CN106568887A - 一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置，它包括安全罐、实验管段、气体供应系统、排气系统、加热保温系统、喷淋系统、数据采集系统、控制系统、点火器和高速摄像机。实验管段安装在安全罐内，实验管段内设有易于更换的障碍物，气体供应系统预先将氢气、空气和水蒸汽混合均匀后充入安全罐或实验管段进行燃烧实验，排气系统用于排出实验装置内的废气，加热保温系统可控制初始气体温度，喷淋系统为实验装置提供喷淋水环境，利用数据采集系统采集、处理传感器信号以获取实验数据，通过控制系统在线监测、控制实验装置各子系统和设备。本发明具有安全性高、实验功能多等优点，可用于核电站安全壳内氢气燃烧特性研究。

Description

一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置

技术领域

本发明涉及核电站安全壳内氢气安全的技术领域，尤其涉及一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置。

背景技术

轻水反应堆在严重事故期间，由于锆-水反应、水的辐照分解以及堆芯熔融物与混凝土的反应，将产生大量氢气进入安全壳内与空气混合，极有可能形成可燃性混合气体，在较小能量的点火源下会产生燃烧甚至发生爆炸，形成较大的压力载荷，对安全壳的完整性构成极大威胁，放射性裂变产物因此可能会释放到环境中，造成严重危害。1979年美国三里岛核事故中，堆芯产生的氢气在安全壳内积聚并燃烧，损坏了安全壳内的部分设备，对安全壳的完整性构成了直接威胁。2011年日本福岛核事故中，安全壳内产生大量氢气，并且在屏蔽厂房内发生了严重的氢气爆炸，炸毁了厂房结构，大量外泄的放射性物质对周围区域造成了严重污染，再次证明了核电站事故情况下氢气燃爆可能导致严重事故后果。

由于在严重事故情况下，安全壳内产生含氢气的混合气体。一方面，由于安全壳内不可避免地存在随机点火源，例如电火花、裸露电缆、局部高温等，可能造成氢气自燃或爆炸；另一方面，现有不少安全壳内采用氢点火器作消氢设备，在一定氢气浓度范围内主动点燃安全壳内积聚的氢气，将氢气浓度保持在可燃限值以下，这也涉及到安全壳内氢气燃烧问题。安全壳内结构复杂，含有许多隔间，并且隔间内安装大量设备，对于氢气燃烧起着障碍物的作用。火焰经过有障碍物通道时，障碍物可能有两方面作用：一是障碍物对燃烧火焰过大扰动以及障碍物的阻塞作用对火焰传播具有抑制作用；二是障碍物会增强扰动，燃烧和湍流的耦合又会激发正反馈机制，导致火焰速度不断上升，直至最终发生燃爆转变，压力载荷激增，对设备造成损坏。因此，研究障碍物对氢气燃烧特性的影响具有重要意义，可以通过合理设计障碍物结构，减小氢气燃爆危害甚至避免氢气燃爆。

安全壳喷淋系统是核电站专设安全设施之一，当核电站发生严重事故时，它可以降低安全壳的温度和压力，以确保安全壳的完整性。不过由于喷淋水会使安全壳大气中的水蒸汽迅速冷凝成液滴，对安全壳内氢气浓度分布有很大影响，进而会影响氢气燃烧特性。安全壳内由于水蒸汽凝结，会使氢气浓度和氧气浓度增加，可能会使氢气燃烧温度、压力上升。因此，研究喷淋水对氢气燃烧特性的影响是核电站氢气安全研究的一项重要内容。

