CN105118536A - 一种可调式充放型高温高压氦气实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种可调式充放型高温高压氦气实验系统及方法，由高压氦气瓶组供气，经减压阀减压至所需压力，利用压力变送器对减压阀进行闭环控制，由电加热器对氦气进行加热，利用温度变送器对电加热器加热功率进行闭环控制，通过设定的流量值和流量计所测得的差值来调节控制阀的开合度，得到额定压力、温度和流量的氦气进入热工水力实验段进行实验。高温氦气在冷却器换热后进入储气罐收集，利用氦气压缩机将储气罐内的回收氦气压入高压氦气瓶组，可进行重复实验。该系统使得高温高压段只处于实验段，降低了对回路其它部分实验设备的高温高压密封性能要求，实现了对实验氦气的压力、温度和流量进行调节，可满足高温、高压氦气热工水力特殊实验工况的需求。

Description

一种可调式充放型高温高压氦气实验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种压力(3MPa～10MPa)、温度(20℃～350℃)和流量(5g/s～200g/s)可调式充放型高温高压氦气实验系统及方法，属于聚变堆氦冷热工水力学领域。

背景技术

氚增殖包层作为聚变堆的核心部件，其主要功能是将聚变高能中子核反应产生的高功率密度核热载出用于发电，增殖聚变燃料氚并屏蔽中子对真空室及其外部部件的损伤。由于堆内等离子体辐射的高热流密度和高能中子沉积的高功率密度核热，第一壁及其部件的冷却与核热排出是热工结构的关键技术问题之一。高压氦气具有较好的安全性和中子物理特性，并且由包层排出的高温氦气可直接用于布雷顿循环系统发电，不需要与二回路换热，提高了热转换效率和发电效率，故现有的实验包层模块设计方案大多采用高压氦气作为冷却剂。

现行的氦气实验系统大多采用氦气风机在线驱动的方法，这种方法由于氦气系统中设备均处于高温高压条件下，在管道与管道、设备、阀门等之间的连接处易发生泄漏；而且受氦气风机的限制，不能做到压力可调，采用氦气风机驱动的方式不仅极大增加了系统部件和成本，且无法满足多种实验工况的需求。本发明采用由高压氦气瓶组供气，经过减压阀直接减压后，由电加热器对氦气加热后进入实验段进行实验，流出实验段的高温氦气直接进入冷却器进行冷却，再由氦气压缩机压回氦气瓶组这一方式，使得高温高压段只处于实验段，仅需在高温高压段采用焊接密封即可满足密封性能要求；并且可实现对实验压力、温度和流量进行调节，满足不同实验工况需求。

基于以上背景技术，针对国家磁约束核聚变能发展研究专项项目课题(2013GB113004)研究的任务需求，特提出本发明专利。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种压力、温度和流量可调的充放型高温高压氦气热工水力特性实验系统，克服了采用氦气风机驱动的氦气系统实验工况单一和易发生泄漏的问题，并且系统组成简单，易于装配。

本发明采用的技术方案为：一种压力、温度和流量可调的充放型高温高压氦气热工水力特性实验系统，主要采用由高压氦气瓶组供气，经减压阀减压进入实验段，并由氦气压缩机回收来实现。本氦气热工水力特性实验系统由高压氦气瓶组、减压阀、电加热器、电磁加热系统、冷却器、水冷系统、流量计、直通控制阀、氦气储气罐、氦气缓冲罐、氦气补充气瓶、氦气压缩机、真空泵及管道与阀门等组成。由高压氦气瓶组供气，经过减压阀减压至所需压力，利用压力变送器对减压阀进行闭环控制，电加热器对氦气进行加热，温度变送器对电加热器加热功率进行闭环控制，通过设定的流量值和流量计所测得的差值调节直通控制阀的开合度，得到额定压力、温度和流量的氦气进入热工水力实验段，最后由氦气压缩机回收氦气。

