基于偏离设计工况运行的稳态考验回路换热能力补偿措施分析研究

稳态高温高压回路的换热能力与辐照参数的匹配性对燃料组件辐照考验的可行性及安全性有着重要的影响。本文研究了在各工况下试验回路换热能力与燃料组件辐照考验热工参数的匹配性问题,并分析了不同换热能力补偿措施的适应性。研究结果表明,当试验回路的运行偏离设计工况,回路中一次水的流量及辐照装置出口温度与主换热器能够实现的最大一次水温降以及最大换热功率之间是存在严格的对应关系。装置出口温度升高以及调节二次水流量对提升主换热器的换热效果不明显,而采用更低温度的二次水可以部分提升换热器的功率。主换热器后端散热方式在总的换热功率能力上要较前端换热强。换热器并联的换热效果并非总是强于单台独立运行,在低流量运行时,设置两台换热器并将其串联是最有效解决换热能力不足的手段,针对换热器一次水入口温度330℃及250℃,两台换热器串联的总换热功率将比单台运行时分别平均提高68.7%和80.4%。本文的研究方法及相应的研究结果可以用于指导燃料组件的稳态回路辐照论证以及考验过程中的试验回路运行参数选择。

燃煤电厂锅炉中颗粒物在选择性催化还原、静电除尘器和烟气脱硫入口处的分布特性

采用承重撞击器颗粒物采样系统在国内某燃煤电厂4#锅炉进行颗粒物采集,采样点包括选择性催化还原（SCR）入口、静电除尘器（ESP）入口和烟气脱硫（FGD）入口。对采集的颗粒物的质量粒径分布特性和无机成分分布特性进行研究,结果表明相较于SCR入口,ESP入口处PM0.2～10的量减少24.45%,但主要减少超微米颗粒物;该锅炉ESP的效率很高,对PM0.2～1.0、PM0.2～2.5和PM0.2～10的脱除率分别达到99.52%、99.64%和99.79%;S在各采样点浓度差异明显,Al、Si的差异主要体现在亚微米颗粒物,Na、Ca浓度几乎不变;FGD入口,PM0.2～1.0中各无机元素的排放总量分别为：Na 0.03mg/m^3、Ca 0.19mg/m^3、Al 0.11mg/m^3、Si 0.26 mg/m^3和S 0.08mg/m^3。

富氧燃烧模拟烟气中SO_2和H_2O对活性炭吸附汞的影响

由于汞对CO2压缩设备的腐蚀,富氧条件下烟气中汞的控制标准要比传统空气条件下更为严格,文中从活性炭喷入技术入手,结合O2/CO2燃烧烟气成分,在实验室规模的小型实验台架上研究了高浓度CO2、SO2和H2O对活性炭吸附汞的影响,结果表明,O2/CO2燃烧方式下,高浓度CO2对活性炭吸附汞并未造成影响,而高浓度SO2和H2O则极大地抑制了活性炭对汞的吸附,高浓度SO2对该商业活性炭吸附汞的抑制作用要比H2O强。并且O2和H2O的加入对低浓度SO2和高浓度SO2抑制活性炭吸附汞的影响也不相同。

基于MATLAB构建反应堆辐照装置气隙控温研究

在核反应堆正式试运行之前,需要对各种材料进行辐照考验,以验证材料的耐辐照性能,其中温度控制在试验中尤为重要,目前辐照考验装置的温度控制还存在一定的问题,为解决核反应堆中的材料辐照考验装置的温度控制问题,利用商业软件MATLAB对辐照装置的考验段进行了气隙温度控制的数值模拟,分别进行了气隙尺寸计算、气体组分计算、阴阳辐照计算和阶梯气隙计算,得到了指定辐照温度需求时,通过调节气体混合组分和气隙大小来实现对辐照装置的温度控制改善方案。研究结果表明,当辐照温度需求在200~400℃时,各个计算的温度控制都能达到指定需求。因此,根据一般反应堆所设计的辐照考验装置进行了数值模拟,对提高辐照装置的温度控制问题具有一定参考性。

