甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置製造方法
2023-09-22 07:53:30 1
甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置製造方法
【專利摘要】本發明的目的在於提供甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，預熱器和汽水分離器分別安裝在實驗段的兩端，儲水箱通過管路分別與冷凝器和預熱器相連，預熱器通過高壓泵與實驗段相連，實驗段出口安裝自力式壓力流量組合閥。實驗段上安裝有雙頭電導探針、壓力傳感器、孔板流量計、應力應變片以及鎧裝熱電偶。本發明採用一次側高溫、高壓流體加熱二次側流體的方法，實驗段U型管束採用正方形布置，能更好的反映實際蒸汽發生器汽液兩相流的特點，通過對同一位置溫度和應力的測量，研究傳熱管在外力、溫度共同作用下，應力應變的變化規律，揭示甩負荷引起的特定擾動下蒸汽發生器傳熱管破損機制。
【專利說明】甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種試驗裝置，具體地說是兩相流試驗裝置。
【背景技術】
[0002]蒸汽發生器是核動力一、二迴路進行換熱的關鍵設備，其傳熱管壁厚僅為Imm左右，是一迴路壓力邊界最薄弱的環節。船用核動力蒸汽發生器由於船舶機動性要求和汽輪機甩負荷條件的影響，運行功率變化頻繁且幅度較大，蒸汽發生器流量多發生高頻周期性波動，促使管壁溫度熱力型脈動，進而引發熱應力的周期性交替變化，導致傳熱管應力破損。交變熱應力不僅受汽液兩相流流動不穩定性單獨作用，還與沸騰危機、臨界熱負荷等傳熱惡化現象密切相關。當沸騰傳熱發生惡化時，傳熱管表面汽、液交替接觸，導致換熱係數急劇變化，引起熱流密度大幅度振蕩，傳熱管壁產生交變熱應力，從而導致傳熱管應力破裂。在這種甩負荷擾動的運行條件下，船用蒸汽發生器傳熱管破損是常發事故。甩負荷擾動下蒸汽發生器傳熱管應力腐蝕破損的研究仍存在諸多問題，單純二次側應力腐蝕及晶間應力腐蝕實驗與機理層面的研究不能從本質上揭示甩負荷引起的特定擾動下蒸汽發生器傳熱管破損機制，傳熱管破損的誘發機理亟待進一步探究。
[0003]目前，國內外學者對核電站甩負荷進行了研究，但是，研究主要集中在對陸基核電站負荷變化時，控制系統和調節系統隨負荷變化的應變能力的驗證，甩負荷對蒸汽發生器內的兩相流動不穩定性與交變熱應力的影響尚不清楚。越來越多的國內外專家認識到甩負荷特定擾動下蒸汽發生器二迴路複雜的汽液兩相流動不穩定性、沸騰傳熱惡化與交變熱應力作用機制及規律等方面的研究是短缺的，而這些正是解析甩負荷擾動對傳熱管交變熱應力作用規律、防止傳熱管應力破損及提高蒸汽發生器安全性的關鍵。然而，對甩負荷條件下的兩相流動不穩定性和交變熱應力的研究未見公開發表的文獻，沒有現成的可實現相關功能的實驗裝置。
[0004]本發明通過採用PLC系統控制的快開快關閥門實現不同做功方式甩負荷條件下兩相流動不穩定性和交變熱應力的研究。旨在揭示甩負荷擾動對蒸汽發生器汽液兩相流動不穩定性、熱力型脈動及交變熱應力變化特徵與影響因素，最終提出蒸汽發生器兩相流不穩定性與傳熱管交變熱應力預測模型與方法。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供揭示甩負荷擾動對蒸汽發生器汽液兩相流動不穩定性、熱力型脈動及交變熱應力變化特徵與影響因素的甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置。