具体实现步骤如下：

S1：首次进行实验时，将阀门V₁，V₂，V₃，V₄，V₅，V₉打开，将直通控制阀9开合度开至100％，关闭流量计8，启动真空泵16将回路系统抽真空至10^-1Pa；

S2：将阀门V₁，V₂，V₃，V₄，V₅关闭，开启流量计8，设定本次实验氦气流量，开启减压阀3，设定减压阀3的出口压力，开启电加热器4，设定实验段入口氦气温度，开启冷却器6；

S3：开启阀门V₇后，高压氦气瓶组2中的氦气通过减压阀3进行减压，由压力变送器P₁对减压阀3进行闭环控制，电加热器4对氦气进行加热，由温度变送器T₁对电加热器4的加热功率进行闭环控制，通过设定的流量值和流量计8测得的差值调节直通控制阀9的开合度，额定压力、温度和流量的氦气进入热工水力实验段1，高频感应电源5对热工热工水力实验段进行感应加热，实验段出口的压力和温度分别由压力变送器P₂和温度变送器T₂测得；

S4：经过实验段1的氦气进入冷却器6进行冷却，冷却后的氦气经过流量计和直通控制阀进入氦气储气罐10；

S5：实验结束后，关闭阀门V₇，开启阀门V₆，启动氦气压缩机14工作，氦气储气罐10中氦气经过减压阀11减压至氦气压缩机入口压力范围内，由氦气压缩机14压回至高压氦气瓶组2中；

S6：当氦气储气罐10中氦气压力不足时(考虑实验中高压氦气渗透等流失)，开启阀门V₁₀，氦气补充气瓶13中的氦气经过减压阀15减压至氦气压缩机入口压力范围内，进入氦气缓冲罐12，由氦气压缩机压回高压氦气瓶组2，直至高压氦气瓶组2中压力达到初始压力；关闭氦气压缩机，关闭阀门V₆、V₉、V₁₀。

所述步骤S3中，通过对减压阀3的减压压力预设，由压力变送器P₁与减压阀3形成闭环控制，闭环控制时间小于100ms，实现对实验段进气氦气压力的精确控制；由温度变送器T₁与电加热器4形成闭环控制，闭环控制时间小于100ms，实现对实验段进气氦气温度的精确控制；由流量计8与直通控制阀9形成闭环控制，闭环控制时间小于100ms，实现对实验段氦气流量的精确控制。

所述步骤S4中，冷却器6由水冷系统7对进入其中的氦气进行冷却，温度变送器T₃的测量信号输出至水冷系统7的控制端口，用以控制连接水冷系统7与冷却器6的阀门V₈开合度，闭环控制时间小于100ms，一般设定冷却器6出口氦气温度低于100℃。

本发明与现有技术相比的优点在于：现行的氦气实验系统大多采用氦气风机在线驱动的方法，这种方法由于氦气系统中设备均处于高温高压条件下，在管道与管道、设备、阀门等之间的连接处易发生泄漏；而且氦气风机的限制，不能做到压力可调，采用氦气风机驱动的方式不仅极大增加了系统部件和成本，且无法满足多种实验工况的需求。本发明采用由高压氦气瓶组供气，经过减压阀直接减压后，由电加热器对氦气加热后进入实验段进行实验，出实验段的氦气直接进入冷却器进行冷却，再由氦气压缩机压回氦气瓶组这一方式，使得高温高压段只处于实验段，在高温高压段采用焊接密封即可满足密封性能要求；并且可实现对实验压力、温度和流量进行调节，满足不同实验工况需求。

附图说明

图1为本发明中可调式充放型高温高压氦气实验系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施方式，以详细说明本发明的技术方案。本发明具体实施方式是采用附图所示的可调式充放型高温高压氦气实验系统原理图。

