综合性热工水力实验台架建设及教学实践

郝建立， 陈文振， 饶彧先， 李东臻， 王 馗

（海军工程大学a.核科学技术学院；b.教研保障中心，武汉 430033）

0 引言

高校实验室是科学技术创新的重要场所，也是创新型人才培养的重要阵地［1］。实验教学是学生实践能力、创新能力，特别是创新精神培育的重要手段［2-5］。新时代下，部队的建设和发展更需要高水平的创新型人才［6］，开展实验室建设可以为军队院校深化实战化教学改革和提高办学质量提供有力支撑。

我校核动力相关专业学员培养的一个重要特色在于面向实际反应堆开展教学，已取得了一系列成果。但是，在进一步教学改革中发现，受限于核安全及经费等因素的制约，相关实验课程很难基于实际反应堆开展教学，这使得对学员综合实践能力的培养显得不足。针对该问题，课程组借鉴工业部门采用大型综合性整体效应实验台架开展反应堆运行及安全特性研究的方法［7］，探索采用综合性热工水力实验台架开展相关课程实验教学的可行性，并通过具体实践对台架教学效果进行了初步验证。

1 教学实验台架设计思路

一般综合性热工水力实验台架均是采用电加热模拟核加热［8-9］，主要针对特定的现象或过程开展比例模化设计，台架规模与实际装置越接近，其结果与实际装置符合度越好，但实验成本也就会越高。由于教学实验台架的核心目标是帮助学员掌握核动力装置的原理，具备从系统角度出发理解装置运行特性的能力，进而通过具体实践，培养其综合能力及创新意识，建立对核动力装置整体运行特性及事故处置方法的基本概念；因此，综合性热工水力教学实验台架不能简单地照搬大型综合性整体效应实验台架的设计方案，需要根据实验教学要求及学员知识、能力水平进行设计，同时还要考虑建造及运行成本等因素。经过综合论证分析，确定了台架设计需要满足的要求。

（1）模拟范围。教学实验台架以帮助学员掌握一体化反应堆运行原理为教学目标，应能实现对反应堆及主冷却剂系统运行特性的模拟，因此需要采用比例模化方法对一体化反应堆系统进行设计，而对于中间回路、二回路及核辅助系统，仅开展功能模拟。

（2）功能需求。为了帮助学员从系统角度建立对船用堆运行原理的认知，教学实验台架应能够模拟船用堆正常运行工况，包括启动、停闭和功率运行等；为了满足反应堆热工、核动力系统与设备等专业课程教学的需要，其应具备开展单项实验的功能，比如流体阻力测量实验、泵运行特性实验等；考虑到设置开放性实验课题的需要，应具备开展核动力装置正常及事故条件下运行特性研究的功能，比如船用堆自然循环运行特性分析等，以及小破口失水事故和二回路热阱异常等典型事故特性研究等功能。

（3）安全要求。教学实验台架由于是用于教学，必须确保开展教学实验的安全性［10-13］，在台架设计中需要做到：①预留较大的安全裕量，比如运行压力、温度等参数需远低于其设计值；②对重要设备设置多套安全装置，比如反应堆模拟体设置有安全阀及释放阀，实现系统的超压保护；③实现对安全相关的重要参数的实时监测及报警系统，并设置一键保护系统，在应急条件下可以手动或自动触发，确保台架系统安全可控。

（4）数据采集及显示。教学实验台架的核心功能是教学，应能展现反应堆等主要设备的流场、温度场等关键参数信息，帮助学员更深层次地理解反应堆的运行特性，因此，台架仪控系统应能够实现对主要设备内部流场及温度场的测量及显示。对于一体化自然循环反应堆，其应能实现对反应堆进出口温度、上升通道、气空间等温度参数，及反应堆自然循环流量、反应堆运行压力、堆芯进出口压降和主换热器压降等重要参数的测量，并能够在仪控软件内实时展示和绘制参数动态变化曲线。

2 实验台架建设

2.1 比例模化设计

实验台架模拟对象为一体化反应堆，其采用氮气-水蒸气稳压，依靠自然循环方式将堆芯热量载出至主换热器，反应堆及主冷却剂系统示意图如图1所示［14］。

图1 一体化反应堆示意图

针对一体化反应堆运行特性，开展比例模化设计的核心是对其单相自然循环能力的模拟。单相自然循环系统可以简化为堆芯活性区（加热区）、主换热器（冷源）及上升、下降通道。根据已有研究成果，在进行比例模化分析时，需要确保Richardson 数、Stanton数、阻力数等［15-16］。根据等物性比例分析方法及实验台架现场条件限制，设计的反应堆及主冷却剂系统比例参数见表1。

