CN107067918A - 聚变反应堆的氦气实验回路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚变反应堆的氦气实验回路装置，涉及聚变反应堆技术领域。包括系统主回路、冷却水系统、补气与压力控制系统、抽真空系统、安全保护系统、电气系统、仪表系统以及测控系统。系统主回路用于将缓冲罐内的氦气进行升压、降温、升温后供给实验使用，使用后的氦气经过降温后返回缓冲罐，完成氦气在回路的循环；补气与压力控制系统用于为系统主回路提供氦气源、控制实验回路系统内气体的整体压力及回收实验结束后主回路的氦气；抽真空系统用于将回路抽成真空状态，排除杂质气体。该氦气实验回路装置能够实现各种与聚变反应堆的氦气相关的实验，有效保证聚变反应堆的可靠运行，提高实验的精确度和准确度，且测试方便、简单。

Description

聚变反应堆的氦气实验回路装置
技术领域
本发明涉及聚变反应堆技术领域，尤其涉及一种聚变反应堆的氦气实验回路装置。
背景技术
在未来的聚变反应堆系统中，氦气被用于冷却接触等离子体的部件，如包层(Blanket)和偏滤器(Divertor)。其中，包层模块是验证聚变反应堆能否实现氚自持，并提取聚变所产生巨大能量的关键设备。经过多年的努力，我国已发展了自己的氦冷陶瓷氚增殖剂铁素体钢实验包层(Test Blanket Module,TBM)技术，并将在ITER的实验堆中进行多项测试工作，来验证该包层模块的设计方案。为确保待测TBM模块能够在ITER实验窗口里安全、有效运行，在实施ITER实验堆测试项目前，需要建设一个与ITER实验堆测试环境相同的堆外氦气实验回路，用于检验我国TBM模块在高温高压条件下的热工表现以及整体的机械性能，保证ITER测试项目的顺利开展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种聚变反应堆的氦气实验回路装置，所述氦气实验回路装置能够开展无辐照条件、真实温度和压力环境下TBM窄缝通道中氦气流动与传热等热工水力特性和安全特性的研究与验证工作，以及第一壁、结构、增殖球床等单项实验模拟件的热工水力特性实验，有效保证聚变反应堆的可靠运行，提高实验的精确度和准确度，且测试方便、简单。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
聚变反应堆的氦气实验回路装置包括系统主回路、冷却水系统、补气与压力控制系统、抽真空系统、安全保护系统、电气系统、仪表系统以及测控系统。所述系统主回路用于将缓冲罐内的氦气进行升压、降温、升温后供给实验使用，使用后的氦气经过降温后返回缓冲罐，完成氦气在回路的循环；所述冷却水系统用于为冷却器和风机提供冷源，冷却系统主回路中的氦气和主回路风机的电机；所述补气与压力控制系统用于为系统主回路提供氦气源、控制实验回路系统内气体的整体压力及回收实验结束后主回路的氦气；所述抽真空系统用于将氦气实验回路装置抽成真空状态，排除实验系统内的杂质气体，保证实验回路注入氦气后回路内部氦气的纯净度；所述安全保护系统用于实现系统主回路的超压保护；所述电气系统用于对回路设备进行交流电供电及电气传动控制与保护；所述仪表系统用于测量实验回路所需的温度、压力、压差、气体流量、液体流量、液位、真空度、电压与电流等信号；所述测控系统用于数据采集、存储、分析和设备控制。系统主回路、冷却水系统、补气与压力控制系统、抽真空系统、安全保护系统、电气系统、仪表系统受控于所述测控系统。
进一步的技术方案在于：所述系统主回路包括离心式风机C001、回热器HR001、预热器PH001、冷却器HE001、缓冲罐BT001、缓冲罐BT002、混合器MX001、混合器MX002、过滤器F001以及相应的管道、阀门等设备，用于将缓冲罐内的氦气进行升压、降温、升温后供给实验使用，使用后的氦气经过降温后返回缓冲罐，完成氦气在回路的循环；
所述系统主回路由所述补气与压力控制系统与缓冲罐BT002连接，缓冲罐BT002的出气口经离心式风机C001与缓冲罐BT001的进气口连接，缓冲罐BT001的出气口分为三路，第一路与所述抽真空系统连接；第二路为主回路旁通支路，用于调节主回路的氦气流量，该管路依次经流量计FM002、调节阀VC001后与混合器MX002的一个进气口连接，混合器MX002的出气口依次经冷却器HE001、截止阀VI009、过滤器F001、调节阀VC005、流量计FM001后与缓冲罐BT002的进气口连接；第三路为实验本体支路，依次经流量计FM003、流量计FM004、调节阀VC002后与回热器HR001的第一个进气口连接，回热器HR001的第一个出气口依次经预热器PH001、混合器MX001后分为两路，第一路为实验本体旁通支路，主要用于调节实验本体的流量大小，经流量计FM005后接调节阀VC004的进气口，第二路为实验本体支路，依次经截止阀VI006、流量计FM006、实验段TS001后分别与调节阀VC007a和调节阀VC007b的进气口连接，调节阀VC004的出气口管道与调节阀VC007a和调节阀VC007b的出气口管道连接后与回热器HR001的第二个进气口连接，回热器HR001的第二个出气口经截止阀VI008后与混合器MX002的另一个进气口连接，所述冷却水系统与冷却器HE001连接，用于为冷却器HE001提供冷源；
所述系统主回路还包括加热段旁通支路，包括调节阀VC003，调节阀VC003的进气口与流量计FM003的出气口连接，调节阀VC003的出气口与混合器MX001的另一个进气口连接，该管路用于调节经回热器和预热器加热工质的流量大小，并结合预热器的加热功率实现实验本体入口温度的精确调节。
进一步的技术方案在于：所述冷却水系统由冷却水回路和过冷水回路组成，用于为冷却器和风机提供冷源，冷却系统主回路中的氦气和主回路风机的电机；
