CN107945896A - 一种高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于反应堆模拟技术领域，公开了一种高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法，包括：打开数据采集与控制系统依实验方案设定温度、流速、功率、氧含量；打开去离子水制备及氧控系统，制备实验所需的去离子水并对去离子水进行溶解氧控制，待水源各项指标达到实验所需值时依次打开冷水机、低温浴槽、柱塞泵开关，使回路中的水进行循环流动；打开加热与实验系统开始实验。本发明的高温高压水气流体效应模拟装置通过新的加热方式极大地提高了加热效率，显著降低了能耗，缩小了装置体积；雾化喷嘴、湿度计、热电偶、观察窗的配合使用，实现了对水/水蒸气相变过程与状态的研究，以及在此过程中伴随的传热效率、传热恶化规律的研究。

Description

一种高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法

技术领域

本发明属于反应堆模拟技术领域，尤其涉及一种高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法。

背景技术

核电及核电动力装置多采用压水堆，压水堆中水回路的传热效率、传热稳定性及蒸汽的流速和状态对反应堆的热交换至关重要，与此相关的水回路热工水力研究是核能设施建造必不可少的工作，对核能的发展具有重要的意义。因为难以对全尺寸的反应堆系统进行实验，当下通常对原型系统缩小比例模化，建造实验台架对反应堆系统装置进行广泛的热工水力模拟研究。对于压水堆各系统间传热流动的相互影响规律研究，一般搭建高温高压水循环回路，模拟在高温高压环境工况下水循环介质的换热效率、传热恶化规律，液态水-水蒸气相态的变化对传热稳定性的影响。目前，国内外研究机构搭建了很多高温高压水循环回路模拟装置，例如：印度巴巴原子中心的超临界实验装置；上海交通大学的超临界实验回路(王磊.垂直管道内超临界水传热特性研究[D]上海交通大学,2012.)；中国核动力研究设计院的超临界水自然循环系统。但这些装置及相关的研究均没有考虑蒸汽流速、蒸汽状态、液态水-水蒸气相态的变化对传热稳定性的影响，并且要对实验介质加热至较高温度时(比如700℃)一般采用分段式加热方式，导致实验时需要消耗非常高的热能，装置体积非常庞大。已有装置无法远程控制，在高温高压危险环境下实验操作人员的安全得不到保障。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前国内外的高温高压水循环回路模拟装置存在消耗非常高的热能，装置体积非常庞大，无法远程控制，在高温高压危险环境下实验操作人员的安全得不到保障。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法。

本发明是这样实现的，一种高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法，所述高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法包括：压力信号的形成、温度信号的形成、转速信号的形成以及与微机的接口；采用HY1232、MOXA C168H/PCI通讯转接卡，结合采集软件实现适时采集。

进一步，所述高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法包括打开数据采集与控制系统依实验方案设定温度、流速、功率、氧含量；打开去离子水制备及氧控系统，制备实验所需的去离子水并对去离子水进行溶解氧控制，待水源各项指标达到实验所需值时依次打开冷水机、低温浴槽、柱塞泵开关，使回路中的水进行循环流动；打开加热与实验系统开始实验。

