[发明专利]一种核反应堆稳压器安全阀水封试验系统及其试验方法

权利要求书

1.一种核反应堆稳压器安全阀水封试验系统，其特征在于：包括去离子制水系统(1)、连接去离子制水系统的第一流量控制阀(801)的第一补水泵(201)，第一补水泵(201)另一端连接加热水箱(3)，加热水箱(3)低端连接有第一排污阀(802)，同时加热水箱(3)内置有多组加热棒，每组加热棒功率为60kW；加热水箱(3)外部连接有测量其液位的第一差压变送器(1001)；加热水箱(3)出口设置第一温度传感器(901)；他们在回路中起到为试验回路提供低于饱和温度的去离子水，同时保证加热水箱内加热棒的正常稳定工作，以上组成了试验系统的水源及预加热模块；

加热水箱(3)下游连接有高温泵(202)，高温泵(202)连接第二流量控制阀(803)，第二流量控制阀(803)控制反应堆稳压器模拟体压力容器(4)的流量，压力容器(4)低端设置有第二排污阀(804)，控制压力容器内的水存量；压力容器(4)下半部装有加热棒以及整流板，加热棒总功率为200kW；压力容器(4)中部设置有第二温度传感器(902)，监测压力容器内水温；压力容器(4)上半部和下半部分分别连接有第二差压变送器(1002)的低压端和高压端，检测压力容器(4)坍塌液位；压力容器(4)斜上方连接有水封结构试验段(5)，为实验主要试验段；压力容器(4)顶部装有压力传感器(11)和导波雷达液位计(12)，用于检测压力容器(4)内坍塌液位、混合液位，保证加热棒的安全运行，压力容器(4)外层包裹保温棉，以上组成了系统的压力容器模块；

压力容器(4)顶端连接有电动排气阀(808)，同时还连接有不凝结气体进口阀(806)，不凝结气体进口阀(806)另一端连接不凝结气体气瓶(7)，不凝结气体进口阀(806)与气瓶(7)之间设置有加压阀(807)，主要调节压力容器(4)内不凝结气体的浓度以及压力容器(4)的压力,不凝结气体的浓度根据分压定理确定；压力容器(4)顶端通过真空泵控制阀(805)连接真空泵(6)，用于压力容器(4)及水封结构试验段(5)内的真空处理，以上共同组成了实验系统的气体充排和抽真空模块；

水封结构试验段(5)上部为等效安全阀散热肋片，中间为传热管道，下部为水封铲型收集槽，等效安全阀散热肋片通过法兰与传热管道连接；在可视化试验中等效安全阀散热肋片能够更换外石英玻璃进行实验现象记录；水封结构试验段(5)的传热管段和压力容器(4)侧壁分别连接第三差压变送器(1003)的高压端和低压端，用来判定水封形成情况；水封结构试验段(5)沿轴向分别布置有多个温度传感器，用于检测水封结构试验段(5)内的温度场分布；水封结构试验段(5)顶端连接第一排水阀(809)，低端连接第二排水阀(810)，主要用于实验开始前的排气和实验末期的排水处理；水封结构试验段(5)的等效安全阀散热肋片不包裹保温棉，传热管段包裹保温棉，以上共同组成了实验系统的试验段模块。

2.根据权利要求1所述的核反应堆稳压器安全阀水封实验系统，其特征在于：试验系统中加热水箱(3)内的加热功率、压力容器(4)内的加热棒功率以及所有电动调节阀的控制均通过可编程逻辑控制器实现时时远程调控，组成了系统的控制模块。

3.根据权利要求1所述的核反应堆稳压器安全阀水封实验系统，其特征在于：试验系统上布置的所有温度传感器、压力传感器、压差变送器均通过NI数据采集系统连接到局域网计算机(13)上，以上组成系统的测量采集模块。