所述冷却水回路包括变频式离心泵PU101、过滤器F101、冷却塔CT101、水池以及相应的管道、阀门等设备，水池的出水口依次经离心泵PU101、过滤器F101、流量计FM101后接系统主回路的冷却器HE001进行热量交换，由冷却器HE001流出的冷却水分为两路，第一路依次经调节阀VC103、冷却塔CT101后进入水池，冷却水源通过调节阀VC101与水池的进水口连接，第二路为冷却塔旁通支路，经调节阀VC102后进入水池，所述冷却水回路用于冷却系统主回路中的氦气；
所述过冷水回路包括冷水机CR101、过滤器F102、过滤器F103以及相应的管道、阀门等设备，用于冷却系统主回路离心式风机C001的电机，保证电机能够安全运行于高转速工况。冷水机的作用是通过制冷剂冷却生成足够流量的5℃低温冷却水，冷水机内已整合了制冷剂压缩循环、冷却水驱动泵。
进一步的技术方案在于：所述补气与压力控制系统包括氦气源S、压缩机C201、缓冲罐BT201、缓冲罐BT202、储气罐BT203以及相应的管道、阀门等设备，氦气源S的出气口经截止阀VI201与缓冲罐BT201的一个进气口连接，主回路缓冲罐BT002的另一个出气口经调节阀VC202与缓冲罐BT201的另一个进气口连接，缓冲罐BT201的出气口分为两路，第一路经调节阀VC203、压缩机C201后分为两路，一路依次经止回阀VO205、缓冲罐BT202、调节阀VC204后与主回路缓冲罐BT002的另一个进气口连接，另一路经截止阀VI206后与储气罐BT203的进气口连接，第二路经截止阀VI205后与储气罐BT203的进气口连接，所述补气与压力控制系统用于为系统主回路提供氦气源、控制实验回路系统内气体的整体压力及回收实验结束后主回路的氦气。
进一步的技术方案在于：所述抽真空系统包括真空泵VP301、截止阀VI301、截止阀VI302和相关管路，主回路缓冲罐BT001的出气口经截止阀VI301后，一路与截止阀VI302连接，另一路与真空泵VP301的进气口连接，真空泵VP301的出气口为气体排放口，所述抽真空系统用于将氦气实验回路装置抽成真空状态，排除实验系统内的杂质气体，保证实验回路注入氦气后回路内部氦气的纯净度。
进一步的技术方案在于：所述安全保护系统包括安全阀VS010和安全阀VS011，所述系统主回路的离心式风机C001的出口设有安全阀VS011，所述系统主回路的实验段TS001出口连接的调节阀VC007a、调节阀VC007b的出口设有安全阀VS010，所述安全保护系统用于实现系统主回路的超压保护。
进一步的技术方案在于：所述电气系统包括供电系统和电气传动控制与保护系统，用于对回路设备进行交流电供电及电气传动控制与保护。供电系统采用输入电压为380V的交流电对实验回路的离心式风机C001、预热器PH001、压缩机C201和真空泵VP301等设备供电。电气传动控制与保护系统包括直流电气供电系统传动控制、交流电气供电系统传动控制及保护、电气系统手动控制，将离心式风机C001、压缩机C201和真空泵VP301的启停信号及预热器PH001的控制信号引入测控系统，实现设备和操作的远程控制。
进一步的技术方案在于：所述仪表系统包括铂电阻温度计、热电偶、压力变送器、压差变送器、科氏力气体质量流量计、液位计等测量设备，所述仪表系统用于测量实验回路所需的温度、压力、压差、气体流量、液体流量、液位、真空度、电压与电流等信号。
进一步的技术方案在于：所述测控系统包括数据采集系统、存储分析系统和控制系统，用于实验工况监视、实验数据的实时在线测量和存储、实验参数的自动控制及报警联锁保护、实验数据的分析处理、一般的故障诊断和故障处理以及多台计算机的通讯。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述氦气实验回路装置能够开展无辐照条件、真实温度和压力环境下TBM窄缝通道中氦气流动与传热等热工水力特性和安全特性的研究与验证工作，以及第一壁、结构、增殖球床等单项实验模拟件的热工水力特性实验，有效保证聚变反应堆的可靠运行，提高实验的精确度和准确度，且测试方便、简单。
附图说明
图1是本发明所述系统主回路的原理图；
图2是本发明所述冷却水系统的原理图；
图3是本发明所述补气与压力控制系统的原理图；
图4是本发明所述抽真空系统的原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1～图4所示，本发明公开了一种聚变反应堆的氦气实验回路装置，所述氦气实验回路装置包括系统主回路、冷却水系统、补气与压力控制系统、抽真空系统、安全保护系统、电气系统、仪表系统以及测控系统。所述系统主回路用于将缓冲罐内的氦气进行升压、降温、升温后供给实验使用，使用后的氦气经过降温后返回缓冲罐，完成氦气在回路的循环；所述冷却水系统用于为冷却器和风机提供冷源，冷却系统主回路中的氦气和主回路风机的电机；所述补气与压力控制系统用于为系统主回路提供氦气源、控制实验回路系统内气体的整体压力及回收实验结束后主回路的氦气；所述抽真空系统用于将氦气实验回路装置抽成真空状态，排除实验系统内的杂质气体，保证实验回路注入氦气后回路内部氦气的纯净度；所述安全保护系统用于实现系统主回路的超压保护；所述电气系统用于对回路设备进行交流电供电及电气传动控制与保护；所述仪表系统用于测量实验回路所需的温度、压力、压差、气体流量、液体流量、液位、真空度、电压与电流等信号；所述测控系统用于数据采集、存储、分析和设备控制。系统主回路、冷却水系统、补气与压力控制系统、抽真空系统、安全保护系统、电气系统、仪表系统受控于所述测控系统。
系统主回路
如图1所示，氦气主回路工作状态共有6种，因此在设计中取6种状态中最高参数指标作为主回路设计基准，确定主回路设计参数。主回路的主要工作参数如下：
