可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型.pdf

摘要
申请专利号：	CN201110252240.7	申请日：	2011.08.30
公开号：	CN102324205A	公开日：	2012.01.18
当前法律状态：	终止	有效性：	无权
法律详情：	登录超时
IPC分类号：	G09B25/00	主分类号：	G09B25/00
申请人：	华北电力大学
发明人：	牛风雷
地址：	102206 北京市昌平区朱辛庄华北电力大学
优先权：
专利代理机构：	北京众合诚成知识产权代理有限公司 11246	代理人：	张文宝
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内容摘要

本发明属于核电能源技术领域，特别涉及一种能够进行教学实验、模拟压水堆正常运行及失水事故的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型。由蒸汽发生器、压力容器、稳压器、管路、测量系统以及加热元件构成，蒸汽发生器的下封头由隔板分成进水室和出水室；进水室通过进水管路与压力容器的上部连接，出水室通过出水管路与压力容器的下部连接；在进水管路上通过设置旁路，与稳压器连接；稳压器的顶部通过管路分别与4根液柱压力计的顶部连接，4根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的4个出口连接。本模型结构简单，易于实施，既安全可靠，又能让学生亲自操作，从而增强学生对核反应堆的感性与理性认识，达到教学、科研目的。

权利要求书

1：可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，由蒸汽发生器 (1)、压力容器 (3)、稳压器 (2)、管路、测量系统以及加热元件构成，其特征在于，蒸汽发生器 (1) 的下封头采用半球形，由隔板分成进水室和出水室；所述进水室通过进水管路与压力容器 (3) 的上部连接，所述出水室通过出水管路与压力容器 (3) 的下部连接；在所述进水管路上通过设置旁路，与稳压器 (2) 连接；稳压器 (2) 的顶部通过管路分别与 4 根液柱压力计的顶部连接， 4 根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的 4 个出口连接；该模型采用自然循环，压力容器中的电加热棒加热一回路中的冷却剂，冷却剂通过蒸汽发生器把热量传给二回路的工质，使二回路的水产生蒸汽。
2：根据权利要求 1 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述的蒸汽发生器 (1)、稳压器 (2)、压力容器 (3) 以及管路均由玻璃制成。
3：根据权利要求 1 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述一回路的冷却剂和二回路中的工质为水。
4：根据权利要求 1 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述压力容器 (3) 中，以电加热棒模拟核反应堆燃料组件，且所述电加热棒的功率可调。
5：根据权利要求 1 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述蒸汽发生器 (1) 侧壁上、压力容器 (3) 内部、进水管路上、出水管路上均设置热电偶。
6：根据权利要求 1 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述出水管路上设置手动调节角阀 (8)，在出水管路的旁路上设置泄露阀 (9)。
7：根据权利要求 3 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，设置循环水箱，循环水箱的出口分别与一回路和二回路的进水口连接；在循环水箱的出口与入口之间设置喷射泵，且喷射泵的一个出口与蒸汽发生器 (1) 的顶部入口连接；通过喷射泵产生的负压，使二回路中的工质在低于 100℃下沸腾。

