用排气装置相位相互作用来减轻池压 本发明一般涉及核反应堆可控降压的装置和方法，具体涉及改进的排气系统，以便降低作用于浸没在弛压池中结构上的负载。
在核反应堆万一发生过压时，释放阀可以将蒸气或反应堆冷却剂排到一个弛压池即一个装满液体冷却剂的桶中，以耗散排出蒸气的能量。释放阀的突然打开以及随后将高压蒸气排到弛压池中将造成作用在弛压池壁和结构上的动态负载。这种动态负载如果足够大而且在设计核电站时如果没有足够重视，则可能损坏浸没在弛压池中的结构。
在弛压池中产生动态负载被认为是至少由两种不同的机制造成的。在普通的压力释放系统中，释放阀将高压蒸气排放到泄放管中，该泄放管连接于一组排气管。这些排气管一般由垂直管构成，其端部浸没在弛压池中。当压力释放阀将高压蒸气排到泄放管时，该蒸气必须使排气管中的非冷凝气体和液体冷却剂排出，在该排气管排空期间，高压蒸气将压缩非冷凝气体，因为液体冷却剂具有相当大的惯性和相当高流动阻力。当压缩的非冷凝气体从排气管喷口喷出时，它将迅速膨胀，随后由于过度膨胀而收缩。在排气管排空期间，这种非冷凝气体的膨胀和收缩将不断重复，造成振动压力作用在弛压池中淹没结构上。
在液体冷却剂离开排气管之后一定时间，排气管便将高压蒸气注入弛压池，从而在排气管喷口附近形成蒸气相注入区域(实际上，在冷凝气体的排出和蒸气的排出之间似乎没有很明晰的过渡)。因为在蒸气质量通量和冷凝速率之间存在随时而变的不平衡，所以高压注入过程将造成压力振动。和管道排空过程一样，蒸气注入期间的振动压力波将在淹没于弛压池中的结构上造成动态压力负载。
在很多常规释压系统中，排气管同时在不同位置将蒸气排到液体冷却剂中，这样便将压力分散作用在淹没在弛压中的结构上。但是作用在淹没结构上的负载仍然很大，因不同排气管的压力扰动可能相加。例如，如果两个相邻排气管地压力扰动具有相同的频率和相位关系，则两个压力扰动的振幅将相加，造成大于各别压力扰动的联合压力扰动。因此要求一种压力释放系统，这种系统考虑到各别排气管压力扰动的相互作用，以使作用在淹没于弛压池中的结构上的动态负载尽量减小。
按照本发明的一个方面，提供了一种减小压力扰动的方法，该压力扰动是通过一系列排气管将气体排入弛压池造成的。该方法包括以下步骤：测定各个排气管造成的压力扰动的基本频率；调节任两个接连的排气管开始排气之间的时间延迟，以便按以下具体关系式优化该延迟时间：|τf-(1+2m2)|≤16,]]>式中τ代表延迟时间，f代表后一排气管的压力振动的基本频率。
按照本发明的另一方面，提供了减小压力扰动的第二种方法，该压力扰动是通过一系列N个没入弛压池的排气管进行排气造成的。该方法包括以下步骤：测定各个排气管引起的压力扰动的基本频率；调节两个接连排气管压力扰动的相位角，使得该相位角按下列具体关系式优化：||φi-φi-1|-(1+2m)π|≤π3,]]>式中φi和φi-1是两个接连排气管的压力扰动的相位角，i是大于1但小于或等N的整数，表示排气管的顺序位置，m是正整数，大于或等零。对每对接连的排气管调节其相位角，使其满足上述相位角关系。
按照本发明的再一方面，提供一种减小压力扰动的装置，该压力扰动是将核反应堆中的蒸气排入弛压池造成的。该装置包括浸没在弛压池中一系列N个排气管和顺序连接各个排气管的集管装置。该排气管被配置成当蒸气从核反应堆排入集管装置时，由任何两个接连的排气管引起的压力扰动可按以下具体关系式被优化：||φi-φi-1|-(1+2m)π|π3,]]>式中φi和φi-1是两个接连排气管的压力扰动的相位角，i是整数，但大于1，小于或等于N，表示排气管的顺序位置，而m是正整数，大于或等于零。
图1A～1G是总的扰动压力对时间的曲线图，示出相位角对两个顺序连接的排气管引起的谐波扰动的影响；
图2A～2D是总的扰动压力对时间的曲线图，示出两个顺序连接的排气管的扰动频率对谐波扰动的影响；
图3A～3F是不同数目的顺序连接的排气管的总的扰动压力对时间的曲线图；
图4是示意图，示出核电站中释压系统的一系列排气管。
