綜合性熱工水力實驗臺架建設及教學實踐

郝建立， 陳文振， 饒彧先， 李東臻， 王 馗

（海軍工程大學a.核科學技術學院；b.教研保障中心，武漢 430033）

0 引言

高校實驗室是科學技術創(chuàng)新的重要場所，也是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要陣地［1］。實驗教學是學生實踐能力、創(chuàng)新能力，特別是創(chuàng)新精神培育的重要手段［2-5］。新時代下，部隊的建設和發(fā)展更需要高水平的創(chuàng)新型人才［6］，開展實驗室建設可以為軍隊院校深化實戰(zhàn)化教學改革和提高辦學質(zhì)量提供有力支撐。

我校核動力相關專業(yè)學員培養(yǎng)的一個重要特色在于面向?qū)嶋H反應堆開展教學，已取得了一系列成果。但是，在進一步教學改革中發(fā)現(xiàn)，受限于核安全及經(jīng)費等因素的制約，相關實驗課程很難基于實際反應堆開展教學，這使得對學員綜合實踐能力的培養(yǎng)顯得不足。針對該問題，課程組借鑒工業(yè)部門采用大型綜合性整體效應實驗臺架開展反應堆運行及安全特性研究的方法［7］，探索采用綜合性熱工水力實驗臺架開展相關課程實驗教學的可行性，并通過具體實踐對臺架教學效果進行了初步驗證。

1 教學實驗臺架設計思路

一般綜合性熱工水力實驗臺架均是采用電加熱模擬核加熱［8-9］，主要針對特定的現(xiàn)象或過程開展比例模化設計，臺架規(guī)模與實際裝置越接近，其結(jié)果與實際裝置符合度越好，但實驗成本也就會越高。由于教學實驗臺架的核心目標是幫助學員掌握核動力裝置的原理，具備從系統(tǒng)角度出發(fā)理解裝置運行特性的能力，進而通過具體實踐，培養(yǎng)其綜合能力及創(chuàng)新意識，建立對核動力裝置整體運行特性及事故處置方法的基本概念；因此，綜合性熱工水力教學實驗臺架不能簡單地照搬大型綜合性整體效應實驗臺架的設計方案，需要根據(jù)實驗教學要求及學員知識、能力水平進行設計，同時還要考慮建造及運行成本等因素。經(jīng)過綜合論證分析，確定了臺架設計需要滿足的要求。

（1）模擬范圍。教學實驗臺架以幫助學員掌握一體化反應堆運行原理為教學目標，應能實現(xiàn)對反應堆及主冷卻劑系統(tǒng)運行特性的模擬，因此需要采用比例模化方法對一體化反應堆系統(tǒng)進行設計，而對于中間回路、二回路及核輔助系統(tǒng)，僅開展功能模擬。

（2）功能需求。為了幫助學員從系統(tǒng)角度建立對船用堆運行原理的認知，教學實驗臺架應能夠模擬船用堆正常運行工況，包括啟動、停閉和功率運行等；為了滿足反應堆熱工、核動力系統(tǒng)與設備等專業(yè)課程教學的需要，其應具備開展單項實驗的功能，比如流體阻力測量實驗、泵運行特性實驗等；考慮到設置開放性實驗課題的需要，應具備開展核動力裝置正常及事故條件下運行特性研究的功能，比如船用堆自然循環(huán)運行特性分析等，以及小破口失水事故和二回路熱阱異常等典型事故特性研究等功能。

（3）安全要求。教學實驗臺架由于是用于教學，必須確保開展教學實驗的安全性［10-13］，在臺架設計中需要做到：①預留較大的安全裕量，比如運行壓力、溫度等參數(shù)需遠低于其設計值；②對重要設備設置多套安全裝置，比如反應堆模擬體設置有安全閥及釋放閥，實現(xiàn)系統(tǒng)的超壓保護；③實現(xiàn)對安全相關的重要參數(shù)的實時監(jiān)測及報警系統(tǒng)，并設置一鍵保護系統(tǒng)，在應急條件下可以手動或自動觸發(fā)，確保臺架系統(tǒng)安全可控。