说明书

可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型
    技术领域本发明属于核电能源技术领域，特别涉及一种能够进行教学实验、模拟压水堆正常运行及失水事故的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型。
     背景技术核电站是一个庞大的系统工程，由于核岛的封闭性，即便是到了核电厂也不太可能见到具体的堆芯结构，这就造成了核电专业的学生与其所学对象严重分隔，很多学生直到毕业也没有见过核反应堆。目前，核电教学用于演示核反应堆原理的演示模型多为塑料或泡沫制造的静态模型，只能够显示核岛内设备构成，但是不能演示一回路中的冷却剂流动过程，一、二回路的传热过程，蒸汽发生器中蒸汽的产生过程，以及堆芯失水再淹没过程。
     发明内容
     本发明针对现有压水堆核电站静态模型的缺点，提供一种可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型。
     本发明采用的技术方案为：
     由蒸汽发生器、压力容器、稳压器、管路、测量系统以及加热元件构成，其特征在于，蒸汽发生器的下封头采用半球形，由隔板分成进水室和出水室；所述进水室通过进水管路与压力容器的上部连接，所述出水室通过出水管路与压力容器的下部连接；在所述进水管路上通过设置旁路，与稳压器连接；稳压器的顶部通过管路分别与 4 根液柱压力计的顶部连接， 4 根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的 4 个出口连接；该模型采用自然循环，压力容器中的电加热棒加热一回路中的冷却剂，冷却剂通过蒸汽发生器把热量传给二回路的工质，使二回路的水产生蒸汽。
     所述的蒸汽发生器、稳压器、压力容器以及管路均由玻璃制成。
     所述一回路的冷却剂和二回路中的工质为水。
     所述压力容器中，以电加热棒模拟核反应堆燃料组件，且所述电加热棒的功率可调。
     所述蒸汽发生器侧壁上、压力容器内部、进水管路上、出水管路上均设置热电偶。
     所述出水管路上设置手动调节角阀，在出水管路的旁路上设置泄露阀。
     设置循环水箱，循环水箱的出口分别与一回路和二回路的进水口连接；在循环水箱的出口与入口之间设置喷射泵，且喷射泵的一个出口与蒸汽发生器的顶部入口连接；通过喷射泵产生的负压，使二回路中的工质在低于 100℃下沸腾。
     本发明的有益效果是：为增强核电专业学生及相关工作人员对压水堆核电厂核岛部分主要部件的了解，以及一、二回路之间的传热过程的理解，通过建立动态透明模拟反应堆来配合教学，以可调节功率的电加热棒模拟核反应堆燃料组件，采用耐热耐压的玻璃容器及管路来模拟反应堆的堆芯压力容器、稳压器、蒸汽发生器、传热 U 形管等管路，同时配备了监控传感器和电加热调节装置。本模型可以完成四种实验教学：一回路热臂流速实验；压力容器空泡份额实验；电加热棒表面传热系数实验；堆芯失水再淹没过程演示实验。本模型结构简单，成本低，易于实施，既安全可靠，又能让学生亲自操作，从而增强学生对核反应堆的感性与理性认识，达到教学、科研目的。附图说明
     图 1 是本发明所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型的结构图；
     图 2 是本发明所述的管路布置系统图；
     图 3 是 U 形管排列图。
     图中标号：
     1- 蒸汽发生器； 2- 稳压器； 3- 压力容器； 4- 蒸汽发生器进水口； 5- 蒸汽发生器出水口； 6- 第八热电偶； 7- 一回路进水口； 8- 手动调节角阀； 9- 泄漏阀； 10- 二回路压力计； 11- 第六热电偶； 12- 第七热电偶； 13- 一回路压力计； 14- 安全阀； 15- 墨水注射器； 16- 第五热电偶； 17- 第四热电偶； 18- 第三热电偶； 19- 第二热电偶； 20- 第一热电偶； 21- 第一液柱压力计； 22- 第二液柱压力计； 23- 第三液柱压力计； 24- 第四液柱压力计； 25- 喷射泵； 26- 循环水箱出口； 27- 蒸汽发生器顶部； 28- 循环水箱入口； 29- 二回路进水口。具体实施方式本发明提供了一种可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，下面结合附图以及具体实验步骤和原理对本发明做进一步说明。