本发明研究了在将高压蒸气排入弛压池期间各个排气管引起的振动压力扰动的相互作用。各别排气管顺序连接，使得从接连排气管开始喷出非冷凝气体的时间之间存在时间迟延。并且调节这种时间迟延，使得接连排气管的压力扰动彼此不同相，从而部分地或完全地彼此抵消。这种振动压力扰动的抵消可将作用在弛压池壁上和淹没于弛压池中结构上的动态负载减小到最小。
下面考察顺序连接的两个或多个排气管造成的压力扰动的相互作用，各个排气管使非冷凝的气体或蒸气排入弛压池中，由此可看出振动压力扰动的抵消或减小。一般地讲，周期性的扰动可以用正弦和余弦的傅里叶级数展开式表示。然而为简单起见，我们只考虑在任何时间t具有以下关系的周期扰动：
pi=Aisin(2πfit+φi)， Ⅰ式中，下标i是非零正整数，表示排气管，pi、Ai、fi和φi分别表示第i个喷气管t>φi2πfi]]>时的压力、振幅、频率(Hz)和相位角。
首先研究接连的具有相同振幅和频率但相位角不同的两个排气管。我们可以在方程Ⅰ中分别设定振幅和频率等于1kPa(0.145英磅/英寸2)和1Hz，这并不丧失一般性。由于两个排气管的压力扰动而产生的总的压力p由下式表示：
p=p1+p2=sin(2πt)+sin(2πt+φ2)
将第二排气管压力扰动的七个不同的相位角值即0,,π,,,2π代入方程Ⅱ可得到分别示于图1A～1G的总的扰动压力对时间的曲线。
从图1D可以看出，当第二排气管的压力扰动相位差为π弧度角即从下游排气管排出气体或蒸气有半周期的时间迟延时，在半周期的时间迟延之后，第二排气管的压力扰动完全抵消了第一排气管的压力扰动。然而如图1A所示，当第二排气管和第一排气管同时排出时，或如图1G所示，当第二排气管的相位角与第一排气管相位角相差2π弧度角时，下游排气管的压力扰动便加在第一排气管的压力扰动上，造成总的扰动振幅为2kPa。同样，从图1B和1F可以看出，当下游排气管的扰动相位角与第一排气管的相位差为π/3和5π/3时第二排气管的压力扰动局部地增强了第一排气管的扰动。
如图1C和1E分别示出的，当第二排气管的扰动相位角与第一排气管的扰动的相位差为2π/3或4π/3时，总的压力扰动的振幅与各排气管的扰动振幅相同。即，当：2π3<φ2<4π3,---III]]>或更一般地，当||φ2-φ1|-(1+2m)π|≤π3---IV]]>时，第一和第二排气管的压力扰动的相互作用导致小于各个排气管单独压力扰动的总的压力扰动。在方程Ⅳ中，m是大于或等于零的任何整数。
然而应注意到，即使|φ2-φ1|=π(1+2m)，也不会发生完全抵消，即使f1和f2不相同，这至少对于由方程Ⅰ表示的纯粹的谐波扰动是这样。总的压力扰动代之以表现为频拍，这可以从图2A～2D看出来，这些图示出了相位差为π弧度角，扰动频率f1为1.00Hz而f2分别为0.95Hz、1.05Hz、1.10Hz和1.50Hz时两个压力扰动的总的扰动压力对时间的曲线。当两个频率相差不大时，如图2A和2B所示，形成较低的频拍，而在差别较大时，如图2C和2D所示，形成较高的频拍。
图1A～1G所示的结果可以推广到两个以上的顺序连接的排气管。例如，图3A～3F示出分别顺序连接1、2……6个排气管时总的扰动压力对时间的曲线。起源于各个排气管的扰动具有相同的频率(1Hz)和压力振幅(1kPa)。将图3B、3D、3F与图3C、3E相比较可以看出，对于N个顺序连接的排气管，在经过由正式确定的时间迟延τ之后，当排气管的数目为偶数时，压力扰动完全变为零：τ=(N-1)2fi,---V]]>而当排气管的数目为奇数时，总的压力扰动不完全抵消，而等于单个排气管的压力扰动。因此，只要调节两个接连排气管排出气体或蒸气的开始时间之间的时间迟延使其满足以下关系τi=12fi---VI]]>时，我们便可以将总的压力扰动减小到最小，式中τi是第i个排气管和前一个排气管之间的时间迟延，而fi是第i个排气管的压力扰动频率。
一般地讲，不必准确地满足方程Ⅵ，因为对一定范围的相位角，接连排气管的扰动可以相互作用，形成小于个别排气管压力扰动的总的压力扰动。从方程Ⅳ可以看出，当接连排气管的扰动相位角相差(1+2m)π±π/3时便会发生这种压力降低。利用接连的排气管排出气体时间之间的时间迟延可以表示这种相位差：|τifi-(1+2m2)|≤16---VII]]>式中，τi和fi的意义与方程Ⅵ中的意义相同，而m是大于或等于零任何整数。
