CN103854712A

CN103854712A - 测量石墨粉尘颗粒起尘的装置和方法

Info

Publication number: CN103854712A
Application number: CN201410066596.5A
Authority: CN
Inventors: 张天琦; 彭威; 于溯源
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: CN103854712B

Abstract

本发明提供了一种测量石墨粉尘颗粒起尘的装置和方法。该装置包括高压注气系统、管道电加热系统、主回路系统、粉尘起尘试验段以及泄压系统。该装置可研究高温高压下的石墨粉尘起尘特性，并且可探究起尘前后颗粒粒径的变化。气源通过高压注气系统注入到主回路之前，经管道加热装置升温，在主回路形成高温高压环境。气流通过调频风机可不断调节流速变化。石墨粉尘颗粒沉积在悬挂于管道中心处、可拆卸的平板上。通过测量起尘前后平板的质量变化得到颗粒的起尘份额。收集起尘前后平板上的颗粒样品进行粒径分析，可进一步得到不同工况下发生起尘的颗粒粒径特征。

Description

测量石墨粉尘颗粒起尘的装置和方法

技术领域

本发明涉及核反应堆工程领域，特别是一种测量在高温堆内可能产生的石墨粉尘颗粒起尘的测试方法和装置。

背景技术

高温气冷堆（High Temperature Gas Cooled Reactor）是使用石墨慢化、氦气冷却的反应堆系统。与其他核能系统相比，模块式高温气冷堆具有安全性好、发电效率高等特点，受到各国普遍关注，而超高温气冷堆是第四代先进核能系统的候选堆型之一，被认为是最有可能在不远的将来实施的先进堆型。在德国Jülich公司研发的球床式高温气冷堆测试堆芯AVR（1967年-1988年）以及以钍为燃料的测试堆芯THTR（1985年-1989年）的运行过程中，均发现了具有放射性的碳质粉尘。尽管高温气冷堆由于具有较大的燃料和慢化剂反应性温度系数而在安全性能上有明显优势，然而反应堆一回路的石墨粉尘会给系统安全和环境安全带来一定的隐患。

高温气冷堆中，石墨材料被广泛应用。它既是核燃料的包覆材料，又是反射层材料。作为慢化剂和堆芯结构主要材料，核级石墨的各方面性能对堆芯能够安全高效运行起着很大作用。关于堆芯内的石墨粉尘，有研究表明，燃料元件之间的运动摩擦，以及由于氦气的不纯净而引发的石墨氧化，是造成高温堆产生石墨粉尘的主要原因。

石墨粉尘的运动行为对于高温气冷堆的运行具有较重要意义。在反应堆正常工况下运行时，石墨粉尘颗粒随着冷却气体氦气在反应堆一回路流动，并在一回路表面和流动死区发生沉积，对设备的维护和检修带来不便；石墨粉尘还会在蒸发器换热管表面沉积，影响其换热效率等；石墨粉尘颗粒为疏松多孔结构，表面可吸附带有放射性的裂变碎片。在反应堆启停堆工况下，堆内粉尘浓度可达到正常运行时的3-5倍；一旦发生破口事故，已经沉积在一回路表面的一部分石墨粉外泄，对周围环境造成放射性污染。因此，预测石墨粉尘在高温气冷堆中的起尘行为和规律，对于反应堆的安全运行和分析有着重要意义。

发明内容

目前关于石墨粉尘起尘规律的研究均是采用常温常压下的空气对颗粒进行吹除。而高温气冷堆的冷却剂为高温高压的氦气：堆芯入口温度为250℃-400℃，出口温度为750℃-900℃；HTR-10堆芯一回路压力为3Mpa，HTR-PM堆芯一回路压力为7Mpa；同时，目前尚不明确用空气或其他工质气体代替氦气做石墨粉尘起尘规律的探究是否能够合理体现石墨粉尘在高温堆发生破口时的起尘行为，同时测试的压力和温度也往往和真实环境存在差异。因而，要需要设计合适的方案实现对高温气冷堆一回路中高温高压的氦气工质引发的石墨粉尘的起尘特性进行测量。

本发明提供一种能够利用不同气体工质在高温高压工况下研究石墨粉起尘特性的方法和装置。该装置基于重量分析法测量高温堆一回路石墨粉尘的起尘份额，同时为保证测量的准确性，该装置能够有效减少管道中热泳沉积的影响。

设计了一种高温堆内石墨粉尘颗粒起尘特性的测试方法和装置，具体结构见附件中图1及2。

该装置主要由高压注气系统、管道电加热系统、主回路系统、粉尘起尘试验段以及泄压系统构成。高压注气系统包含至少一个高压气瓶，高压气瓶能替换成不同的气源，开展不同气体工质下的起尘实验。气源注入到主回路之前，经管道加热装置升温，使得回路环境为能够模拟高温气冷堆一回路环境的高温高压。为避免热泳力带来的较大沉积，主回路管道外围包裹保温隔热材料。通过测量不同调频工况下通过风机的气流速度以及可拆卸实验平板上起尘实验前后的石墨粉尘重量得到起尘份额。收集起尘前后平板上的颗粒样品进行粒径分析，可进一步得到不同工况下发生起尘的颗粒粒径特征。