进一步，所述高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法具体包括以下步骤：

1)检查各管件、阀门、气路、电线的连接情况，确认连接正常；

2)打开数据采集与控制系统的控制机柜与计算机，在控制软件上依实验方案设定温度、流速、功率、氧含量；

3)打开去离子水制备装置，制备去离子水；

4)打开气体质量流量控制器，打开氮气瓶的阀门，去离子水箱通氮气；打开脱气膜组件开关，在氧控软件上输入实验所需的含氧量值，自动控制通氮的流量与时间，开始控氧；

5)待水源各项指标达到实验所需值时依次打开冷水机21、低温浴槽22、高压柱塞泵11开关，使回路中的水进行循环流动。

6)打开预热器电磁感应加热炉开关，打开实验段加热开关，依设定的温度和功率值开始加热；

7)待高温蒸汽温度和加热功率值稳定时通过控制柱塞泵的流量控制蒸汽流速，将蒸汽流速的值设定为实验目标值；

8)调节背压阀控制回路的压力值；

9)待各参数稳定后，进行实验，实验数据由数据采集与控制系统实时自动采集并保存；

10)实验结束时，关闭各加热组件，停止加热；

11)待回路各部分温度降至100摄氏度以下时关闭冷水机、低温浴槽、柱塞泵，停止循环水的循环和冷却；

12)逆时针旋转背压阀旋钮，释放回路压力；

13)然后关闭去离子水制备装置和氮气瓶阀门，关闭脱气膜、气体质量流量控制器，停止去离子水制备和氧控；

14)保存整理计算机采集的实验数据，关闭计算机和控制机柜。

进一步，所述去离子水氧控方法包括：

计算出溶解氧设定值与实际值的差值，以该差值与溶解氧设定值的商值作为比例系数作为控制信号控制气体质量流量控制器的通断时间与氮气流量，氮气流量与上述比例系数成正比；

计算机软件发出控制指令的时间间隔为1s，计算机软件与气体质量流量控制器之间的通讯协议为RS232。

进一步，所述循环回路的压力控制步骤如下：

若回路压力值高于设定压力值的上限，将发出超压警报信号，系统自动关闭高压柱塞泵，预热器和加热腔体；

若回路压力值低于设定压力值的下限，则发出低压报警信号，系统自动关闭高压柱塞泵，预热器和加热腔体。

本发明的优点及积极效果为：

1.节能。在对实验段前端的水加热时，首先利用实验段出口排出的高温水与入水进行换热，将热量传递给入水，既实现对入水的预热，也冷却了高温水，双倍节省能耗约11.2％。

2.装置体积小，加热效率高。利用电磁感应加热炉配套螺旋盘管，电磁感应加热炉加热效率高，10m长的加热管做成螺旋盘管，使加热线程增加，且缩小了装置体积。能在20min内将预热后的水加热至实验段入口所需温度300℃，提高了实验效率。

3.控制简便，智能化程度高。本发明能实时精确监测控制回路中的水溶解氧含量、温度、压力、蒸汽流速等参数，所有监测与控制都集成在计算机软件面板上，操作简便快捷。计算机软件按照设定格式实时保存实验数据，并显示各参数随时间的变化曲线，保证装置能够在无人值守情况下长时间安全可靠运行。

4.安全性高。计算机软件根据接收到的装置运行参数，能够对超警戒事件做出快速响应，启动保护动作并发出报警信号。装置运行日志自动实时记录装置运行行为，能够自动记录报警事件，报警事件可溯源。

5.控制精确。可以精确控制溶解氧含量至±1ppb，精确控制温度至±1℃。

6.首次在试验段入口前置雾化喷嘴，将水雾化成均匀液滴进入实验管，通过观察窗可以观察实验段入口雾化液滴受热变化的情况，通过入口、中间段、末端三处湿度计测量介质水气比，再结合测得的温度数据，得以实现研究均匀水液滴→液滴/蒸气混合态→干蒸气沿加热环腔呈阶梯分布规律和相态变化规律的目的。实验管道中间置加热棒，形成0.2mm环腔间隙，使水/气介质高速通过，并能够控制蒸气流速。

针对现有技术的技术问题，本发明加热效率高、能耗低、体积小的高温高压水气流体效应模拟装置，模拟在不同压力、不同加热功率、不同流速、不同温度下水/气相态沿加热梯度的变化规律、换热效率及换热稳定性。解决了现有技术中装置效率低下、体积庞大、智能化不足、安全可靠性差、忽略高温蒸汽的流速等问题；针对水/气相态沿加热梯度的变化规律、水气换热效率、传热稳定性的研究提供模拟实验装置，可以方便设置调整蒸汽流速、压力、加热功率等条件，能够实时在线监测、采集实验数据，并能远程操作控制。

综上所述，本发明的高温高压水气流体效应模拟装置通过新的加热方式极大地提高了加热效率，显著降低了能耗，缩小了装置体积；雾化喷嘴、湿度计、热电偶、观察窗的配合使用，实现了对水/水蒸气相变过程与状态的研究，以及在此过程中伴随的传热效率、传热恶化规律的研究。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法流程图；