图4示出核电站压力释放系统的排气管系列10，该排气管在不同位置和时间将高压蒸气喷入弛压池12中。压力释放阀(未示出)将高压蒸气排入泄放管14，该泄放管连接于集管装置16。集管装置16将蒸气引入一系列的排气管18。因为排气管18位于集管装置16的不同位置，所以排出的蒸气首先进入最靠近集管装置-泄放管接头20的排气管18，然后再进入位于集管置-泄放管接头20更下游的接连排气管。
如图4所示，排气管18通常包括部分浸入液体冷却剂24的垂直管或下导管22。如图4所示的各个排气管18具有两组喷口，第一组喷口26位于下导管22上，靠近液体冷却剂24的液面28，由同轴环32环绕的矩形槽口30组成，该环使气流从径向偏转到沿轴线向下的方向，而第二组喷口34靠近弛压池24的底部36，由其直径远小于排气管18的下导管22内径的圆孔组成。另外，下导管22的端部40一般至少是部分开口的。各个排气管18的头部42其流通面积由第二组孔34和下导管22的开口端部40确定。排气管一般包括一组或多组喷口，这几组喷口具有相同或不同的几何形状，而各组喷口沿排气管纵向轴位于不同的位置。
因为图4中的排气管18是没有差别的，所以接连排气管18放出气体时间之间的时间迟延τ取决于各个排气管18的下导管22之间分开的距离以及集管装置中的流体流速。当集管装置16起始包含气体时，时间迟延与集管装置16中的冲击波的速度相关，该冲击波是由压力释放阀的突然打开以及冲击波后面的气体速度和压力造成。我们也可以调节接连排气管18的下导管22的长度来改变时间迟延，而不用调节下导管22之间分开的距离，但是，这也可能改变扰动频率。在下面的例1中计算了等效排气管18如图4所示那些排气管的时间迟延。
在一些情况下，要在排气管18之间形成必不可少的分开距离44是不可行的。例如过长的集管装置16可能在泄放管14中造成不能接受的背压，或可能加剧弛压池21中压力的升高，因为集管装置16中包含的气体体积增加了。在这种情况下，将集管装置16充入液体冷却剂24可以增加接连排气管18之间的时间迟延，例如可将集管装置16浸入到弛压池12中的液体冷却剂24的液面26之下。然而，外加的液体质量可能增加排气管系列10的液动阻力，可能造成在压力释放阀上过大的背压。在下面的例2中计算了浸没集管装置的时间迟延。
如上所述，当讨论图2A～2D时，最好是使各个排气管18的扰动频率保持一致。通过改变排气管18的特征一般可以改变扰动频率。例如，人们常常通过改变排气管浸入弛压池12的深度或改变排气管头部42的流通面积来改变特定排气管18的扰动频率。
例子
下面例子只是例示性的，没有限制性，只代表本发明的特定实施例。
例1充气集管装置的时间迟延
如上所述，参考图4，顺序连接于集管装置16的接连排气管18的气体排出时间之间的时间迟延取决于各个排气管18的下导管22之间分开的距离44以及集管装置16中的流体速度。当集管装置16起初含有气体时，时间迟延与集管装置16中冲击波的速度相关，该冲击波是由压力释放阀的突然打开造成的。当冲击波经集管装置16中不流动的气体(空气)传播时，它便在冲击波的后面造成气体运动。因此在冲击波的紧上游，集管装置16中空气以速度u运动，该速度由冲击波前后的压力比以及冲击波前面的不流动气体的声速确定：u=a1γ(p2p1-1)(2γγ+1p2p1+γ-1γ+1)1/2---VIII]]>在方程Ⅷ中，下标1和2表示冲击波下游和上游的区域，p2/p1代表冲击波前后的压力比，a1是冲击波下游的气体声速，而γ是集管装置16中气体的热容比，对标准条件下的空气该热容比是1.4。在冲击波前面不流动气体区域中的声速可以用下式计算：a1=γRT,---IX]]>式中，R是气体常数，对空气为0.287 kJ/kg°K(53.3 ft·lb/lbm°R)，而T是冲击波前面的气体温度。
应注意，使用方程Ⅶ时有一些限制，这种已在文献(John D.Anderson,Jr.,“Modern Compressible Flow”,172～179(1982))中说明，此文献已作为参考包含在本文中。