燃煤PM_(2.5)炉内控制研究进展

煤燃烧是大气中PM2.5的主要来源之一,控制燃煤过程中PM2.5的排放有助于改善空气质量。燃煤过程产生的PM2.5主要由超细模态颗粒物及中间模态颗粒物构成,其形成机理各有不同,炉内控制是一种有效抑制PM2.5生成的手段。对几种主要的炉内PM2.5控制方式,包括优化煤质及燃烧条件、炉内喷入高岭土或石灰石等添加剂以及混煤或煤与生物质、污泥混燃等的研究进展进行了综述,提出了控制PM2.5生成应综合考虑对炉内结渣粘污的影响,并尽可能实现PM2.5与痕量元素等多种污染物的联合脱除。

高通量工程试验堆辐照试验能力和辐照试验技术

高通量工程试验堆(HFETR)作为我国在役运行功率最高的研究堆,是我国进行各种反应堆燃料和材料辐照性能研究的重要工具和平台。HFETR以动力堆燃料和材料的辐照研究为主,同时兼顾同位素生产等其他任务。HFETR辐照试验能力与其结构相关,包含静态容器辐照试验、仪表化辐照试验和回路辐照试验三种辐照试验形式。HFETR具有与各种辐照试验匹配的成熟的和应用经验丰富的辐照装置设计、辐照参数控制以及复合辐照环境控制等辐照试验技术。大量的材料和燃料辐照试验结果表明,HFETR现有的辐照试验技术能够完全实现受试件的辐照指标要求,并同时确保辐照试验开展以及反应堆运行的安全。

换热面裕量对再生式换热器热工特性的影响分析

再生式换热器由再生段和冷却段共同构成,凭借再生段的加入,再生式换热器有助于减小换热器承受的热应力以及回收部分热量,而广泛应用于研究型反应堆的各试验回路中。在再生式换热器设计中,通常会对换热面积保留一定的裕量以应对换热管破损、阻塞以及工况波动等情况发生。结合再生式换热器的结构特点,在不利因素未发生时,将设计裕量效果计入实际的换热中,分析不同的设计裕量对再生式换热器理论运行功率、流质流量以及出口温度等的影响。分析结果表明,再生式换热器的理论运行功率随着冷却段设计裕量的增加而逐渐增加,而随着再生段设计裕量的增加而逐渐减小。再生段及冷却段设计裕量对再生式换热器的功率调节跨度影响不大,但再生式换热器的理论功率调节区间在再生段设计裕量增加时会逐渐下移,而在冷却段设计裕量增加时会逐渐上移。要克服再生段裕量对运行功率带来的不利影响,可以选择增加相应的冷却端设计裕量以及加大二次水流量。再生式换热器运行于功率调节下边界以下时,再生段保持一定设计裕量有利于一次水的流量更为接近设计流量。鉴于分析的结果,对于处于稳态试验回路中的再生式换热器,建议再生段裕量小于10%以满足设计功率,而对需要具备降功率运行的再生式换热器,建议可以取较大的再生段裕量以减小一次水流量的波动。

HFETR堆辐照孔道释热率测量装置研制

为解决HFETR堆中心孔道活性区相关材料释热率的测量问题,开展了释热率测量装置的研制。在研制过程中,基于量热法的基本原理,辐照孔道的结构限制和反应堆的要求,进行了测量装置结构设计、强度校核和热工分析。测量装置组装完成后,在HFETR堆G07孔道开展了测量试验,同时测得了321不锈钢、6061铝合金和Zr-4合金三种材料在HFETR堆活性区450mm和750mm处的释热率。试验结果显示:测量装置在测量过程中运行稳定可靠,满足HFETR堆安全运行要求;量热计结构小巧紧凑,可同时测量多种材料的释热率;量热计模块化设计,安装于测量装置的不同轴向位置,可同时测量辐照孔道不同轴向位置的释热率;测量结果较好地体现了释热率与堆功率、测量位置的相关性,测量结果可靠有效。