4.权利要求1至3任一项所述试验系统对应的试验方法，其特征在于：试验开始前对回路进行水压、气密性检测，确保回路在高温高压下的边界完整，实验内容分为三部分；

1)空气对水封的影响试验：

开启主回路前，开启第一排污阀(802)、第二排污阀(804)和电动排气阀(808)，保持其余阀门关闭；待加热水箱(3)和压力容器(4)水排尽后，关闭第一排污阀(802)和第二排污阀(804)；开启去离子制水系统(1)，开启第一流量控制阀(801)以及第一补水泵(201)，向加热水箱(3)补水；通过加热水箱(3)上第一差压变送器(1001检测水位，待加热水箱中水位达到加热水箱上端后，关闭第一流量控制阀(801)和第一补水泵(201)，开启加热水箱(3)中加热棒，将加热水箱的水温提高到70-80℃后，关闭加热水箱(3)中加热棒；实验预加热模块完成工作；

开启高温泵(202)和第二流量控制阀(803)向压力容器(4)补水，通过压力容器(4)上的第二差压变送器(1002)检测压力容器液位高度，待液位达到压力容器3/5高度时，停止补水；关闭高温泵(202)和第二流量控制阀(803)，同时关闭电动排气阀(808)；开启压力容器(4)内加热棒，通过第二温度传感器(902)和压力传感器(11)检测压力容器内的水物性变化；待水温度和压力达到额定工况后，开启水封结构试验段(5)的排水阀(810)，待水封结构试验段(5)内液位排尽后关闭排水阀(810)；降低压力容器(4中加热棒加热功率，维持压力容器温度压力稳定即可；

开启NI数据采集系统，开始记录压力容器(4)内压力、混合液位、坍塌液位以及水封结构试验段(5)处的温度、压差变化；由于等效安全阀散热肋片的散热以及传热管道第三差压变送器(1003)中出现突变时，判定为水封形成；随着蒸气进一步由于等效安全阀散热肋片散热发生冷凝，水封结构试验段(5)内液位逐渐上升，水封结构试验段(5)沿轴向分别布置的多个温度传感器分别检测水封结构处的温度变化。；待冷凝液完全充满水封结构试验段(5)，试验结束，停止数据采集；开启第二排水阀(810)和第一排水阀(809)，排尽水封结构试验段(5)内的水，关闭第二排水阀(810)和第一排水阀(809)；调节压力容器(4)内加热棒功率，进入下一个试验工况；更换水封结构试验段(5)的等效安全阀散热肋片为石英玻璃后进行上述操作，观测水封形成前后现象；

2)纯蒸汽水封实验

开启主回路前，开启第一排污阀(802)、第二排污阀(804)和电动排气阀(808)，保持其余阀门关闭；待加热水箱(3)和压力容器(4)水排尽后，关闭第一排污阀(802)和第二排污阀(804)；开启去离子制水系统(1)，开启第一流量控制阀(801)以及第一补水泵(201)，向加热水箱(3)补水；通过加热水箱(3)上第一差压变送器(1001)检测水位，待加热水箱中水位达到加热水箱上端后，关闭第一流量控制阀(801)和第一补水泵(201)，开启加热水箱(3)中加热棒，将加热水箱的水温提高到70-80℃后，关闭加热水箱(3)中加热棒；实验预加热模块完成工作；

开启高温泵(202)和第二流量控制阀(803)向压力容器(4)补水，通过压力容器(4)上的第二差压变送器(1002)检测压力容器液位高度，待液位达到压力容器3/5高度时，停止补水；关闭高温泵(202)和第二流量控制阀(803)，同时关闭电动排气阀(808)，开启真空泵控制阀(805)以及真空泵(6)，对压力容器(4)及水封结构试验段(5)进行抽真空处理；压力容器(4)内压力达到真空泵(6)抽真空极限时，停止真空泵(6)和关闭真空泵控制阀(805)；开启压力容器(4)内加热棒，压力容器(4)开始升压，待压力容器表压达到0.15MPa时，关闭压力容器(4)内加热棒；开启电动排气阀(808)，压力容器(4)开始卸压，蒸气夹带空气喷出压力容器(4)，待压力容器(4)内压力接近常压后关闭电动排气阀(808)；此时压力容器内空气浓度降低，重复上述抽真空、升压、排气操作三次，近似看做压力容器内空气排尽；