所述系统主回路包括离心式风机C001、回热器HR001、预热器PH001、冷却器(HE001)、缓冲罐(BT001，BT002)、混合器(MX001，MX002)、过滤器(F001)以及相应的管道、阀门等设备，用于将缓冲罐内的氦气进行升压、降温、升温后供给实验使用，使用后的氦气经过降温后返回缓冲罐，完成氦气在回路的循环。
其中，风机提供主回路和实验支路气体工质强制循环的驱动压头，保证实验本体达到测试所需流量；回热器位于预热器上游，其一、二次侧分别逆向通入实验本体出口的高温氦气和风机出口的低温氦气，用实验本体流出高温气体的部分热量加热预热器上游的低温氦气，提高热量利用率，同时可达到有效降低预热器加热功率和冷却器及冷却水系统冷却需求的目的；预热器用于提高气体温度，以满足实验本体入口温度要求；冷却器是回路的热量导出设备，可吸收回热器流出氦气的热量，使气体温度降低至满足风机入口温度的要求；在风机进出口分别设置一个缓冲罐，起到稳定回路压力的作用，其中风机进口的缓冲罐用于降低冷却器冷却过程引入的压力波动，同时保证风机进口工况的稳定；风机出口的缓冲罐起到缓解由风机引起的压力波动、保证回路压力和流量稳定性的作用；混合器为一种带内衬管的三通，设置于高温和低温气体汇合处，其目的是利用内衬管来吸收气体混合过程中温度波动引起的应力变化，防止承压管道和焊缝出现热疲劳，保证其机械性能不受影响；过滤器用于过滤回路中的悬浮杂质，保证回路工质的洁净；实验流量通过调节回路阀门开度实现；在实验本体出口和压缩机出口设置有安全阀，实现实验回路的超压保护。
主回路的流程是：气体经离心式风机C001升压后，一部分进入实验本体支路，其余气体经主回路旁通支路返回主回路，进入冷却器HE001；进入实验本体支路的气体，首先进入回热器HR001吸收实验本体流出的热流体的热量，升温后经预热器PH001加热至指定温度，回热器HR001和预热器PH001设置有旁通支路，通过结合旁通支路流量和预热器功率的调节实现实验本体入口温度的精确控制；达到指定温度的高温流体进入实验本体，与实验本体旁通管路的流体汇合后进入回热器HR001加热低温气体，实现热量再利用；回热器HR001流出的气体经过降温与主回路旁通支路的气体混合后进入冷却器HE001排出剩余热量，冷却后进入离心式风机C001完成循环。
回路中包含3个旁通支路，分别是主回路旁通支路、加热段旁通支路和实验本体旁通支路。主回路旁通支路用于调节主回路的流量；预热段旁通支路可以调节经回热器HR001和预热器PH001加热工质的流量大小，结合预热器PH001的加热功率实现实验本体入口温度的精确调节；实验本体旁通支路主要用于调节实验本体的流量大小。
具体的连接关系如图1所示，所述系统主回路包括离心式风机C001、回热器HR001、预热器PH001、冷却器HE001、缓冲罐BT001、缓冲罐BT002、混合器MX001、混合器MX002、过滤器F001以及相应的管道、阀门等设备，用于将缓冲罐内的氦气进行升压、降温、升温后供给实验使用，使用后的氦气经过降温后返回缓冲罐，完成氦气在回路的循环。
所述系统主回路由所述补气与压力控制系统与缓冲罐BT002连接，缓冲罐BT002的出气口经离心式风机C001与缓冲罐BT001的进气口连接，缓冲罐BT001的出气口分为三路，第一路与所述抽真空系统连接；第二路为主回路旁通支路，用于调节主回路的氦气流量，该管路依次经流量计FM002、调节阀VC001后与混合器MX002的一个进气口连接，混合器MX002的出气口依次经冷却器HE001、截止阀VI009、过滤器F001、调节阀VC005、流量计FM001后与缓冲罐BT002的进气口连接；第三路为实验本体支路，依次经流量计FM003、流量计FM004、调节阀VC002后与回热器HR001的第一个进气口连接，回热器HR001的第一个出气口依次经预热器PH001、混合器MX001后分为两路，第一路为实验本体旁通支路，主要用于调节实验本体的流量大小，经流量计FM005后接调节阀VC004的进气口，第二路为实验本体支路，依次经截止阀VI006、流量计FM006、实验段TS001后分别与调节阀VC007a和调节阀VC007b的进气口连接，调节阀VC004的出气口管道与调节阀VC007a和调节阀VC007b的出气口管道连接后与回热器HR001的第二个进气口连接，回热器HR001的第二个出气口经截止阀VI008后与混合器MX002的另一个进气口连接，所述冷却水系统与冷却器HE001连接，用于为冷却器HE001提供冷源；
所述系统主回路还包括加热段旁通支路，包括调节阀VC003，调节阀VC003的进气口与流量计FM003的出气口连接，调节阀VC003的出气口与混合器MX001的另一个进气口连接，该管路用于调节经回热器和预热器加热工质的流量大小，并结合预热器的加热功率实现实验本体入口温度的精确调节。
主回路设计参数如下表：
主回路主要设备设计方案如下：
主回路风机：系统主回路设置1台离心式风机C001用于提供主回路和实验支路气体工质强制循环的驱动压头，保证实验本体达到测试所需流量。根据测试需要，实验本体入口应满足8MPa、300℃条件下通过的质量流量达到1.04kg/s，对应0.101325Mpa、27℃下的体积流量2.3036×104标准立方米每小时，圆整为2.35×104标准立方米每小时，因此风机的额定流量应大于2.35×104Nm3/h；实验本体是回路中的主要阻力件，通过调研TBM模拟体的流动压降一般在0.3MPa以内；回热器设计压降<25kPa，预热器设计压降<9kPa，冷却器则小于11kPa，考虑阀门以及流量计等设备引入的流动压降，除实验本体外其他设备的总阻力小于0.1MPa；因此回路总压降约为0.5MPa，考虑一定安全裕量，风机的实际驱动全压应高于0.6MPa。因此，考虑将来模拟实验的需要，主回路风机采用离心式风机，结构材料选用316L。风机的设计参数如下：
