綜合性熱工水力實(shí)驗(yàn)臺架建設(shè)及教學(xué)實(shí)踐

郝建立， 陳文振， 饒彧先， 李東臻， 王 馗

（海軍工程大學(xué)a.核科學(xué)技術(shù)學(xué)院；b.教研保障中心，武漢 430033）

0 引言

高校實(shí)驗(yàn)室是科學(xué)技術(shù)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(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生實(shí)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(duì)的建設(shè)和發(fā)展更需要高水平的創(chuàng)新型人才［6］，開展實(shí)驗(yàn)室建設(shè)可以為軍隊(duì)院校深化實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)改革和提高辦學(xué)質(zhì)量提供有力支撐。

我校核動力相關(guān)專業(yè)學(xué)員培養(yǎng)的一個重要特色在于面向?qū)嶋H反應(yīng)堆開展教學(xué)，已取得了一系列成果。但是，在進(jìn)一步教學(xué)改革中發(fā)現(xiàn)，受限于核安全及經(jīng)費(fèi)等因素的制約，相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程很難基于實(shí)際反應(yīng)堆開展教學(xué)，這使得對學(xué)員綜合實(shí)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(yīng)實(shí)驗(yàn)臺架開展反應(yīng)堆運(yùn)行及安全特性研究的方法［7］，探索采用綜合性熱工水力實(shí)驗(yàn)臺架開展相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，并通過具體實(shí)踐對臺架教學(xué)效果進(jìn)行了初步驗(yàn)證。

1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)思路

一般綜合性熱工水力實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)，臺架規(guī)模與實(shí)際裝置越接近，其結(jié)果與實(shí)際裝置符合度越好，但實(shí)驗(yàn)成本也就會越高。由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺架的核心目標(biāo)是幫助學(xué)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(yùn)行特性的能力，進(jìn)而通過具體實(shí)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(yùn)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(xué)實(shí)驗(yàn)臺架不能簡單地照搬大型綜合性整體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺架的設(shè)計(jì)方案，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求及學(xué)員知識、能力水平進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時還要考慮建造及運(yùn)行成本等因素。經(jīng)過綜合論證分析，確定了臺架設(shè)計(jì)需要滿足的要求。

（1）模擬范圍。教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺架以幫助學(xué)員掌握一體化反應(yīng)堆運(yùn)行原理為教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)堆及主冷卻劑系統(tǒng)運(yùn)行特性的模擬，因此需要采用比例模化方法對一體化反應(yīng)堆系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(xué)員從系統(tǒng)角度建立對船用堆運(yùn)行原理的認(rèn)知，教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺架應(yīng)能夠模擬船用堆正常運(yùn)行工況，包括啟動、停閉和功率運(yùn)行等；為了滿足反應(yīng)堆熱工、核動力系統(tǒng)與設(shè)備等專業(yè)課程教學(xué)的需要，其應(yīng)具備開展單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的功能，比如流體阻力測量實(shí)驗(yàn)、泵運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)等；考慮到設(shè)置開放性實(shí)驗(yàn)課題的需要，應(yīng)具備開展核動力裝置正常及事故條件下運(yùn)行特性研究的功能，比如船用堆自然循環(huán)運(yùn)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(xué)實(shí)驗(yàn)臺架由于是用于教學(xué)，必須確保開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全性［10-13］，在臺架設(shè)計(jì)中需要做到：①預(yù)留較大的安全裕量，比如運(yùn)行壓力、溫度等參數(shù)需遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)值；②對重要設(shè)備設(shè)置多套安全裝置，比如反應(yīng)堆模擬體設(shè)置有安全閥及釋放閥，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的超壓保護(hù)；③實(shí)現(xiàn)對安全相關(guān)的重要參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測及報警系統(tǒng)，并設(shè)置一鍵保護(hù)系統(tǒng)，在應(yīng)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(xué)實(shí)驗(yàn)臺架的核心功能是教學(xué)，應(yīng)能展現(xiàn)反應(yīng)堆等主要設(shè)備的流場、溫度場等關(guān)鍵參數(shù)信息，幫助學(xué)員更深層次地理解反應(yīng)堆的運(yùn)行特性，因此，臺架儀控系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對主要設(shè)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(yīng)堆，其應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)堆進(jìn)出口溫度、上升通道、氣空間等溫度參數(shù)，及反應(yīng)堆自然循環(huán)流量、反應(yīng)堆運(yùn)行壓力、堆芯進(jìn)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(shí)時展示和繪制參數(shù)動態(tài)變化曲線。