稳态考验回路换热系统热工优化设计研究

为了验证新型燃料组件在设计上的合理性以及制造上的可靠性,需在高温高压水试验回路中针对燃料组件开展稳态辐照考验。本文结合燃料组件辐照考验参数需求,以再生式换热器作为稳态考验高温高压水试验回路的换热系统,从再生段结构、换热面积裕量以及多台换热器连接方式等方面,开展了针对稳态考验回路换热系统的热工优化设计研究。研究表明,在再生段结构及换热面积恒定下,无论采用何流量和温度作为设计基准来设计换热器结构,该结构换热器对低参数状态下的换热能力改进均无显著作用。在再生段内设置一次水旁流短接管对提升换热器在低参数下的换热功率有明显效果,在210℃一次水入口温度时,再生段换热面积缩减30%可以有效提升25.6%的换热功率。基于设计工况下保留的换热面积裕量,一次水运行温度较设计温度降低将会增强换热面积裕量对换热功率的补偿作用,而一次水运行流量较设计流量下降将会削弱换热面积裕量对换热功率的补偿作用。基于宽范围功率需求,燃料组件稳态考验回路中换热系统宜设计成串并联可切换模式,在一次水入口温度为250℃及330℃时,总流量为40%的两台换热器在串联时的最大换热功率较单台分别提升了81%和77%。

基于试验数据反馈的稳态考验回路换热系统传热性能再评价

准确衡量稳态考验回路换热系统的换热能力以及评估该能力与燃料组件辐照参数的匹配性,是保障稳态辐照考验安全有效实施的前提。主要针对燃料组件稳态辐照考验,结合高温高压辐照试验回路历史运行数据,建立一种面向再生式换热器传热性能的再评价方法,以准确预测试验回路应用于不同辐照考验参数的有效性。结果表明:消除运行换热器试验数据中的散热影响以及在计算中将再生段以及冷却段的换热面积裕量计算接近于0是有效开展稳态考验回路换热系统传热特性再评价的前置条件。采用同时对再生式换热器的再生段及冷却段的传热系数进行修正并开展换热能力再评价对换热器的换热功率预测准确有效,通过再评价方法在整体上获得的再评价功率相较于试验功率的平均偏差约为1.8%,远优于传统方法计算中20.7%~26.0%的偏差。传统计算功率普遍高于再评价功率,且高出的幅度与一次水流量密切相关,而受一次水的入口温度影响较弱。

低参数下试验回路主热交换器换热能力分析

燃料组件在高温高压试验回路中的稳态辐照考验是揭示燃料抗辐照性能以及验证新型燃料组件在投入工程应用前安全性的必经阶段。针对高温高压稳态考验,研究了低参数工况对高温高压试验回路主热交换器换热能力的影响,研究表明,两台主热交换器并联运行时的总换热功率并非总是高于单台独立运行,在一次水入口相对流量40%和温度330℃下,两台主热交换器并联运行的功率反而较单台运行时低3.9%~4.3%。同时存在一个流量转折点,在该流量转折点之上,两台主热交换器并联运行才具有实质意义。建立了通过分段拟合求解流量转折点的方法,整体求解了在不同一次水入口温度下的流量转折点,通过拟合求解与计算求解获得的流量转折点平均差异为0.6%,而对应的换热功率平均偏差为1.8%。并且进一步提出在低参数运行工况下,可以采用主热交换器串联的方式解决换热功率不足的问题,在一次水入口温度250℃时,串联运行时的换热功率要较单台或两台并联运行时的最大功率平均高出77.5%。

辐照孔道液位测量方法探讨

采用液态靶件辐照生产同位素时,需要对辐照孔道内料液的液位进行长时间、稳定地监测,并发出电信号以便系统及时对料液进行补充或抽取。经调研,目前市面上还没有一种液位计或传感器能够满足对处在强辐照环境下的狭小密闭的辐照孔道内料液进行测量的要求。为解决辐照孔道内料液液位测量的问题,根据辐照孔道的特殊结构与辐照孔道所处的环境及料液本身的特点,结合辐照生产同位素的工艺要求,提出了基于料液导电性、电阻定律、气体不溶性并结合气动技术3种不同原理的液位测量方法,并对每种液位测量方法的原理和特点予以介绍分析。这3种液位测量方法均切实可行,能够长期、稳定地对辐照孔道内料液的液位进行测量,其中一种已经成功应用于工程实际。