     如图 1 所示，根据压水堆原理，本实验仪器由蒸汽发生器、稳压器、压力容器三个主要设备，以及管道、阀门、测量系统和加热元件构成。
     蒸汽发生器 1 的下封头采用半球形，由隔板分成进水室和出水室，其中并联了 8 根平行的 U 形管，增大了换热面积，从而提高的传热效率；所述进水室通过进水管路与压力容器 3 的上部连接，所述出水室通过出水管路与压力容器 3 的下部连接；在所述出水管路上通过设置旁路，与稳压器 2 连接；稳压器 2 的顶部通过管路分别与第一液柱压力计 21、第二液柱压力计 22、第三液柱压力计 23、第四液柱压力计 24 的顶部连接， 4 根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的 4 个出口连接；压力容器 3 中，设置 7 根可调节功率的电加热棒，每根最大功率为 250W，模拟核反应堆燃料组件，用来加热一回路中的冷却剂。蒸汽发生器 1 及其中的 U 形管、稳压器 2、压力容器 3 以及管路全部由玻璃制成。考虑到玻璃容器不能耐高压，因此本实验仪器无主循环泵，采用自然循环，以水作为一回路的冷却剂和二回路的工质。
     稳压器 2 上设置安全阀 14 及一回路压力计 13，当一回路的压力超过安全压力，则安全阀自动泄压。蒸汽发生器 1 上设置一回路压力计 10。
     出水管路上设置手动调节角阀 8，在出水管路的旁路上设置泄露阀 9。
     测量系统包括：在压力容器 3 出口附近的热臂上设置墨水注射器 15，通过记录一定时间内墨水流动的距离可以测量冷却剂在热臂的流速；模型内共设置八个热电偶，分别分布在：压力容器 3 内部的电加热棒上由上至下依次设置的第三热电偶 18、第二热电偶 19 以及第一热电偶 20，压力容器 3 进口处的第四热电偶 17，压力容器 3 出口处的第五热电偶
     16，蒸汽发生器 1 容器壁上的第六热电偶 11，蒸汽发生器 1 进口处的第七热电偶 12，蒸汽发生器 1 出口处的第八热电偶 6 ；一回路压力计 13 和二回路压力计 10 分别安装在稳压器器壁和蒸汽发生器器壁，用来测量一、二回路的初压。在压力容器 3 的器壁垂直高度上均匀分布着四个与液柱压力计连接的测压口，用来估算压力容器截面的空泡份额 α。
     如图 2 所示，设置循环水箱，循环水箱出口 26 分别与一回路进水口 7、二回路的进水口 29 连接；在循环水箱出口 26 与循环水箱入口 28 之间设置喷射泵 25，且喷射泵 25 的一个出口与蒸汽发生器顶部入口 27 连接；通过喷射泵 25 产生的负压，使二回路中的工质在低于 100℃下沸腾。
     冷却剂通过自然循环在一回路中流动，进入蒸汽发生器 1 下封头中的进水室，然后进入并联的 U 形管中，通过管壁把热量传递给二回路。因为一回路中为常压，温度不会超过 100℃，所以二回路温度也不会超过 100℃。为使二回路中的水产生饱和蒸汽，在蒸汽发生器的顶部连接喷射泵。通过喷射泵产生的负压使蒸发器的二次侧压力降低，从而使水的沸点降低，在低于 100℃的温度下使蒸汽发生器二次侧的水沸腾。
     使用本模型的实验步骤如下：
     (1) 确定实验设备各个阀门状态：压力容器 3 顶部的阀门开启；稳压器 2 泄压阀开启；手动调节角阀 8 关闭；泄漏阀 9 开启。
     (2) 向一回路注水，要求冷却剂以一定的速度流经一回路，以能够冲掉蒸汽发生器 1 里 U 形管里顶部的气泡为准。
     (3) 打开各个热电偶，显示器显示第三热电偶 18 的温度。
     (4) 打开稳压器 2 上的出水口，以使稳压器 2 里的水位达到合适的高度。
     (5) 轻敲四个液柱压力计的玻璃管，清除其中的气泡，因为稳压器 2 顶端的阀门开启，并且与四个液柱压力计连接，所以里面的空气都是一个大气压。四个液柱压力计的初始水位应该等高。
     (5) 第一热电偶 20、第二热电偶 19、第三热电偶 18、第四热电偶 17 以及第五热电偶 16 的初始温度应该是一样的。