2 實(shí)驗(yàn)臺架建設(shè)

2.1 比例模化設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺架模擬對象為一體化反應(yīng)堆，其采用氮?dú)?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(yīng)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(yīng)堆示意圖

針對一體化反應(yīng)堆運(yùn)行特性，開展比例模化設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)臺架現(xiàn)場條件限制，設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆及主冷卻劑系統(tǒng)比例參數(shù)見表1。

表1 反應(yīng)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(shè)計(jì)時，通過設(shè)置阻力件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)臺架自然循環(huán)運(yùn)行特性與原型一致。

2.2 回路系統(tǒng)研制

教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺架回路系統(tǒng)包括反應(yīng)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(shè)備布置見圖2。

圖2 綜合性熱工水力教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺架

（1）反應(yīng)堆模擬體。反應(yīng)堆模擬體設(shè)計(jì)參數(shù)與工作參數(shù)與實(shí)際反應(yīng)堆保持一致，根據(jù)具體比例模化分析結(jié)果，將反應(yīng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對實(shí)際堆芯功率分布的模擬。

反應(yīng)堆模擬體設(shè)置了兩臺主換熱器模擬體，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際裝置的單雙環(huán)路轉(zhuǎn)換的模擬，為偏環(huán)路運(yùn)行特性研究提供實(shí)驗(yàn)條件。

反應(yīng)堆模擬體與實(shí)際裝置一樣，均采用氮?dú)?水蒸氣穩(wěn)壓方式，通過調(diào)節(jié)其初始氮?dú)庋b量，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)對實(shí)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?dú)夥€(wěn)壓方式，其主要設(shè)備包括氮?dú)夥€(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(shí)現(xiàn)。

二回路主要功能為將中間回路熱量載出，主要設(shè)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(shí)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(shí)驗(yàn)臺架的最終冷源，其通過空冷塔將熱量傳遞給大氣。主要設(shè)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(shí)驗(yàn)臺架運(yùn)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(hù)系統(tǒng)等。

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

電氣分系統(tǒng)主要為燃料組件模擬體、泵閥等設(shè)備供電，其具備遠(yuǎn)程啟停及就地控制功能。當(dāng)一鍵保護(hù)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(shè)備的供電，以確保實(shí)驗(yàn)臺架處于可控狀態(tài)，進(jìn)而確保實(shí)驗(yàn)臺架的安全。

安全保護(hù)系統(tǒng)包括報警功能及一鍵保護(hù)系統(tǒng)。報警功能主要指針對表征回路系統(tǒng)運(yùn)行安全的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)相關(guān)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(yùn)行壓力、溫度、流量、水位等。

3 實(shí)驗(yàn)臺架的教學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)人才培養(yǎng)方案的要求，為充分挖掘?qū)嶒?yàn)臺架應(yīng)用于教學(xué)的潛力，更好地促進(jìn)相關(guān)課程建設(shè)，課程組針對相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)兩類。

（1）專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是針對熱工儀表測量原理、PLC控制原理、設(shè)備流動阻力特性及閥門調(diào)節(jié)特性等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

熱工儀表測量原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要基于實(shí)驗(yàn)臺架相關(guān)測點(diǎn)布置及運(yùn)行使用為基礎(chǔ)展開，幫助學(xué)員理解相關(guān)測量設(shè)備在具體裝置的應(yīng)用及相關(guān)注意事項(xiàng)。以流量測量為例，實(shí)驗(yàn)臺架包括文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)、電磁流量計(jì)等，幫助學(xué)員能夠從工程應(yīng)用角度看流量計(jì)具體選型要求及測點(diǎn)布置等，從而對學(xué)員的工程思維進(jìn)行培塑。

PLC控制原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要基于實(shí)驗(yàn)臺架PLC控制器開展。通過幫助學(xué)員理解儀器控制系統(tǒng)自動控制的具體實(shí)現(xiàn)，幫助學(xué)員能夠建立理論與實(shí)踐的聯(lián)系，通過具體的運(yùn)行使用，特別是設(shè)置相關(guān)開放性課題，在學(xué)員解決實(shí)際問題過程中，培育創(chuàng)新意識。

設(shè)備流動阻力特性實(shí)驗(yàn)，主要是基于實(shí)驗(yàn)臺架冷熱態(tài)運(yùn)行條件，幫助學(xué)員理解反應(yīng)堆模擬體、蒸汽發(fā)生器等主要設(shè)備的阻力特性及其在實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)及主要影響因素，培養(yǎng)學(xué)員從系統(tǒng)層面分析具體問題的能力。

