CN103594136A - 一种高温气冷堆冷却剂净化系统及净化方法 - Google Patents
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Abstract
一种高温气冷堆冷却剂净化系统及净化方法，包括设置在管道过滤器和水/氦热交换器间并连通二者的中温氦/氦热交换器，设置在分子筛床和低温吸附器间并连通二者的低温氦/氦热交换器，设置在分子筛床和低温氦/氦热交换器间的氦净化系统低温工作段旁路，该氦净化系统低温工作段旁路上设置调节阀F1，正常工作时，通过调节阀F1调节，使1/4流量的氦气进入低温氦/氦热交换器热侧，氦净化系统低温工作段旁路的出口端通过中温氦/氦热交换器连通净化后氦气出口；在中温氦/氦热交换器设置有调节整个氦净化系统氦气流量的节流阀F2；还包括和氦净化系统低温工作段旁路并联的隔膜压缩机；本发明还提供了净化方法；具有液氮消耗量低、净化流量可调、净化性能好以及系统阻力小的特点。
Description
技术领域
本发明涉及反应堆工程冷却剂净化系统及净化方法技术领域，具体涉及一种高温气冷堆冷却剂净化系统及净化方法。
背景技术
高温气冷堆是以石墨为慢化剂、氦气为冷却剂的高温反应堆，是一种具有固有安全性、发电效率高、用途极为广泛的先进核反应堆。在高温堆运行过程中，由于核燃料核素裂变，蒸汽发生器微泄露，燃料装卸系统气氛切换，新燃料装入等原因，会使得一回路冷却剂氦气中的杂质浓度上升。这些杂质包括一氧化碳、二氧化碳、氮、氧、甲烷、氢、水、氪、氙等。杂质对反应堆危害主要表现在3个方面，首先杂质水和氧会对燃料元件和石墨构件腐蚀，其次杂质氢渗入堆内金属构件，产生氢脆和脱碳现象，导致产生腐蚀与裂纹，温度越高过程越快。另外，杂质氪和氙使得反应堆一回路放射性水平升高。所以，杂质水平的控制与反应堆安全可靠运行直接相关。因此必须利用某种氦净化技术将杂质降低到一定水平。
现有的氦净化系统存在如下不足：
（1）液氮消耗量巨大，经济性差；
（2）净化流量不便于调节；
（3）没有考虑对热量（或冷量）回收，能量利用效率低；
（4）运行压力低，最高为3.5MPa；
（5）净化流量低，最高为40kg/h;
（6）净化性能较低；
（7）系统阻力大，经济性差。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高温气冷堆冷却剂净化系统及净化方法，具有液氮消耗量低、净化流量可调、净化性能好以及系统阻力小的特点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高温气冷堆冷却剂净化系统，包括依次连通的尘埃过滤器、加热器、氧化铜床、管道过滤器、水/氦热交换器、气水分离器、分子筛床和低温吸附器，还包括设置在管道过滤器和水/氦热交换器间并连通二者的中温氦/氦热交换器，设置在分子筛床和低温吸附器间并连通二者的低温氦/氦热交换器，还包括设置在分子筛床和低温氦/氦热交换器间的氦净化系统低温工作段旁路，该氦净化系统低温工作段旁路上设置调节阀F1，正常工作时，通过调节阀F1调节，使1/4流量的氦气进入低温氦/氦热交换器热侧，所述氦净化系统低温工作段旁路的出口端通过中温氦/氦热交换器连通净化后氦气出口；在所述中温氦/氦热交换器还设置有调节整个氦净化系统的氦气流量的节流阀F2；还包括和氦净化系统低温工作段旁路并联的隔膜压缩机。
所述中温氦/氦热交换器、低温氦/氦热交换器和水/氦热交换器采用管壳式换热器或套管式换热器。
所述水/氦热交换器采用冷冻水作为冷却介质。
所述净化系统中的管道内径增大至40mm。
所述分子筛床、氧化铜床和低温吸附器的填料部分的高径比为3.5～4.5。
所述低温吸附器由液氮槽和设置在其底部的低温吸附床组成。
上述所述的净化系统的净化方法，在高温气冷堆正常运行时，正常净化列中氦气流动的驱动力是反应堆主氦风机的压头，当反应堆主氦风机停运、而氦净化系统又需工作时，使用隔膜压缩机作为氦气流动的驱动力；具体方法如下：