     (6) 关闭所有的阀门，仅打开手动调节角阀 8。
     (7) 把压力容器 3 中电加热棒的总功率提高到 500W，打开喷射泵 25。
     (8) 等待第三热电偶 18 达到平衡，蒸汽发生器 1 里的水沸腾，如果水位降到 U 形管以下，应及时补充水。
     (9) 记录八个热电偶的温度，四个液柱压力计和稳压器 2 的水位，一回路压力计 13 和二回路压力计 10 的压力，热段水流流速，还有蒸汽发生器和压力容器的现象。
     (10) 把压力容器 3 中电加热棒的总功率调到 700W， 900W 和 1200W，重复以上步骤。
     (11) 把功率调到零，关闭喷射泵。
     本模型的实验原理为：
     实验一：求热段流速
     方法① ：染料速度测定
     其中： t 为染料经过单位距离的时间方法② ：伯努利方程
     对于一个自然循环的闭合回路，回路各部分 i 的流体浮力等于其因摩擦引起的压降损失。因此伯努利方程可表示为：
     ρ0 为流体的平均密度， g 为当地重力加速度， z 为流体的垂直高度， f 为流道的摩擦系数， K 为局部损失系数， Li 为造成沿程损失的流道长度， Di 为水力直径， Ui 为 i 部分的平均流速。
     对于横截面变化的流道，应该考虑引入流道的不变量，即流量 Q。把 Q ＝ UiAi 和
     带入，可写为：
     本模型自然循环的浮力可由如下方程计算得出：
     ρCL 为实验仪器冷段的冷却剂密度， HDC 为冷却剂下降通道 (downcomer) 的垂直高为压力容器冷却剂的平均密度。度， ρcore 为反应堆压力容器各个高度的冷却剂密度，正是因为冷却剂的密度差导致的系统的流体流动，而冷却剂的密度差可由当地温度估算： Δρ ＝ -βΔTρ0。β 为冷却剂的热膨胀系数， 40℃时水的体膨胀系数为 3.6×10-4℃ -1。 ΔT ＝ TCL-Tcore ≈ TCL-(THL+TCL)/2， THL 为热段温度。以上可以得出浮力大小。
     管道雷诺数为：
     Ui 为管道冷却剂的流速，取最大值 0.1m/s。Di 为管道直径，为 0.019m。所以管道中的流动为层流： f ＝ 64/ReD。
     再由浮力可计算出 Ui。方法③ ：能量守恒法 P ＝ ρHAtubeUCp(TH-TC) 其中 Atube 为管道横截面积， Cp 为水的比热容， TH-TC 为冷热段温差。实验二：估算 RPV 的空泡份额 α
     通过四个液柱压力计的读数可以知道压力容器垂直方向上的压力分布，其中高度方向上的 i 点的压强为：
     Pi ＝ Pref+ρwg(Hi-Hio)，
     其中 Pref 为系统初压，可由与之相连的稳压器上的压力表读数读出， ρw 为室温下冷却剂的密度， Hio 为 i 点距压力容器底部的距离， Hi 为液柱压力计中的水位高度。
     空泡份额可由如下两个公式计算得出：
     Pj-Pi ＝ ΔPloss+ρmixg(Hio-Hjo) ≈ ρmixg(Hio-Hjo)，
     ρmix ＝ (1-α)ρw+αρs，
     其中 ΔPloss 为空泡在水中流动的能量损失， ρmix 为两相流的混合密度， ρs 为水蒸气的密度。
     Pj-Pi ＝ ρwg(Hj-Hjo)-ρwg(Hi-Hio) ＝ ρwg[(Hj-Hi)-(Hjo-Hio)]，
     ρmixg(Hjo-Hio) ＝ ρwg[(Hj-Hi)-(Hjo-Hio)]，
     可得空泡份额 α 为：分析：若 Hj ＝ Hi，则 ρmix ＝ ρw，为单相水状态；若 Hj ＞ Hi，则 ρmix ＜ ρw，为两相流状态；若 Hj ＜ Hi，则 ρmix ＞ ρw，不可能出现这种状况。实验三：求加热棒的表面换热系数方法① ：能量守恒法加热棒的表面传热系数可用如下公式表示：其中 P 为 7 个电加热棒的加热功率之和， Arods 为 7 个电加热棒总的表面积， Tw 为电加热棒的表面温度， Tf 为水温。
     方法② ：努塞尔数法
     其中 h 为电加热棒的表面换热系数， k 为导热系数。