表1 反应堆及主冷却剂系统比例参数

考虑到比例模化后系统阻力系数会与原型产生一定的偏差，因此在具体设计时，通过设置阻力件，进而实现台架自然循环运行特性与原型一致。

2.2 回路系统研制

教学实验台架回路系统包括反应堆模拟体、中间回路系统、二回路系统、循环冷却水系统及辅助系统，主要设备布置见图2。

图2 综合性热工水力教学实验台架

（1）反应堆模拟体。反应堆模拟体设计参数与工作参数与实际反应堆保持一致，根据具体比例模化分析结果，将反应堆模拟体分为堆芯模拟体、主换热器模拟体、稳压腔、安全阀、管路及阻力件。

堆芯模拟体包括下封头、进口腔室、燃料组件模拟体。燃料组件模拟体采用分组控制方案，可以实现对实际堆芯功率分布的模拟。

反应堆模拟体设置了两台主换热器模拟体，以实现实际装置的单双环路转换的模拟，为偏环路运行特性研究提供实验条件。

反应堆模拟体与实际装置一样，均采用氮气-水蒸气稳压方式，通过调节其初始氮气装量，可以实现自稳压特性与原型一致。

通过调整阻力件，可以确保模拟体自然循环特性与原型一致，从而可以实现对实际装置功率变化过程中动态特性的模拟。

（2）回路系统。回路系统包括中间回路、二回路、循环冷却水回路及辅助系统。

中间回路系统采取氮气稳压方式，其主要设备包括氮气稳压器、循环泵、流量调节阀、安全阀及管路等。中间回路系统流程为：主换热器冷侧流体在被加热后汇流至蒸汽发生器一次侧，流经U 型管束加热蒸汽发生器二次侧流体产生蒸汽后，在循环泵的驱动下流入主换热器冷侧入口。中间回路流量调节通过电动调节阀和旁流通道联合调节实现。

二回路主要功能为将中间回路热量载出，主要设备包括蒸汽发生器模拟体、冷凝器、给水泵和蒸汽减压阀等。二回路系统可以通过给水泵、蒸汽减压阀等实现对蒸汽发生器二次侧压力及给水流量调节。

循环冷却水系统为实验台架的最终冷源，其通过空冷塔将热量传递给大气。主要设备包括冷却水泵、冷却水箱、空冷塔及流量调节阀组。

2.3 仪器控制及电气系统研制

仪器控制及电气系统主要是用于实验台架运行控制及参数监测，其包括仪器控制分系统、电气分系统和安全保护系统等。

仪器控制分系统主要功能是实现对实验台架仪表测量信号的采集和电加热器及泵阀设备的控制与监测。仪器控制分系统针对反应堆模拟体设置了温度、流量、压力、差压等测点，可以展示反应堆模拟体自然循环特性及自稳压特性，可以帮助学员深入理解反应堆的运行特性。

电气分系统主要为燃料组件模拟体、泵阀等设备供电，其具备远程启停及就地控制功能。当一键保护系统被触发后，电气系统可以停止对电加热器等大型用电设备的供电，以确保实验台架处于可控状态，进而确保实验台架的安全。

安全保护系统包括报警功能及一键保护系统。报警功能主要指针对表征回路系统运行安全的相关参数进行监视，当相关参数偏离正常值后，触发报警信号，便于教员及时发现并处置。报警参数主要包括系统运行压力、温度、流量、水位等。

3 实验台架的教学实验方案设计

根据人才培养方案的要求，为充分挖掘实验台架应用于教学的潜力，更好地促进相关课程建设，课程组针对相关教学实验项目进行了设计，实验项目分为专项实验和综合性实验两类。

（1）专项实验。专项实验项目主要是针对热工仪表测量原理、PLC控制原理、设备流动阻力特性及阀门调节特性等实验项目。

热工仪表测量原理实验项目主要包括水位测量、温度测量、流量测量、压力测量原理等实验项目。实验项目主要基于实验台架相关测点布置及运行使用为基础展开，帮助学员理解相关测量设备在具体装置的应用及相关注意事项。以流量测量为例，实验台架包括文丘里流量计、孔板流量计、电磁流量计等，帮助学员能够从工程应用角度看流量计具体选型要求及测点布置等，从而对学员的工程思维进行培塑。