材料辐照用分段式气隙耦合电加热试验装置研制

为了解决研究堆高释热率区材料辐照温度精确控制技术难题,研制了材料辐照用分段式气隙耦合电加热试验装置。试验装置采用轴向分段式气隙耦合电加热的辐照温度控制方法,使其具有较大的温度调节能力。装载材料样品的辐照试验段采用轴向分段式阴阳面独立分区的结构,由两段4个独立腔室组成,每个腔室设置独立的惰性气体调节回路,并且在第一段两个腔室内设置电加热棒辅助气隙进行辐照温度调节。利用该装置进行的堆内辐照试验结果表明:试验装置在反应堆高注量率区能够将材料辐照温度有效控制在335~365℃,电加热棒独立控温能力达30℃。研制的装置大幅提高了辐照温度控制精度,实现了辐照温度在线精确调节与控制,达到了材料辐照精细化控温的目的。

O_2/CO_2燃烧方式下Na元素对煤焦物化结构的影响

将低钠煤（H-煤）和高钠煤（Na-煤）分别在沉降炉中进行制焦实验，研究了钠对焦样的孔隙结构、碳微晶结构以及反应性的影响。研究表明，煤中钠含量增加后，在N2气氛下，非灰基质失重率V＊会下降；而在CO2气氛下，V＊却会升高。煤焦的碳化学有序度IG／IAll与V＊具有关联性，在有Na的催化时，其与反应性的关联性被破坏。焦的反应性主要由焦的孔隙结构和焦中Na的含量来确定，在动力控制区，Na的催化作用是引起焦反应性发生改变的主要因素。

O_2/CO_2条件下燃煤颗粒物中As和Pb的分布规律研究

在高温沉降炉中进行了大同烟煤的燃烧实验,燃烧气氛为O2/N2=21:79、O2/CO2=21:79和O_2/CO2=29:71,采用旋风分离器和DGI(承重撞击器)系统分别收集燃烧产生的粗灰及颗粒物,并应用ICP-MS测量其中As和Pb两种元素的含量。实验结果表明,相较于O2/N2气氛,O2/CO2气氛会抑制颗粒物的生成,在O2/CO2燃烧气氛下,提高氧浓度将促进颗粒物的生成;O2/CO2气氛相较于O2/N2气氛,会提高颗粒物中As、Pb的浓度,特别是PM0.2-0.5;O2/CO2气氛下,提高氧气浓度将降低颗粒物中As、Pb的浓度,特别是PM0.2-0.5;所有燃烧工况下,As、Pb两种元素都大量富集于颗粒物之上,颗粒粒径越小,富集现象越明显,并在PM0.2-0.5处显著增强。

燃料试样堆内辐照温度设计与实验研究

为使燃料尽可能在最恶劣设计工况下进行辐照实验,开展基于高通量工程试验堆(HFETR)的燃料试样堆内辐照温度设计与实验研究。按照铀装量设计燃料试样在辐照装置内的位置,能够改善轴向燃料试样热流密度的不均匀性。HFETR主冷却剂低温状态下,在燃料试样外包覆液态铅铋合金和不锈钢能够实现燃料芯体及燃料包壳的高辐照温度指标。设计和实验结果表明,稳态和短期瞬态运行工况下,不锈钢盒表面辐照温度始终低于HFETR燃料元件包壳表面最高温度限值,满足反应堆运行和燃料辐照实验安全要求。为提高稳态运行工况下燃料试样的辐照温度,堆芯设计时应避免或降低由于反应性扰动造成的辐照装置内燃料试样短期瞬态功率影响,减小辐照孔道内燃料试样的热点因子。