（4）數(shù)據(jù)采集及顯示。教學實驗臺架的核心功能是教學，應能展現(xiàn)反應堆等主要設備的流場、溫度場等關鍵參數(shù)信息，幫助學員更深層次地理解反應堆的運行特性，因此，臺架儀控系統(tǒng)應能夠?qū)崿F(xiàn)對主要設備內(nèi)部流場及溫度場的測量及顯示。對于一體化自然循環(huán)反應堆，其應能實現(xiàn)對反應堆進出口溫度、上升通道、氣空間等溫度參數(shù)，及反應堆自然循環(huán)流量、反應堆運行壓力、堆芯進出口壓降和主換熱器壓降等重要參數(shù)的測量，并能夠在儀控軟件內(nèi)實時展示和繪制參數(shù)動態(tài)變化曲線。

2 實驗臺架建設

2.1 比例模化設計

實驗臺架模擬對象為一體化反應堆，其采用氮氣-水蒸氣穩(wěn)壓，依靠自然循環(huán)方式將堆芯熱量載出至主換熱器，反應堆及主冷卻劑系統(tǒng)示意圖如圖1所示［14］。

圖1 一體化反應堆示意圖

針對一體化反應堆運行特性，開展比例模化設計的核心是對其單相自然循環(huán)能力的模擬。單相自然循環(huán)系統(tǒng)可以簡化為堆芯活性區(qū)（加熱區(qū)）、主換熱器（冷源）及上升、下降通道。根據(jù)已有研究成果，在進行比例模化分析時，需要確保Richardson 數(shù)、Stanton數(shù)、阻力數(shù)等［15-16］。根據(jù)等物性比例分析方法及實驗臺架現(xiàn)場條件限制，設計的反應堆及主冷卻劑系統(tǒng)比例參數(shù)見表1。

表1 反應堆及主冷卻劑系統(tǒng)比例參數(shù)

考慮到比例模化后系統(tǒng)阻力系數(shù)會與原型產(chǎn)生一定的偏差，因此在具體設計時，通過設置阻力件，進而實現(xiàn)臺架自然循環(huán)運行特性與原型一致。

2.2 回路系統(tǒng)研制

教學實驗臺架回路系統(tǒng)包括反應堆模擬體、中間回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)，主要設備布置見圖2。

圖2 綜合性熱工水力教學實驗臺架

（1）反應堆模擬體。反應堆模擬體設計參數(shù)與工作參數(shù)與實際反應堆保持一致，根據(jù)具體比例模化分析結(jié)果，將反應堆模擬體分為堆芯模擬體、主換熱器模擬體、穩(wěn)壓腔、安全閥、管路及阻力件。

堆芯模擬體包括下封頭、進口腔室、燃料組件模擬體。燃料組件模擬體采用分組控制方案，可以實現(xiàn)對實際堆芯功率分布的模擬。

反應堆模擬體設置了兩臺主換熱器模擬體，以實現(xiàn)實際裝置的單雙環(huán)路轉(zhuǎn)換的模擬，為偏環(huán)路運行特性研究提供實驗條件。

反應堆模擬體與實際裝置一樣，均采用氮氣-水蒸氣穩(wěn)壓方式，通過調(diào)節(jié)其初始氮氣裝量，可以實現(xiàn)自穩(wěn)壓特性與原型一致。

通過調(diào)整阻力件，可以確保模擬體自然循環(huán)特性與原型一致，從而可以實現(xiàn)對實際裝置功率變化過程中動態(tài)特性的模擬。

（2）回路系統(tǒng)。回路系統(tǒng)包括中間回路、二回路、循環(huán)冷卻水回路及輔助系統(tǒng)。

中間回路系統(tǒng)采取氮氣穩(wěn)壓方式，其主要設備包括氮氣穩(wěn)壓器、循環(huán)泵、流量調(diào)節(jié)閥、安全閥及管路等。中間回路系統(tǒng)流程為：主換熱器冷側(cè)流體在被加熱后匯流至蒸汽發(fā)生器一次側(cè)，流經(jīng)U 型管束加熱蒸汽發(fā)生器二次側(cè)流體產(chǎn)生蒸汽后，在循環(huán)泵的驅(qū)動下流入主換熱器冷側(cè)入口。中間回路流量調(diào)節(jié)通過電動調(diào)節(jié)閥和旁流通道聯(lián)合調(diào)節(jié)實現(xiàn)。

