CN104677813A - 一种高温高压循环水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于应力腐蚀试验的高温高压循环水系统，该循环水系统包括不锈钢储水罐、常规泵、测氧计、电导计、常压过滤器Ⅰ、常压过滤器Ⅱ、常压过滤器Ⅲ、核级混床树脂、高压泵、稳压器、热交换器、预热器、高压釜、加载机和冷却器等，各部分功能清晰，结构优化。能够精确控制回路循环水工况，并可实现高温高压水下的浸泡实验及与应力有关的实验，如腐蚀开裂实验、疲劳试验。可长期安全可靠运行。

Description

一种高温高压循环水系统

技术领域

本发明涉及一种高温高压循环水系统，该系统为研究核电站循环水环境中腐蚀行为提供了平台。 

背景领域 

核电运行过程中，面临复杂的、极端的环境腐蚀问题，而这对材料提出了极高的要求。为了延长现役核电站的使用寿命以及满足未来核电站建设的需要，从安全性和经济性两个角度出发，对核电站材料在高温高压循环水的环境损伤行为进行研究至关重要。而核电站的环境损伤很大一部分源自于与应力有关的腐蚀开裂，因此，在实验室模拟核电站高温高压循环水工况下的有应力存在的环境损伤行为显得极为重要。 

目前国内外许多研究小组已经建立适用于自己的高温高压循环水系统，并取得一系列重要成果。但是，对于系统的设计仍需改进，目前的设计结构不够优化，功能回路未做区分对待，因此非常有必要设计一套新的高温高压循环水系统。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的高温高压循环水系统的设计，该设计具体细化了每一部分回路的作用，当具体的一个回路发生问题时，能够快速的发现问题，而且不会影响其他回路工作。这种设计具有结构清晰，各部分作用明确的优点。 

本发明的技术方案如下： 

一种高温高压循环水系统，包括不锈钢储水罐、常规泵、测氧计、电导计、常压过滤器Ⅰ、常压过滤器Ⅱ、常压过滤器Ⅲ、核级混床树脂、高压泵、稳压器、热交换器、预热器、高压釜、加载机和冷却器，具体如下： 

不锈钢储水罐上设有三个进气管，分别用于向储水罐内的水中通入氧气、氮气和氢气，在每个进气管的入水端连接微米级气体分散器；所述不锈钢储水罐上设有进水口和两个回水口，两个回水口分别用于连接旁路回水管和高压釜回路回水管； 

不锈钢储水罐底部通过管路连接常规泵，不锈钢储水罐与常规泵连接的管路上设有球阀V1，并在储水罐与球阀V1之间的管路上接出一支路作为排水管路，排水管路上设有球阀V2，当储水罐需要排水时，关闭球阀V1，打开球阀V2即可；不锈钢储水罐出来的水，由常规泵提供循环水动力，分别进入旁路和高压釜回路； 

所述旁路先经过单向阀，再分成三路，分别为检测分路、离子交换分路和设有阀门的一个分路，最后三路汇合经旁路回水管流回储水罐，旁路回水管上设有流量计； 

所述高压釜回路，首先分成两路，其中一路依次设有阀门V8、常压过滤器和阀门V19，另一路上设有阀门V9，然后两路合并成一路后连接高压泵；所述高压泵依次连接稳压器、压力传感器、单向阀和压力显示表，然后与热交换器相连； 

不锈钢储水罐进入高压釜回路中的水经高压泵后，首先在热交换器中利用从高压釜流回的热水对循环水进行热交换，然后进入预热器，进行大功率加热，然后热水通过进水管道进入高压釜，高压釜内热水通过出水管道连接热交换器，高压釜通过连接装置与加载机相连接。 

从高压釜出来的高温水经过热交换器后，进入冷却器，所述冷却器通过管道依次连接热电偶和压力表后分为两路，其中一路上设有阀门V15、高压过滤器和阀门V16，另一路上设有阀门V17，两路汇合后连接背压阀Ⅱ；所述热电偶和压力表之间的管路上接有泄压管路，泄压管路上设有高压安全阀。 

所述背压阀Ⅱ通过管道连接流量计后分成两路，其中一路连接常压过滤器，另一路连接阀门V18，两路汇合后通过高压釜回路回水管接入储水罐，完成循环。 

所述不锈钢储水罐上通过管道连接排气装置，连接储水罐和排气装置的管道上设有背压阀Ⅰ，可以根据需要调节储水罐内的压力，连接储水罐和排气装置的管道上还设单向阀，可以防止排气装置中的水逆流。 