回热器HR001：系统主回路设置1台回热器来提高能量的利用率，降低预热器和冷却器的功率水平，回热器为一台逆流式换热器。回热器位于预热器的上游，其功能是利用实验本体流出的热流体加热预热器上游的低温流体，达到能量再利用目的同时，提高预热器入口流体温度，并降低冷却器一次侧入口流体温度，实现降低预热器和冷却器功率水平的目的。PCHE换热器高效、结构紧凑，又具有管壳式换热器耐高温、高压的特点，从而使其传热效率高、压力损失小，在节省空间的同时可以保证换热效率，能够满足氦气实验回路装置的要求。因此，考虑将来模拟实验的需要，实验回路的回热器采用PCHE高效换热器，结构材料选用316L。回热器主要参数为：
预热器PH001：系统主回路设置1台预热器加热氦气工质，是实验回路的主要热源。预热器位于回热器的下游，其主要功能是用于回路的升温，同时继续加热经回热器加热后的氦气，使其温度达到实验本体进口温度的需求，在实验过程中维持稳定的功率，并进行适当调节，以保证实验本体进口温度恒定。本实验回路的预热器采用气体电加热装置的结构形式，加热功率400kW。预热器主要设计参数为：
冷却器HE001：系统主回路设置1台冷却器导出热量，位于风机入口的上游，其功能是降低回路系统氦气的温度，满足风机入口工质低温度(＜50℃)的要求。考虑将来模拟实验的需要，本实验回路的冷却器采用PCHE高效换热器，结构材料选用316L。冷却器主要参数为：
缓冲罐：氦气实验回路装置中共设置了4台缓冲罐，其中主回路风机的进出口分别设置一个缓冲罐BT001、缓冲罐BT002，用于稳定风机的进出口压力和流量，且风机进口处的缓冲罐BT002和补气与压力控制系统相连；在补气与压力控制系统中也有两个缓冲罐BT201、缓冲罐BT202，主要起到储气和缓冲的作用。缓冲罐主要由承压筒体、接管和支座组成，采用焊接形式连接，以降低工质的泄露。缓冲罐的容积应能够减弱压力波动，同时储气容积应能满足一次实验的需要，结构材料选用316L。缓冲罐的主要设计参数如下：
主回路缓冲罐主要设计参数
补气与压力控制系统缓冲罐主要设计参数
混合器：系统主回路设置了2台混合器，混合器MX001、混合器MX002分别安装于预热器下游和冷却器的上游，其结构形式为带内衬管的异径三通，主要用来混合冷热气体、利用内衬管吸收由混合过程引起热应力波动导致的热疲劳，保证三通承压壁面和管路焊缝的安全可靠。混合器应具有尽可能低的流动阻力，内衬管应固定充分，防止脱落，同时应考虑热膨胀空间的问题，结构材料选用316L。实验本体附近的混合器MX001处于中子和磁场较强的区域，要求不能含有半导体材料和卤素元素。混合器设计参数如下：
过滤器F001：系统主回路设置了1台气体过滤器，其结构形式为带内滤网的管道，主要起到过滤回路气体中杂质的作用。内置滤网采用耐高温、耐腐蚀、高精度的过滤材料不锈钢金属烧结毡。过滤器应具有尽可能低的流动阻力；化学稳定性好，不会污染回路；纳污能力好，短期内不会造成二次污染；内衬滤网固定充分，防止脱落，同时应考虑热膨胀空间的问题。结构材料选用316L。过滤器主要设计参数如下：
阀门：氦气实验回路装置中包含了调节阀、截止阀、安全阀和止回阀，阀门选用电动阀门或气动阀门。调节阀用于流动参数和子系统功能的调节，截止阀用于管路的隔断，安全阀用于实现回路超压的安全保护，止回阀用于回路补气或升压过程中防止出现逆流。由于氦气实验回路装置的工作介质氦气具有很强的渗透性，因此对于氦气实验回路装置阀门的密封性能提出了更严格的要求，以保证阀体的气密性，保证实验回路的可靠运行。实验本体附近的阀门(VI006、VC004、VC007a、VC007b、VS010)处于中子和磁场较强的区域，要求阀门不能含有半导体材料和卤素元素。与氦气接触的阀体及其零部件要具有良好的抗腐蚀性能，不污染回路内的氦气，且要具有较高的光洁度，阀门装配应在清洁间内完成，装箱、运输过程中应在管接头出增设防护措施，保证阀门内部的清洁。阀门结构材料选用316L，如有需要应采用锻件，以保证阀门的设计强度；阀体材料应进行超声波、着色或磁粉探伤，保证阀体材料的可靠性；调节阀具有远程控制的能力。氦气实验回路装置阀门的设计参数如下表：
管道：氦气实验回路装置主管道的内径大小一方面决定了工质在运行过程中的流速，影响整个系统的压降，从而决定主回路风机的驱动全压，另一方面还决定了整个实验回路的氦气总装量。为了降低氦气总装量，同时与ITER现有装置接口尺寸保持一致，主回路管道采用DN100(Φ114.3×8.56)的无缝不锈钢管，主回路旁通支路管道采用DN50(Φ60.3×5.54)的无缝不锈钢管，实验本体附近的管道处于中子和磁场较强的区域，要求管道材料不能含有半导体材料和卤素元素，因此材料均采用316L。
冷却水系统
如图2所示，氦气回路的热量最终通过冷却水系统收集，需冷却的设备包括主回路的换热器和主回路的循环风机。冷却水用于冷却换热器，及时导出回路热量；过冷水用于冷却循环离心式风机C001的电机，保证风机电机工作在安全温度范围内。电加热器是回路中的热源之一，其作用是预热工质和调节模拟体进口温度。冷却水回路系统和电加热器的主要给定参数如下表：
所述冷却水系统由冷却水回路和过冷水回路组成，用于为冷却器和风机提供冷源，冷却系统主回路中的氦气和主回路风机的电机；
所述冷却水回路包括变频式离心泵PU101、过滤器F101、冷却塔CT101、水池以及相应的管道、阀门等设备，用于冷却系统主回路中的氦气。冷却水系统采用了一台变频离心泵作为冷却水的驱动源，离心泵装有变频器，其转速可调，达到调节进入冷却塔热水流量的目的。冷却塔为开放式结构，利用风机引入的空气给冷却水降温，将实验回路的热量排向大气，是整个实验设施的最后一级热交换装置；冷却塔风机的电机为变频式，转速可调，实现在回路过程中根据实际热负荷调节电机功率，降低能耗。在离心泵出口处装有颗粒过滤器，用于过滤冷却水中的杂质，降低冷却器换热空间的沉淀及对换热管的磨蚀，颗粒过滤器采用Y型过滤器，其结构简单，容易清洗，能够满足冷却水水质过滤的需求。
