一種可調(diào)式充放型高溫高壓氦氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力(3MPa?1MPa)、溫度(20°C?350°C )和流量(5g/s?200g/s)可調(diào)式充放型高溫高壓氦氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，屬于聚變堆氦冷熱工水力學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氚增殖包層作為聚變堆的核心部件，其主要功能是將聚變高能中子核反應(yīng)產(chǎn)生的高功率密度核熱載出用于發(fā)電，增殖聚變?nèi)剂想安⑵帘沃凶訉?duì)真空室及其外部部件的損傷。由于堆內(nèi)等離子體輻射的高熱流密度和高能中子沉積的高功率密度核熱，第一壁及其部件的冷卻與核熱排出是熱工結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。高壓氦氣具有較好的安全性和中子物理特性，并且由包層排出的高溫氦氣可直接用于布雷頓循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電，不需要與二回路換熱，提高了熱轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電效率，故現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)包層模塊設(shè)計(jì)方案大多采用高壓氦氣作為冷卻劑。
[0003]現(xiàn)行的氦氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大多采用氦氣風(fēng)機(jī)在線驅(qū)動(dòng)的方法，這種方法由于氦氣系統(tǒng)中設(shè)備均處于高溫高壓條件下，在管道與管道、設(shè)備、閥門等之間的連接處易發(fā)生泄漏；而且受氦氣風(fēng)機(jī)的限制，不能做到壓力可調(diào)，采用氦氣風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式不僅極大增加了系統(tǒng)部件和成本，且無法滿足多種實(shí)驗(yàn)工況的需求。本發(fā)明采用由高壓氦氣瓶組供氣，經(jīng)過減壓閥直接減壓后，由電加熱器對(duì)氦氣加熱后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，流出實(shí)驗(yàn)段的高溫氦氣直接進(jìn)入冷卻器進(jìn)行冷卻，再由氦氣壓縮機(jī)壓回氦氣瓶組這一方式，使得高溫高壓段只處于實(shí)驗(yàn)段，僅需在高溫高壓段采用焊接密封即可滿足密封性能要求；并且可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)壓力、溫度和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同實(shí)驗(yàn)工況需求。
[0004]基于以上【背景技術(shù)】，針對(duì)國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)項(xiàng)目課題(2013GB113004)研究的任務(wù)需求，特提出本發(fā)明專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種壓力、溫度和流量可調(diào)的充放型高溫高壓氦氣熱工水力特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，克服了采用氦氣風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的氦氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)工況單一和易發(fā)生泄漏的問題，并且系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，易于裝配。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種壓力、溫度和流量可調(diào)的充放型高溫高壓氦氣熱工水力特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要采用由高壓氦氣瓶組供氣，經(jīng)減壓閥減壓進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，并由氦氣壓縮機(jī)回收來實(shí)現(xiàn)。本氦氣熱工水力特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由高壓氦氣瓶組、減壓閥、電加熱器、電磁加熱系統(tǒng)、冷卻器、水冷系統(tǒng)、流量計(jì)、直通控制閥、氦氣儲(chǔ)氣罐、氦氣緩沖罐、氦氣補(bǔ)充氣瓶、氦氣壓縮機(jī)、真空栗及管道與閥門等組成。由高壓氦氣瓶組供氣，經(jīng)過減壓閥減壓至所需壓力，利用壓力變送器對(duì)減壓閥進(jìn)行閉環(huán)控制，電加熱器對(duì)氦氣進(jìn)行加熱，溫度變送器對(duì)電加熱器加熱功率進(jìn)行閉環(huán)控制，通過設(shè)定的流量值和流量計(jì)所測(cè)得的差值調(diào)節(jié)直通控制閥的開合度，得到額定壓力、溫度和流量的氦氣進(jìn)入熱工水力實(shí)驗(yàn)段，最后由氦氣壓縮機(jī)回收氦氣。
