一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术具有安全性高、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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及核电站安全壳内氢气安全的
，尤其涉及一种研究核电站安全壳内氢气燃烧的实验装置。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，气体预混罐本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敏，温小健，许幼幼，刘松林，罗广南，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34