图2是本发明实施例提供的高温高压水气流体效应模拟装置结构示意图；

图中：1、水源；2、去离子水制备装置；3、pH计；4、电导率仪；5、氮气瓶；6、气体质量流量控制器；7、溶氧仪表；8、真空泵；9、去离子水箱；10、溶氧电极；11、高压柱塞泵；12、换热器；13、预热器；14、入口压力传感器；15、试验段加热环腔管；16、入口温度测温探头；17、中间段测温探头；18、出口压力传感器；19、出口测温探头；20、试验段末端测温探头；21、冷水机；22、低温浴槽；23、二级冷凝器；24、冷却水测温探头；25、冷却水压力传感器；26、冷却水流量计；27、安全阀；28、背压阀；29、过滤器；30、雾化喷嘴；31、控制机柜；32、计算机；33、脱气膜组件；34、试验段入口湿度计；35、观察窗；36、试验段中间段湿度计；37、试验段末端湿度计；38、去离子水制备及氧控系统；39、加热与实验系统；40、数据采集与控制系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法包括以下步骤：

S101：打开数据采集与控制系统依实验方案设定温度、流速、功率、氧含量等数值；

S102：打开去离子水制备及氧控系统，制备实验所需的去离子水并对去离子水进行溶解氧控制，待水源各项指标达到实验所需值时依次打开冷水机、低温浴槽、柱塞泵开关，使回路中的水进行循环流动；

S103：打开加热与实验系统开始实验。

如图2所示，本发明实施例提供的高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法实验开始前，打开数据采集与控制系统40依实验方案设定温度、流速、功率、氧含量等数值。然后打开去离子水制备及氧控系统38，制备实验所需的去离子水并对去离子进行氧控操作，待水源各项指标达到实验所需值时依次打开冷水机21、低温浴槽22、高压柱塞泵11开关，使回路中的水进行循环流动。然后打开加热与实验系统39开始实验。具体步骤如下：

1)检查各管件、阀门、气路、电线的连接情况，确认连接正常，无安全隐患。

2)打开数据采集与控制系统40的控制机柜31与计算机32，在控制软件上依实验方案设定温度、流速、功率、氧含量等数值。

3)打开去离子水制备装置2，开始制备去离子水。

4)打开气体质量流量控制器6，然后打开氮气瓶5的阀门，往去离子水箱9通氮气，接着打开脱气膜组件33开关，在氧控软件上输入实验所需的含氧量值，自动控制通氮的流量与时间，开始控氧。

5)待水源各项指标达到实验所需值时依次打开冷水机21、低温浴槽22、高压柱塞泵11开关，使回路中的水进行循环流动。

6)打开预热器13电磁感应加热炉开关，然后打开实验段加热开关，依之前设定的温度和功率值开始加热。

7)待高温蒸汽温度和加热功率值稳定时通过控制柱塞泵11的流量控制蒸汽流速，将蒸汽流速的值设定为实验目标值。

8)调节背压阀28控制回路的压力值。

9)待各参数稳定后，进行实验，实验数据由数据采集与控制系统40实时自动采集并保存。

10)实验结束时，首先关闭各加热组件，停止加热。

11)待回路各部分温度降至100摄氏度以下时关闭冷水机21、低温浴槽22、柱塞泵11，停止循环水的循环和冷却。

12)逆时针旋转背压阀28旋钮，释放回路压力。

13)然后关闭去离子水制备装置2和氮气瓶5阀门，关闭脱气膜42、气体质量流量控制器6，停止去离子水制备和氧控。

14)保存整理计算机32采集的实验数据，然后关闭计算机32和控制机柜31。

如图2所示，本发明实施例提供的高温高压水气流体效应模拟装置包括：水源1、去离子水制备装置2、pH计3、电导率仪4、氮气瓶5、气体质量流量控制器6、溶氧仪表7、真空泵8、去离子水箱9、溶氧电极10、高压柱塞泵11、换热器12、预热器13、入口压力传感器14、试验段加热环腔管15、入口温度测温探头16、中间段测温探头17、出口压力传感器18、出口测温探头19、试验段末端测温探头20、冷水机21、低温浴槽22、二级冷凝器23、冷却水测温探头24、冷却水压力传感器25、冷却水流量计26、安全阀27、背压阀28、过滤器29、雾化喷嘴30、控制机柜31、计算机32、脱气膜组件33、试验段入口湿度计34、观察窗35、试验段中间段湿度计36、试验段末端湿度计37。

水源1设置在去离子水制备装置2的入口端，去离子水制备装置2通过管道连接去离子水箱9，去离子水制备装置2与去离子水箱9的管道上安装有pH计3、电导率仪4，去离子水箱9上安装有真空泵8、氮气瓶5、气体质量流量控制器6，气体质量流量控制器6通过溶氧仪表7连接溶氧电极10，溶氧电极10通过管道连接高压柱塞泵11。