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1、(10)申请公布号 CN 102324205 A (43)申请公布日 2012.01.18 CN 102324205 A *CN102324205A* (21)申请号 201110252240.7 (22)申请日 2011.08.30 G09B 25/00(2006.01) (71)申请人华北电力大学地址 102206 北京市昌平区朱辛庄华北电力大学 (72)发明人牛风雷 (74)专利代理机构北京众合诚成知识产权代理有限公司 11246 代理人张文宝 (54) 发明名称可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型 (57) 摘要本发明属于核电能源技术领域，特别涉及一种能。

2、够进行教学实验、模拟压水堆正常运行及失水事故的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型。由蒸汽发生器、压力容器、稳压器、管路、测量系统以及加热元件构成，蒸汽发生器的下封头由隔板分成进水室和出水室；进水室通过进水管路与压力容器的上部连接，出水室通过出水管路与压力容器的下部连接；在进水管路上通过设置旁路，与稳压器连接；稳压器的顶部通过管路分别与 4 根液柱压力计的顶部连接， 4 根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的 4 个出口连接。本模型结构简单，易于实施，既安全可靠，又能让学生亲自操作，从而增强学生对核反应堆的感性与理性认识，。

3、达到教学、科研目的。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 6 页附图 2 页 CN 102324217 A1/1 页 2 1. 可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，由蒸汽发生器 (1)、压力容器 (3)、稳压器 (2)、管路、测量系统以及加热元件构成，其特征在于，蒸汽发生器 (1) 的下封头采用半球形，由隔板分成进水室和出水室；所述进水室通过进水管路与压力容器 (3) 的上部连接，所述出水室通过出水管路与压力容器 (3) 的下部连接；在所述进水管路上通过设置旁路，与稳压器。

4、 (2) 连接；稳压器 (2) 的顶部通过管路分别与 4 根液柱压力计的顶部连接， 4 根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的 4 个出口连接；该模型采用自然循环，压力容器中的电加热棒加热一回路中的冷却剂，冷却剂通过蒸汽发生器把热量传给二回路的工质，使二回路的水产生蒸汽。 2. 根据权利要求 1 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述的蒸汽发生器 (1)、稳压器 (2)、压力容器 (3) 以及管路均由玻璃制成。 3. 根据权利要求 1 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述一回路的。

5、冷却剂和二回路中的工质为水。 4. 根据权利要求 1 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述压力容器 (3) 中，以电加热棒模拟核反应堆燃料组件，且所述电加热棒的功率可调。 5. 根据权利要求 1 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述蒸汽发生器(1)侧壁上、压力容器(3)内部、进水管路上、出水管路上均设置热电偶。 6. 根据权利要求 1 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，所述出水管路上设置手动调节角阀 (8)，在出水管路的旁路上设置泄露阀 (9)。 7. 根据权利要求。

6、3 所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，其特征在于，设置循环水箱，循环水箱的出口分别与一回路和二回路的进水口连接；在循环水箱的出口与入口之间设置喷射泵，且喷射泵的一个出口与蒸汽发生器 (1) 的顶部入口连接；通过喷射泵产生的负压，使二回路中的工质在低于 100下沸腾。权利要求书 CN 102324205 A CN 102324217 A1/6 页 3 可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型技术领域 0001 本发明属于核电能源技术领域，特别涉及一种能够进行教学实验、模拟压水堆正常运行及失水事故的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型。。

7、背景技术 0002 核电站是一个庞大的系统工程，由于核岛的封闭性，即便是到了核电厂也不太可能见到具体的堆芯结构，这就造成了核电专业的学生与其所学对象严重分隔，很多学生直到毕业也没有见过核反应堆。目前，核电教学用于演示核反应堆原理的演示模型多为塑料或泡沫制造的静态模型，只能够显示核岛内设备构成，但是不能演示一回路中的冷却剂流动过程，一、二回路的传热过程，蒸汽发生器中蒸汽的产生过程，以及堆芯失水再淹没过程。发明内容 0003 本发明针对现有压水堆核电站静态模型的缺点，提供一种可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型。 0004 本发明采用的技术方案为： 0。

8、005 由蒸汽发生器、压力容器、稳压器、管路、测量系统以及加热元件构成，其特征在于，蒸汽发生器的下封头采用半球形，由隔板分成进水室和出水室；所述进水室通过进水管路与压力容器的上部连接，所述出水室通过出水管路与压力容器的下部连接；在所述进水管路上通过设置旁路，与稳压器连接；稳压器的顶部通过管路分别与 4 根液柱压力计的顶部连接， 4 根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的 4 个出口连接；该模型采用自然循环，压力容器中的电加热棒加热一回路中的冷却剂，冷却剂通过蒸汽发生器把热量传给二回路的工质，使二回路的水产生蒸汽。 0006。