开启电动排气阀(808)数据采集系统，开始记录压力容器内压力、混合液位、坍塌液位以及水封结构试验段(5)处的温度、压差变化；由于等效安全阀散热肋片的散热以及传热管道第三差压变送器(1003)中出现突变时，判定为水封形成；随着蒸气进一步由于等效安全阀散热肋片散热发生冷凝，水封结构试验段(5)内液位逐渐上升，水封结构试验段(5)沿轴向分别布置的多个温度传感器分别检测水封结构处的温度变化；待冷凝液完全充满水封试验段(5)，试验结束，停止数据采集；开启第二排水阀(810)和第一排水阀(809)，排尽水封结构试验段(5)内水，关闭第二排水阀(810)和第一排水阀(809)；调节压力容器(4)内加热棒功率，进入下一个试验工况；更换水封结构试验段(5)的等效安全阀散热肋片为石英玻璃后进行上述操作，观测水封形成前后现象；

3)不凝性气体对水封影响实验

开启主回路前，开启第一排污阀(802)、第二排污阀(804)和电动排气阀(808)，保持其余阀门关闭；待加热水箱(3)和压力容器(4)水排尽后，关闭第一排污阀(802)和第二排污阀(804)；开启去离子制水系统(1)，开启第一流量控制阀(801)以及第一补水泵(201)，向加热水箱(3)补水；通过加热水箱(3)上第一差压变送器(1001)检测水位，待加热水箱中水位达到加热水箱上端后，关闭第一流量控制阀(801)和第一补水泵(201)，开启加热水箱(3)中加热棒，将加热水箱的水温提高到70-80℃后，关闭加热水箱(3)中加热棒；实验预加热模块完成工作；

开启高温泵(202)和第二流量控制阀(803)向压力容器(4)补水，通过压力容器(4)上的第二差压变送器(1002)检测压力容器液位高度，待液位达到压力容器3/5高度时，停止补水；关闭高温泵(202)和第二流量控制阀(803)，同时关闭电动排气阀(808)，开启真空泵控制阀(805)以及真空泵(6)，对压力容器(4)及水封结构试验段(5)进行抽真空处理；压力容器(4)内压力达到真空泵(6)抽真空极限时，停止真空泵(6)和关闭真空泵控制阀(805)；开启压力容器(4)内加热棒，压力容器(4)开始升压，待压力容器表压达到0.15MPa时，关闭压力容器(4)内加热棒；开启电动排气阀(808)，压力容器(4)开始卸压，蒸气夹带空气喷出压力容器(4)，待压力容器(4)内压力接近常压后关闭电动排气阀(808)；此时压力容器内空气浓度降低，重复上述抽真空、升压、排气操作三次，近似看做压力容器内空气排尽；关闭压力容器(4)出口的电动排气阀(808)，开启不凝结气体进口阀(806)和加压阀(807)，氮气、氦气和氢气从不凝结气体气瓶(7)通过不凝结气体进口阀(806)和加压阀(807)充入压力容器(4)，通过控制加压阀(807)开度，控制不凝结气体气瓶(7)出口压力，确定进入压力容器(4)内不凝结气体的含量；

开启NI数据采集系统，开始记录压力容器(4)内压力、混合液位、坍塌液位以及水封结构试验段(5)处的温度、压差变化；由于等效安全阀散热肋片的散热以及传热管道第三差压变送器(1003)中出现突变时，判定为水封形成；随着蒸气进一步由于等效安全阀散热肋片散热发生冷凝，水封结构试验段(5)内液位逐渐上升，水封结构试验段(5)沿轴向分别布置的多个温度传感器分别检测水封结构处的温度变化；待冷凝液完全充满水封结构试验段(5)，实验结束，停止数据采集；开启排水阀(810)和排水阀(809)，排尽水封结构试验段(5)内的水，关闭排水阀(810)和排水阀(809)；。调节压力容器(4)内加热棒功率，进入下一个试验工况；更换水封结构试验段(5)的等效安全阀散热肋片为石英玻璃后进行上述操作，观测水封形成前后现象。