待净化的氦气首先通过尘埃过滤器，过滤掉95%以上的尺度大于1μm的固态颗粒，然后流经电加热器被加热到和氧化铜床工作温度相适应的220℃～280℃，氦气流过氧化铜床时，其中所含的杂质H2、CO与氧化铜床中氧化铜颗粒反应被转化成H2O和CO2，杂质氧与氧化铜颗粒中的铜反应而被去除；随后从氧化铜床流出的氦气经管道过滤器过滤后，进入中温氦/氦热交换器的热侧，温度为220℃～280℃的氦气被中温氦/氦热交换器冷侧已被净化了的室温氦气冷却到80℃，热量被回收，降温后的氦气，随后氦气流经水/氦热交换器被进一步降温至接近10℃，接近10℃的氦气随即流入气水分离器，被气水分离器分离出的水排向排水系统，被气水分离器分离出的氦气进入分子筛床，分子筛床吸附氦气中的H2O和CO2；随后，通过调节阀F1调节，从分子筛床流出的氦气1/4流量进入低温氦/氦热交换器热侧，温度将从10℃降到-165℃，回收了低温氦/氦热交换器冷侧氦气的冷量，低温氦/氦热交换器冷侧反向流过的氦气温度将从-165℃升到3℃；随后被冷却到-165℃的氦气流入低温吸附器中的低温吸附床，进一步被冷却到-185℃～-195℃，在低温吸附床中，氮、甲烷和惰性气体杂质被吸附而留在低温吸附器中；最后从低温吸附床流出的氦气经过低温氦/氦热交换器管内流道，温度升到～3℃，与旁路未过低温氦/氦热交换器和低温吸附床的另3/4氦气流汇合成室温氦气，直接回流经中温氦/氦热交换器去一回路。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1）、通过设置中温氦/氦热交换器和低温氦/氦热交换器，回收热量和冷量，提高能量利用率。
2）、通过设置氦净化系统低温工作段旁路，并在其上设置调节阀F1，使得流过低温吸附器的氦流量可在37.5～150kg/h之间调节。正常运行时，流过低温吸附器的氦流量通常选定为氦净化系统净化流量的1/4，即～37.5kg/h，这样有效节省液氮消耗量；另外在系统的室温管段，设置一节流阀F2，用以调节通过整个氦净化系统的流量，而现有的净化系统当从反应堆一回路经净化系统排出全部氦气到氦供应与贮存系统时，需全净化流量通过低温吸附器。
3）加大系统管道内径至40mm，降低系统阻力至200kPa以下，提高了系统运行压力，最高可达8.1MPa。
4）增加过滤器设备中过滤元件数量，过滤精度设计为1微米，降低了设备阻力，提高了净化性能。
5）关键设备分子筛床、氧化铜床和低温吸附器的填料部分的高径比设计在3.5到4.5的范围内。空速设计小于20h-1，其中氧化铜床为16.5h-1，分子筛床为3.7h-1，低温吸附器为2.2h-1。较低的空速可以使得冷却器中的杂质被充分吸附而被净化。并且，空速低也使得冷却剂流过这些设备时阻力小。
总之，本发明系统的系统净化流量可以在0到600kg/h范围内运行，典型净化流量为150kg/h。提高了系统净化性能，入口氦气中杂质范围0.1～5000PPMV，可以被净化至0.1PPMV以下，提高了经济性。
附图说明
附图为本发明净化系统及净化方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如附图所示，本发明一种高温气冷堆冷却剂净化系统，包括依次连通的尘埃过滤器、加热器、氧化铜床、管道过滤器、中温氦/氦热交换器、水/氦热交换器、气水分离器、分子筛床、低温氦/氦热交换器和低温吸附器；低温吸附器由液氮槽和设置在其底部的低温吸附床组成。在分子筛床和低温氦/氦热交换器间设置有氦净化系统低温工作段旁路，该氦净化系统低温工作段旁路上设置调节阀F1，正常工作时，通过调节阀F1调节，使1/4流量的氦气进入低温氦/氦热交换器热侧，所述氦净化系统低温工作段旁路的出口端通过中温氦/氦热交换器连通净化后氦气出口；在所述中温氦/氦热交换器还设置有调节整个氦净化系统的氦气流量的节流阀F2；还包括和氦净化系统低温工作段旁路并联的隔膜压缩机，该隔膜压缩机用于当反应堆主氦风机停运、而氦净化系统又需工作时，作为氦气流动的驱动力。
作为本发明的优选实施方式，所述中温氦/氦热交换器、低温氦/氦热交换器和水/氦热交换器采用管壳式换热器或套管式换热器。本实施例采用套管式换热器。
作为本发明的优选实施方式，所述水/氦热交换器采用冷冻水作为冷却介质。
作为本发明的优选实施方式，所述净化系统中的管道内径增大至40mm。
作为本发明的优选实施方式，所述分子筛床、氧化铜床和低温吸附器的填料部分的高径比为3.5～4.5。本实施例高径比为4.0。
如图1所示，本发明净化系统的净化方法，在高温气冷堆正常运行时，正常净化列中氦气流动的驱动力是反应堆主氦风机的压头，当反应堆主氦风机停运、而氦净化系统又需工作时，使用隔膜压缩机作为氦气流动的驱动力；具体方法如下：
