，高温高压的流体喷放到安全壳内，导致安全壳内压力迅速升高，需要采取一定降压手段，防止压力超过安全壳的设计压力。因此，在一些核电厂技术中，设置了安全壳内喷淋系统，通过向安全壳内喷淋低温水冷凝蒸汽，从而实现事故后控制安全壳内压力的目的。

为确保喷淋系统实现对安全壳降温降压的目的，在设计喷淋系统时，需要评估喷淋系统的性能，因此需要设计一套试验装置以对喷淋系统的性能进行试验。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于评估安全壳喷淋系统性能的安全壳喷淋试验装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种安全壳喷淋试验装置，包括安全壳模拟体、将冷却水喷淋至所述安全壳模拟体内的喷淋系统、为所述喷淋系统提供冷却水的储水箱、模拟安全壳的内部状态为所述安全壳模拟体提供气源的气体供应系统；

所述喷淋系统连接在所述安全壳模拟体和储水箱之间，所述气体供应系统连接所述安全壳模拟体；所述安全壳模拟体上设有用于分别测量其内部温度和压力的温度测量点和压力测量点。

优选地，所述喷淋系统包括喷淋管道、喷淋泵以及喷淋管嘴；所述喷淋管道一端连接在所述储水箱上，另一端连接在所述安全壳模拟体上并伸入所述安全壳模拟体内部上端；所述喷淋泵设置在所述喷淋管道上；所述喷淋管嘴设置在所述喷淋管道位于所述安全壳模拟体内部的一端上。

优选地，所述喷淋系统还包括设置在所述喷淋管道上的调节阀、隔离阀和/或流量计；和/或，

所述喷淋系统还包括连接在所述喷淋管道和储水箱之间的旁路管道；所述旁路管道上设有旁路调节阀。

优选地，所述气体供应系统包括接入空气的空气管道以及接入蒸汽的蒸汽管道。

优选地，所述安全壳模拟体包括所述安全壳模拟壳体、设置在所述安全壳模拟壳体上的可视化窗口、排气阀、卸压阀和排污阀；所述可视化窗口、排气阀和卸压阀位于所述安全壳模拟壳体的上端；所述排污阀位于所述安全壳模拟壳体的下端。

优选地，该安全壳喷淋试验装置还包括设置在所述可视化窗口处的高速摄像装置，用于实时拍摄喷淋时喷淋液滴的尺寸、喷淋锥角，通过对所拍摄图片的处理，得到喷淋液滴的平均尺寸和平均喷淋锥角。

优选地，该安全壳喷淋试验装置还包括测量系统；

所述测量系统包括设置在所述安全壳模拟体的温度测量点上的温度测量装置、设置在所述安全壳模拟体的压力测量点上的压力测量装置。

优选地，所述温度测量点包括水体温度测量点和多个气体温度测量点，所述水体温度测量点位于所述安全壳模拟体的下端，多个所述气体温度测量点位于所述水体温度测量点上方并沿所述安全壳模拟体的高度间隔分布；

所述温度测量装置包括设置在所述水体温度测量点上的水体温度测量装置、设置在所述气体温度测量点上的气体温度测量装置。

优选地，所述测量系统还包括设置在所述安全壳模拟体下端上的液位计或压差测量装置。

优选地，该安全壳喷淋试验装置还包括将所述安全壳模拟体内的水送回所述储水箱的循环系统；所述循环系统包括连接在所述安全壳模拟体底部和储水箱之间的循环管道、设置在所述循环管道上的冷却器和循环泵；和/或，

该安全壳喷淋试验装置还包括连接所述安全壳模拟体的真空泵。

本发明还提供一种安全壳喷淋试验方法，包括以下步骤：

S1、根据安全壳的内部状态，通过气体供应系统对安全壳模拟体内进行充气；

S2、通过喷淋系统将储水箱的冷却水喷淋至所述安全壳模拟体内，对所述安全壳模拟体内进行降温降压；

S3、通过所述安全壳模拟体上的温度测量点和压力测量点测量所述安全壳模拟体内部的温度和压力。

本发明的安全壳喷淋试验装置及方法，可模拟不同堆型的安全壳，通过喷淋系统进行喷淋试验，评估喷淋系统的降温降压性能，以获得适合对应安全壳的喷淋系统。本发明可以灵活利用模化分析方法，采用不同的模化系数，可以在同一个试验回路上模拟不同堆型，不需要对安全壳模拟体进行较大的改造，具有良好的堆型适应性和经济性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的安全壳喷淋试验装置的结构示意图；