二回路主要功能為將中間回路熱量載出，主要設備包括蒸汽發(fā)生器模擬體、冷凝器、給水泵和蒸汽減壓閥等。二回路系統(tǒng)可以通過給水泵、蒸汽減壓閥等實現(xiàn)對蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力及給水流量調(diào)節(jié)。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為實驗臺架的最終冷源，其通過空冷塔將熱量傳遞給大氣。主要設備包括冷卻水泵、冷卻水箱、空冷塔及流量調(diào)節(jié)閥組。

2.3 儀器控制及電氣系統(tǒng)研制

儀器控制及電氣系統(tǒng)主要是用于實驗臺架運行控制及參數(shù)監(jiān)測，其包括儀器控制分系統(tǒng)、電氣分系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)等。

儀器控制分系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)對實驗臺架儀表測量信號的采集和電加熱器及泵閥設備的控制與監(jiān)測。儀器控制分系統(tǒng)針對反應堆模擬體設置了溫度、流量、壓力、差壓等測點，可以展示反應堆模擬體自然循環(huán)特性及自穩(wěn)壓特性，可以幫助學員深入理解反應堆的運行特性。

電氣分系統(tǒng)主要為燃料組件模擬體、泵閥等設備供電，其具備遠程啟停及就地控制功能。當一鍵保護系統(tǒng)被觸發(fā)后，電氣系統(tǒng)可以停止對電加熱器等大型用電設備的供電，以確保實驗臺架處于可控狀態(tài)，進而確保實驗臺架的安全。

安全保護系統(tǒng)包括報警功能及一鍵保護系統(tǒng)。報警功能主要指針對表征回路系統(tǒng)運行安全的相關參數(shù)進行監(jiān)視，當相關參數(shù)偏離正常值后，觸發(fā)報警信號，便于教員及時發(fā)現(xiàn)并處置。報警參數(shù)主要包括系統(tǒng)運行壓力、溫度、流量、水位等。

3 實驗臺架的教學實驗方案設計

根據(jù)人才培養(yǎng)方案的要求，為充分挖掘?qū)嶒炁_架應用于教學的潛力，更好地促進相關課程建設，課程組針對相關教學實驗項目進行了設計，實驗項目分為專項實驗和綜合性實驗兩類。

（1）專項實驗。專項實驗項目主要是針對熱工儀表測量原理、PLC控制原理、設備流動阻力特性及閥門調(diào)節(jié)特性等實驗項目。

熱工儀表測量原理實驗項目主要包括水位測量、溫度測量、流量測量、壓力測量原理等實驗項目。實驗項目主要基于實驗臺架相關測點布置及運行使用為基礎展開，幫助學員理解相關測量設備在具體裝置的應用及相關注意事項。以流量測量為例，實驗臺架包括文丘里流量計、孔板流量計、電磁流量計等，幫助學員能夠從工程應用角度看流量計具體選型要求及測點布置等，從而對學員的工程思維進行培塑。

PLC控制原理實驗項目主要基于實驗臺架PLC控制器開展。通過幫助學員理解儀器控制系統(tǒng)自動控制的具體實現(xiàn)，幫助學員能夠建立理論與實踐的聯(lián)系，通過具體的運行使用，特別是設置相關開放性課題，在學員解決實際問題過程中，培育創(chuàng)新意識。

設備流動阻力特性實驗，主要是基于實驗臺架冷熱態(tài)運行條件，幫助學員理解反應堆模擬體、蒸汽發(fā)生器等主要設備的阻力特性及其在實際系統(tǒng)的應用特點及主要影響因素，培養(yǎng)學員從系統(tǒng)層面分析具體問題的能力。