9、所述的蒸汽发生器、稳压器、压力容器以及管路均由玻璃制成。 0007 所述一回路的冷却剂和二回路中的工质为水。 0008 所述压力容器中，以电加热棒模拟核反应堆燃料组件，且所述电加热棒的功率可调。 0009 所述蒸汽发生器侧壁上、压力容器内部、进水管路上、出水管路上均设置热电偶。 0010 所述出水管路上设置手动调节角阀，在出水管路的旁路上设置泄露阀。 0011 设置循环水箱，循环水箱的出口分别与一回路和二回路的进水口连接；在循环水箱的出口与入口之间设置喷射泵，且喷射泵的一个出口与蒸汽发生器的顶部入口连接；通过喷射泵产生的负压，使二回路中的工质在低于 100。

10、下沸腾。 0012 本发明的有益效果是：为增强核电专业学生及相关工作人员对压水堆核电厂核岛部分主要部件的了解，以及一、二回路之间的传热过程的理解，通过建立动态透明模拟反应堆来配合教学，以可调节功率的电加热棒模拟核反应堆燃料组件，采用耐热耐压的玻璃容器及管路来模拟反应堆的堆芯压力容器、稳压器、蒸汽发生器、传热 U 形管等管路，同时配备了监控传感器和电加热调节装置。本模型可以完成四种实验教学：一回路热臂流速实验；说明书 CN 102324205 A CN 102324217 A2/6 页 4 压力容器空泡份额实验；电加热棒表面传热系数实验；堆芯失。

11、水再淹没过程演示实验。本模型结构简单，成本低，易于实施，既安全可靠，又能让学生亲自操作，从而增强学生对核反应堆的感性与理性认识，达到教学、科研目的。附图说明 0013 图 1 是本发明所述的可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型的结构图； 0014 图 2 是本发明所述的管路布置系统图； 0015 图 3 是 U 形管排列图。 0016 图中标号： 0017 1- 蒸汽发生器； 2- 稳压器； 3- 压力容器； 4- 蒸汽发生器进水口； 5- 蒸汽发生器出水口； 6- 第八热电偶； 7- 一回路进水口； 8- 手动调节角阀； 9- 泄漏阀；。

12、 10- 二回路压力计； 11- 第六热电偶； 12- 第七热电偶； 13- 一回路压力计； 14- 安全阀； 15- 墨水注射器； 16- 第五热电偶； 17- 第四热电偶； 18- 第三热电偶； 19- 第二热电偶； 20- 第一热电偶； 21- 第一液柱压力计； 22- 第二液柱压力计； 23- 第三液柱压力计； 24- 第四液柱压力计； 25- 喷射泵； 26- 循环水箱出口； 27- 蒸汽发生器顶部； 28- 循环水箱入口； 29- 二回路进水口。具体实施方式 0018 本发明提供了一种可实验运行的压水堆及其蒸汽发生器动态仿真模型，下面结。

13、合附图以及具体实验步骤和原理对本发明做进一步说明。 0019 如图 1 所示，根据压水堆原理，本实验仪器由蒸汽发生器、稳压器、压力容器三个主要设备，以及管道、阀门、测量系统和加热元件构成。 0020 蒸汽发生器1的下封头采用半球形，由隔板分成进水室和出水室，其中并联了8根平行的 U 形管，增大了换热面积，从而提高的传热效率；所述进水室通过进水管路与压力容器3的上部连接，所述出水室通过出水管路与压力容器3的下部连接；在所述出水管路上通过设置旁路，与稳压器 2 连接；稳压器 2 的顶部通过管路分别与第一液柱压力计 21、第二液柱压力计22、第三。

14、液柱压力计23、第四液柱压力计24的顶部连接， 4根液柱压力计的底部分别与压力容器侧壁上沿高度方向均匀分布的4个出口连接；压力容器3中，设置7根可调节功率的电加热棒，每根最大功率为 250W，模拟核反应堆燃料组件，用来加热一回路中的冷却剂。蒸汽发生器 1 及其中的 U 形管、稳压器 2、压力容器 3 以及管路全部由玻璃制成。考虑到玻璃容器不能耐高压，因此本实验仪器无主循环泵，采用自然循环，以水作为一回路的冷却剂和二回路的工质。 0021 稳压器 2 上设置安全阀 14 及一回路压力计 13，当一回路的压力超过安全压力，则安全阀自动泄压。蒸汽发生器 1 上。