国外用于研究氢气燃烧的实验装置中，初始气体混合物包括氢气、空气和水蒸汽的实验装置主要有德国的THAI、HYKA-A2、BMC、DN-400和PHDR实验装置，加拿大的LSVCTS实验装置，美国的HTCF实验装置，日本的NUPEC实验装置，俄罗斯的RUT实验装置。不过，上述实验装置中的大多数是用于研究气体混合物初始状态对氢气燃烧特性的影响，仅有BMC和DN-400实验装置内放置了障碍物，仅有NUPEC实验装置安装了喷淋水装置。国内在氢气燃烧研究方面起步比较晚，研究工作主要集中在氢气燃烧数值模拟上，实验装置比较少，大多并非用于研究核电站安全壳内氢气燃烧，没有考虑障碍物和喷淋两种因素对氢气燃烧特性的影响，例如中科院力学所建有实验装置主要用于研究半开口管道中有障碍物氢气燃烧，中国工程物理研究院建立爆轰管实验装置研究了氢氧混合气体爆炸临界条件，中国科学技术大学开展了方形管道内氢气-空气预混火焰传播动力学实验，浙江大学曾搭建实验装置研究T型微细管道内和微型缩放喷管中的氢气空气预混燃烧，中国民航大学进行了障碍物管道中预混火焰传播物理机理的试验研究。综合分析现有研究核电站安全壳内氢气燃烧的相关实验装置，不足在于：实验段采用单根管道或单个压力容器，实验段外没有设置安全防护结构，安全性比较低；实验段结构单一，并且没有同时考虑障碍物和喷淋两种因素对氢气燃烧特性的影响，实验功能比较少。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置，包括有安全罐，在所述的安全罐内设有实验管段，实验管段内设有障碍物，在安全罐外侧设有气体供应系统、排气系统、加热保温装置、喷头、数据采集系统、控制系统、点火器和高速摄像机，所述的气体供应系统是将氢气、空气和水蒸汽预先混合均匀后充入实验管段进行燃烧实验，安全罐内的废气通过所述的排气系统排出，加热保温装置控制初始气体温度，喷头位于安全罐的上方，提供喷淋水环境，在安全罐上安装有视镜，所述的高速摄像机通过视镜观察安全罐内部的氢气燃烧火焰传播情况，利用数据采集系统采集数据以获取实验数据，将实验数据发送给控制系统，通过控制系统在线监测、控制加热保温装置、高速摄像机、点火器、气体供应系统、排气系统和喷头的工作。

所述的安全罐为卧式圆柱形压力容器，内直径0.9米，长1.9米；安全罐的一端安装压力泄放装置一，所述的排气系统设置在安全罐的顶部，排气系统上安装自动阀门一和阻火器一，安全罐的底部设有排水管道，排水管道上设有自动阀门二，安全罐上设有压力表一，安全罐外部壁面上安装加热保温装置一，安全罐顶部中间位置设有喷头，喷头的喷淋水供应管道与水箱连接，喷淋水管道上设有自动阀门三，喷淋水的流动动力由水泵提供，喷淋水的流速由质量流量控制器一控制，安全罐上还连接有吹扫气管道、真空泵管道和气体供应管道，吹扫气管道由高压氮气瓶提供氮气，吹扫气管道上安装减压阀一、质量流量控制器二和自动阀门四，真空泵管道上安装自动阀门五、真空泵和阻火器二，气体供应管道与气体供应系统的气体预混罐连接，气体供应管道上安装自动阀门六、自动阀门七、质量流量控制器三和加热保温装置二，在安全罐内部安装压力传感器一、温度传感器一和火焰传感器一，分别用于测量氢气燃烧压力、温度和火焰传播速度。

所述的实验管段内直径为0.18米，长1.62米，实验管段两端设有盲板，通过安装盲板形成两端封闭、一端封闭或两端开口三种结构，当实验管段安装在安全罐内部时，可在实验管段内开展较高氢气浓度、封闭空间、敞口空间、有障碍物、不同气体混合物初始性质等条件下的氢气燃烧实验，当要在安全罐内进行较低氢气浓度、较大封闭空间、有障碍物、有喷淋水、不同气体混合物初始性质等条件下的氢气燃烧实验时，将实验管段拆卸并移出安全罐，实验管段壁面外部安装加热保温装置三，实验管段内部设有点火位置、压力传感器二、温度传感器二和火焰传感器二，点火器在点火位置处点火，为了观察实验管段内部火焰燃烧行为，实验管段采用透明材料加工，或者实验管段面向安全罐视镜的壁面上安装观察窗。

所述的气体供应系统为安全罐提供指定气体组分浓度、初始温度和压力的均匀混合气体，气体预混罐外壁面上安装加热保温装置四，气体预混罐与氢气输入管道、空气输入管道和水蒸汽输入管道连接，氢气由高压氢气瓶提供，氢气输入管道上安装减压阀二、质量流量控制器四、阻火器三、气动阀八、温度表一，空气由高压空气瓶提供，空气输入管道上安装减压阀三、电加热器、质量流量控制器五、气动阀九、管道加热保温装置五、温度表二，水蒸汽由蒸汽发生器提供，水蒸汽输入管道上安装质量流量控制器六、气动阀十、管道加热保温装置六、温度表三，气体预混罐顶端设有超压泄放装置二和排气管道，排气管道上设自动阀门十一和阻火器四，气体预混罐底部设排水管道，排水管道上设有自动阀门十二，气体预混罐圆筒壁面上安装压力表二和气体浓度传感器，气体预混罐和安全罐共用一台真空泵，气体预混罐与真空泵之间的连接管道上设有自动阀门十三，气体预混罐和安全罐共用吹扫气输入端，气体预混罐与吹扫气质量流量控制器二之间的管道上安装自动阀门十四。