（2）綜合實(shí)驗(yàn)。綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括核動力裝置模擬運(yùn)行實(shí)驗(yàn)和典型運(yùn)行剖面綜合演練。綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過幫助學(xué)員建立系統(tǒng)運(yùn)行特性之間的耦合關(guān)系，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)員的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

核動力裝置模擬運(yùn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括核動力裝置模擬啟動、功率運(yùn)行、熱停堆、冷停堆及小破口失水事故等典型運(yùn)行及事故工況。

典型運(yùn)行剖面綜合演練項(xiàng)目主要是針對反應(yīng)堆實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)典型任務(wù)剖面，學(xué)員采用輪流值班形式，維持實(shí)驗(yàn)臺架長時間熱態(tài)運(yùn)行。教員以任務(wù)單形式，規(guī)定了相應(yīng)的功率變化及機(jī)動性要求，學(xué)員根據(jù)任務(wù)單按角色分工開展運(yùn)行實(shí)踐。通過綜合演練項(xiàng)目，可以較好地構(gòu)建實(shí)際裝置運(yùn)行場景，幫助學(xué)員角色代入，進(jìn)而能夠深入理解未來工作崗位能力、素質(zhì)要求，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)員的實(shí)踐能力。在此基礎(chǔ)上，通過引導(dǎo)學(xué)員在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

4 教學(xué)實(shí)踐及效果評估

在完成實(shí)驗(yàn)臺架建設(shè)后，課程組以蒸汽發(fā)生器一次側(cè)阻力特性測量試驗(yàn)為例開展了教學(xué)實(shí)踐，對教學(xué)效果進(jìn)行了初步評估。

（1）教學(xué)實(shí)施。蒸汽發(fā)生器作為一回路系統(tǒng)的熱阱，其運(yùn)行特性直接關(guān)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(xué)實(shí)施中，學(xué)員根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jìn)出口接管、進(jìn)出口腔室及并聯(lián)U型束的壓降分布情況。在實(shí)驗(yàn)過程中，鼓勵學(xué)員發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并采用實(shí)驗(yàn)方法開展驗(yàn)證，并適時組織學(xué)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(dǎo)學(xué)員在實(shí)踐中分析其機(jī)理的同時，鼓勵學(xué)員開展探索實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而分析其主要影響因素及影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)效果顯著。

（2）效果評估。在實(shí)驗(yàn)后，針對實(shí)踐效果分別從實(shí)驗(yàn)教員和學(xué)員兩個方面進(jìn)行了綜合評估。在教員方面，通過綜合性實(shí)驗(yàn)臺架的具體教學(xué)實(shí)踐，可以實(shí)現(xiàn)對學(xué)員儀表測量、信號采集、運(yùn)行控制及堆工基礎(chǔ)等方面知識、技能的考察，有效地促進(jìn)了學(xué)員創(chuàng)新意識和綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)，可以較好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。在學(xué)員方面，學(xué)員反饋“基于綜合性實(shí)驗(yàn)臺架開展實(shí)驗(yàn)，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(xué)實(shí)踐，分析提煉出在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)注意的問題。

（1）加強(qiáng)學(xué)員安全意識培養(yǎng)。對于習(xí)慣于仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)員而言，在應(yīng)用綜合性教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺架開展具體實(shí)踐前需要接受專門的安全培訓(xùn)，特別是臺架運(yùn)行注意事項(xiàng)及應(yīng)急處置預(yù)案等。確保教學(xué)安全是臺架應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提，在具體教學(xué)過程中，也要結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)時提醒學(xué)員安全相關(guān)注意事項(xiàng)，將安全教育有機(jī)融入施訓(xùn)過程，培塑學(xué)員的安全意識。在具體實(shí)踐中，可以將核安全意識培育有機(jī)結(jié)合，將核安全文化與臺架教學(xué)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。

（2）注重實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目層層遞進(jìn)。在具體教學(xué)實(shí)施中，還需要注重實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目層層遞進(jìn)。對于綜合性實(shí)驗(yàn)臺架而言，學(xué)員在進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)操作過程中，很難建立系統(tǒng)整體運(yùn)行的概念，很容易只見樹葉而不見森林，導(dǎo)致忙于具體設(shè)備的操縱，達(dá)不到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。因此，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，需要注重層層遞進(jìn)，幫助學(xué)員逐步建立設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)和臺架整體的概念，進(jìn)而通過解決具體的問題，幫助學(xué)員能夠?qū)?shí)踐與理論相結(jié)合，進(jìn)而培育創(chuàng)新意識。