在冷却水系统运行过程中，其流程为：冷却水经离心泵PU101后又经过滤器F101去除水中的杂质，进入主回路的冷却器HE001进行热量交换，由冷却器HE001流出后一路进入冷却塔CT101进行冷却，并回流至冷却水容器，另一路为冷却塔旁通支路，该路冷却水直接进入冷却水容器。在运行过程中，可以根据冷却器HE001二次侧出口温度或一次侧出口温度来调节离心泵PU101转速、冷却塔CT101的电机转速以及冷却塔旁通支路的流量，最终满足冷却器HE001一次侧出口温度在规定范围内的要求。
具体的连接关系如图2所示，所述冷却水回路包括变频式离心泵PU101、过滤器F101、冷却塔CT101、水池以及相应的管道、阀门等设备，水池的出水口依次经离心泵PU101、过滤器F101、流量计FM101后接系统主回路的冷却器HE001进行热量交换，由冷却器HE001流出的冷却水分为两路，第一路依次经调节阀VC103、冷却塔CT101后进入水池，冷却水源通过调节阀VC101与水池的进水口连接，第二路为冷却塔旁通支路，经调节阀VC102后进入水池。
所述过冷水回路包括冷水机CR101、过滤器F102、过滤器F103以及相应的管道、阀门等设备，用于冷却主回路离心式风机C001的电机，保证电机能够安全运行于高转速工况。冷水机的作用是通过制冷剂冷却生成足够流量的5～10℃低温冷却水，冷水机内已整合了制冷剂压缩循环、冷却水驱动泵。
冷却水系统设计参数如下表：
冷却水系统主要设备设计方案如下：
离心泵PU101：冷却水系统设置1台离心泵，用于驱动冷却水的循环，离心泵装有变频器，其转速可调，达到调节进入冷却塔热水流量的目的。离心泵的主要设计参数如下：
冷却塔CT101：冷却塔采用开放式结构，利用风机引入的空气给冷却水降温，并将实验回路的热量排向大气，是整个实验设施的最后一级热交换器，风机的电机为变频式，转速可调，实现在回路过程中根据实际热负荷调节电机功率，降低能耗。冷却塔的主要设计参数如下：
过滤器F101：冷却水系统设置1台颗粒过滤器，位于离心泵出口处，用于过滤冷却水中的杂质，降低对冷却器的沉淀及磨蚀，颗粒过滤器采用Y型过滤器，其结构简单，容易清洗，能够满足冷却水水质过滤的需求。过滤器的主要设计参数如下：
冷水机CR101：冷水机用于给主回路风机提供进口温度符合要求的设备冷却水，保证风机电机在安全温度范围内运行。冷水机内已整合了制冷剂压缩循环、冷却水驱动泵。冷水机的主要设计参数如下：
补气与压力控制系统
如图3所示，所述补气与压力控制系统包括氦气源S、压缩机C201、缓冲罐BT201、缓冲罐BT202、储气罐BT203以及相应的管道、阀门等设备，用于为系统主回路提供氦气源、控制实验回路系统内气体的整体压力及回收实验结束后主回路的氦气。其中，压缩机C201用于回路补气和升压，采用隔膜式压缩机，其优点是密封性好，无密封和润滑油路，不会污染氦气，且排气压力高，满足氦气实验回路装置对氦气工质低泄漏率和高纯净度的要求。缓冲罐BT201在运行过程作为低压储罐使用，其主要作用是储存氦气源S输出的氦气、回收回路降压过程中排出的氦气，同时在回路升压、补气过程中为压缩机C201提供稳定的气源。缓冲罐BT202在运行过程中作为高压储罐使用，其主要作用是储存高压氦气，用于回路升压，同时降低压缩机C201排气过程中带来的压力波动，保证回路压力稳定上升。储气罐BT203在实验结束后用于回收实验回路的气体。
补气与压力控制系统根据其不同功能需要可以分为四种运行状态：
a.回路补气
在实验回路运行前的补气过程中，关闭调节阀VC202，开启调节阀VC203和压缩机C201，待缓冲罐BT202内压力高于1MPa后，小幅开启调节阀VC204向回路中补气。随着回路压力的上升，增加调节阀VC204的开度，使缓冲罐BT202内压力不致上升过快，同时可增加回路补气的流量，按照此步骤逐步升压。升压过程中缓冲罐BT202压力不低于1MPa。待回路压力达到目标值时，依次关闭调节阀VC204、压缩机C201和调节阀VC203，最后关闭与气源连接的截止阀VI201，完成实验回路的补气操作。
b.回路升压
在实验过程中，因工况参数要求需进行回路升压操作。升压过程中，如果缓冲罐BT202压力高于主回路压力，则可直接开启调节阀VC204来对回路进行升压；如果缓冲罐BT202压力低于主回路压力，则先开启调节阀VC203和压缩机C201，利用缓冲罐BT201内储存气体对缓冲罐BT202进行升压，使其压力高于主回路压力，关闭调节阀VC203和压缩机C201，再开启调节阀VC204来对回路升压；若回路升压幅度较大，则可将压缩机C201与实验回路联通，连续运行压缩机，直至回路压力达到目标值，依次关闭调节阀VC204、压缩机C201和调节阀VC203。
c.回路降压
在实验过程中，随着温度的上升，回路压力会超过额定值，此时需要进行排气操作来降低回路的压力。降压过程中，开启调节阀VC202，由于缓冲罐BT201内压力低于主回路压力，因此利用这一压力梯度来释放主回路压力，同时收集排出的氦气。待主回路压力降至目标值时，关闭调节阀VC202，完成降压操作。
d.回收气体
实验结束后，需要对回路的氦气进行统一收集。回路压力高于缓冲罐BT201内压力时，开启调节阀VC202和截止阀VI205，由于压差的存在，回路气体将会回收至储气罐BT203；随着回收的不断进行，当储气罐内压力与回路压力平衡时，关闭截止阀VI205，开启调节阀VC203、压缩机C201和截止阀VC206，利用压缩机将回路气体压缩至储气罐BT203，从而达到气体回收的目的。