本发明由高压氦气瓶组供气，经减压阀减压至所需压力，利用压力变送器对减压阀进行闭环控制，由电加热器对氦气进行加热，利用温度变送器对电加热器加热功率进行闭环控制，通过设定的流量值和流量计所测得的差值来调节控制阀的开合度，得到额定压力、温度和流量的氦气进入热工水力实验段进行实验。高温氦气在冷却器换热后进入储气罐收集，利用氦气压缩机将储气罐内的回收氦气压入高压氦气瓶组，可进行重复实验。该系统使得高温高压段只处于实验段，降低了对回路其它部分实验设备的高温高压密封性能要求，实现了对实验氦气的压力、温度和流量进行调节，可满足高温、高压氦气热工水力特殊实验工况的需求。

如图1所示，本发明中压力、温度和流量可调的氦气热工水力特性实验系统包括热工水力实验段1、高压氦气瓶组2、第一减压阀3、第二减压阀11、第三减压阀15、电加热器4、电磁加热系统5、冷却器6、水冷系统7、流量计8、直通控制阀9、氦气储气罐10、氦气缓冲罐12、氦气补充气瓶13、氦气压缩机14、真空泵16、第一压力变送器P₁、第二压力变送器P₂、第一温度变送器T₁、第二温度变送器T₂、第三温度变送器T₃、第一至第十阀门V₁～V₁₀。其中减压阀3和第一压力变送器P₁形成闭环控制，调节实验段氦气压力；电加热器4和第一温度变送器T₁形成闭环控制，调节实验段氦气入口温度；流量计8和直通控制阀9形成闭环控制，调节实验段氦气流量。

S1：首次进行实验时，为保证氦气纯度，需先将实验系统抽真空，将阀门V₁，V₂，V₃，V₄，V₅，V₉打开，将直通控制阀9开合度开至100％，关闭流量计8，启动真空泵16将回路系统抽真空至10^-1Pa；

S2：将第一阀门V₁，第二阀门V₂，第三阀门V₃，第四阀门V₄，第五阀门V₅，第九阀门V₉关闭，开启流量计8，设定本次实验氦气流量，开启第一减压阀3，设定第一减压阀3的出口压力，开启电加热器4，设定热工水力实验段1入口氦气温度，开启冷却器6；

S3：开启第七阀门V₇后，高压氦气瓶组2中的氦气通过第一减压阀3进行减压，由第一压力变送器P₁对第一减压阀3进行闭环控制，电加热器4对氦气进行加热，由第一温度变送器T₁对电加热器4的加热功率进行闭环控制，通过设定的流量值和流量计8测得的差值调节直通控制阀9的开合度，额定压力、温度和流量的氦气进入热工水力实验段1，高频感应电源5对热工水力实验段1进行感应加热，热工水力实验段1出口的压力和温度分别由第二压力变送器P₂和第二温度变送器T₂测得；

S4：经过热工水力实验段1的氦气进入冷却器6进行冷却，冷却后的氦气经过流量计和直通控制阀进入氦气储气罐10；

S5：实验结束后，关闭第七阀门V₇，开启第六阀门V₆，启动氦气压缩机14工作，氦气储气罐10中氦气经过第二减压阀11减压至氦气压缩机入口压力范围内，由氦气压缩机14压回至高压氦气瓶组2中；

S6：当氦气储气罐10中氦气压力不足时(考虑实验中高压氦气渗透等流失)，开启第十阀门V₁₀，氦气补充气瓶13中的氦气经过第三减压阀15减压至氦气压缩机入口压力范围内，进入氦气缓冲罐12，由氦气压缩机压回高压氦气瓶组2，直至高压氦气瓶组2中压力达到初始压力；关闭氦气压缩机，关闭第六阀门V₆、第九阀门V₉、第十阀门V₁₀。

所述步骤S3中，通过对减压阀3的减压压力预设，由第一压力变送器P₁与第一减压阀3形成闭环控制，闭环控制时间小于100ms，实现对实验段进气氦气压力的精确控制；由第一温度变送器T₁与电加热器4形成闭环控制，闭环控制时间小于100ms，实现对实验段进气氦气温度的精确控制；由流量计8与直通控制阀9形成闭环控制，闭环控制时间小于100ms，实现对实验段氦气流量的精确控制。