附图说明

图1是本发明测量高温堆一回路管道中石墨粉尘起尘的装置的结构示意图。

图2是石墨粉尘起尘试验段的结构示意图。

其中：1-高压注气系统；2-电加热系统；3-主回路系统；4-粉尘起尘试验段；5-泄压系统；6-高压储气瓶；7-干燥器；8-电加热器；9-压力传感器；10-温度传感器；11-截止阀；12-风机；13-变频器；14-保温层；15-风速传感器；16-温度传感器器；17-压力传感器；18-泄压阀；19-粉尘沉积板；20-螺母紧固接头；21-连杆；22-连杆紧固法兰；23-密封法兰。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如附图1所示，一种测量石墨粉尘颗粒起尘的装置，包括高压注气系统1、电加热系统2、主回路系统3、粉尘起尘试验段4及泄压系统5；高压注气系统1和电加热系统2依次串联在所述主回路系统3的一端，所述泄压系统5连接在所述主回路系统3的另一端，而所述粉尘起尘试验段4串联在所述主回路系统3的内部。

所述高压注气系统1用于向所述主回路系统3提供高压气源，由高压储气瓶6和干燥器7构成；高压储气瓶可以是由至少一个储气瓶组成的高压储气瓶组，其可更换不同的气源，如He、N₂或空气，优选是He。

电加热系统2用于对所述高压注气系统提供的气体进行加热，其与高压注气系统的出气管路相连，由电加热器8对管道中的气流进行加热；电加热器8的功率可调，从而气流的温度可调。在电加热系统的出口管路上设置有截止阀11。这样，气源通过高压注气系统注入到主回路之前，经电加热装置升温，可以在主回路形成高温高压环境。

主回路系统3包括气体管路，在所述气体管路上布置有风机12；风机12的上游气体管路连接前述电加热系统2的出气管路，风机12的下游气体管路与下述粉尘起尘试验段相连。风机12还具有风机变频器13，用于调节其转速。

粉尘起尘试验段4包括粉尘沉积板19、螺母紧固接头20及连杆21；粉尘沉积板4用于预先沉积石墨粉尘，螺母紧固接头20及连杆21用于固定所述粉尘沉积板；粉尘起尘试验段4通过密封法兰23与所述主回路系统相连。具体参见附图2，粉尘沉积板19中心焊有螺丝，通过螺母紧固接头20与连杆21相连；粉尘沉积板19的法线方向与连杆重合且垂直于水平面；粉尘起尘试验段4还具有结构性管道，连杆21通向所述结构性管道外壁，通过连杆紧固法兰22被所述结构性管道上方的凸台固定.这样，粉尘沉积板19可拆卸的悬挂在结构性管道截面的中心位置。

泄压系统5用于整个装置的气体泄放出口。参见附图1，其具体可以是泄压阀18。

参见附图1，为减少管道壁面的散热，避免由热辐射产生的温度梯度引发的热泳沉积带来的影响，在主回路系统3及粉尘起尘试验段4外部设置有保温层14。

此外，在粉尘起尘试验段4和泄压系统5之间的管路上设置有风速传感器15、第一温度传感器16以及第一压力传感器17，用于测量主回路中的流速，温度以及压力。同时，在电加热系统2的出气管路上、截止阀11的上游还设置有第二温度传感器10和第二压力传感器9。

本发明还提供一种测量高温气冷堆一回路中石墨粉尘浓度的方法，该方法包括如下步骤：

1）采用精密天平称取石墨粉尘沉积板19在粉尘沉积前的初始质量m₁；

2）将一定量的石墨粉尘沉积在石墨粉尘沉积板19上，并用精密天平称得沉积板的质量为m₂；

3）将石墨粉尘沉积板19通过螺母紧固端20与连杆21相连，确保粉尘沉积板19悬在粉尘起尘试验段4的中心处；

4）将粉尘起尘试验段4与主回路系统相连3；

5）打开高压注气系统1和电加热系统2，记录电加热系统的初始压力p₁和管道内气流的初始温度T₁；

6）关闭截止阀11；

7）打开风机12，并调节变频器13，使气流获得一定流速，并在粉尘起尘实验段进行历时2分钟的吹除实验；

8）吹除实验中记录主回路系统中流道流速、压力、温度的变化规律u=u(t),p=p(t),T=T(t);