具体的连接关系如图3所示，所述补气与压力控制系统包括氦气源S、压缩机C201、缓冲罐BT201、缓冲罐BT202、储气罐BT203以及相应的管道、阀门等设备，氦气源S的出气口经截止阀VI201与缓冲罐BT201的一个进气口连接，主回路缓冲罐BT002的另一个出气口经调节阀VC202与缓冲罐BT201的另一个进气口连接，缓冲罐BT201的出气口分为两路，第一路经调节阀VC203、压缩机C201后分为两路，一路依次经止回阀VO205、缓冲罐BT202、调节阀VC204后与主回路缓冲罐BT002的另一个进气口连接，另一路经截止阀VI206后与储气罐BT203的进气口连接，第二路经截止阀VI205后与储气罐BT203的进气口连接。
补气与压力控制系统设计参数如下表：
补气与压力控制系统主要设备设计方案如下：
压缩机C201：补气与压力控制系统设置1台隔膜式压缩机作为补气泵。隔膜式压缩机的隔膜周边由两限制板夹紧并组成气缸，隔膜由机械或液压驱动在气缸内往复运动，从而实现对气体的压缩和输送。隔膜压缩机在压缩过程不产生任何污染，彻底避免有油润滑活塞式高压压缩机含油量高，定期更滑滤芯和添加专用压缩机油费用极高的缺点。隔膜压缩机的设计参数如下：
缓冲罐：补气与压力控制系统中设置了2台缓冲罐，缓冲罐BT201、缓冲罐BT202，在压缩机上游、与气源相连的是低压罐，主要作用是储存氦气作为气源，以及回收主回路减压过程中排出的多余氦气；在压缩机下游安装的是高压罐，主要作用是储存高压氦气来提高主回路压力，同时缓解压缩机在补气过程中引起的压力波动。两个缓冲罐容积均能储存5kg的氦气，从而保证瞬态工况下回路总质量装量5kg的调节范围，同时考虑50％的安全裕量，其容积应为0.6m3。本实验回路的缓冲罐主要由承压筒体、接管和支座组成，采用焊接形式连接，以降低工质的泄露，结构材料选用316L。缓冲罐的主要设计参数如下：
储气罐BT203：补气与压力控制系统中设置1台储气罐，用于回收实验完成后回路中的氦气。储气罐要求能储存回路中所有管道和设备内的氦气，结构材料选用316L。储气罐的主要设计参数如下：
抽真空系统
如图4所示，所述抽真空系统包括真空泵VP301、截止阀VI301、截止阀VI302和相关管路，用于将氦气实验回路装置抽成真空状态，排除实验系统内的杂质气体，保证实验回路注入氦气后回路内部氦气的纯净度。真空泵VP301用于抽出主回路中的气体，去除其中的氧气、水汽及其他成分，从而保证回路注入氦气后回路内部氦气的纯净度。
抽真空系统运行流程为：在抽真空前，回路压力应为大气压力，并关闭回路上与环境及其他系统相通的阀门；关闭截止阀VI302，开启截止阀VI301，启动真空泵VP301抽真空，根据真空计的读数判断回路内真空度，达到目标真空度时先关闭截止阀VI301，再打开截止阀VI302，最后关闭真空泵VP301，完成回路抽真空。
具体的连接关系如图4所示，所述抽真空系统包括真空泵VP301、截止阀VI301、截止阀VI302和相关管路，主回路缓冲罐BT001的出气口经截止阀VI301后，一路与截止阀VI302连接，另一路与真空泵VP301的进气口连接，真空泵VP301的出气口为气体排放口。
抽真空系统设计参数如下表：
抽真空系统主要设备设计方案如下：
抽真空系统设置1台真空泵VP301，用于实验前去除实验主回路内的残余气体，保证回路中氦气的纯净度。真空泵设计参数如下：
安全保护系统
所述安全保护系统包括安全阀VS010和安全阀VS011，用于实现系统主回路的超压保护，分别安装于离心式风机C001出口处和实验本体出口处。
具体的连接关系如图1所示，所述安全保护系统包括安全阀VS010和安全阀VS011，所述系统主回路的离心式风机C001的出口设有安全阀VS011，所述系统主回路的实验段TS001出口连接的调节阀VC007a、调节阀VC007b的出口设有安全阀VS010。
安全保护系统设计参数如下表：
安全保护系统设备设计方案如下：
氦气实验回路装置设置2台安全阀，安全阀VS010和安全阀VS011，分别安装于实验本体出口和风机出口处，用于系统主回路的超压保护，是氦气实验回路装置的重要安全部件，其动作可靠性和性能好坏关系到设备安全。其中，实验本体出口的安全阀处于中子和磁场较强的区域，要求阀门不能含有半导体材料和卤素元素。安全阀整定压力和排放压力均高于实验回路的最高工作压力，同时低于回路的设计压力；安全阀回座后应能保证密封性；结构材料选用316L以保证阀体设计强度，阀芯可采用合金材料。两台安全阀的压力参数为：
电气系统
所述电气系统包括供电系统和电气传动控制与保护系统，用于对回路设备进行交流电供电及电气传动控制与保护。供电系统采用输入电压为380V的交流电对实验回路的离心式风机C001、预热器PH001、压缩机C201和真空泵VP301等设备供电。电气传动控制与保护系统包括直流电气供电系统传动控制、交流电气供电系统传动控制及保护、电气系统手动控制，将离心式风机C001、压缩机C201和真空泵VP301的启停信号及预热器PH001的控制信号引入测控系统，实现设备和操作的远程控制。
交流电供电系统中：(1)主回路风机采用交流电供电，输入电压为380V，总功率约为250kW。风机的启停信号引入测控系统，实现风机的远程控制；(2)预热器采用管道交流电直接加热方式，实现对实验支路的温度调节，从而可以精确控制实验本体入口的温度。预热器需求功率400kW，输入电压380V，额定电流为1050A，预热器自带变压器和控制系统，并将控制信号引入测控系统，用于统一管理和调节；(3)补气用压缩机采用交流电供电，输入电压为380V，总功率约为35kW。压缩机的启停信号引入测控系统，实现补气过程的远程控制；(4)真空泵采用交流电供电，输入电压为380V，总功率约为25kW。真空泵的启停信号引入测控系统，实现补气过程的远程控制。