[0006]本發明的目的是這樣實現的:
[0007]本發明甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，其特徵是:包括實驗段、預熱器、冷凝器、汽水分離器、儲水箱，預熱器和汽水分離器分別與實驗段的入口端和出口端連通，儲水箱通過分別與冷凝器和預熱器連通，汽水分離器與冷凝器和儲水箱分別連通；實驗段包括筒體和安裝在筒體內的U型管束，實驗段的入口端包括一次側入口和二次側入口，出口端包括汽水分離出口和一次側出口，所述的一次側入口與U型管的一端連通，一次側出口與U型管的另一端相連通，從而形成一次側迴路，預熱器與二次側入口連通，汽水分離器與汽水分離出口連通，U型管與筒體之間形成二次側流域，預熱器、二次側入口、二次側流域、汽水分離出口、汽水分離器、冷凝器、預熱器依次連通形成二次側迴路。
[0008]本發明還可以包括:
[0009]1、所述的U型管包括A類U型管和B類U型管，A類U型管上布置有測點，測點的位置包括:U型管的彎管頂點處以及該頂點的兩側各取一個截面，每個截面上各設置三個測點，在U型管的兩個直管與彎管連接處各設置一個測點，在兩個直管的中部各設置一個測點；測點均連接數據採集系統。
[0010]2、所述的U型管束包括8個U型管，採用正方形布置，其中包括3個A類U型管和5個B類U型管，U型管束的橫截面組成圓形區域裡，圓的一個直徑上布置2個A類U型管，該直徑上方位於圓的邊緣處設置I個A類U型管，在該直徑與該圓邊緣處中間的橫向位置處設置2個B類U型管，在直徑下方對稱布置有3個B類U型管。
[0011]3、筒體的上、中、下三個位置上設置引壓孔，上、下引壓孔安裝壓差傳感器，中引壓孔安裝壓力傳感器，筒體上還裝有液位傳感器。
[0012]4、筒體的上引壓孔下方和中引壓孔下方均設置含汽率和表觀流速測量設備。
[0013]5、預熱器和二次側入口之間的管路上依次安裝Y型過濾器、孔板流量計；一次側入口的入口管路上依次安裝Y型過濾器、孔板流量計；汽水分離器和實驗段之間的管路上安裝自力式壓力流量組合閥，自力式壓力流量組合閥通過PLC控制系統調節。
[0014]本發明的優勢在於:
[0015]1、本發明採用PLC控制系統通過控制閥門開關速度和閥門流通面積，調節快開快關閥門的運行特性，測量相關熱工水力參數，實現不同做功方式引起的負荷擾動下兩相流動不穩定性與交變熱應力研究。
[0016]2、本發明不同於均勻熱流的電加熱方式，採用一次側高溫、高壓流體加熱二次側流體的方法，同時，實驗段U型管束採用正方形布置以研究管束間汽液兩相流不穩定性。因此，實驗段的設計能更好的反映實際蒸汽發生器汽液兩相流的特點。
[0017]3、本發明通過對同一位置溫度和應力的測量，研究傳熱管在外力、溫度共同作用下，應力應變的變化規律，揭示甩負荷引起的特定擾動下蒸汽發生器傳熱管破損機制。
[0018]4、本發明通過對汽液兩相流中溫度、壓力、應力、含汽率、表觀流速等多個關鍵參數的測量，綜合分析甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力的規律及影響因素。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的結構示意圖；
[0020]圖2為本發明的實驗段示意圖；
[0021 ] 圖3為本發明的U型管束截面示意圖。【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述:
[0023]結合圖1?3，本發明包括儲水箱1、預熱器2、實驗段3、自力式壓力流量組合閥4、汽水分離器5、冷凝器6、數據採集系統及計算機7、高壓泵8-9、Y型過濾器10-11、孔板流量計12-13、PLC控制系統14。溫度和應力測量位置S1-S7，含汽率測量孔0P，壓力、壓差測量孔P。預熱器2和汽水分離器5分別安裝在實驗段3的兩端，儲水箱I通過管路分別與冷凝器5和預熱器2相連，實驗段出口安裝自力式壓力流量組合閥4。實驗段上設有含氣率測量孔OP和壓力壓差測量孔P。二次側給水與汽水分離器5分離出來的再循環水混合後，由高壓泵8輸送至預熱器2預熱，通過給水環分配到U型管束與筒體之間的實驗段流道內，沿管間流道向上流動，吸收一次側增壓鍋爐提供的高溫、高壓水的熱量，被加熱至沸騰，產生蒸汽，在離開管束時，含汽率達到最高值。然後汽水混合物離開實驗段3後進入汽水分離器5，經汽水分離器5分離的蒸汽進入冷凝器6，分離出來的水直接通入給水管道，冷凝水與給水混合後，經過預熱器2預熱，由高壓泵8輸送到實驗段3，形成循環。
[0024]啟動甩負荷擾動綜合實驗臺，採用流量調節閥和旁通閥控制一、二迴路流體的質量流量和壓力，控制預熱器功率調節實驗段進口的流體溫度，在無甩負荷擾動條件下，進行管束間汽液兩相流流動實驗、水動力循環實驗、熱工性能實驗，測量相關熱工水力參數。
[0025]根據無甩負荷條件下實驗測量系統測量的實驗段壓力、水位、質量流量、含汽率、壁溫等參數，採用PLC控制系統在2?3s的工作時間按汽機甩負荷特性調節出口處快開快關閥門，改變實驗段出口處的自力式壓力流量組合閥的運行特性，即調節閥門開關速度和閥門流通面積，進行不同做功方式引起的甩負荷擾動實驗。
[0026]實驗中，調節自力式壓力流量組合閥，同時觀察壁溫和流量的變化，當壁溫呈現出大幅度波動，出口流量也隨之進行振蕩時，即出現熱力型脈動。此時，沸騰傳熱發生惡化，傳熱管表面汽、液交替接觸，導致換熱係數急劇變化，引起熱流密度大幅度振蕩，管壁溫度出現脈動，進而引發熱應力的周期性交替變化。通過數據採集系統記錄的數據，分析甩負荷引起的熱力型脈動對交變熱應力的影響規律。交變熱應力不僅受汽液兩相流流動不穩定性單獨作用，還與沸騰危機、臨界熱負荷等傳熱惡化現象密切相關。結合溫度和含汽率等參數，研究沸騰危機、臨界熱負荷等傳熱惡化現象對傳熱管交變熱應力的影響。通過與無擾動實驗測量數據的對比，揭示甩負荷擾動對流動振蕩、熱力脈動和交變熱應力、應變的影響規律性。
[0027]基於汽機甩負荷運行特性調控實驗段出口處快開快關閥門，進行不同做功方式引起的甩負荷擾動實驗，測量表徵流動不穩定性、熱力型振蕩及交變熱應力的參數，研究不同做功方式對兩相流不穩定性與傳熱管交變熱應力的影響。
[0028]通過對不同做功方式甩負荷擾動下實驗段流量、壓力、溫度、應力、含汽率、表觀流速等關鍵參數的測量，進行甩負荷擾動下管束間汽液兩相流動與傳熱特性的研究，探討甩負荷擾動下管束間汽液兩相流傳熱特性與常規通道傳熱特性的區別。通過對實驗數據的處理與分析，研究甩負荷引起的特定擾動下通道壓力、管壁溫度、含汽率對傳熱管腐蝕破損的作用規律及其影響因素。
[0029]實驗段由下封頭、管板、U形管束、汽水分離裝置及筒體組件等組成。包括一次側和二次側，U型管內為一次側流域，通入高溫高壓的水，U型管與筒體之間為二次側流域，二次側入口為過冷水，二次側給水由給水泵輸送至給水接管，通過給水環分配到U型管束與外筒體之間的實驗段通道內，在這裡與由汽水分離器分離出來的再循環水混合後，一起向上流動，沿管間流道向上吸收一次側的熱量，被加熱至沸騰，產生蒸汽，在離開管束時，含汽率達到最高值。然後汽水混合物離開傳熱管束後進入汽水分離器，經汽水分離器的蒸汽進入冷凝器，冷凝水經過預熱器由給水泵輸送到實驗段，形成循環。