图2是本发明中不同喷淋管嘴的喷淋效果图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明一实施例的安全壳喷淋试验装置，包括安全壳模拟体1、将冷却水喷淋至安全壳模拟体1内的喷淋系统2、为喷淋系统2提供冷却水的储水箱3、模拟安全壳的内部状态为安全壳模拟体1提供气源的气体供应系统4。

其中，气体供应系统4连接安全壳模拟体1，并且外接空气源和/或蒸汽源，以将空气和/或蒸汽输送至安全壳模拟体1内，使其内部的温度、压力、湿度等与安全壳内部的一致。安全壳模拟体1上设有温度测量点和压力测量点，分别用于测量安全壳模拟体1内部的温度和压力，可用于调整获得与安全壳的内部状态一致，且方便实时获取安全壳模拟体1内部的温度和压力变化情况。喷淋系统2连接在安全壳模拟体1和储水箱3之间，以将储水箱3的冷却水喷淋至安全壳模拟体1内，为其降温降压。

安全壳模拟体1可以根据不同的堆型，根据模化分析的结果模拟不同的安全壳，具有很强的灵活性和可操作性。本实施例中，安全壳模拟体1包括安全壳模拟壳体10、设置在安全壳模拟壳体10上的可视化窗口11、排气阀12、卸压阀13和排污阀14。其中，可视化窗口11、排气阀12和卸压阀13位于安全壳模拟壳体10的上端；排污阀14位于安全壳模拟壳体10的下端。

安全壳模拟壳体10用于模拟实际的安全壳壳体；根据试验需要，控制安全壳模拟体1与实际安全壳的容积比。在喷淋试验过程中，通过测量安全壳模拟壳体10内的温度、压力等参数，评估喷淋系统2的降温降压效果。同时，通过模化分析，保持安全壳模拟体1能反映实际安全壳的散热效率。根据需要，可在安全壳模拟体1外部包裹保温材料进行保温。

可视化窗口11主要用于观测安全壳模拟体1内喷淋系统2的喷淋情况。可视化窗口11包括耐温耐压的平板玻璃，安装在安全壳模拟壳体10上的预开孔中，并通过法兰、垫片保证其与预开孔之间的密封性。在不需要观察安全壳模拟体1内部情况时，可将平板玻璃拆卸，并通过盲端法兰将预开孔密封。

排气阀12主要用于试验后排放安全壳模拟壳体10内的蒸汽和空气。卸压阀13主要用于保证试验过程中安全壳模拟壳体10的压力不超过设计压力，保证试验过程中的安全。排污阀14用于试验后排放安全壳模拟壳体10内底部聚集的喷淋水。

具体地，喷淋系统2包括喷淋管道21、喷淋泵22以及喷淋管嘴23。喷淋管道21一端连接在储水箱3上，另一端连接在安全壳模拟体1上并伸入安全壳模拟体1内部上端。喷淋泵22设置在喷淋管道21上，作为动力来源，将储水箱3内的冷却水抽至喷淋管道21。喷淋管嘴23设置在喷淋管道21位于安全壳模拟体1内部的一端上，喷淋管道21内的冷却水通过喷淋管嘴23喷淋到安全壳模拟体1内，对安全壳模拟体1内的蒸汽进行冷凝。喷淋管嘴23有一个或多个；试验时喷淋管嘴23开启的数量根据需要进行选择。每个喷淋管嘴23上游安装一个阀门231，在试验过程中可根据需要开启或关闭某一部分阀门231。

多个喷淋管嘴23之间的间隔可根据喷淋效果进行设置。不同的喷淋管嘴23，在相同的流量下，其喷淋液滴的尺寸、喷淋锥角也不同。喷淋液滴的尺寸越大，液滴与蒸汽之间的热交换面积越小，喷淋的效率越低；喷淋锥角越小，单个喷淋管嘴23的覆盖面积越小，需要在安全壳模拟体1内布置越多喷淋管嘴23，不利于安装，且降低了核电厂的经济性。当安装有多个喷淋管嘴23时，喷淋管嘴23之间的距离较小时，喷淋的覆盖面积有重叠，喷淋液滴可能会凝聚成较大的液滴，降低了喷淋效率。因此，在设置多个喷淋管嘴23时，喷淋管嘴23之间的间距以使其喷淋覆盖面积不重叠或重叠范围尽量小为准。