为确保设备的安全运行和实验人员的人身安全，主要电气设备需设置电气联锁和监控保护，电气系统负责向测控系统提供与电气有关的模拟量和开关量信号以及电气设备的控制接口。电气传动控制及保护系统包括直流电气供电系统传动控制、交流电气供电系统传动控制及保护、电气系统手动控制。
仪表系统
所述仪表系统包括铂电阻温度计、热电偶、压力变送器、压差变送器、科氏力气体质量流量计、液位计等测量设备，所述仪表系统用于测量实验回路所需的温度、压力、压差、气体流量、液体流量、液位、真空度、电压与电流等信号。
温度测量：系统主回路温度参数采用Ф6mm铂电阻温度计(RTD)测量。铂电阻温度计外壁为不锈钢保护套管，其强度好，不会产生流致振动，有利于测量的可靠性和准确性，同时铂电阻温度计采用四路导线电气连接形式，测量精度高稳定性和复现性好，能够满足氦气实验回路装置氦气温度的准确测量；在冷却水系统中，采用N型铠装热电偶来监测冷却水的温度。
流量测量：系统主回路氦气流量采用科氏力气体质量流量计测量。科氏力质量流量计是运用流体质量流量对振动管振荡的调制作用即科里奥利力现象为原理，以质量流量测量为目的的质量流量计，一般由传感器和变送器组成。科氏力气体质量流量计是一种直接式测量的测量装置，它能够高准确度的直接测量管道内流体的质量流量，而且稳定度高，可靠性好，量程比大；同时，科氏力气体质量流量计管道内无障碍物，无可动部件，故障因素少，便于清洗，维护和保养，能够满足氦气实验回路装置氦气流量的测量要求。
压力和压差测量：压力及压差信号采用压力和压差变送器测量。变送器在工作时，高、低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传递给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化。低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量为0.1毫米，且位移量与压力成正比。两侧的电容极板检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流，电压或数字输出信号。压力、压差变送器是常用压力和压差测量仪表，具有高可靠性、长期稳定性和易于维护的特点。
液位测量：液位测量信号主要是冷却水系统水池的液位，采用液位计及液位变送器对液位进行监控，同时利用检测值判断水池液位以及时进行补水。
功率测量：预热段电流采用交流互感器搭配交流电流变换器对三相电流中的一相进行测量，预热段电压采用交流电压变换器对三相电压中的一相进行测量。预热段测量得到的电压和电流信号再通过测控系统进行计算分别得到实验本体和预热段的加热功率。
测控系统
所述测控系统包括数据采集系统、存储分析系统和控制系统，用于实验工况监视、实验数据的实时在线测量和存储、实验参数的自动控制及报警联锁保护、实验数据的分析处理、一般的故障诊断和故障处理以及多台计算机的通讯。测控系统采用数字式仪控系统，测量参数包括温度、压力、压差、电流、电压、真空度、液位等测量信号和设备控制信号。测控系统为集散式控制系统，实验全部需要采集的数据最快可在在10ms内一次性采集存储处理完毕，其稳态采集精度不低于0.1％，瞬态采集精度不低于0.5％。
各类实验数据由数据采集系统采集后，在终端显示器上显示，监测参数均直接或通过变送器和电气转换柜转换后进入数据采集系统，进行采集和保存，控制系统与数据采集系统相对独立，控制系统通过控制信号对风机、预热器、压缩机、阀门、离心泵以及电气设备进行控制，完成实验流程需要的动作。所述测控系统用于数据采集、存储、分析和设备控制。
测控系统的测量信号包括温度、压力、压差、液位、流量、真空度、阀门开度、电机频率、电压、电流和设备状态等；控制信号包括预热器功率调节、阀门开度调节、离心泵频率调节、冷却塔电机频率调节、风机启停控制、预热器启停控制、离心泵启停控制、压缩机启停控制、真空泵启停控制、冷却塔启停控制、冷水机启停控制等。
在测控系统的控件软件系统中，部署了联锁控制与保护功能，实现系统运行过程中的自动调节和自动保护功能，降低系统操作的复杂程度，同时保护设备安全。联锁控制通过在控制软件中将相关测量信号定义为设备的调节依据，来实现回路系统的自动调节，达到稳定实验回路参数、降低系统操作复杂程度的目的。氦气实验回路装置中主要包括以下联锁控制：回热器冷端气体流量控制；实验本体入口流量控制；实验本体入口温度控制；实验本体入口降压控制；实验本体入口升压控制；冷却水系统控制；水池液位控制。
联锁保护通过在控制软件中将相关测量信号定义为设备的控制依据，实现关键设备的启停与保护功能。氦气实验回路装置主要包括以下联锁保护：(1)主回路风机保护：将冷却器一次侧出口温度信号作为离心式风机C001的保护信号，温度超过80℃时，系统报警“风机入口温度过高”，超过90℃时，系统自动关闭风机；(2)预热器保护：将离心式风机C001运行状态作为预热器PH001的保护信号，风机停运时自动切除预热器全部功率，风机未启动时预热器拒绝接通电源；另外，预热器自带的加热管温度监测信号也将用于预热器的保护控制中，当加热管温度超过限制时，将切除部分或全部加热功率。
工艺系统保温设计
根据GB 50264-1997《工业设备及管道绝热工程设计规范》的规定，为减少热工实验装置设备、管道及其附件向周围环境散热，同时防止热表面温度过高造成人员烫伤事故，需要在其外表面采取一定的包覆措施。保温设计的主要内容是保温层厚度、保温材料需求量以及热损失计算等。此处采用表面温度法，即给定保温材料外表面温度，通过热平衡导出保温层厚度及热损失计算关系式。实验回路需要铺设保温材料的设备包括回热器、预热器、混合器(MX001)及回热器高温侧的相应管路和阀门。选用普通型复合硅酸盐(铝镁)保温隔热防火材料作为设备和管道保温材料。

Claims (6)