所述不锈钢储水罐通过管道连有低压安全阀，该管道的一端与储水罐内气体空间连通，该管道的另一端与大气连通，该管道上在储水罐与低压安全阀之间设有压力显示表；该管道上在储水罐与压力显示表之间的一段管路上连接一支路，支路上设有阀门V4，加水时作为快速排气通道。 

所述不锈钢储水罐上用于通入氮气的进气管上装有电磁阀Ⅰ，用于通入氢气的进气管上装有单向阀Ⅰ和电磁阀Ⅱ，用于通入氧气的进气管上装 有电磁阀Ⅲ。 

所述不锈钢储水罐上的进气管与微米级气体分散器的连接方式为：每个进气管其入水端各装有一个三通，每个三通上连接两个微米级气体分散器。所述不锈钢储水罐上通过管道连接不锈钢漏斗，作为储水罐的进水口，在储水罐与不锈钢漏斗连接的管道上设有球阀V3。 

所述旁路的检测分路上从靠近单向阀端依次设有阀门V7、测氧计和电导计，可实时检测回路溶解氧和电导率。所述旁路的离子交换分路上从靠近单向阀端依次设有阀门V6、常压过滤器和核级混床树脂。 

所述不锈钢储水罐进入高压釜回路中的水通过进水管道进入高压釜，所述进水管道上设热电偶和阀门V11，高压釜内设有热电偶；高压釜内热水通过出水管道连接热交换器，出水管道上设有阀门V10；所述进水管道和出水管道之间通过一段管道实现连通，该管道上设有高温高压阀门V14；所述进水管道和出水管道上各连接一排水支路，其上分别设有阀门V12和V13。 

所述高压釜外套有加热装置，用于对高压釜的加热和保温。 

本发明原理如下： 

1、本发明高压釜回路的温度控制部分包括热交换器、预热器、高压釜、冷却器。首先在热交换器中利用从高压釜流回的热水对循环水进行热交换，即能使高温水冷却，又可使低温水升温。然后进入预热器，进行大功率加热。热水进入高压釜，高压釜外套有加热装置，可以加热和保温。高温水经过热交换器后，进入冷却器，由常温水进行冷却，使其降至常温。 

2、本发明高温高压循环水系统，具有自动控制功能，通过插在预热器和高压釜内的热电偶，可将温度信号传送至可编程温度控制器。在可编程温度控制器中设定好目标温度后，其会自动调节预热器和高压釜功率大少，最终达到目标温度。 

3、本发明设有压力传感器，可以将压力信号显示出来，并通过数据采集模块，在电脑上实时显示，并记录。 

4、本发明设有压力、温度报警系统。所述的压力报警系统，是由压力传感器检测高压回路压力，在超过设定压力时会压力报警，并且自动停止高压泵工作。所述的温度报警系统，包括预热器和高压釜两个相互独立的控制单元。在设定目标温度的同时，设定温度的报警上限，达到目标温度后设定温度的报警下限。当预热器或高压釜温度超过报警上限或低于报警下限时，温度报警。并且超温报警时会自动停止加热。另外设有冷却后常温水报警，如果冷却不充分，回路水温升至报警温度，则温度报警。 

5、本发明带有溶解氧、电导率信息显示表头，并且可通过数据采集模块，将溶解氧、电导率信息在电脑上实时显示，并记录。 

本发明的有益效果是： 

1、本发明系统细化了每部分回路功能，整个系统结构清晰。 

2、本发明系统能够精确控制回路系统水化学参数，可完成高温高压浸泡实验，还可进行高温高压循环水条件下应力腐蚀试验和疲劳试验。通过在线测量仪器的使用，可以检测温度、压力、流量、溶解氧等水化学工况，并可稳定控制相关参数。 

3、本发明系统所设报警系统，可有效控制整个系统长期安全可靠运行；本发明系统所设控制系统，可以实时观测并记录温度、压力、溶解氧、电导率等试验数据。 

附图说明

图1为高温高压循环水系统结构图。 

图2为高温高压循环水系统中微米级分散器连接图。 

其中，1-电磁阀Ⅰ，3-电磁阀Ⅱ，4-电磁阀Ⅲ，2-单向阀Ⅰ，10-单向阀Ⅱ，21-单向阀Ⅲ，39-单向阀Ⅳ，5-气体分散器，6-储水罐，7-压力表Ⅰ，24-压力表Ⅱ，33-压力表Ⅲ，8-低压安全阀，34-高压安全阀，9-不锈钢漏斗，11-背压阀Ⅰ，12-排气装置，13-常规泵，14-测氧计，15-电导计，16-常压过滤器Ⅰ，19-常压过滤器Ⅱ，38-常压过滤器Ⅲ，17-核级混床树脂，18-流量计Ⅰ，37-流量计Ⅱ，20-高压泵，22-压力传感器，23-稳压器，25-热交换器，26-预热器，27-热电偶Ⅰ，28-热电偶Ⅱ，32-热电偶Ⅲ，29-高压釜，30-加载机，31-冷却器，35-高压过滤器，36-背压阀Ⅱ，37-三通。 