喷淋系统2还包括设置在喷淋管道21上的调节阀24和/或隔离阀25，以用于调节冷却水流量和/或通断。调节阀24优选位于喷淋泵22的入口端；隔离阀25优选位于喷淋泵22的出口端。

此外，喷淋系统2还可包括流量计(未图示)，用于测量喷淋流量。对于流量计，喷淋管道21上设有流量测点211供流量计安装监测。

进一步地，本实施例中，喷淋系统2还包括连接在喷淋管道21和储水箱3之间的旁路管道26。旁路管道26上设有旁路调节阀27，控制该旁路管道26的通断。

喷淋系统2中，通过调节喷淋泵22入口端的调节阀24、旁路调节阀27的开度，配合喷淋管道21上的流量计实时测量喷淋流量，并可结合安全壳模拟体1上的温度测量点和压力测量点测得的温度和压力数据，评估在不同流量下喷淋系统2的性能。

喷淋系统2中，对于不同的喷淋管嘴23，喷淋锥角、从喷淋管嘴23出来后喷淋液滴的尺寸都将影响喷淋的性能。因此，进一步地，安全壳喷淋试验装置还包括设置在可视化窗口11处的高速摄像装置5，用于实时拍摄喷淋时安全壳模拟壳体10内喷淋液滴的尺寸、喷淋锥角，通过对所拍摄图片的处理，得到喷淋液滴的平均尺寸和平均喷淋锥角；通过对拍摄获取的信息分析，结合安全壳模拟体1上的温度测量点和压力测量点测得的温度和压力数据，可以有效地评估喷淋管嘴23对喷淋性能的影响，选择最优的喷淋管嘴23。

气体供应系统4主要用于提供安全壳模拟体1内的初始状态，包括初始压力、初始温度、初始湿度等。气体供应系统4包括接入空气的空气管道41以及接入蒸汽的蒸汽管道42；空气源能根据试验需要，提供不同温度的热空气；蒸汽源可以提供不同温度下的饱和蒸汽。

空气管道41和蒸汽管道42的一端分别用于连接空气源和蒸汽源，另一端可合并成整体的输送管道，输送管道上设置气源隔离阀43控制其通断。

进一步地，该安全壳喷淋试验装置还包括测量系统，通过测量系统测量的数据可分析评估喷淋系统2的喷淋性能及效果。测量系统包括设置在安全壳模拟体1的温度测量点上的温度测量装置、设置在安全壳模拟体1的压力测量点上的压力测量装置61；通过压力测量点上的压力测量装置61测量安全壳模拟体1内的压力。

其中，温度测量点包括水体温度测量点和多个气体温度测量点，水体温度测量点位于安全壳模拟体1的下端，多个气体温度测量点位于水体温度测量点上方并沿安全壳模拟体1的高度间隔分布。对应地，温度测量装置包括设置在水体温度测量点上的水体温度测量装置62、设置在气体温度测量点上的气体温度测量装置63。多个气体温度测量装置63分别位于多个气体温度测量点上并沿安全壳模拟体1的高度间隔分布。

测量系统还包括设置在安全壳模拟体1下端上的液位计或压差测量装置64，以测量安全壳模拟体1底部的液位。

此外，测量系统还包括设置在储水箱3中的第一温度测量装置65，用于测量储水箱3内的温度。测量系统还包括设置在喷淋管道21上的第二温度测量装置66，用于测量喷淋水温。

进一步地，该安全壳喷淋试验装置还包括连接安全壳模拟体1的真空泵6，用于试验前对安全壳模拟体1进行抽真空，使安全壳模拟体1内的真空度能满足试验要求。

该安全壳喷淋试验装置还包括将安全壳模拟体1内的水送回储水箱3的循环系统7，使得该试验装置具有回路，实现冷却水的循环使用。

循环系统7包括连接在安全壳模拟体1底部和储水箱3之间的循环管道71、设置在循环管道71上的冷却器72和循环泵73。通过循环泵73工作提供动力，安全壳模拟体1内的水通过循环管道71流回储水箱3内。循环管道71内的水在进入储水箱3之前先经过冷却器72的冷却，温度降低后再回到储水箱3内，以便再次利用。