1.聚变反应堆的氦气实验回路装置，其特征在于：包括系统主回路、冷却水系统、补气与压力控制系统、抽真空系统、安全保护系统、电气系统、仪表系统以及测控系统；
所述系统主回路用于将氦气实验回路装置中的缓冲罐内的氦气进行升压、降温、升温后供给实验使用，使用后的氦气经过降温后返回缓冲罐，完成氦气在氦气实验回路装置的循环；
所述冷却水系统用于为氦气实验回路装置中的冷却器和风机提供冷源，冷却系统主回路中的氦气和主回路风机的电机；
所述补气与压力控制系统用于为系统主回路提供氦气源、控制实验回路系统内气体的整体压力及回收实验结束后系统主回路的氦气；
所述抽真空系统用于将氦气实验回路装置抽成真空状态，排除氦气实验回路装置内的杂质气体；
所述安全保护系统用于实现系统主回路的超压保护；
所述电气系统用于对氦气实验回路装置中用电设备进行交流电供电及电气传动控制与保护；
所述仪表系统用于测量氦气实验回路装置所需的温度、压力、压差、气体流量、液体流量、液位、真空度、电压与电流信号；
所述测控系统用于数据采集、存储、分析和设备控制；系统主回路、冷却水系统、补气与压力控制系统、抽真空系统、安全保护系统、电气系统、仪表系统受控于所述测控系统。
2.根据权利要求1所述的聚变反应堆的氦气实验回路装置，其特征在于：所述系统主回路由所述补气与压力控制系统与缓冲罐BT002连接，缓冲罐BT002的出气口经离心式风机C001与缓冲罐BT001的进气口连接，缓冲罐BT001的出气口分为三路，第一路与所述抽真空系统连接；第二路为主回路旁通支路，用于调节主回路的氦气流量，该管路依次经流量计FM002、调节阀VC001后与混合器MX002的一个进气口连接，混合器MX002的出气口依次经冷却器HE001、截止阀VI009、过滤器F001、调节阀VC005、流量计FM001后与缓冲罐BT002的进气口连接；第三路为实验本体支路，依次经流量计FM003、流量计FM004、调节阀VC002后与回热器HR001的第一个进气口连接，回热器HR001的第一个出气口依次经预热器PH001、混合器MX001后分为两路，第一路为实验本体旁通支路，主要用于调节实验本体的流量大小，经流量计FM005后接调节阀VC004的进气口，第二路为实验本体支路，依次经截止阀VI006、流量计FM006、实验段TS001后分别与调节阀VC007a和调节阀VC007b的进气口连接，调节阀VC004的出气口管道与调节阀VC007a和调节阀VC007b的出气口管道连接后与回热器HR001的第二个进气口连接，回热器HR001的第二个出气口经截止阀VI008后与混合器MX002的另一个进气口连接，所述冷却水系统与冷却器HE001连接，用于为冷却器HE001提供冷源；
所述系统主回路还包括加热段旁通支路，包括调节阀VC003，调节阀VC003的进气口与流量计FM003的出气口连接，调节阀VC003的出气口与混合器MX001的另一个进气口连接，该管路用于调节经回热器和预热器加热工质的流量大小，并结合预热器的加热功率实现实验本体入口温度的精确调节。
3.根据权利要求1所述的聚变反应堆的氦气实验回路装置，其特征在于：所述冷却水系统由冷却水回路和过冷水回路组成，用于为冷却器和风机提供冷源，冷却系统主回路中的氦气和主回路风机的电机；
所述冷却水回路包括变频式离心泵PU101、过滤器F101、冷却塔CT101、水池；水池的出水口依次经离心泵PU101、过滤器F101、流量计FM101后接系统主回路的冷却器HE001进行热量交换，由冷却器HE001流出的冷却水分为两路，第一路依次经调节阀VC103、冷却塔CT101后进入水池，冷却水源通过调节阀VC101与水池的进水口连接，第二路为冷却塔旁通支路，经调节阀VC102后进入水池，所述冷却水回路用于冷却系统主回路中的氦气；
所述过冷水回路包括依次连接的过滤器F103、冷水机CR101、过滤器F102、用于冷却主回路离心式风机C001的电机。
4.根据权利要求1所述的聚变反应堆的氦气实验回路装置，其特征在于：所述补气与压力控制系统包括氦气源S、压缩机C201、缓冲罐BT201、缓冲罐BT202、储气罐BT203；氦气源S的出气口经截止阀VI201与缓冲罐BT201的一个进气口连接，主回路缓冲罐BT002的另一个出气口经调节阀VC202与缓冲罐BT201的另一个进气口连接，缓冲罐BT201的出气口分为两路，第一路经调节阀VC203、压缩机C201后分为两路，一路依次经止回阀VO205、缓冲罐BT202、调节阀VC204后与系统主回路缓冲罐BT002的另一个进气口连接，另一路经截止阀VI206后与储气罐BT203的进气口连接，第二路经截止阀VI205后与储气罐BT203的进气口连接，所述补气与压力控制系统用于为系统主回路提供氦气源、控制实验回路系统内气体的整体压力及回收实验结束后主回路的氦气。
5.根据权利要求1所述的聚变反应堆的氦气实验回路装置，其特征在于：所述抽真空系统包括真空泵VP301、截止阀VI301，截止阀VI302；系统主回路的缓冲罐BT001的出气口经截止阀VI301后，一路与截止阀VI302连接，另一路与真空泵VP301的进气口连接，真空泵VP301的出气口为气体排放口，所述抽真空系统用于将氦气实验回路装置抽成真空状态，排除实验系统内的杂质气体，保证实验回路注入氦气后回路内部氦气的纯净度。
6.根据权利要求1所述的聚变反应堆的氦气实验回路装置，其特征在于：所述安全保护系统包括安全阀VS010和安全阀VS011，所述系统主回路的离心式风机C001的出口设有安全阀VS011，所述系统主回路的实验段TS001出口连接的调节阀VC007a、调节阀VC007b的出口分别设有安全阀VS010，所述安全保护系统用于实现系统主回路的超压保护。
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