具体实施方式

如图1所示，本发明高温高压循环水系统主要包括：储水罐6，常规泵13，测氧计14，电导计15，常压过滤器Ⅰ16，常压过滤器Ⅱ19，常压过滤器Ⅲ38，核级混床树脂17，高压泵20，稳压器23，热交换器25，预热器26，高压釜29，加载机30，冷却器31等，具体如下： 

不锈钢储水罐6上设有三个进气管，分别用于向储水罐6内的水中通入氧气、氮气和氢气，通入氮气的进气管上装有电磁阀Ⅰ1，通入氢气的进气管上装有单向阀Ⅰ2和电磁阀Ⅱ3，通入氧气的进气管上装有电磁阀Ⅲ4，在每个进气管入水端各装有一个三通37，每个三通37上连接两个微米级气体 分散器5（图2），使气体更快速、更有效的溶解于水中。 

不锈钢储水罐6上通过管道连接不锈钢漏斗9，作为储水罐6的进水口，在储水罐6与不锈钢漏斗9连接的管道上设有球阀V3。 

不锈钢储水罐6上通过管道连接排气装置12，其连接储水罐6和排气装置12的管道上设有背压阀Ⅰ11，可以根据需要调节储水罐6内的压力，连接储水罐6和排气装置12的管道上还设单向阀10，可以防止排气装置中的水逆流。所述排气装置12按照中国发明专利200810011749.0（发明名称：一种隔离大气和通气密闭容器的排气装置及其应用）设计。 

不锈钢储水罐6通过管道连有低压安全阀8，该管道的一端与储水罐6内气体空间连通，该管道的另一端与大气连通，该管道上在储水罐6与低压安全阀8之间设有压力显示表7。该管道上在储水罐6与压力显示表7之间的一段管路上连接一支管，支管上设有阀门V4，加水时可以作为快速排气通道。 

不锈钢储水罐6上设有两个回水口，分别用于连接旁路回水管和高压釜回路回水管。 

不锈钢储水罐6底部通过管路连接常规泵13，不锈钢储水罐6与常规泵13连接的管路上设有球阀V1，并在储水罐6与球阀V1之间的管路上接出一支路作为排水管路，排水管路上设有球阀V2，当储水罐6需要排水时，关闭球阀V1，打开球阀V2即可。 

不锈钢储水罐6出来的水，由常规泵13提供循环水动力，分别进入旁路和高压釜回路。 

所述旁路先经过单向阀39，再分成三路，分别为检测分路、离子交换分路和设有阀门5的一个分路，最后三路汇合经旁路回水管流回储水罐6，旁路回水管上设有流量计18。 

旁路的检测分路上从靠近单向阀39端依次设有阀门V7、测氧计14和电导计15，可实时检测回路溶解氧和电导率。 

旁路的离子交换分路上从靠近单向阀39端依次设有阀门V6、常压过滤器16和核级混床树脂17，可去除对水中的阴阳离子并达到核级水平。 

所述高压釜回路，首先分成两路，其中一路依次设有阀门V8、常压过滤器19和阀门V19，另一路上设有阀门V9，然后两路合并成一路后连接高压泵20。通过阀门V8、阀门V9和阀门V19的开关，可实现在线更换常压过滤器。 

所述高压泵20依次连接稳压器（缓冲罐）23、压力传感器22、单向阀21和压力显示表24，然后与热交换器25相连。由高压泵出来的水压并不稳定，波动较大，因此设置缓冲罐，所述稳压器23可以防止压力脉冲波动， 可以稳定高压回路内压力。其气囊内压力为工作压力的70%-80%，所述单向阀21可以保证循环水单方向流动，在发生事故时，可防止高温水倒流损坏高压泵。 

不锈钢储水罐6进入高压釜回路中的水经高压泵20后，循环水首先在热交换器25中利用从高压釜流回的热水对循环水进行热交换，既能使高温水冷却，又可使低温水升温。然后进入预热器26，进行大功率加热，然后热水通过进水管道进入高压釜29，高压釜外套有加热装置，可以加热和保温。所述进水管道设热电偶27和阀门V11，高压釜29内设有热电偶28。高压釜29通过连接装置与加载机30相连接，加载机30通过连接装置将力传至高压釜29内的试样上，从而可完成应力腐蚀、腐蚀疲劳等试验。 

