一種核電站非能動冷卻系統演示裝置的制作方法

本發明涉及一種演示裝置，具體涉及一種核電站非能動冷卻系統演示裝置，屬于非能動裝置技術領域。

背景技術：

目前，常用核電站超設計基準事故緩解方法都是通過能動方式對安全殼內進行噴淋或對反應堆堆腔進行注水，以降低安全殼和壓力容器的溫度和壓力。但是，現有方法都對冷源和電源等支持系統的依賴性很高，一旦核電站發生全廠斷電或最終熱阱喪失等超設計基準事故，就會因為不能及時引入外部冷源和電源而無法對安全殼進行冷卻，導致最為嚴重的核泄漏事故。雖然有些核電站本著多樣性設計理念，也設置了應急柴油機作為電源，但著并不能完全滿足冷卻系統的用電需求，而且也無法保證冷源，所以仍舊無法確保安全殼的安全。

為解決上述問題，西屋公司在已開發的非能動先進壓水堆AP600的基礎上開發了AP1000。AP1000是Advanced Passive PWR的簡稱，1000為其功率水平(百萬千瓦級)，該堆型為西屋公司設計的3代核電堆型。2015年中國進入核電重啟的關鍵之年，以華龍一號、AP1000和CAP1400為代表的三代核電技術將引領中國未來核電規模化發展的主流。

AP1000的主要安全系統，如余熱排出系統、安注系統、安全殼冷卻系統等，均采用非能動設計，系統簡單，不依賴交流電源，無需能動設備即可長期保持核電站安全，非能動式冷卻顯著提高安全殼的可靠性、安全裕度大，針對嚴重事故的設計可將損壞的堆芯保持在壓力容器內，避免放射性釋放。

由于對上述非能動系統的研究尚處于起步階段，如何提高非能動系統的效率為業界的主要研究方向。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種核電站非能動冷卻系統演示裝置，非能動系統工作效率高、能耗低并且具有演示作用，便于研究核電站故障時使用的非能動冷卻系統和開展非能動冷卻系統的知識普及工作。

實現本發明目的所采用的技術方案為，一種核電站非能動冷卻系統演示裝置，包括安裝基座，控制單元，以及通過循環管路相互連通的加熱單元、冷卻水箱和演示單元，加熱單元、冷卻水箱和演示單元均位于安裝基座上，冷卻水箱位于演示單元與加熱單元的上方；所述循環管路包括上升管路、第一下降管路和第二下降管路，加熱單元與冷卻水箱通過上升管路連通，冷卻水箱與演示單元通過第一下降管路連通，演示單元與加熱單元通過第二下降管路連通，第二下降管路和上升管路靠近加熱單元的部位上分別安裝有進水電磁閥和出水電磁閥；所述加熱單元包括加熱罐和1個以上電加熱管，電加熱管安裝于加熱罐內腔的頂部；所述冷卻水箱的頂部開口與大氣連通；所述演示單元包括葉輪、主軸、2個支架、2個限位塊和透明的演示視窗，演示視窗連通第一下降管路與第二下降管路，主軸的兩端分別通過2個支架固定于演示視窗中，葉輪安裝于主軸上并且與主軸間隙配合，2個限位塊均緊密固定于主軸上并且位于葉輪的上下兩側；所述控制單元包括控制器、壓力變送器和溫度變送器，壓力變送器和溫度變送器均安裝于加熱罐頂部的出水口處，進水電磁閥、出水電磁閥、電加熱管、壓力變送器和溫度變送器均與控制器電性連接。

所述安裝基座包括底座、門式框架和透明外殼，門式框架安裝于底座上，透明外殼固定于門式框架側面的上部，冷卻水箱放置于門式框架的頂部，演示單元與加熱單元封裝于門式框架內。

所述控制單元由控制器、人機界面、固態繼電器、壓力變送器、水位傳感器和2個溫度變送器構成，水位傳感器安裝于冷卻水箱的底部，2個溫度變送器分別安裝于加熱罐頂部的出水口處和冷卻水箱底部的出水口處，人機界面、壓力變送器、水位傳感器和2個溫度變送器均連接控制器的輸入端，進水電磁閥和出水電磁閥均連接控制器的輸出端，控制器通過固態繼電器控制電加熱管。