[0030]所述的實驗段由筒體和U型管束組成，為準確反映實際蒸汽發生器兩相流動特點，實驗段由8根U型傳熱管與圓形筒體組成二次側汽液兩相流區域，U型管內為一次側高溫高壓單相流體，用以加熱二次側流體，U型管外徑22mm，壁厚2mm，管間距為28mm。筒體與管道之間採用法蘭連接。
[0031]所述的甩負荷擾動系統採用實驗段出口安裝的自力式壓力流量組合閥控制出口快開快關狀態，模擬不同做功方式甩負荷擾動條件。閥門工作特性為快開快關特性；最大流量 1.59m3/min，進 口壓力 4MPa，出 口壓力 0.1 ?4MPa。
[0032]所述的應力和溫度測量設備分別採用鎳鉻合金應變片和鎧裝熱電偶。為了捕捉並反映汽液兩相流的不穩定性，根據計算結果，將測點布置在膜態沸騰區域以及臨界熱負荷可能發生的區域，以獲得兩相流不穩定性發生時管壁溫度振蕩和交變熱應力的變化規律。如圖3所示，在黑色的3根U型管同一位置上布置溫度和應力測點，每根U型管直管段測量面(SI，S2，S6，S7)上布一個測點，彎管段每個測量截面(S3，S4, S5)上布三個測點，整個截面處的壁溫取三個點溫度的算術平均值。通過觀察壁溫和流量的變化來判斷兩相流不穩定性是否發生，當壁溫呈現出大幅度波動，出口流量也隨之進行振蕩時，即出現熱力型脈動。此時，沸騰傳熱發生惡化，傳熱管表面汽、液交替接觸，導致換熱係數急劇變化，引起熱流密度大幅度振蕩，管壁溫度出現脈動，進而引發熱應力的周期性交替變化。通過數據採集系統記錄的數據，分析甩負荷引起的熱力型脈動對交變熱應力的影響規律。同時，鎧裝熱電偶安裝在實驗段進出口管路上，測量進出口流體溫度。
[0033]所述的一、二迴路工質流量採用孔板流量計測量，安裝在實驗段的入口處，每個流量計用閥門進行開關和流量控制，在流量計上遊安裝「Y」型過濾器，防止雜質堵塞。
[0034]所述的壓力及水位測量設備，在實驗段筒體上、中、下三個位置上設引壓孔，上、下引壓孔接壓差傳感器，中間引壓孔接壓力傳感器，實驗段裝有液位傳感器測量實驗段水位高度。兩相流的不穩定性與壓力和壓差密切相關，通過溫度和壓力的變化來判斷兩相流不穩定性的類型。同時，觀察水位來預測膜態沸騰發生的區域。
[0035]所述的含汽率和表觀流速測量設備，二迴路平均截面含汽率和汽泡表觀流速採用雙頭電導探針測量，裝在實驗段筒體中部和上部的測量孔OP處，其控制電路將測量信號轉換為方波信號並判斷信號的有效性，進行統計計算。含汽率和滑速比是汽液兩相流動中的重要參數，兩相流不穩定性中的熱力型脈動一般發生在質量含汽率超過47%時，同時，含汽率還與膜態沸騰和臨界熱負荷密切相關。
[0036]所述的數據採集系統採用數據採集系統記錄各個測量參數電信號，實現數據採集。
【權利要求】
1.甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，其特徵是:包括實驗段、預熱器、冷凝器、汽水分離器、儲水箱，預熱器和汽水分離器分別與實驗段的入口端和出口端連通，儲水箱通過分別與冷凝器和預熱器連通，汽水分離器與冷凝器和儲水箱分別連通；實驗段包括筒體和安裝在筒體內的U型管束，實驗段的入口端包括一次側入口和二次側入口，出口端包括汽水分離出口和一次側出口，所述的一次側入口與U型管的一端連通，一次側出口與U型管的另一端相連通，從而形成一次側迴路，預熱器與二次側入口連通，汽水分離器與汽水分離出口連通，U型管與筒體之間形成二次側流域，預熱器、二次側入口、二次側流域、汽水分離出口、汽水分離器、冷凝器、預熱器依次連通形成二次側迴路。