所述高压釜29内热水通过出水管道连接热交换器，出水管道上设有阀门V10；所述进水管道和出水管道之间通过一段管道实现连通，该管道上设有高温高压阀门V14。所述进水管道和出水管道上各连接一排水支路，其上分别设有阀门V12和V13，这样即可在不排空整个回路循环水的情况下，进行高压釜端的操作，比如更换试验样品。 

从高压釜29出来的高温水经过热交换器25后，进入冷却器31，冷却至常温。 

所述冷却器31通过管道依次连接热电偶32和压力表33后分为两路，其中一路上设有阀门V15、高压过滤器35和阀门V16，另一路上设有阀门V17，两路汇合后连接背压阀Ⅱ36；所述热电偶32和压力表33之间的管路上接有泄压管路，当回路内压力大于高压安全阀设定压力时，会从该管路泄水，使管路内压力降低。泄压管路上设有高压安全阀34。 

使用时，可在线更换高压过滤器。在更换时，将阀门V17打开，阀门V15和V16关闭，即可更换高压过滤器35，切不可同时关闭阀门V17和阀门V15、V16。 

背压阀Ⅱ36通过管道连接流量计37后分成两路，其中一路连接常压过滤器38，另一路连接阀门V18，两路汇合后接入储水罐6，完成循环。 

该系统工作时，先开通核级混床树脂17，去除杂质离子。达到目标水质后，再加入溶质。运行一段时间混合均匀后，再进行溶解气体的控制，然后再加压、升温，进行腐蚀试验。 

所述的压力报警系统，是由压力传感器22检测高压回路压力，在超过设定压力时会压力报警，并且自动停止高压泵工作。 

所述的温度报警系统，是由热电偶Ⅰ27、热电偶Ⅱ28和热电偶Ⅲ32相 互独立的三个检测单元组成。当预热器或高压釜或冷却水温度超过报警上限时，温度报警，如果在一分钟时间内未恢复正常，则自动断电，停止系统工作。 

具体实验操作： 

根据实验压力，确定缓冲罐气囊压力，并充入相应的高纯氮气。比如，实验压力为13MPa，则需要充入9.1-10.4MPa的高纯氮气。 

确认阀门V2关闭，打开阀门V3、V4，从漏斗8中加入试验用水，其体积可根据需要确定； 

关闭阀门V3、V4，确认阀门V5、V9、V12、V13、V14、V17、V18关闭，确认V1、V6、V7、V8、V10、V11、V15、V16、V19打开。 

打开系统总电源，打开常规泵13，由于阀门V6打开，故此时为去除纯净水中杂质离子。等到电导率达到目标值时，关闭阀门V6，打开阀门V3、V4加入计算好量的溶质。关闭阀门V3、V4。 

打开电磁阀1或3或4，按比例通入气体，待溶解氧达到稳定值时，打开高压泵20，调节背压阀36到目标压力。设定预热器26和高压釜29目标温度开始加热。 

达到目标温度后，打开加载机30，进行应力腐蚀试验或疲劳试验。 

实验完成后，关闭预热器26和高压釜29，停止加热，冷却至室温。 

调节背压阀36到最小值，然后关闭高压泵20。关闭阀门V10、V11，打开V12、V13排出高压釜29内溶液。 

打开高压釜29取出样品，进行分析。 

Claims (10)

1.一种高温高压循环水系统，其特征在于：该循环水系统包括不锈钢储水罐（6）、常规泵（13）、测氧计（14）、电导计（15）、常压过滤器Ⅰ（16）、常压过滤器Ⅱ（19）、常压过滤器Ⅲ（38）、核级混床树脂（17）、高压泵（20）、稳压器（23）、热交换器（25）、预热器（26）、高压釜（29）、加载机（30）和冷却器（31），具体为：

不锈钢储水罐（6）上设有三个进气管，分别用于向储水罐（6）内的水中通入氧气、氮气和氢气，在每个进气管的入水端连接微米级气体分散器（5）；所述不锈钢储水罐（6）上设有进水口和两个回水口，两个回水口分别用于连接旁路回水管和高压釜回路回水管；

不锈钢储水罐（6）底部通过管路连接常规泵（13），不锈钢储水罐（6）与常规泵（13）连接的管路上设有球阀V1，并在储水罐（6）与球阀V1之间的管路上接出一支路作为排水管路，排水管路上设有球阀V2，当储水罐（6）需要排水时，关闭球阀V1，打开球阀V2即可；不锈钢储水罐（6）出来的水，由常规泵（13）提供循环水动力，分别进入旁路和高压釜回路；

