CN107621334A - 用于热氦检漏的气体加热循环系统及快速加热冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核聚变工程技术，具体公开了用于热氦检漏的气体加热循环系统及快速加热冷却方法，首先在真空室外连接气体加热循环系统，控制氮气压力，加热管道内的氮气，提高部件冷却通道入口氮气温度，当真空部件整体温度达到热氦检漏要求后，进行热氦检漏；上述气体加热循环系统包括与真空室内检测部件连接的入口管道、出口管道和换热器，入口管道上安装电加热器，换热器与电加热器连接，换热器还与冷却器和增压泵一次连接，借用真空室内冷却通道，采用高速流动的氮气或氦气与管道壁面间的强制对流换热，实现快速均匀加热和冷却，相较于传统真空加热可以极大的缩短加热和冷却部件的时间，大大节省了试验成本，从而间接缩短真空室内部件制造周期。

Description

用于热氦检漏的气体加热循环系统及快速加热冷却方法

技术领域

本发明属于核聚变工程技术，具体涉及一种聚变堆真空室内部件进行高精度热氦检漏时的气体加热循环系统和快速加热冷却方法。

背景技术

第一壁、包层和偏滤器是核聚变反应堆的核心部件，在运行中承受高热负荷和强中子沉积的核热，属真空室内部件。为及时将热量移出，使部件材料工作在允许温度范围内，部件内部设计了复杂的气体或液体冷却通道，以在运行中均匀冷却部件，避免部件材料承受不可接受的热应力。为维持核聚变等离子体稳定燃烧，冷却介质是不允许有些许泄漏的。对于国际热核实验堆(ITER)，要求真空室内部件冷却通道的氦泄漏率低于1x10-10Pa.m3/s。这些部件的冷却通道含有许多封闭的焊缝，在完成制造、水压试验后，需要对其进行高温高压下的真空氦检漏试验，以验证真空室内部件在正常工作条件下的密闭性和可靠性。试验时，ITER要求部件需经历一次高温循环(<80℃至250±20℃再至<80℃)和冷却通道内部氦气压力的多次循环(100Pa至4.2±0.2MPa)，以防加工制造过程中的某些外来物质堵塞冷却通道壁中的缺陷而造成误判。在整个热循环中需监测部件的漏率值，并满足要求。

目前国内外还没有满足上述要求的热氦检漏设备，设计制造此设备的主要挑战是如何实现高温下的低于要求漏率的精确检测。这些部件尺寸大，一般长宽度达到1～2米，厚度有数百毫米。为进行热氦下的真空检漏，需要建立容积达数个立方的真空室，具有很大的内表面积，高温下真空室器壁和室内部件表面将因此释放大量气体，严重影响热氦检漏系统真空室的本底漏率，使其达不到小于部件漏率从而保证可检漏率水平的要求。另一方面，该类部件单体重量约1～3吨，由钨、铜合金和不锈钢等材料组成，其具有较大的热容量，如果采用外部加热方式，不但会出现上述情况，而且在真空环境中将部件从常温加热至250℃再冷却至常温仅能靠热辐射进行，加热冷却缓慢。虽然可加大加热功率以提高加热效率，但部件中的温度梯度将会增加，热应力将会因此升高到材料难以承受的水平。ITER为此要求部件任意部位加热速率小于10℃/h，经验表明单个部件的加热和冷却耗时将长达十天以上，这大大增加了真空氦检漏试验的成本，且也无法满足真空室主要部件的制造进度要求。为解决上述问题，需改进加热和冷却方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于热氦检漏的气体加热循环系统及快速加热冷却方法，实现高效加热和冷却真空室部件，满足部件热应力和部件氦检漏漏率指标的技术要求。