15、设置一回路压力计 10。 0022 出水管路上设置手动调节角阀 8，在出水管路的旁路上设置泄露阀 9。 0023 测量系统包括：在压力容器 3 出口附近的热臂上设置墨水注射器 15，通过记录一定时间内墨水流动的距离可以测量冷却剂在热臂的流速；模型内共设置八个热电偶，分别分布在：压力容器 3 内部的电加热棒上由上至下依次设置的第三热电偶 18、第二热电偶 19 以及第一热电偶 20，压力容器 3 进口处的第四热电偶 17，压力容器 3 出口处的第五热电偶说明书 CN 102324205 A CN 102324217 A3/6 页 5 16，蒸汽发生器 1 容器。

16、壁上的第六热电偶 11，蒸汽发生器 1 进口处的第七热电偶 12，蒸汽发生器 1 出口处的第八热电偶 6 ；一回路压力计 13 和二回路压力计 10 分别安装在稳压器器壁和蒸汽发生器器壁，用来测量一、二回路的初压。在压力容器 3 的器壁垂直高度上均匀分布着四个与液柱压力计连接的测压口，用来估算压力容器截面的空泡份额。 0024 如图 2 所示，设置循环水箱，循环水箱出口 26 分别与一回路进水口 7、二回路的进水口 29 连接；在循环水箱出口 26 与循环水箱入口 28 之间设置喷射泵 25，且喷射泵 25 的一个出口与蒸汽发生器顶部入口27连接；通过喷。

17、射泵25产生的负压，使二回路中的工质在低于 100下沸腾。 0025 冷却剂通过自然循环在一回路中流动，进入蒸汽发生器 1 下封头中的进水室，然后进入并联的 U 形管中，通过管壁把热量传递给二回路。因为一回路中为常压，温度不会超过 100，所以二回路温度也不会超过 100。为使二回路中的水产生饱和蒸汽，在蒸汽发生器的顶部连接喷射泵。通过喷射泵产生的负压使蒸发器的二次侧压力降低，从而使水的沸点降低，在低于 100的温度下使蒸汽发生器二次侧的水沸腾。 0026 使用本模型的实验步骤如下： 0027 (1)确定实验设备各个阀门状态：压力容器3顶部的阀门开启；稳压。

18、器2泄压阀开启；手动调节角阀 8 关闭；泄漏阀 9 开启。 0028 (2) 向一回路注水，要求冷却剂以一定的速度流经一回路，以能够冲掉蒸汽发生器 1 里 U 形管里顶部的气泡为准。 0029 (3) 打开各个热电偶，显示器显示第三热电偶 18 的温度。 0030 (4) 打开稳压器 2 上的出水口，以使稳压器 2 里的水位达到合适的高度。 0031 (5) 轻敲四个液柱压力计的玻璃管，清除其中的气泡，因为稳压器 2 顶端的阀门开启，并且与四个液柱压力计连接，所以里面的空气都是一个大气压。四个液柱压力计的初始水位应该等高。 0032 (5) 第一热电偶 20、。

19、第二热电偶 19、第三热电偶 18、第四热电偶 17 以及第五热电偶 16 的初始温度应该是一样的。 0033 (6) 关闭所有的阀门，仅打开手动调节角阀 8。 0034 (7) 把压力容器 3 中电加热棒的总功率提高到 500W，打开喷射泵 25。 0035 (8)等待第三热电偶18达到平衡，蒸汽发生器1里的水沸腾，如果水位降到U形管以下，应及时补充水。 0036 (9)记录八个热电偶的温度，四个液柱压力计和稳压器2的水位，一回路压力计13 和二回路压力计 10 的压力，热段水流流速，还有蒸汽发生器和压力容器的现象。 0037 (10) 把压力容器 3 中电加热棒的。