所述加熱罐內部安裝有3個并聯的電加熱管。

所述演示視窗為直徑大于循環管路管徑的法蘭管，演示視窗與第一下降管路和第二下降管路均法蘭連接，位于演示視窗兩端的法蘭之間安裝有2根以上支撐柱。

所述支架為三角支架，支架與主軸過盈配合，支架的三足抵緊演示視窗的管壁。

所述第一下降管路上安裝有節流閥，冷卻水箱的底部安裝有排水閥。

由上述技術方案可知，本發明提供的核電站非能動冷卻系統演示裝置，包括安裝基座、控制單元、加熱單元、冷卻水箱和演示單元，控制單元用于控制電加熱管的加熱溫度和加熱時間，根據壓力變送器和溫度變送器采集的信號控制加熱單元水溫，并且控制進水電磁閥和出水電磁閥的開關，加熱單元、冷卻水箱和演示單元通過循環管路相互連通，形成一個完整的非能動循環演示回路；循環管路包括上升管路、第一下降管路和第二下降管路，第二下降管路和上升管路靠近加熱單元的部位上分別安裝有進水電磁閥和出水電磁閥，通過兩個電磁閥封閉加熱單元，在加熱單元內部形成一個密閉的壓力環境，加熱單元用于模擬核反應堆，加熱單元包括加熱罐和1個以上電加熱管，電加熱管安裝于加熱罐內腔的頂部，加熱罐為用不銹鋼按一定比例縮小制成的外形與核反應堆相同的容器，電加熱管相當于核燃料，模擬核反應堆內由核燃料產生熱量這一物理過程，未加熱時，兩個電磁閥封閉的部分(主要為加熱罐內部)為一壓力平衡的環境，當電加熱管得電發熱時，電加熱管將加熱罐頂部的水加熱，加熱罐頂部的水升溫后密度降低、水壓降低，而加熱罐底部水壓不變，由于加熱罐的進出水口均被電磁閥封閉，在加熱罐內部即形成一個壓差環境，該壓差即為非能動系統的初始動力，由于兩個電磁閥的封堵從而保證外部水不會破壞加熱罐內部壓差環境，因此加熱罐內部的溫差超過20°即可提供非能動系統的初始動力，常溫下加熱罐頂部的水加熱至65°時即可觀察到明顯的水循環，加熱單元以及兩個電磁閥的設計大大降低了形成非能動系統的初始動力的加熱溫度，使得該系統應用于實際核電站中時可極大提高非能動冷卻系統的冷卻效率，具有極高的實用價值。

非能動系統的循環效果通過演示單元顯示，演示單元包括葉輪、主軸、2個支架、2個限位塊和透明的演示視窗，演示視窗連通第一下降管路與第二下降管路，為下降管路的一部分，主軸的兩端分別通過2個支架固定于演示視窗中，葉輪安裝于主軸上并且與主軸間隙配合，主軸為固定件、葉輪為轉動件，通過主軸限制葉輪在水平方向的移動自由度和在豎直方向上的轉動自由度，2個限位塊均緊密固定于主軸上并且位于葉輪的上下兩側，2個限位塊限制葉輪在主軸上的縱向位置(在豎直方向的移動自由度)，防止葉輪在水流沖刷下上下竄動，因而葉輪只有在水平方向上的轉動自由度，由于葉輪自身具有一定硬度，不過受水流影響變形，因此葉輪的轉動可直觀反映水流的流速，其轉動快慢可直接反應水流流速的大小，從而也直接演示和說明了“非能動”這一物理現象。

所述控制單元由控制器、人機界面、固態繼電器、壓力變送器、水位傳感器和2個溫度變送器構成，控制器通過固態繼電器控制電加熱管主回路通斷，固態繼電器可以高頻率通斷且無聲響無火花，提高系統安全性能、降低運行噪音；水位傳感器安裝于冷卻水箱的底部，防止加熱罐無水通電(干燒)，在人機界面上設有參數設置畫面，在此畫面上可以對最低水位進行設定，當水箱水位低于設定值時，系統報警且自動切斷電加熱器主回路，并提示需要注水；2個溫度變送器分別安裝于加熱罐頂部的出水口處和冷卻水箱底部的出水口處，能直接檢測到電加熱器將加熱罐內的水加熱時的水溫(出水溫度)和檢測水流循環時回水溫度，出水溫度反映出模擬反應堆內余熱，而回水溫度反映出熱交換后反應堆內帶出熱量的多少；壓力變送器安裝于加熱罐的出水口處，靜態時反映的是冷卻水箱水壓，動態時(加熱時)反映的是模擬反應堆水的膨脹與水箱水壓的差值，正是由于這個差值的存在使得非能動循環得以實現。

演示視窗為直徑大于循環管路管徑的法蘭管，為保證其自身結構強度，在其兩端的法蘭之間安裝支撐柱；主軸的固定采用三角支架，三角支架與主軸過盈配合，支架的三足抵緊演示視窗的管壁，結構簡單，易于拆裝，三角支架對水流流動的影響小。

為了防止發生人員燙傷事故，在門式框架側面的上部裝有透明外殼，既不影響觀察又能有效防止參觀人員發生意外燙傷事故；第一下降管路上安裝有節流閥，可以手動調節流量以便讓觀察者更清晰地觀察到水流現象；冷卻水箱的底部安裝有排水閥，既能排空冷卻水箱的水又能從該處對冷卻水箱注水。