所述旁路先经过单向阀（39），再分成三路，分别为检测分路、离子交换分路和设有阀门（5）的一个分路，最后三路汇合经旁路回水管流回储水罐（6），旁路回水管上设有流量计（18）；

所述高压釜回路，首先分成两路，其中一路依次设有阀门V8、常压过滤器（19）和阀门V19，另一路上设有阀门V9，然后两路合并成一路后连接高压泵（20）；所述高压泵（20）依次连接稳压器（23）、压力传感器（22）、单向阀（21）和压力显示表（24），然后与热交换器（25）相连；

不锈钢储水罐（6）进入高压釜回路中的水经高压泵（20）后，首先在热交换器（25）中利用从高压釜流回的热水对循环水进行热交换，然后进入预热器（26），进行大功率加热，然后热水通过进水管道进入高压釜（29），高压釜（29）内热水通过出水管道连接热交换器（25），高压釜（29）通过连接装置与加载机（30）相连接。

从高压釜（29）出来的高温水经过热交换器（25）后，进入冷却器（31），所述冷却器（31）通过管道依次连接热电偶（32）和压力表（33）后分为两路，其中一路上设有阀门V15、高压过滤器（35）和阀门V16，另一路上设有阀门V17，两路汇合后连接背压阀Ⅱ（36）；所述热电偶（32）和压力表（33）之间的管路上接有泄压管路，泄压管路上设有高压安全阀（34）。

所述背压阀Ⅱ（36）通过管道连接流量计（37）后分成两路，其中一路连接常压过滤器（38），另一路连接阀门V18，两路汇合后通过高压釜回路回水管接入储水罐（6），完成循环。

2.根据权利要求1所述的高温高压循环水系统，其特征在于：所述不锈钢储水罐（6）上通过管道连接排气装置（12），连接储水罐（6）和排气装置（12）的管道上设有背压阀Ⅰ（11），可以根据需要调节储水罐（6）内的压力，连接储水罐（6）和排气装置（12）的管道上还设单向阀（10），可以防止排气装置中的水逆流。

3.根据权利要求2所述的高温高压循环水系统，其特征在于：所述不锈钢储水罐（6）通过管道连有低压安全阀（8），该管道的一端与储水罐（6）内气体空间连通，该管道的另一端与大气连通，该管道上在储水罐（6）与低压安全阀（8）之间设有压力显示表（7）；该管道上在储水罐（6）与压力显示表（7）之间的一段管路上连接一支路，支路上设有阀门V4，加水时作为快速排气通道。

4.根据权利要求1所述的高温高压循环水系统，其特征在于：所述不锈钢储水罐（6）上用于通入氮气的进气管上装有电磁阀Ⅰ（1），用于通入氢气的进气管上装有单向阀Ⅰ（2）和电磁阀Ⅱ（3），用于通入氧气的进气管上装有电磁阀Ⅲ（4）。

5.根据权利要求1所述的高温高压循环水系统，其特征在于：所述不锈钢储水罐（6）上的进气管与微米级气体分散器（5）的连接方式为：每个进气管其入水端各装有一个三通（37），每个三通（37）上连接两个微米级气体分散器（5）。

6.根据权利要求1所述的高温高压循环水系统，其特征在于：所述不锈钢储水罐（6）上通过管道连接不锈钢漏斗（9），作为储水罐（6）的进水口，在储水罐（6）与不锈钢漏斗（9）连接的管道上设有球阀V3。

7.根据权利要求1所述的高温高压循环水系统，其特征在于：所述旁路的检测分路上从靠近单向阀（39）端依次设有阀门V7、测氧计（14）和电导计（15），可实时检测回路溶解氧和电导率。

8.根据权利要求1所述的高温高压循环水系统，其特征在于：所述旁路的离子交换分路上从靠近单向阀（39）端依次设有阀门V6、常压过滤器（16）和核级混床树脂（17）。

9.根据权利要求1所述的高温高压循环水系统，其特征在于：不锈钢储水罐6进入高压釜回路中的水通过进水管道进入高压釜（29），所述进水管道上设热电偶（27）和阀门V11，高压釜（29）内设有热电偶（28）；高压釜（29）内热水通过出水管道连接热交换器（25），出水管道上设有阀门V10；所述进水管道和出水管道之间通过一段管道实现连通，该管道上设有高温高压阀门V14；所述进水管道和出水管道上各连接一排水支路，其上分别设有阀门V12和V13。

10.根据权利要求1所述的高温高压循环水系统，其特征在于：所述高压釜（29）外套有加热装置，用于对高压釜（29）的加热和保温。