在安全罐上安装的压力传感器一、温度传感器一和火焰传感器一，实验管段上安装的压力传感器二、温度传感器二和火焰传感器二，以及气体预混罐上安装气体浓度传感器都与数据采集系统连接，实时采集氢气燃烧压力、温度、火焰、初始反应气体浓度信号。

安全罐的一端设有人孔，可通过人孔对安全罐内部部件进行安装、维修和更换，安全罐的侧面设有安全罐视镜，高速摄像机通过安全罐视镜可观察安全罐内部的氢气燃烧火焰传播行为，实验管段的安装位置偏离安全罐的中心轴位置并且远离安全罐视镜，增加高速摄像机的可视范围，便于观察实验管段内部的氢气燃烧行为。

本发明的优点是：1、本发明将实验管段安装在安全罐内，安全罐为压力容器，具有较强承压能力，可以为实验管段提供安全防护，大大提高了实验人员和实验段附属系统设备的安全性。

2、本发明具有实验管段和安全罐两个燃烧容器，扩展了实验装置的功能：当实验管段安装在安全罐内时，可以开展封闭空间、敞口空间、有障碍物、不同气体混合物初始性质等条件下的氢气浓度比较高的氢气燃烧实验；拆除实验管段后，安全罐也可以作为燃烧容器进行较低氢气浓度的氢气燃烧实验，可开展较大封闭空间、有障碍物、有喷淋水、不同气体混合物初始性质等条件下的氢气浓度比较低的氢气燃烧实验。

附图说明

图1为本发明验装置的结构原理示意图。

图2为本发明实验装置的结构示意图。

图3为本发明安全罐结构的右视示意图。

图4为本发明安全罐结构的正视示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置，包括有安全罐1，在所述的安全罐1内设有实验管段2，实验管段2内设有障碍物30，在安全罐1外侧设有气体供应系统31、排气系统33、加热保温装置17、喷头20、数据采集系统15、控制系统32、点火器34和高速摄像机16，所述的气体供应系统31是将氢气、空气和水蒸汽预先混合均匀后充入实验管段2进行燃烧实验，安全罐1内的废气通过所述的排气系统33排出，加热保温装置17控制初始气体温度，喷头20位于安全罐1的上方，提供喷淋水环境，在安全罐1上安装有视镜29，所述的高速摄像机16通过视镜29观察安全罐1内部的氢气燃烧火焰传播情况，利用数据采集系统15采集数据以获取实验数据，将实验数据发送给控制系统32，通过控制系统32在线监测、控制加热保温装置17、高速摄像机16、点火器34、气体供应系统31、排气系统33和喷头20的工作。

图2所示为实验装置结构示意图，安全罐1为卧式圆柱形压力容器，内直径0.9米，长1.9米。安全罐1的一端安装压力泄放装置一24-1，顶部设有排气管道，排气管道上安装自动阀门一23-1和阻火器一25-1。安全罐1的底部设有排水管道，排水管道上设有自动阀门二23-2。安全罐1上设有压力表一26-1。安全罐1外部壁面上安装加热保温装置一17-1。安全罐1顶部中间位置设有喷头20，喷淋水供应管道与水箱9连接，喷淋水管道上设有自动阀门三23-3，喷淋水的流动动力由水泵10提供，喷淋水的流速由质量流量控制器一21-1控制。安全罐1上连接吹扫气管道、真空泵管道和气体供应管道。吹扫气由高压氮气瓶6提供，吹扫气管道上安装减压阀一22-1、质量流量控制器二21-2和自动阀门四23-4。真空泵管道上安装自动阀门五23-5、真空泵8和阻火器二25-2。气体供应管道与气体供应系统的气体预混罐3连接，管道上安装自动阀门六23-6、自动阀门七23-7、质量流量控制器三21-3和加热保温装置二17-2。在安全罐1内部安装压力传感器一11-1、温度传感器一12-1和火焰传感器一13-1，分别用于测量氢气燃烧压力、温度和火焰传播速度。在安全罐1外部圆筒中间位置放置一台高速摄像机16，用于捕捉氢气燃烧行为。