附圖說明

圖1為本發明提供的核電站非能動冷卻系統演示裝置的結構示意圖。

圖2為演示單元的結構示意圖。

圖3為演示單元的AA向截面圖。

其中，1-冷卻水箱，2-加熱罐，3-電加熱管，4-演示視窗，5-葉輪，6-主軸，7-支架，8-上升管路，9-第一下降管路，10-第二下降管路，11-進水電磁閥，12-出水電磁閥，13-底座，14-門式框架，15-透明外殼，16-壓力變送器，17-出水溫度變送器，18-回水溫度變送器，19-排水閥，20-水位傳感器，21-節流閥，22-控制器，23-人機界面，24-支撐柱，25-法蘭，26-限位塊。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細具體說明，本發明的內容不局限于以下實施例。

本發明提供的核電站非能動冷卻系統演示裝置，其結構如圖1所示，包括安裝基座、控制單元、加熱單元、冷卻水箱1和演示單元，所述安裝基座包括底座13、門式框架14和透明外殼15，門式框架14安裝于底座1上，透明外殼15固定于門式框架側面的上部，透明外殼15選用10mm厚的無色透明有機玻璃，冷卻水箱1放置于門式框架14的頂部，冷卻水箱1的頂部開口與大氣連通，冷卻水箱1的底部安裝有排水閥19，演示單元與加熱單元封裝于門式框架內、位于冷卻水箱1的下方；加熱單元、冷卻水箱和演示單元通過循環管路相互連通，所述循環管路包括上升管路8、第一下降管路9和第二下降管路10，加熱單元與冷卻水箱通過上升管路連通，冷卻水箱與演示單元通過第一下降管路連通，演示單元與加熱單元通過第二下降管路連通，第一下降管路上安裝有節流閥21，第二下降管路和上升管路靠近加熱單元的部位上分別安裝有進水電磁閥11和出水電磁閥12；所述加熱單元包括加熱罐2和3個并聯的功率為1.8KW/220V的電加熱管3，電加熱管3安裝于加熱罐2內腔的頂部；

參見圖2和圖3，所述演示單元包括葉輪5、主軸6、2個三角支架7、2個限位塊26和透明的演示視窗4，所述演示視窗4為直徑大于循環管路管徑的法蘭管，演示視窗4與第一下降管路9和第二下降管路10連通并且均采用法蘭連接，位于演示視窗4兩端的法蘭25之間安裝有4根支撐柱24，主軸6的兩端分別通過2個三角支架7固定于演示視窗中，三角支架7與主軸6過盈配合，三角支架7的三足抵緊演示視窗的管壁，葉輪5安裝于主軸6上并且與主軸間隙配合，2個限位塊26均緊密固定于主軸6上并且位于葉輪5的上下兩側；

所述控制單元由控制器22、人機界面23、固態繼電器、壓力變送器16、水位傳感器20、出水溫度變送器17和回水溫度變送器18構成，水位傳感器20安裝于冷卻水箱1的底部，出水溫度變送器17和回水溫度變送器18分別安裝于加熱罐2頂部的出水口處和冷卻水箱底部的出水口處，控制器為Inovance PLC(主模塊為H2U-1010MT-XP擴展模塊為H2U-4AD)，配以Inovance 10.4吋彩色觸摸屏作為人機界面，人機界面23、壓力變送器16、水位傳感器20、出水溫度變送器17和回水溫度變送器18均連接控制器22的輸入端，進水電磁閥和出水電磁閥均連接控制器的輸出端，控制器通過固態繼電器控制電加熱管的加熱主回路。

實際使用時，在PLC控制器中寫入對應程序，控制器控制電加熱器加熱主回路導通，加熱罐頂部水被加熱，此時進水電磁閥關閉，也就是說加熱罐(模擬反應堆)內水的膨脹只能朝著出水口方向進行，當加熱罐(模擬反應堆)內的溫度達到一定程度時(通常高于65℃)，打開底部進水電磁閥，在加注在進出水口處水箱水壓不等的條件下，加熱罐(模擬反應堆)內的熱水就會源源不斷地流向冷卻水箱，而冷卻水箱的冷水(即溫度低于反應堆內熱水溫度)又會源源不斷地補充至反應堆內，這樣就模擬了核反應堆在出現故障時，堆內余熱將會自動從反應堆內交換出，從而保證了反應堆的安全；在我們的演示裝置上呈現的是觀察窗內葉輪的連續轉動；這個現象正好說明了連續水流，也就演示了“非能動”現象；達到演示溫度后，同時控制器控制人工界面屏幕自動切換到演示畫面，在畫面上將顯示非能動動畫，用于知識普及。