去离子水制备装置2通过过滤器29连接背压阀28，背压阀28通过管道连接冷却水流量计26，背压阀28与冷却水流量计26之间的管道上安装有安全阀27，冷却水流量计26通过管道连接二级冷凝器23，冷却水流量计26与二级冷凝器23之间的管道上安装有冷却水测温探头24、冷却水压力传感器25，二级冷凝器23通过管道与低温浴槽22连接，二级冷凝器23通过管道与冷水机21连接。

控制机柜31、计算机32与背压阀28和过滤器29之间的管道连接。

高压柱塞泵11和冷水机21通过管道连接换热器12，换热器12通过管道连接预热器13，预热器13通过雾化喷嘴30连接试验段加热环腔管15，试验段加热环腔管15的顶端安装有入口压力传感器14，试验段加热环腔管15安装有入口温度测温探头16、中间段测温探头17、出口压力传感器18、出口测温探头19、试验段末端测温探头20、观察窗35、试验段中间段湿度计36、试验段末端湿度计37。

本发明在正常运行状态的工作过程为：去离子水制备设备2制得的去离子水进入去离子水箱9，然后氮气经气体质量流量控制器6进入去离子水箱开始除氧，通过反馈溶氧值调节氮气流量进行氧控，在水箱外接脱气膜进行辅助除氧。高压柱塞泵11将水打入预热器12，背压阀28与高压柱塞泵之间形成压力，旋钮背压阀控制回来压力，若压力超过安全阀27的设定压力，安全阀将自动开启泄压。经换热器初步换热后进入预热器13，用电磁感应加热炉预加热至290℃，然后经雾化喷嘴30将水雾化成均匀液滴进入试验段加热环腔管15，环腔管由镍基合金做成的管道与置于管道中间的电加热棒组成，管壁与加热棒之间的缝隙为2mm，这种窄缝隙结构能使产生高的蒸气流速，雾化的均匀水液滴在进入加热环腔管后被加热变成蒸气，在由水相变成蒸气的过程中，均匀水液滴→液滴/蒸气混合态→干蒸气沿加热环腔呈阶梯分布，在管壁外安置热电偶与压力传感器监测该过程中的温度、压力变化情况，为研究传热恶化、传热效率及高流速下高温高压水气的相变流体效应积累实验数据。加热环腔末端的高温干蒸气经出口进入换热器12与来自去离子水箱的水进行热交换，将去离子水初步预热，高温蒸气也经热交换被冷却至液态水，再经冷水机21循环冷却，温度进一步降低。然后进入低温浴槽22，二级冷凝器23冷却至室温，再经背压阀28降为低压水返回去离子水箱。

装置工作前的准备工作主要是去离子水的制备和氧控。用去离子水制备机2循环制备去离子水，然后用气体质量流量控制器6反馈氧含量调节氮气流量控氧。待水质和氧含量达到实验要求时打开柱塞泵11开始水循环。

实验结束后，停止加热炉加热，循环水持续循环，防止预热器螺旋盘管干烧，待回路各监测点温度降至100℃以下时关闭柱塞泵。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1：

本发明实施例提供的高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法包括以下步骤：

1)检查各管件、阀门、气路、电线的连接情况，确认连接正常，无安全隐患。

2)打开数据采集与控制系统的控制机柜与计算机，在控制软件上依实验方案设定预热温度为300℃、流速为5m/s、电加热丝加热功率为6kw、氧含量为10ppb。

3)打开去离子水制备装置，开始制备去离子水。

4)打开气体质量流量控制器，然后打开氮气瓶阀门，往去离子水箱通氮气，接着打开脱气膜开关，在氧控软件上“溶氧设定”输入框输入10ppb，软件开始自动控制通氮的流量与时间开始控氧。