2.根據權利要求1所述的甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，其特徵是:所述的U型管包括A類U型管和B類U型管，A類U型管上布置有測點，測點的位置包括:U型管的彎管頂點處以及該頂點的兩側各取一個截面，每個截面上各設置三個測點，在U型管的兩個直管與彎管連接處各設置一個測點，在兩個直管的中部各設置一個測點；測點均連接數據採集系統。
3.根據權利要求2所述的甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，其特徵是:所述的U型管束包括8個U型管，採用正方形布置，其中包括3個A類U型管和5個B類U型管，U型管束的橫截面組成圓形區域裡，圓的一個直徑上布置2個A類U型管，該直徑上方位於圓的邊緣處設置I個A類U型管，在該直徑與該圓邊緣處中間的橫向位置處設置2個B類U型管，在直徑下方對稱布置有3個B類U型管。
4.根據權利要求1-3任一所述的甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，其特徵是:筒體的上、中、下三個位置上設置引壓孔，上、下引壓孔安裝壓差傳感器，中引壓孔安裝壓力傳感器，筒體上還裝有液位傳感器。
5.根據權利要求1-3任一所述的甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，其特徵是:筒體的上引壓孔下方和中引壓孔下方均設置含汽率和表觀流速測量設備。
6.根據權利要求4所述的甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，其特徵是:筒體的上引壓孔下方和中引壓孔下方均設置含汽率和表觀流速測量設備。
7.根據權利要求1-3任一所述的甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，其特徵是:預熱器和二次側入口之間的管路上依次安裝Y型過濾器、孔板流量計；一次側入口的入口管路上依次安裝Y型過濾器、孔板流量計；汽水分離器和實驗段之間的管路上安裝自力式壓力流量組合閥，自力式壓力流量組合閥通過PLC控制系統調節。
8.根據權利要求4所述的甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，其特徵是:預熱器和二次側入口之間的管路上依次安裝Y型過濾器、孔板流量計；一次側入口的入口管路上依次安裝Y型過濾器、孔板流量計；汽水分離器和實驗段之間的管路上安裝自力式壓力流量組合閥，自力式壓力流量組合閥通過PLC控制系統調節。
9.根據權利要求5所述的甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，其特徵是:預熱器和二次側入口之間的管路上依次安裝Y型過濾器、孔板流量計；一次側入口的入口管路上依次安裝Y型過濾器、孔板流量計；汽水分離器和實驗段之間的管路上安裝自力式壓力流量組合閥，自力式壓力流量組合閥通過PLC控制系統調節。
10.根據權利要求6所述的甩負荷擾動下管束間兩相流不穩定性與交變熱應力研究試驗裝置，其特徵是:預熱器和二次側入口之間的管路上依次安裝Y型過濾器、孔板流量計；一次側入口的入口管路上依次安裝Y型過濾器、孔板流量計；汽水分離器和實驗段之間的管路上安裝自力式壓力流量組.合閥，自力式壓力流量組合閥通過PLC控制系統調節。
【文檔編號】G01M10/00GK103471810SQ201310421288
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】孫寶芝, 楊柳, 李彥軍, 宋福元, 楊龍濱, 張國磊, 李曉明, 張鵬 申請人:哈爾濱工程大學