优选地，循环管道71靠近安全壳模拟体1的一端上设有再循环隔离阀74，可控制该循环管道71的通断。再循环隔离阀74位于循环泵73的入口端；安全壳模拟体1的排污阀14可整合在循环管道71上，以和再循环隔离阀74形成分路。

结合图1的安全壳喷淋试验装置，本发明的安全壳喷淋试验方法，可采用上述试验装置实现，该试验方法包括以下步骤：

S1、根据安全壳的内部状态，通过气体供应系统4对安全壳模拟体1内进行充气。

气体供应系统4提供安全壳模拟体1内的初始状态，包括初始压力、初始温度、初始湿度等。气体供应系统4连接空气源和/或蒸汽源，充气包括充入空气和/或蒸汽，空气源能根据试验需要，提供不同温度的热空气；蒸汽源可以提供不同温度下的饱和蒸汽。

S2、通过喷淋系统2将储水箱3的冷却水喷淋至安全壳模拟体1内，对安全壳模拟体1内进行降温降压。

S3、通过安全壳模拟体1上的温度测量点和压力测量点测量安全壳模拟体1内部的温度和压力。结合温度和压力的数据及变化情况可分析评估喷淋系统2的喷淋性能及效果。

步骤S2还包括：通过高速摄像装置5实时拍摄喷淋时安全壳模拟体1内喷淋液滴的尺寸、喷淋锥角，通过对所拍摄图片的处理，得到喷淋液滴的平均尺寸和平均喷淋锥角；通过对拍摄获取的信息分析，结合安全壳模拟体1上的温度测量点和压力测量点测得的温度和压力数据，有效地评估喷淋管嘴23对喷淋性能的影响，选择最优的喷淋管嘴23。

以下以具体实施例对本发明进行说明。

实施例1

试验前，检查安全壳模拟体1的完整性，关闭排气阀12、再循环隔离阀74，检查卸压阀13；根据试验需要，打开需要进行评估的单个或多个喷淋管嘴23上游的阀门231，关闭其他喷淋管嘴23上游的阀门231；检查储水箱3内的水装量和水温；关闭气源隔离阀43、隔离阀25，开启真空泵6，将安全壳模拟体1内的气体抽走。

当安全壳模拟体1内的真空度能满足要求时，关闭真空泵6；开启气源隔离阀43，根据初始工况，计算所需的空气和蒸汽比例，依次通过空气和蒸汽对安全壳模拟体1进行充气，保证安全壳模拟体1内的压力、温度和湿度达到初始工况；关闭气源隔离阀43。

试验时，开启喷淋系统2的调节阀24和旁路调节阀27，开启喷淋泵22，调节旁路调节阀27的开度。

在试验过程中，通过测量系统测量安全壳模拟体1内的压力、温度分布、喷淋流量，通过可视化窗口11观察喷淋情况，通过高速摄像装置5进行拍摄。

根据试验需要，可以开启气源隔离阀43，调节蒸汽的流量和温度，对安全壳模拟体1内持续通入一定的蒸汽，以模拟管道破裂时的真实情况。

在试验过程中，实时关注储水箱3内的水位，避免储水箱3内的水位过低，防止喷淋泵22发生汽蚀。

试验结束后，开启排气阀12，使安全壳模拟体1的压力与环境压力相同；开启循环系统7的冷却器72，关闭排污阀14，开启再循环隔离阀74和循环泵73，将安全壳模拟体1底部聚集的喷淋水送回储水箱3内。当安全壳模拟体1底部的水排空后，关闭循环泵73、冷却器72及再循环隔离阀74。

若安全壳模拟体1底部的喷淋水质无法满足后续继续使用时，通过排污阀14直接排放。

在一个实际试验中，核电站设计时要求安全壳喷淋时喷淋液滴的尺寸为4-6mm，以上述的试验装置及方法分别采用X型喷淋管嘴和Y型喷淋管嘴进行试验，获得结果如图2所示。从图2中可以看出，Y型喷淋管嘴的喷淋液滴尺寸较大，基本能满足设计要求。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。