研究堆内不锈钢释热率的实验及模型对比分析

采用量热法,基于热平衡条件下的静态等温法测量了不锈钢在堆内的释热率,并探索不锈钢释热率随沿堆内活性区轴向高度的分布情况以及与堆功率之间的关系。同时,利用MCNP程序计算了相应的不锈钢的释热率,通过实验手段探索MCNP程序计算不锈钢释热率的准确性。研究表明:不锈钢在堆内的释热率与所处活性区位置以及堆功率密切相关;不锈钢的释热率沿活性区轴向近似呈截断余弦曲线分布;最大释热率位于反应堆活性区中心平面偏下约50 mm处,且与堆功率呈线性递增关系。在研究范围内,利用MCNP程序计算得到的不锈钢释热率较实际测量值平均偏大18.1%。从工程应用角度讲,MCNP程序所计算的不锈钢释热率对实际工程应用具有一定指导意义。

变工况下再生式换热器的热工特性分析

再生式换热器凭借能够减小热冲击以及回收部分热量等特点,普遍被应用于研究型反应堆的试验回路中。考虑到试验对象的需求,回路中换热器的功率可变。本文主要针对再生式换热器的功率改变以及流质温度变化等情况,研究在变工况下再生式换热器的热工特性变化,并相应地对再生式换热器的降功率工况提出运行建议。分析结果表明,限定一次水进出口温度,通过改变一次水流量调节再生式换热器的功率时,二次水的流量伴随100%~20%设计功率而逐渐下降至16.9%设计流量,且二次水的最高出口温度要高出设计温度9.5℃。在一次水流量不变,而入口温度改变时,受二次水最大流量以及出口温度限制,再生式换热器的功率调节存在上下边界,并且,该上下边界保持有平均26%设计功率的跨度。低于功率调节下边界时,再生式换热器只能以降低一次水流量至一定范围来实现更低功率运行。

燃料组件稳态回路辐照考验多热工参数耦合特性研究

燃料组件稳态回路辐照考验是研究组件抗辐照性能的关键环节,鉴于回路辐照考验热工参数对试验运行的重要性,本文针对稳态辐照考验回路,结合燃料组件对回路辐照考验热工参数的需求,分析了一次水流量及入口温度发生变化、装置内部存在换热以及不同换热器运行方式下回路系统的关键热工参数耦合特性。研究表明,随着换热器一次水入口温度和流量的下降,主换热器的最大换热功率有明显下降,在严重偏离设计工况下,主换热器换热能力存在不能满足燃料组件辐照运行的风险。同时,辐照装置内部换热对主换热器换热极为不利。在回路运行温度需求较高,而装置内部换热较强情况下,主换热器二次水流量的设计裕量不能低于装置内的热交换比例,且该裕量取值需趋大。两台主换热器并联运行的优势主要体现在较大一次水流量情况,且存在一个较小的一次水流量,使得单台换热器独立运行与两台换热器并联运行时的换热能力一致,低于该流量比例时,两台换热器并联运行时的换热能力反而弱于单台换热器运行。

基于CSR1000的燃料堆内辐照验证试验回路试验段初步概念设计与分析

提出了2种基于中国超临界水冷堆(CSR1000)燃料元件的燃料验证试验回路试验段的概念设计方案——2×2组件方案、3×3组件方案;利用MCNP程序和CFX程序进行了中子学、热工水力学分析,并对不同方案进行初步评价。分析结果表明:2种方案均具备工程可行性,满足燃料验证试验需求,但两者存在显著的性能差异;2×2组件方案的燃料棒功率为23.6~25.3 k W,平均功率为24.3 k W,组件的径向功率峰因子为1.04;3×3组件方案的燃料棒功率为15.9~26.7 k W,平均功率为21.4 k W,组件的径向功率峰因子为1.25;3×3组件方案的组件功率峰因子较大,不利于功率展平,限制了组件平均功率的提高。对采用无绕丝组件的热工分析表明:2种方案的冷却水出口温度均超过25 MPa压力下的拟临界温度,燃料芯块温度、燃料包壳外表面温度均低于热工限值且留有裕量。