实验管段2内直径为0.18米，长1.62米。实验管段2两端设有盲板，可以形成两端封闭、一端封闭、两端开口三种结构。当实验管段2安装在安全罐1内部时，可在实验管段2内开展较高氢气浓度、封闭空间、敞口空间、有障碍物、不同气体混合物初始性质等条件下的氢气燃烧实验。当要在安全罐1内进行较低氢气浓度、较大封闭空间、有障碍物、有喷淋水、不同气体混合物初始性质等条件下的氢气燃烧实验时，将实验管段2拆卸并移出安全罐1。实验管段2壁面外部安装加热保温装置三17-3，实验管段2内部设有点火位置19、压力传感器二11-2、温度传感器二12-2和火焰传感器二13-2，其中点火位置19可以改变，点火器34在点火位置19处点火,。为了观察实验管段2内部火焰燃烧行为，实验管段2采用透明材料加工，或者实验管段2面向安全罐视镜29的壁面上安装观察窗。

气体供应系统为安全罐1或实验管段2提供指定气体组分浓度、初始温度和压力的均匀混合气体。按最高初始气体压力0.2MPa设计，气体预混罐3内直径取0.5米，高1.2米。气体预混罐3外壁面上安装加热保温装置四17-4。气体预混罐3与氢气输入管道、空气输入管道和水蒸汽输入管道连接。氢气由高压氢气瓶4提供，氢气输入管道上安装减压阀二22-2、质量流量控制器四21-4、阻火器三25-3、气动阀八23-8、温度表一27-1。空气由高压空气瓶5提供，空气输入管道上安装减压阀三22-3、电加热器18、质量流量控制器五21-5、气动阀九23-9、管道加热保温装置五17-5、温度表二27-2。水蒸汽由蒸汽发生器7提供，水蒸汽输入管道上安装质量流量控制器六21-6、气动阀十23-10、管道加热保温装置六17-6、温度表三27-3。气体预混罐3顶端设有超压泄放装置二24-2和排气管道，排气管道上设自动阀门十一23-11和阻火器四25-4，气体预混罐3底部设排水管道，排水管道上设有自动阀门十二23-12。圆筒壁面上安装压力表二26-2和气体浓度传感器14。气体预混罐3和安全罐1共用一台真空泵8，气体预混罐3与真空泵8之间的连接管道上设有自动阀门十三23-13。气体预混罐3和安全罐1共用吹扫气输入端，气体预混罐3与吹扫气质量流量控制器二21-2之间的管道上安装自动阀门十四23-14。

安全罐1上安装的压力传感器一11-1、温度传感器一12-1和火焰传感器一13-1，实验管段2上安装的压力传感器二11-2、温度传感器二12-2和火焰传感器二13-2，以及气体预混罐3上安装气体浓度传感器14都与数据采集系统15连接，实时采集氢气燃烧压力、温度、火焰、初始反应气体浓度信号。

图3所示为安全罐1的右视图，安全罐1的一端设有人孔28，可通过人孔28对安全罐1内部部件进行安装、维修和更换。安全罐1的侧面设有安全罐视镜29，高速摄像机16通过安全罐视镜29可观察安全罐1内部的氢气燃烧火焰传播行为。如图4所示，实验管段2的安装位置偏离安全罐1的中心轴位置并且远离安全罐视镜29，这样可以增加高速摄像机16的可视范围，便于观察实验管段2内部的氢气燃烧行为。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置，其特征在于：包括有安全罐，在所述的安全罐内设有实验管段，实验管段内设有障碍物，在安全罐外侧设有气体供应系统、排气系统、加热保温装置、喷头、数据采集系统、控制系统、点火器和高速摄像机，所述的气体供应系统是将氢气、空气和水蒸汽预先混合均匀后充入实验管段进行燃烧实验，安全罐内的废气通过所述的排气系统排出，加热保温装置控制初始气体温度，喷头位于安全罐的上方，提供喷淋水环境，在安全罐上安装有视镜，所述的高速摄像机通过视镜观察安全罐内部的氢气燃烧火焰传播情况，利用数据采集系统采集数据以获取实验数据，将实验数据发送给控制系统，通过控制系统在线监测、控制加热保温装置、高速摄像机、点火器、气体供应系统、排气系统和喷头的工作。