[0007]具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0008]S1:首次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將閥門V1, V2, V3, V4, V5, V9打開，將直通控制閥9開合度開至100%，關(guān)閉流量計(jì)8，啟動(dòng)真空栗16將回路系統(tǒng)抽真空至10 1Pa;
[0009]S2:將閥門N1, Y2, V3, V4, V5關(guān)閉，開啟流量計(jì)8，設(shè)定本次實(shí)驗(yàn)氦氣流量，開啟減壓閥3，設(shè)定減壓閥3的出口壓力，開啟電加熱器4，設(shè)定實(shí)驗(yàn)段入口氦氣溫度，開啟冷卻器6 ;
[0010]S3:開啟閥門1后，高壓氦氣瓶組2中的氦氣通過減壓閥3進(jìn)行減壓，由壓力變送器PJt減壓閥3進(jìn)行閉環(huán)控制，電加熱器4對(duì)氦氣進(jìn)行加熱，由溫度變送器T:對(duì)電加熱器4的加熱功率進(jìn)行閉環(huán)控制，通過設(shè)定的流量值和流量計(jì)8測(cè)得的差值調(diào)節(jié)直通控制閥9的開合度，額定壓力、溫度和流量的氦氣進(jìn)入熱工水力實(shí)驗(yàn)段1，高頻感應(yīng)電源5對(duì)熱工熱工水力實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行感應(yīng)加熱，實(shí)驗(yàn)段出口的壓力和溫度分別由壓力變送器P2和溫度變送器T 2測(cè)得；
[0011]S4:經(jīng)過實(shí)驗(yàn)段I的氦氣進(jìn)入冷卻器6進(jìn)行冷卻，冷卻后的氦氣經(jīng)過流量計(jì)和直通控制閥進(jìn)入氦氣儲(chǔ)氣罐10;
[0012]S5:實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉閥門V7，開啟閥門V6，啟動(dòng)氦氣壓縮機(jī)14工作，氦氣儲(chǔ)氣罐10中氦氣經(jīng)過減壓閥11減壓至氦氣壓縮機(jī)入口壓力范圍內(nèi)，由氦氣壓縮機(jī)14壓回至高壓氦氣瓶組2中；
[0013]S6:當(dāng)氦氣儲(chǔ)氣罐10中氦氣壓力不足時(shí)(考慮實(shí)驗(yàn)中高壓氦氣滲透等流失)，開啟閥門V1。，氦氣補(bǔ)充氣瓶13中的氦氣經(jīng)過減壓閥15減壓至氦氣壓縮機(jī)入口壓力范圍內(nèi)，進(jìn)入氦氣緩沖罐12，由氦氣壓縮機(jī)壓回高壓氦氣瓶組2，直至高壓氦氣瓶組2中壓力達(dá)到初始?jí)毫?；關(guān)閉氦氣壓縮機(jī)，關(guān)閉閥門V6、V9、V1Q。
[0014]所述步驟S3中，通過對(duì)減壓閥3的減壓壓力預(yù)設(shè)，由壓力變送器？1與減壓閥3形成閉環(huán)控制，閉環(huán)控制時(shí)間小于100ms，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)氣氦氣壓力的精確控制；由溫度變送器!\與電加熱器4形成閉環(huán)控制，閉環(huán)控制時(shí)間小于100ms，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)氣氦氣溫度的精確控制；由流量計(jì)8與直通控制閥9形成閉環(huán)控制，閉環(huán)控制時(shí)間小于100ms，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)段氦氣流量的精確控制。
[0015]所述步驟S4中，冷卻器6由水冷系統(tǒng)7對(duì)進(jìn)入其中的氦氣進(jìn)行冷卻，溫度變送器T3的測(cè)量信號(hào)輸出至水冷系統(tǒng)7的控制端口，用以控制連接水冷系統(tǒng)7與冷卻器6的閥門V8開合度，閉環(huán)控制時(shí)間小于100ms，一般設(shè)定冷卻器6出口氦氣溫度低于100°C。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:現(xiàn)行的氦氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大多采用氦氣風(fēng)機(jī)在線驅(qū)動(dòng)的方法，這種方法由于氦氣系統(tǒng)中設(shè)備均處于高溫高壓條件下，在管道與管道、設(shè)備、閥門等之間的連接處易發(fā)生泄漏；而且氦氣風(fēng)機(jī)的限制，不能做到壓力可調(diào)，采用氦氣風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式不僅極大增加了系統(tǒng)部件和成本，且無法滿足多種實(shí)驗(yàn)工況的需求。本發(fā)明采用由高壓氦氣瓶組供氣，經(jīng)過減壓閥直接減壓后，由電加熱器對(duì)氦氣加熱后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，出實(shí)驗(yàn)段的氦氣直接進(jìn)入冷卻器進(jìn)行冷卻，再由氦氣壓縮機(jī)壓回氦氣瓶組這一方式，使得高溫高壓段只處于實(shí)驗(yàn)段，在高溫高壓段采用焊接密封即可滿足密封性能要求；并且可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)壓力、溫度和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同實(shí)驗(yàn)工況需求。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明中可調(diào)式充放型高溫高壓氦氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明【具體實(shí)施方式】是采用附圖所示的可調(diào)式充放型高溫高壓氦氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。