本发明的技术方案如下：

一种用于热氦检漏的快速加热冷却方法，首先在真空室外连接气体加热循环系统，之后的操作步骤如下：

1)将热氦检漏被检测部件放置于真空室中，将被检测部件的冷却通道与气体加热回路连接；

2)控制气体加热循环系统管道内的氮气压力，保持压力为3～5MPa,氮气流量为0.3～0.4kg/s；

3)加热管道内的氮气，保持入口氮气温度为70～77℃，持续1～2小时；

4)监测被测部件最低温度和最高温度，控制其温差为52～55℃，并提高部件冷却通道入口氮气温度到达某一温度A；

5)保持入口氮气温度在上述温度A，直至部件最低温度达到250℃；

6)当真空部件整体温度达到热氦检漏要求后，进行热氦检漏；

7)保持被测部件最低温度和最高温度的温差在52～55℃，降低入口氮气温度，直到80℃。

在上述的用于热氦检漏的快速加热冷却方法中，所述的步骤4)提高部件冷却通道入口氮气温度，直到温度达A，A为260～270℃。

在上述的用于热氦检漏的快速加热冷却方法中，所述的步骤6)中热氦检漏要求温度为230～270℃。

一种用于热氦检漏的气体加热循环系统，包括与真空室内检测部件连接的入口管道和出口管道，所述的入口管道上安装电加热器；还包括换热器，换热器一侧的换热入口与检测部件的出口管道连接，换热器该侧的换热出口与上述的检测部件的入口管道连接；所述换热器的另一侧的管道上、从换热出口到换热入口依次安装有冷却器和增压泵。

如上述的用于热氦检漏的气体加热循环系统，所述冷却器和增压泵之间的管道上并联安装制氮机。

如上述的用于热氦检漏的气体加热循环系统，所述的换热器的另一侧换热入口管道上并联冷却器。

如上述的用于热氦检漏的气体加热循环系统，所述的检测部件的出口管道上依次安装有温度计、流量计，所述的入口管道上依次安装所述的电加热器、温度计和压力表。

如上述的用于热氦检漏的气体加热循环系统，所述的增压泵主入口处安装压力表。

本发明的显著效果如下：

本方法借用真空室内被检测部件中的冷却通道，采用高速流动的高温惰性气体如氮气或氦气与管道壁面间的强制对流换热，实现快速均匀加热和冷却，相较于传统真空加热可以极大的缩短加热和冷却部件的时间，大大节省了试验成本，从而间接缩短真空室内部件的制造周期；

同时通过控制气体入口温度，确保部件在加热和冷却过程中热应力低于许用应力，保证部件不受损害，真空室本底漏率得到极大改善，利于满足极低漏率热氦检漏的精度要求。

实现上述显著效果的原因是：首先传统热辐射加热效率太低，而本发明巧借了真空室部件的内部冷却通道，采用高温高压气体对流传热大大提高了加热效率；同时最大限度地避免了采用外部电加热带来的真空室器壁和其内的其他辅件表面热除气对真空系统本底漏率的影响，提高了检测精度。其次，因为本发明采取了实时控制入口氮气温度的方法，在保证真空室部件自身安全的前提条件下，能够最高效的提高加热和冷却效率。

附图说明

图1为气体加热循环系统示意图；

图中：1.温度计；2.流量计；3.换热器；4.冷却器；5.制氮机；6.压力表；7.增压泵；8.电加热器；9.真空室。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

本方法的原理是借助真空室内部件中的冷却通道，采用高速流动的高温惰性气体如氮气或氦气与管道壁面间的强制对流换热，实现快速均匀加热和冷却，且同时通过控制气体入口温度，确保部件在加热和冷却过程中热应力低于许用应力，保证部件不受损害。

聚变堆真空室内部件一般由耐等离子体冲刷的钨或钨合金挂瓦材料、铜合金热沉材料和钢铁支撑材料构成，它们的比热容远高于气体，加热冷却该部件需要大量气体。本实施例以ITER真空室内部件SB09A为例，其外形最大尺寸为2053×1097×482mm³，材质为316L(N)不锈钢，单件重量约2.8吨。

本方法需在被检测部件接受氦检漏试验的真空室9外连接气体加热循环系统，该系统主要目的是加热和冷却氮气，以保证氮气能快速加热和冷却被检测部件，使其温度达到进行氦检漏试验的要求，因此该循环系统中需要电加热器8和冷却器4，且为了降低能耗，还需要有换热器3；为缩短升温和降温时间，气体流速势必会增大，可能造成对回路管道壁、阀门以及被测部件内部冷却通道壁的冲刷和难以接受的压力损失。为解决该问题，通过提高气体的压强来提高其密度，从而降低气体流速到可接受的水平，因此，该系统需要有气体增压设备(增压泵7)；同样整个系统中需在不同位置设置流量计2、温度计1和压力表6等监测设备，以方便通过控制软件及时调整设备参数；考虑到加热被检测部件所需的氮气较多，为节约检验成本，系统中还需要制氮机5。

气体加热循环系统优选的实施例如图1所示，包括与真空室9内检测部件连接的入口管道和出口管道，在出口管道上依次安装有温度计1、流量计2，入口管道上依次安装有电加热器8、温度计1和压力表6。依次安装是指沿着气体流动的方向。