2.根据权利要求1所述的一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置，其特征在于：所述的安全罐为卧式圆柱形压力容器，内直径0.9米，长1.9米；安全罐的一端安装压力泄放装置一，所述的排气系统设置在安全罐的顶部，排气系统上安装自动阀门一和阻火器一，安全罐的底部设有排水管道，排水管道上设有自动阀门二，安全罐上设有压力表一，安全罐外部壁面上安装加热保温装置一，安全罐顶部中间位置设有喷头，喷头的喷淋水供应管道与水箱连接，喷淋水管道上设有自动阀门三，喷淋水的流动动力由水泵提供，喷淋水的流速由质量流量控制器一控制，安全罐上还连接有吹扫气管道、真空泵管道和气体供应管道，吹扫气管道由高压氮气瓶提供氮气，吹扫气管道上安装减压阀一、质量流量控制器二和自动阀门四，真空泵管道上安装自动阀门五、真空泵和阻火器二，气体供应管道与气体供应系统的气体预混罐连接，气体供应管道上安装自动阀门六、自动阀门七、质量流量控制器三和加热保温装置二，在安全罐内部安装压力传感器一、温度传感器一和火焰传感器一，分别用于测量氢气燃烧压力、温度和火焰传播速度。

3.根据权利要求2所述的一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置，其特征在于：所述的实验管段内直径为0.18米，长1.62米，实验管段两端设有盲板，通过安装盲板形成两端封闭、一端封闭或两端开口三种结构，当实验管段安装在安全罐内部时，可在实验管段内开展较高氢气浓度、封闭空间、敞口空间、有障碍物、不同气体混合物初始性质等条件下的氢气燃烧实验，当要在安全罐内进行较低氢气浓度、较大封闭空间、有障碍物、有喷淋水、不同气体混合物初始性质等条件下的氢气燃烧实验时，将实验管段拆卸并移出安全罐，实验管段壁面外部安装加热保温装置三，实验管段内部设有点火位置、压力传感器二、温度传感器二和火焰传感器二，点火器在点火位置处点火，为了观察实验管段内部火焰燃烧行为，实验管段采用透明材料加工，或者实验管段面向安全罐视镜的壁面上安装观察窗。

4.根据权利要求3所述的一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置，其特征在于：所述的气体供应系统为安全罐提供指定气体组分浓度、初始温度和压力的均匀混合气体，气体预混罐外壁面上安装加热保温装置四，气体预混罐与氢气输入管道、空气输入管道和水蒸汽输入管道连接，氢气由高压氢气瓶提供，氢气输入管道上安装减压阀二、质量流量控制器四、阻火器三、气动阀八、温度表一，空气由高压空气瓶提供，空气输入管道上安装减压阀三、电加热器、质量流量控制器五、气动阀九、管道加热保温装置五、温度表二，水蒸汽由蒸汽发生器提供，水蒸汽输入管道上安装质量流量控制器六、气动阀十、管道加热保温装置六、温度表三，气体预混罐顶端设有超压泄放装置二和排气管道，排气管道上设自动阀门十一和阻火器四，气体预混罐底部设排水管道，排水管道上设有自动阀门十二，气体预混罐圆筒壁面上安装压力表二和气体浓度传感器，气体预混罐和安全罐共用一台真空泵，气体预混罐与真空泵之间的连接管道上设有自动阀门十三，气体预混罐和安全罐共用吹扫气输入端，气体预混罐与吹扫气质量流量控制器二之间的管道上安装自动阀门十四。

5.根据权利要求4所述的一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置，其特征在于：在安全罐上安装的压力传感器一、温度传感器一和火焰传感器一，实验管段上安装的压力传感器二、温度传感器二和火焰传感器二，以及气体预混罐上安装气体浓度传感器都与数据采集系统连接，实时采集氢气燃烧压力、温度、火焰、初始反应气体浓度信号。

6.根据权利要求5所述的一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置，其特征在于：安全罐的一端设有人孔，可通过人孔对安全罐内部部件进行安装、维修和更换，安全罐的侧面设有安全罐视镜，高速摄像机通过安全罐视镜可观察安全罐内部的氢气燃烧火焰传播行为，实验管段的安装位置偏离安全罐的中心轴位置并且远离安全罐视镜，增加高速摄像机的可视范围，便于观察实验管段内部的氢气燃烧行为。