[0019]本發(fā)明由高壓氦氣瓶組供氣，經(jīng)減壓閥減壓至所需壓力，利用壓力變送器對(duì)減壓閥進(jìn)行閉環(huán)控制，由電加熱器對(duì)氦氣進(jìn)行加熱，利用溫度變送器對(duì)電加熱器加熱功率進(jìn)行閉環(huán)控制，通過設(shè)定的流量值和流量計(jì)所測(cè)得的差值來調(diào)節(jié)控制閥的開合度，得到額定壓力、溫度和流量的氦氣進(jìn)入熱工水力實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。高溫氦氣在冷卻器換熱后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐收集，利用氦氣壓縮機(jī)將儲(chǔ)氣罐內(nèi)的回收氦氣壓入高壓氦氣瓶組，可進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)使得高溫高壓段只處于實(shí)驗(yàn)段，降低了對(duì)回路其它部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備的高溫高壓密封性能要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)氦氣的壓力、溫度和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，可滿足高溫、高壓氦氣熱工水力特殊實(shí)驗(yàn)工況的需求。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明中壓力、溫度和流量可調(diào)的氦氣熱工水力特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括熱工水力實(shí)驗(yàn)段1、高壓氦氣瓶組2、第一減壓閥3、第二減壓閥11、第三減壓閥15、電加熱器
4、電磁加熱系統(tǒng)5、冷卻器6、水冷系統(tǒng)7、流量計(jì)8、直通控制閥9、氦氣儲(chǔ)氣罐10、氦氣緩沖罐12、氦氣補(bǔ)充氣瓶13、氦氣壓縮機(jī)14、真空栗16、第一壓力變送器P1、第二壓力變送器P2、第一溫度變送器T1、第二溫度變送器T2、第三溫度變送器T3、第一至第十閥門V1' V i。。其中減壓閥3和第一壓力變送器P1形成閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)段氦氣壓力；電加熱器4和第一溫度變送器T1形成閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)段氦氣入口溫度；流量計(jì)8和直通控制閥9形成閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)段氦氣流量。
[0021]S1:首次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，為保證氦氣純度，需先將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)抽真空，將閥門V1, V2, V3,V4，V5, V9打開，將直通控制閥9開合度開至100%，關(guān)閉流量計(jì)8，啟動(dòng)真空栗16將回路系統(tǒng)抽真空至10 1Pa ;
[0022]S2:將第一閥門V1，第二閥門\，第三閥門V3，第四閥門V4，第五閥門V5，第九閥門V9關(guān)閉，開啟流量計(jì)8，設(shè)定本次實(shí)驗(yàn)氦氣流量，開啟第一減壓閥3，設(shè)定第一減壓閥3的出口壓力，開啟電加熱器4，設(shè)定熱工水力實(shí)驗(yàn)段I入口氦氣溫度，開啟冷卻器6;
[0023]S3:開啟第七閥門1后，高壓氦氣瓶組2中的氦氣通過第一減壓閥3進(jìn)行減壓，由第一壓力變送器P1對(duì)第一減壓閥3進(jìn)行閉環(huán)控制，電加熱器4對(duì)氦氣進(jìn)行加熱，由第一溫度變送器T1對(duì)電加熱器4的加熱功率進(jìn)行閉環(huán)控制，通過設(shè)定的流量值和流量計(jì)8測(cè)得的差值調(diào)節(jié)直通控制閥9的開合度，額定壓力、溫度和流量的氦氣進(jìn)入熱工水力實(shí)驗(yàn)段1，高頻感應(yīng)電源5對(duì)熱工水力實(shí)驗(yàn)段I進(jìn)行感應(yīng)加熱，熱工水力實(shí)驗(yàn)段I出口的壓力和溫度分別由第二壓力變送器P2和第二溫度變送器T 2測(cè)得；
[0024]S4:經(jīng)過熱工水力實(shí)驗(yàn)段I的氦氣進(jìn)入冷卻器