20、总功率调到 700W， 900W 和 1200W，重复以上步骤。 0038 (11) 把功率调到零，关闭喷射泵。 0039 本模型的实验原理为： 0040 实验一：求热段流速 0041 方法：染料速度测定 0042 0043 其中： t 为染料经过单位距离的时间说明书 CN 102324205 A CN 102324217 A4/6 页 6 0044 方法：伯努利方程 0045 对于一个自然循环的闭合回路，回路各部分 i 的流体浮力等于其因摩擦引起的压降损失。因此伯努利方程可表示为： 0046 0047 0为流体的平均密度， g 为当地重力加速度， z 为流体的。

21、垂直高度， f 为流道的摩擦系数， K 为局部损失系数， Li为造成沿程损失的流道长度， Di为水力直径， Ui为 i 部分的平均流速。 0048 对于横截面变化的流道，应该考虑引入流道的不变量，即流量 Q。把 Q UiAi和带入，可写为： 0049 0050 本模型自然循环的浮力可由如下方程计算得出： 0051 0052 CL为实验仪器冷段的冷却剂密度， HDC为冷却剂下降通道 (downcomer) 的垂直高度， core为反应堆压力容器各个高度的冷却剂密度，为压力容器冷却剂的平均密度。正是因为冷却剂的密度差导致的系统的流体流动，而冷却剂的密度差可由当地温度估算：。

22、-T0。为冷却剂的热膨胀系数， 40时水的体膨胀系数为 3.610-4 -1。 T TCL-Tcore TCL-(THL+TCL)/2， THL为热段温度。以上可以得出浮力大小。 0053 管道雷诺数为： 0054 0055 Ui为管道冷却剂的流速，取最大值 0.1m/s。Di为管道直径，为 0.019m。 0056 0057 所以管道中的流动为层流： f 64/ReD。 0058 0059 说明书 CN 102324205 A CN 102324217 A5/6 页 7 0060 0061 再由浮力可计算出 Ui。 0062 方法：能量守恒法 0063 P HAtubeUC。

23、p(TH-TC) 其中 Atube为管道横截面积， Cp为水的比热容， TH-TC为冷热段温差。 0064 实验二：估算 RPV 的空泡份额 0065 通过四个液柱压力计的读数可以知道压力容器垂直方向上的压力分布，其中高度方向上的 i 点的压强为： 0066 Pi Pref+wg(Hi-Hio)， 0067 其中 Pref为系统初压，可由与之相连的稳压器上的压力表读数读出， w为室温下冷却剂的密度， Hio为 i 点距压力容器底部的距离， Hi为液柱压力计中的水位高度。 0068 空泡份额可由如下两个公式计算得出： 0069 Pj-Pi Ploss+mixg(Hio-Hjo)。

24、 mixg(Hio-Hjo)， 0070 mix (1-)w+s， 0071 其中 Ploss为空泡在水中流动的能量损失， mix为两相流的混合密度， s为水蒸气的密度。 0072 Pj-Pi wg(Hj-Hjo)-wg(Hi-Hio) wg(Hj-Hi)-(Hjo-Hio)， 0073 mixg(Hjo-Hio) wg(Hj-Hi)-(Hjo-Hio)， 0074 0075 可得空泡份额为： 0076 0077 分析： 0078 若 Hj Hi，则 mix w，为单相水状态； 0079 若 Hj Hi，则 mix w，为两相流状态； 0080 若 Hj Hi，则 mix。

25、 w，不可能出现这种状况。 0081 实验三：求加热棒的表面换热系数 0082 方法：能量守恒法 0083 加热棒的表面传热系数可用如下公式表示： 0084 0085 其中 P 为 7 个电加热棒的加热功率之和， Arods为 7 个电加热棒总的表面积， Tw为电加热棒的表面温度， Tf为水温。 0086 方法：努塞尔数法说明书 CN 102324205 A CN 102324217 A6/6 页 8 0087 0088 其中 h 为电加热棒的表面换热系数， k 为导热系数。说明书 CN 102324205 A CN 102324217 A1/2 页 9 图 1 说明书附图 CN 102324205 A CN 102324217 A2/2 页 10 图 2 图 3 说明书附图 CN 102324205 A 。

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