所述步骤S4中，冷却器6由水冷系统7对进入其中的氦气进行冷却，第三温度变送器T₃的测量信号输出至水冷系统7的控制端口，用以控制连接水冷系统7与冷却器6的第八阀门V₈开合度，闭环控制时间小于100ms，一般设定冷却器6出口氦气温度低于100℃。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种可调式充放型高温高压氦气实验系统，其特征在于包括：热工水力实验段(1)、高压氦气瓶组(2)、第一减压阀(3)、第二减压阀(11)、第三减压阀(15)、电加热器(4)、高频感应电源(5)、冷却器(6)、水冷系统(7)、流量计(8)、直通控制阀(9)、氦气储气罐(10)、氦气缓冲罐(12)、氦气补充气瓶(13)、氦气压缩机(14)、真空泵(16)、第一压力变送器(P₁)、第二压力变送器(P₂)、第一温度变送器(T₁)、第二温度变送器(T₂)、第三温度变送器(T₃)和第一至第十阀门(V₁～V₁₀)；高压氦气瓶组(2)出口经第七阀门(V₇)与第一减压阀(3)入口相连，第一减压阀(3)出口连接电加热器(4)入口，电加热器(4)出口与热工水力实验段(1)入口相连，热工水力实验段(1)入口端分别接有第一压力变送器(P₁)和温度变送器(T₁)，第一压力变送器(P₁)的测量信号输出至第一减压阀(3)的控制端口，第一温度变送器(T₁)的测量信号输出至电加热器(4)的控制端口，高频感应电源(5)对热工水力实验段(1)进行感应加热，热工水力实验段(1)出口端安装有第二压力变送器(P₂)和第二温度变送器(T₂)，并接至冷却器(6)的高温气体入口端，水冷系统(7)与冷却器(6)的水冷流道相连，冷却器(6)的气体出口端连接至流量计(8)入口，第三温度变送器(T₃)安装于冷却器(6)气体出口端，第三温度变送器(T₃)的测量信号输出至水冷系统(7)的控制端口，用以控制连接水冷系统(7)与冷却器(6)的第八阀门(V₈)开合度，流量计(8)出口直接连接至直通控制阀(9)入口，流量计(8)的测量信号输出至直通控制阀(9)的控制端口，直通控制阀(9)出口直接连接氦气储气罐(10)入口，氦气储气罐(10)出口经第七阀门(V₇)与第二减压阀(11)入口相连，第二减压阀(11)出口直接连接氦气缓冲罐(12)主入口，氦气补充气瓶(13)经第十阀门(V₁₀)连接至第三减压阀(15)入口，第三减压阀(15)出口连接氦气缓冲罐(12)补充气入口，氦气缓冲罐(12)出口连接氦气压缩机(14)入口，氦气压缩机(14)出口经第六阀门(V₆)连接高压氦气瓶组(2)入口，为使得全回路利用一台真空泵(16)即能完成抽真空，在氦气压缩机(14)出口与第六阀门(V₆)连接管道、氦气缓冲罐(12)出口与氦气压缩机(14)入口连接管道、第七阀门(V₇)与第一减压阀(3)入口连接管道、第九阀门(V₉)与第二减压阀(11)入口连接管道分别经第一阀门(V₁)、第二阀门(V₂)、第三阀门(V₃)、第四阀门(V₄)并联至第五阀门(V₅)入口，第五阀门(V₅)出口连接真空泵(16)入口。

2.根据权利要求1所述的一种可调式充放型高温高压氦气实验系统，其特征在于：所述热工水力实验段(1)中氦气压力调节范围为3MPa～10MPa、温度调节范围为20℃～350℃、流量调节范围为5g/s～200g/s。