（2）綜合實驗。綜合實驗項目主要包括核動力裝置模擬運行實驗和典型運行剖面綜合演練。綜合實驗項目通過幫助學員建立系統(tǒng)運行特性之間的耦合關系，進而促進學員的實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

核動力裝置模擬運行實驗項目主要包括核動力裝置模擬啟動、功率運行、熱停堆、冷停堆及小破口失水事故等典型運行及事故工況。

典型運行剖面綜合演練項目主要是針對反應堆實際運行情況，設計典型任務剖面，學員采用輪流值班形式，維持實驗臺架長時間熱態(tài)運行。教員以任務單形式，規(guī)定了相應的功率變化及機動性要求，學員根據(jù)任務單按角色分工開展運行實踐。通過綜合演練項目，可以較好地構(gòu)建實際裝置運行場景，幫助學員角色代入，進而能夠深入理解未來工作崗位能力、素質(zhì)要求，進一步培養(yǎng)學員的實踐能力。在此基礎上，通過引導學員在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，進一步培養(yǎng)學員的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

4 教學實踐及效果評估

在完成實驗臺架建設后，課程組以蒸汽發(fā)生器一次側(cè)阻力特性測量試驗為例開展了教學實踐，對教學效果進行了初步評估。

（1）教學實施。蒸汽發(fā)生器作為一回路系統(tǒng)的熱阱，其運行特性直接關系到核動力裝置的安全，特別是其阻力特性直接影響到系統(tǒng)的自然循環(huán)能力。在具體教學實施中，學員根據(jù)實驗要求，分別測量冷態(tài)及典型熱態(tài)條件下蒸汽發(fā)生器一次側(cè)進出口接管、進出口腔室及并聯(lián)U型束的壓降分布情況。在實驗過程中，鼓勵學員發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并采用實驗方法開展驗證，并適時組織學員分組開展研討。比如，針對并聯(lián)U 型管束壓降分布不均勻情況，引導學員在實踐中分析其機理的同時，鼓勵學員開展探索實驗，進而分析其主要影響因素及影響規(guī)律，實驗效果顯著。

（2）效果評估。在實驗后，針對實踐效果分別從實驗教員和學員兩個方面進行了綜合評估。在教員方面，通過綜合性實驗臺架的具體教學實踐，可以實現(xiàn)對學員儀表測量、信號采集、運行控制及堆工基礎等方面知識、技能的考察，有效地促進了學員創(chuàng)新意識和綜合實踐能力的培養(yǎng)，可以較好地達到教學目標。在學員方面，學員反饋“基于綜合性實驗臺架開展實驗，使得教師更容易從整體上建立宏觀的把握，思考問題時不再是局限于某個參數(shù)或某個方面，更有助于把知識轉(zhuǎn)換為能力，并提高諸多方面的素質(zhì)”。

5 結(jié)語

課程組通過具體的教學實踐，分析提煉出在進行實驗教學中應注意的問題。

（1）加強學員安全意識培養(yǎng)。對于習慣于仿真實驗的學員而言，在應用綜合性教學實驗臺架開展具體實踐前需要接受專門的安全培訓，特別是臺架運行注意事項及應急處置預案等。確保教學安全是臺架應用于實驗教學的前提，在具體教學過程中，也要結(jié)合具體的實驗項目，實時提醒學員安全相關注意事項，將安全教育有機融入施訓過程，培塑學員的安全意識。在具體實踐中，可以將核安全意識培育有機結(jié)合，將核安全文化與臺架教學實踐有機結(jié)合。

（2）注重實驗項目層層遞進。在具體教學實施中，還需要注重實驗項目層層遞進。對于綜合性實驗臺架而言，學員在進行具體實驗操作過程中，很難建立系統(tǒng)整體運行的概念，很容易只見樹葉而不見森林，導致忙于具體設備的操縱，達不到預期教學目標。因此，在實驗項目設計中，需要注重層層遞進，幫助學員逐步建立設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)和臺架整體的概念，進而通過解決具體的問題，幫助學員能夠?qū)嵺`與理論相結(jié)合，進而培育創(chuàng)新意識。