PLC控制原理实验项目主要基于实验台架PLC控制器开展。通过帮助学员理解仪器控制系统自动控制的具体实现，帮助学员能够建立理论与实践的联系，通过具体的运行使用，特别是设置相关开放性课题，在学员解决实际问题过程中，培育创新意识。

设备流动阻力特性实验，主要是基于实验台架冷热态运行条件，帮助学员理解反应堆模拟体、蒸汽发生器等主要设备的阻力特性及其在实际系统的应用特点及主要影响因素，培养学员从系统层面分析具体问题的能力。

（2）综合实验。综合实验项目主要包括核动力装置模拟运行实验和典型运行剖面综合演练。综合实验项目通过帮助学员建立系统运行特性之间的耦合关系，进而促进学员的实践能力和创新意识的培养。

核动力装置模拟运行实验项目主要包括核动力装置模拟启动、功率运行、热停堆、冷停堆及小破口失水事故等典型运行及事故工况。

典型运行剖面综合演练项目主要是针对反应堆实际运行情况，设计典型任务剖面，学员采用轮流值班形式，维持实验台架长时间热态运行。教员以任务单形式，规定了相应的功率变化及机动性要求，学员根据任务单按角色分工开展运行实践。通过综合演练项目，可以较好地构建实际装置运行场景，帮助学员角色代入，进而能够深入理解未来工作岗位能力、素质要求，进一步培养学员的实践能力。在此基础上，通过引导学员在实践中发现问题、解决问题，进一步培养学员的创新能力和综合素质。

4 教学实践及效果评估

在完成实验台架建设后，课程组以蒸汽发生器一次侧阻力特性测量试验为例开展了教学实践，对教学效果进行了初步评估。

（1）教学实施。蒸汽发生器作为一回路系统的热阱，其运行特性直接关系到核动力装置的安全，特别是其阻力特性直接影响到系统的自然循环能力。在具体教学实施中，学员根据实验要求，分别测量冷态及典型热态条件下蒸汽发生器一次侧进出口接管、进出口腔室及并联U型束的压降分布情况。在实验过程中，鼓励学员发现问题、提出问题并采用实验方法开展验证，并适时组织学员分组开展研讨。比如，针对并联U 型管束压降分布不均匀情况，引导学员在实践中分析其机理的同时，鼓励学员开展探索实验，进而分析其主要影响因素及影响规律，实验效果显著。

（2）效果评估。在实验后，针对实践效果分别从实验教员和学员两个方面进行了综合评估。在教员方面，通过综合性实验台架的具体教学实践，可以实现对学员仪表测量、信号采集、运行控制及堆工基础等方面知识、技能的考察，有效地促进了学员创新意识和综合实践能力的培养，可以较好地达到教学目标。在学员方面，学员反馈“基于综合性实验台架开展实验，使得教师更容易从整体上建立宏观的把握，思考问题时不再是局限于某个参数或某个方面，更有助于把知识转换为能力，并提高诸多方面的素质”。

5 结语

课程组通过具体的教学实践，分析提炼出在进行实验教学中应注意的问题。

（1）加强学员安全意识培养。对于习惯于仿真实验的学员而言，在应用综合性教学实验台架开展具体实践前需要接受专门的安全培训，特别是台架运行注意事项及应急处置预案等。确保教学安全是台架应用于实验教学的前提，在具体教学过程中，也要结合具体的实验项目，实时提醒学员安全相关注意事项，将安全教育有机融入施训过程，培塑学员的安全意识。在具体实践中，可以将核安全意识培育有机结合，将核安全文化与台架教学实践有机结合。

（2）注重实验项目层层递进。在具体教学实施中，还需要注重实验项目层层递进。对于综合性实验台架而言，学员在进行具体实验操作过程中，很难建立系统整体运行的概念，很容易只见树叶而不见森林，导致忙于具体设备的操纵，达不到预期教学目标。因此，在实验项目设计中，需要注重层层递进，帮助学员逐步建立设备、分系统、系统和台架整体的概念，进而通过解决具体的问题，帮助学员能够将实践与理论相结合，进而培育创新意识。