在压力释放系统的实验研究中，将饱和蒸气通过类似于图4所示的排气管排到充水的弛压桶中。在此研究中，p2/p1约为5，在冲击波前面的不流动空气的压力和温度分别约为311°K(560°绝对华氏度)和101kPa(14.7磅/英寸2)。冲击波前面不流动空气的声速以及冲击波后面的气体速度可分别用方程Ⅸ和Ⅷ计算，分别等于354m/S(1160英尺/S)和479m/S(1570英寸/S)。因为测量的压力扰动的基本频率f1约为10Hz，所以利用方程Ⅵ我们可以期待，接连排气管的开始排气时间之间的约0.05 S的时间迟延将会使压力扰动减小到最小。这在图4中相当于排气管18之间分开的距离44约等于uτi=23.8 m(78英尺)。
因为泄放管14、集管装置16和下导管22中的气体在将液体冷却剂从排气管18中排出时是压缩的，所以时间迟延的实际值可能显著大于计算的时间迟延，这将导致排气管18之间必需的分开距离44减小。
例2充水集管装置的时间迟延
如上所述，最好通过在集管装置16中充入液体冷却剂24的方法来增加接连排气管18之间的时间迟延。再参考图4，接连排气管18气体排出时间之间的时间迟延τi取决于各个排气管18的下导管22之间分开的距离44以及气/液界面流过集管装置16的平均速度。气/液界面的速度又取决于排气管18中的液体冷却剂24(一般为水)喷出两组喷口26、42的流量。
在管道排空期间，通过将过程类推到流过小孔可逼近从各个排气管18排入弛压池12的液体冷却剂的体积流量q。因此我们可以用下式计算流量q：q=CDSNρ2ρ(ps-pp)1-(SNSD)2---X]]>式中，ρ是液体冷却剂密度，ps和pp分别是管道排空期间排气管18中的平均压力和弛压池12中排气管喷口26、42附近的平均压力；SN和SD分别是垂直于排气管喷口26、24和下导管22的总的流通面积；CD是流量系数，该系数对雷诺数高的流体约为0.61。见例如：R Byron Bird,WarrenE.Stewart＆Edwin N.Lightfoot,“Transport Phenomenon”,224～226(1960)，此文献已作为参考包含在本文中。
在例1所述实验研究中所获得的数据可用计算图4所示排气管18之间必需的分开距离44。在此试验中，垂直于下导管和喷口中流向的总面积分别为0.02m2(0.216英尺2)和0.0118m2(0.127英尺2)，即在下导管端部上的通常100～150个孔的累积面积。在流动期间排气管中的ps经测量约为690kPa(100磅/英尺2)，而排气管头部的平均静水压力为203kPa(29.4磅/英尺2)。将这些数据代入方程X，并假定液体冷却剂(水)的密度约为993 kg/m3(62lbm/ft3),CD为0.61，则流出排气管的体积流量等于0.279m3/s(9.84 ft3/S)。
因此，为计算图4所示各个排气管18的下导管22之间的分开距离44，我们首先应注意到，在集管装置-泄放管接头20上的液体冷却剂的总的体积流量必须等于下导管22中各流量之和。如果各个下导管22中的体积流量大约相等，则集管装置中的平均速度νH满足下面方程Ⅺ，各个下导管22中的体积流量大约相等是一种极好的近似，因为排气管18是完全相同的，而且它们分别沿相同的水平高度线将流体排入弛压池12。νH=-QAH---XI]]>式中AH是集管装置16的横截面积。
因为从实验中测得的压力扰动的基本频率f1约为10Hz，所以利用方程Ⅵ可预测到，在接连排气管放气开始时间之间的约0.05S的时间迟延应可以将压力扰动减小到最小。假如集管装置的横截面积为0.0232m2(0.25英尺2)，则根据方程X1得出νH=47.9m/s(157英尺/S)，这相当于排气管18之间的分开距离44约等于νHτi=2.41m(7.9英尺)。
应当明白，上述说明只是例示性的，而不是限制性的。本技术的专业人员阅读上述说明后可以明显看出很多实施例。因此确定本发明的范围时，不能根据上述说明，而是根据所附的权利要求书以及该权利要求书赋予的整个等效范围。