3.根据权利要求1所述的一种可调式充放型高温高压氦气实验系统，其特征在于：所述电磁加热系统(5)为200KW大功率高频感应电源，通过线圈电磁感应加热热工水力实验段(1)，样件表面热流密度达10MW/m²。

4.一种可调式充放型高温高压氦气实验方法，其特征在于实现步骤如下：

S1：首次进行实验时，将第一阀门(V₁)，第二阀门(V₂)，第三阀门(V₃)，第四阀门(V₄)，第五阀门(V₅)，第九阀门(V₉)打开，将直通控制阀(9)开合度开至100％，关闭流量计(8)，启动真空泵(16)将回路系统抽真空至10^-1Pa；

S2：将第一阀门(V₁)，第二阀门(V₂)，第三阀门(V₃)，第四阀门(V₄)，第五阀门(V₅)关闭，开启流量计(8)，设定本次实验氦气流量，开启第一减压阀(3)，设定第一减压阀(3)的出口压力，开启电加热器(4)，设定实验段入口氦气温度，开启冷却器(6)；

S3：开启第七阀门(V₇)，高压氦气瓶组(2)中的氦气通过第一减压阀(3)进行减压，由第一压力变送器(P₁)对第一减压阀(3)进行闭环控制，电加热器(4)对氦气进行加热，由第一温度变送器(T₁)对电加热器(4)进行闭环控制，通过设定的流量值和流量计(8)测得的差值调节直通控制阀(9)的开合度，额定压力、温度和流量的氦气进入热工水力实验段(1)，高频感应电源(5)对热工热工水力实验段(1)进行感应加热，热工水力实验段(1)出口的压力和温度分别由第二压力变送器(P₂)和第二温度变送器(T₂)测得；

S4：经过热工水力实验段(1)的氦气进入冷却器(6)进行冷却，冷却后的氦气经过流量计和直通控制阀进入氦气储气罐(10)；

S5：实验结束后，关闭第七阀门(V₇)，开启第六阀门(V₆)，启动氦气压缩机(14)工作，氦气储气罐(10)中氦气经过第二减压阀(11)减压至氦气压缩机入口压力范围内，由氦气压缩机(14)压回至高压氦气瓶组(2)中；

S6：当氦气储气罐(10)中氦气压力不足时，开启第十阀门(V₁₀)，氦气补充气瓶(13)中的氦气经过第三减压阀(15)减压至氦气压缩机入口压力范围内，进入氦气缓冲罐(12)，由氦气压缩机压回高压氦气瓶组(2)，直至高压氦气瓶组(2)中压力达到初始压力；关闭氦气压缩机(14)，关闭第六阀门(V₆)、第九阀门(V₉)、第十阀门(V₁₀)。

5.根据权利要求4所述的一种可调式充放型高温高压氦气实验方法，其特征在于：所述步骤S3中，通过对第一减压阀(3)的减压压力预设，由第一压力变送器(P₁)与第一减压阀(3)形成闭环控制，闭环控制时间小于100ms，实现对实验段进气氦气压力的精确控制；由第一温度变送器(T₁)与电加热器(4)形成闭环控制，实现对热工热工水力实验段(1)进气氦气温度的精确控制；由流量计(8)与直通控制阀(9)形成闭环控制，闭环控制时间小于100ms，实现对实验段氦气流量的精确控制。

6.根据权利要求4所述的一种可调式充放型高温高压氦气实验方法，其特征在于：所述步骤S4中，冷却器(6)由水冷系统(7)对进入其中的氦气进行冷却，冷却器(6)出口氦气温度低于100℃。

7.根据权利要求6所述的一种可调式充放型高温高压氦气实验方法，其特征在于：第三温度变送器(T₃)的测量信号输出至水冷系统(7)的控制端口，用以控制连接水冷系统(7)与冷却器(6)的第八阀门(V₈)开合度，闭环控制时间小于100ms。