还包括换热器3，换热器3一侧的换热入口与检测部件的出口管道连接，换热器3该侧的换热出口与上述的检测部件的入口管道上的电加热器8连接；

在换热器3的另一侧的管道上、从换热出口到换热入口之间的管路上依次安装有冷却器4和增压泵7。在此冷却器4和增压泵7之间的管道上并联安装制氮机5。该换热器的作用是利用被检测件出口的高温氮气预加热通过增压泵后的温度较低的氮气，已达到提高能效的功能。

在冷却被检测件的过程中，在该侧换热入口管道上并联冷却器4，以避免氮气通过增压泵后温度过高。

增压泵7主入口处安装压力表6。

利用上述循环系统进行快速加热冷却方法的具体步骤如下：

(1)将被检测真空室主要部件放入进行真空热氦检漏试验的真空室中，被检测部件内部冷却通道的进出口与气体加热回路管道接好；

(2)连接好循环管路的所有设备，通过增压泵和压力表控制管道内氮气压力保持4MPa，通过制氮机控制管路内氮气流量为0.375kg/s；

(3)通过电加热器加热氮气并保持入口氮气温度为75℃，持续1～2小时，可以利用测温系统监控部件最低温度和最高温度，电脑处理监控该最大温差；

(4)控制部件最大温差为55℃，在此条件下通过外部回路的加热系统连续提高部件冷却通道入口氮气温度，直至270℃；

(5)保持入口氮气温度为270℃直至部件最低温度达到250℃以上；

(6)真空内检测部件整体温度达到热氦检漏要求，进行热氦检漏；

(7)完成热氦检漏后，在保证部件最大温差为55℃的情况下连续降低入口氮气温度至80℃以下；

真空部件整体温度达到冷氦检漏要求，可以进行冷氦检漏。

Claims (8)

1.一种用于热氦检漏的快速加热冷却方法，其特征在于，首先在真空室外连接气体加热循环系统，之后的操作步骤如下：

1)将热氦检漏被检测部件放置于真空室中，将被检测部件的冷却通道与气体加热回路连接；

2)控制气体加热循环系统管道内的氮气压力，保持压力为3～5MPa,氮气流量为0.3～0.4kg/s；

3)加热管道内的氮气，保持入口氮气温度为70～77℃，持续1～2小时；

4)监测被测部件最低温度和最高温度，控制其温差为52～55℃，并提高部件冷却通道入口氮气温度到达某一温度A；

5)保持入口氮气温度在上述温度A，直至部件最低温度达到250℃；

6)当真空部件整体温度达到热氦检漏要求后，进行热氦检漏；

7)保持被测部件最低温度和最高温度的温差在52～55℃，降低入口氮气温度，直到80℃。

2.如权利要求1所述的用于热氦检漏的快速加热冷却方法，其特征在于：所述的步骤4)提高部件冷却通道入口氮气温度，直到温度达A，A为260～270℃。

3.如权利要求1所述的用于热氦检漏的快速加热冷却方法，其特征在于：所述的步骤6)中热氦检漏要求温度为230～270℃。

4.一种用于热氦检漏的气体加热循环系统，包括与真空室内检测部件连接的入口管道和出口管道，其特征在于：所述的入口管道上安装电加热器(8)；还包括换热器(3)，换热器(3)一侧的换热入口与检测部件的出口管道连接，换热器(3)该侧的换热出口与上述的检测部件的入口管道连接；所述换热器(3)的另一侧的管道上、从换热出口到换热入口依次安装有冷却器(4)和增压泵(7)。

5.如权利要求4所述的用于热氦检漏的气体加热循环系统，其特征在于：所述冷却器(4)和增压泵(7)之间的管道上并联安装制氮机(5)。

6.如权利要求4所述的用于热氦检漏的气体加热循环系统，其特征在于：所述的换热器(3)的另一侧换热入口管道上并联冷却器(4)。

7.如权利要求4或5或6所述的用于热氦检漏的气体加热循环系统，其特征在于：所述的检测部件的出口管道上依次安装有温度计(1)、流量计(2)，所述的入口管道上依次安装所述的电加热器(8)、温度计(1)和压力表(6)。

8.如权利要求4或5或6所述的用于热氦检漏的气体加热循环系统，其特征在于：所述的增压泵(7)主入口处安装压力表。