5)待水源电导率小于0.4μS/cm，6<pH<7.5并保持稳定时依次打开冷水机、低温浴槽、柱塞泵开关，使回路中的水进行循环流动。

6)打开预热器电磁感应加热炉开关，然后打开实验段加热开关，依之前设定的温度和功率值开始加热。

7)待高温蒸汽温度和加热功率值稳定时通过控制柱塞泵的流量控制蒸汽流速为5m/s。

8)调节背压阀控制回路的压力为9Mpa。

9)试验段入口温度、中间段温度、出口温度、加热功率、压力、流速几项实验数据由数据采集与控制系统实时自动采集并保存。在此状态下连续运行5小时。

10)5h后实验结束，首先关闭预热器电磁感应加热炉，然后关闭试验段加热开关，停止加热。

11)待回路各部分温度降至100摄氏度以下时关闭冷水机、低温浴槽、柱塞泵，停止循环水的循环和冷却。

12)逆时针旋转背压阀旋钮，释放回路压力。

13)关闭去离子水制备装置和氮气瓶阀门，关闭脱气膜、气体质量流量控制器，停止去离子水制备和氧控。去离子水氧控包括以下步骤：

计算出溶解氧设定值与实际值的差值，以该差值与溶解氧设定值的商值作为比例系数作为控制信号控制气体质量流量控制器的通断时间与氮气流量，氮气流量与上述比例系数成正比；

计算机软件发出控制指令的时间间隔为1s，计算机软件与气体质量流量控制器之间的通讯协议为RS232。

所述循环回路的压力控制步骤如下：

若回路压力值高于设定压力值的上限，将发出超压警报信号，系统自动关闭高压柱塞泵，预热器和加热腔体；

若回路压力值低于设定压力值的下限，则发出低压报警信号，系统自动关闭高压柱塞泵，预热器和加热腔体；

14)保存整理计算机采集的实验数据，然后关闭计算机和控制机柜。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法，其特征在于，所述高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法包括：压力信号的形成、温度信号的形成、转速信号的形成以及与微机的接口；采用HY1232、MOXA C168H/PCI通讯转接卡，结合采集软件实现适时采集。

2.如权利要求1所述的高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法，其特征在于，所述高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法包括打开数据采集与控制系统依实验方案设定温度、流速、功率、氧含量；打开去离子水制备及氧控系统，制备实验所需的去离子水并对去离子水进行溶解氧控制，待水源各项指标达到实验所需值时依次打开冷水机、低温浴槽、柱塞泵开关，使回路中的水进行循环流动；打开加热与实验系统开始实验。

3.如权利要求1所述的高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法，其特征在于，所述高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法具体包括以下步骤：

1)检查各管件、阀门、气路、电线的连接情况，确认连接正常；

2)打开数据采集与控制系统的控制机柜与计算机，在控制软件上依实验方案设定温度、流速、功率、氧含量；

3)打开去离子水制备装置，制备去离子水；

4)打开气体质量流量控制器，打开氮气瓶的阀门，去离子水箱通氮气；打开脱气膜组件开关，在氧控软件上输入实验所需的含氧量值，自动控制通氮的流量与时间，开始控氧；

5)待水源各项指标达到实验所需值时依次打开冷水机、低温浴槽、高压柱塞泵开关，使回路中的水进行循环流动；

6)打开预热器电磁感应加热炉开关，打开实验段加热开关，依设定的温度和功率值开始加热；

7)待高温蒸汽温度和加热功率值稳定时通过控制柱塞泵的流量控制蒸汽流速，将蒸汽流速的值设定为实验目标值；

8)调节背压阀控制回路的压力值；

9)待各参数稳定后，进行实验，实验数据由数据采集与控制系统实时自动采集并保存；

10)实验结束时，关闭各加热组件，停止加热；

11)待回路各部分温度降至100摄氏度以下时关闭冷水机、低温浴槽、柱塞泵，停止循环水的循环和冷却；

12)逆时针旋转背压阀旋钮，释放回路压力；

13)然后关闭去离子水制备装置和氮气瓶阀门，关闭脱气膜、气体质量流量控制器，停止去离子水制备和氧控；

14)保存整理计算机采集的实验数据，关闭计算机和控制机柜。

4.如权利要求3所述的高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法，其特征在于，所述去离子水氧控方法包括：

计算出溶解氧设定值与实际值的差值，以该差值与溶解氧设定值的商值作为比例系数作为控制信号控制气体质量流量控制器的通断时间与氮气流量，氮气流量与上述比例系数成正比；

计算机软件发出控制指令的时间间隔为1s，计算机软件与气体质量流量控制器之间的通讯协议为RS232。

5.如权利要求3所述的高温高压水气流体效应模拟装置的使用方法，其特征在于，所述循环回路的压力控制步骤如下：

若回路压力值高于设定压力值的上限，将发出超压警报信号，系统自动关闭高压柱塞泵，预热器和加热腔体；

若回路压力值低于设定压力值的下限，则发出低压报警信号，系统自动关闭高压柱塞泵，预热器和加热腔体。