待净化的氦气首先通过尘埃过滤器，过滤掉95%以上的尺度大于1μm的固态颗粒，然后流经电加热器被加热到和氧化铜床工作温度相适应的250℃℃，氦气流过氧化铜床时，其中所含的杂质H2、CO与氧化铜床中氧化铜颗粒反应被转化成H2O和CO2，杂质氧与氧化铜颗粒中的铜反应而被去除；随后从氧化铜床流出的氦气经管道过滤器过滤后，进入中温氦/氦热交换器的热侧，温度为250℃的氦气被中温氦/氦热交换器冷侧已被净化了的室温氦气冷却到80℃，热量被回收，降温后的氦气，随后氦气流经水/氦热交换器被进一步降温至接近10℃，接近10℃的氦气随即流入气水分离器，被气水分离器分离出的水排向排水系统，被气水分离器分离出的氦气进入分子筛床，分子筛床吸附氦气中的H2O和CO2；随后，通过调节阀F1调节，从分子筛床流出的氦气1/4流量即37.5kg/h进入低温氦/氦热交换器热侧，温度将从10℃降到-165℃，回收了低温氦/氦热交换器冷侧氦气的冷量，低温氦/氦热交换器冷侧反向流过的氦气温度将从-165℃升到3℃；随后被冷却到-165℃的氦气流入低温吸附器中的低温吸附床，进一步被冷却到-190℃，在低温吸附床中，氮、甲烷和惰性气体杂质被吸附而留在低温吸附器中；最后从低温吸附床流出的氦气经过低温氦/氦热交换器管内流道，温度升到～3℃，与旁路未过低温氦/氦热交换器和低温吸附床的另3/4氦气流汇合成室温氦气，直接回流经中温氦/氦热交换器去一回路。
Claims (7)
1.一种高温气冷堆冷却剂净化系统，包括依次连通的尘埃过滤器、加热器、氧化铜床、管道过滤器、水/氦热交换器、气水分离器、分子筛床和低温吸附器，其特征在于：还包括设置在管道过滤器和水/氦热交换器间并连通二者的中温氦/氦热交换器，设置在分子筛床和低温吸附器间并连通二者的低温氦/氦热交换器，还包括设置在分子筛床和低温氦/氦热交换器间的氦净化系统低温工作段旁路，该氦净化系统低温工作段旁路上设置调节阀F1，正常工作时，通过调节阀F1调节，使1/4流量的氦气进入低温氦/氦热交换器热侧，所述氦净化系统低温工作段旁路的出口端通过中温氦/氦热交换器连通净化后氦气出口；在所述中温氦/氦热交换器还设置有调节整个氦净化系统的氦气流量的节流阀F2；还包括和氦净化系统低温工作段旁路并联的隔膜压缩机。
2.根据权利要求1所述的一种高温气冷堆冷却剂净化系统，其特征在于：所述中温氦/氦热交换器、低温氦/氦热交换器和水/氦热交换器采用管壳式换热器或套管式换热器。
3.根据权利要求1所述的一种高温气冷堆冷却剂净化系统，其特征在于：所述水/氦热交换器采用冷冻水作为冷却介质。
4.根据权利要求1所述的一种高温气冷堆冷却剂净化系统，其特征在于：所述净化系统中的管道内径增大至40mm。
5.根据权利要求1所述的一种高温气冷堆冷却剂净化系统，其特征在于：所述分子筛床、氧化铜床和低温吸附器的填料部分的高径比为3.5～4.5。
6.根据权利要求1所述的一种高温气冷堆冷却剂净化系统，其特征在于：所述低温吸附器由液氮槽和设置在其底部的低温吸附床组成。
7.权利要求1至6任一项所述的净化系统的净化方法，其特征在于：在高温气冷堆正常运行时，正常净化列中氦气流动的驱动力是反应堆主氦风机的压头，当反应堆主氦风机停运、而氦净化系统又需工作时，使用隔膜压缩机作为氦气流动的驱动力；具体方法如下：
待净化的氦气首先通过尘埃过滤器，过滤掉95%以上的尺度大于1μm的固态颗粒，然后流经电加热器被加热到和氧化铜床工作温度相适应的220℃～280℃，氦气流过氧化铜床时，其中所含的杂质H2、CO与氧化铜床中氧化铜颗粒反应被转化成H2O和CO2，杂质氧与氧化铜颗粒中的铜反应而被去除；随后从氧化铜床流出的氦气经管道过滤器过滤后，进入中温氦/氦热交换器的热侧，温度为220℃～280℃的氦气被中温氦/氦热交换器冷侧已被净化了的室温氦气冷却到80℃，热量被回收，降温后的氦气，随后氦气流经水/氦热交换器被进一步降温至接近10℃，接近10℃的氦气随即流入气水分离器，被气水分离器分离出的水排向排水系统，被气水分离器分离出的氦气进入分子筛床，分子筛床吸附氦气中的H2O和CO2；随后，通过调节阀F1调节，从分子筛床流出的氦气1/4流量进入低温氦/氦热交换器热侧，温度将从10℃降到-165℃，回收了低温氦/氦热交换器冷侧氦气的冷量，低温氦/氦热交换器冷侧反向流过的氦气温度将从-165℃升到3℃；随后被冷却到-165℃的氦气流入低温吸附器中的低温吸附床，进一步被冷却到-185℃～-195℃，在低温吸附床中，氮、甲烷和惰性气体杂质被吸附而留在低温吸附器中；最后从低温吸附床流出的氦气经过低温氦/氦热交换器管内流道，温度升到～3℃，与旁路未过低温氦/氦热交换器和低温吸附床的另3/4氦气流汇合成室温氦气，直接回流经中温氦/氦热交换器去一回路。
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