9）吹除实验结束后，打开截止阀18，将管道中的高压气流排放；

10）取下粉尘起尘试验段4中的石墨粉尘沉积板19，采用精密天平称取排放结束后的质量m₃，

11）由记录的石墨粉尘沉积壁面排放前后的质量，可以得到发生起尘的石墨粉尘质量为：

mm_起尘=m₂-m₃

12）由主回路管道的压力表记录的压力值p₃(t)以及速度传感器记录的气体流流速u(t)，可以计算得到排放过程中排放管道中的摩擦速度；

13）收集吹除实验后石墨粉尘沉积板19上的粉尘颗粒样品，并对样品做粒径分析。

14）改变高压注气系统的压力和电加热系统的功率，测量气流在不同温度和压力下石墨粉尘的起尘规律；

15）通过整理吹除过程中石墨粉尘的重悬浮份额，可以预测高温堆的管道中发生重悬浮的石墨粉尘量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种测量石墨粉尘颗粒起尘的装置，其特征在于：包括高压注气系统（1）、电加热系统（2）、主回路系统（3）、粉尘起尘试验段（4）及泄压系统（5）；所述高压注气系统（1）和所述电加热系统依次串联在所述主回路系统（3）的一端，所述泄压系统（5）连接在所述主回路系统（3）的另一端，而所述粉尘起尘试验段（4）串联在所述主回路系统（3）的内部；其中，所述高压注气系统（1）用于向所述主回路系统（3）提供高压气源，而所述电加热系统（2）用于对所述高压注气系统提供的气体进行加热；所述泄压系统（5）用于整个装置的气体泄放出口。

2.按照权利要求1所述的测量石墨粉尘颗粒起尘的装置，其特征在于：所述高压注入系统由高压储气瓶（6）和干燥器（7）构成；所述高压储气瓶可更换不同的气源，如He、N₂或空气。

3.按照权利要求2所述的测量石墨粉尘颗粒起尘的装置，其特征在于：所述电加热系统与所述高压注气系统的出气管路相连，由电加热器（8）对管道中的气流进行加热；所述电加热器的功率可调，即气流的温度可调；所述电加热系统的出口管路上设置有截止阀（11）。

4.按照权利要求3所述的测量石墨粉尘颗粒起尘的装置，其特征在于：所述主回路系统包括气体管路，在所述气体管路上布置有风机（12）；所述风机的上游气体管路连接所述电加热系统的出气管路，所述风机的下游气体管路与所述粉尘起尘试验段相连；所述风机还具有风机变频器（13）。

5.根据权利要求4所述的测量石墨粉尘颗粒起尘的装置，其特征在于：在所述粉尘起尘试验段和所述泄压系统（5）之间的管路上设置有风速传感器（15）、第一温度传感器（16）以及第一压力传感器（17）。

6.根据权利要求5所述的测量石墨粉尘颗粒起尘的装置，其特征在于：所述电加热系统的出气管路上、在所述截止阀的上游还设置有第二温度传感器(10)和第二压力传感器(9)。

7.根据权利要求5所述的测量石墨粉尘颗粒起尘的装置，其特征在于：所述粉尘起尘试验段包括粉尘沉积板（19）、螺母紧固接头（20）及连杆（21）；所述粉尘沉积板用于预先沉积石墨粉尘，所述螺母紧固接头（20）及连杆（21）用于固定所述粉尘沉积板；所述粉尘起尘试验段通过密封法兰（23）与所述主回路系统相连。

8.根据权利要求7所述的测量石墨粉尘颗粒起尘的装置，其特征在于：所述主回路系统及所述粉尘起尘试验段外部设置有保温层（14），以减少管道壁面的散热。

9.根据权利要求7所述的测量石墨粉尘颗粒起尘的装置，其特征在于：所述粉尘沉积板中心焊有螺丝，通过所述螺母紧固接头与所述连杆相连；粉尘沉积板的法线方向与连杆重合且垂直于水平面；所述所述粉尘起尘试验段还具有结构性管道，所述连杆通向所述结构性管道外壁，通过连杆紧固法兰（22）被所述结构性管道上方的凸台固定，使得所述粉尘沉积板悬挂在所述结构性管道截面的中心位置。

10.一种使用权利要求6-9之一的装置测量石墨粉尘颗粒起尘的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）测量前，采用精密天平称取粉尘沉积板（19）的初始质量m₁；采用一定方式将石墨粉尘沉积在粉尘沉积板上，并用精密天平称取带有石墨粉尘的粉尘沉积板的质量m₂；称取步骤完成后，将石墨粉尘沉积板安置入粉尘起尘试验段（4）中；

2）打开高压注气系统（1）的截止阀（11），气流经过干燥器（6）、电加热系统（2）缓慢进入到主回路系统（3）。当所述第一温度传感器（16）和所述第一压力传感器（17）达到指定的初始压力p₁和初始温度T₁时，关闭截止阀（11）；

3）打开风机（12），记录主回路上风速传感器（15）读取的管道风速u，开展时长为1-5分钟的粉尘吹除实验。吹除实验中，某一特定风速的高温高压气流将使得已经沉积在平板上的石墨粉尘颗粒发生起尘现象；

4）记录石墨粉尘沉积板吹除实验后的质量m₃，记录此时第一温度传感器（16）和第一压力传感器（17）的读数，记做温度T₂和压力p₂；

5）调节所述风机的变频器（13），使高温高压的气流达到不同的流速。重复实验步骤3-4；

6）通过获得的数据得到管道的摩擦速度及石墨粉尘的重悬浮份额，进一步计算获得吹除过程中摩擦速度和石墨粉尘重悬浮的关系；

7）改变吹除初始的压力p₁和温度T₁，在不同的压力p₁和温度T₁下重复步骤2-6，由此测量在不同温度和压力下石墨粉尘的起尘规律。