CN109585031A - 一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水质监测控制技术领域，公开了一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统。所述系统包括：主循环回路，按照冷却水流动方向依次设置有换热器、第一过滤器和脱气罐，所述第一过滤器的输出端与所述脱气罐的输入端之间连接有所述全超导托卡马克装置需要进行冷却的热负荷设备；副循环回路，按照冷却水流动方向依次设置有离子交换器、第二过滤器和膨胀罐。本发明提供一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统，能够有效对全超导托卡马克装置水质进行检测和处理，提高以及全超导托卡马克装置的冷却效果以及设备使用的寿命。

Description

一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统

技术领域

本发明涉及水质监测控制技术领域，特别是涉及一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统。

背景技术

全超导托卡马克装置广泛应用于核聚变实验中，在运行过程中，全超导托卡马克核聚变实验装置中的低杂波设备以及电源设备等会产生大量的热量，需要通过水冷的方式将热量带出。

现有技术中，全超导托卡马克核聚变实验装置的设备进行水冷时，由于全超导托卡马克核聚变实验装置在高功率运行状态下，容易产生活化腐蚀物进入冷却水，使得冷却水的酸碱度以及组分等发生变化，当水冷系统管路存在铜或铁制部件时，容易造成设备以及管路的老化或者腐蚀，使得设备或者冷却系统损坏。而且腐蚀后部分金属离子进入循环水中，在温度反复变化等复杂过程中这些离子就会在换热器以及管道内形成沉淀，进一步形成水垢，降低换热器的冷却效果。而现有的全超导托卡马克核聚变实验装置的水冷系统并没有水质监测、调节的能力。

可见，现有的全超导托卡马克装置无法对冷却水的水质进行监测和处理，存在管道和设备腐蚀或者堵塞的隐患。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统，能够有效对全超导托卡马克装置水质进行检测和处理，提高以及全超导托卡马克装置的冷却效果以及设备使用的寿命。

本发明是这样实现的，一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统，包括：

主循环回路，按照冷却水流动方向依次设置有换热器、第一过滤器和脱气罐，所述换热器用于将所述主循环回路中的冷却水与外界进行热交换，以降低冷却水温度；所述脱气罐用于对所述主循环回路的冷却水进行脱氧处理；所述第一过滤器的输出端与所述脱气罐的输入端之间连接有所述全超导托卡马克装置需要进行冷却的热负荷设备；

副循环回路，按照冷却水流动方向依次设置有离子交换器、第二过滤器和膨胀罐，所述副循环回路并联到所述热负荷设备的两端，与所述主循环回路连通；所述离子交换器用于与所述副循环回路中的冷却水中的杂质离子进行交换，以调节冷却水的酸碱度以及电导率；所述膨胀罐用于缓冲冷却水因温度变化而产生的体积变化。

进一步的，所述全超导托卡马克装置需要进行冷却的热负荷设备可以是：

低杂波设备、烘烤设备、极向场电源、纵场电源、水冷电缆系统、共振磁扰动线圈电源、低温制冷系统、偏滤器、真空室，且各类设备的水质管控系统相互独立。

进一步的，所述水质管控系统还包括：

外循环回路，设置在所述全超导托卡马克装置的外部，与所述换热器连接，用于与所述主循环回路中的冷却水进行热交换；所述外循环回路按照冷却水流动的方向依次设置有冷却塔、第三过滤器，所述冷却塔用于冷却所述外循环回路中的冷却水。

进一步的，所述第一过滤器的输入端设置有第一自动控制阀，所述第一自动控制阀的输入端与所述第一过滤器的输出端并联有第二自动控制阀，所述第一自动控制阀和第二自动控制阀结合使用，以切换所述第一过滤器的使用状态。

进一步的，所述离子交换器输入端与所述主循环回路之间设有第三自动控制阀，用于控制进入所述副循环回路的水流量；所述主循环回路在所述热负荷设备的两端设置有第四自动控制阀，结合所述第三自动控制阀用于切换所述副循环回路的使用状态。

进一步的，所述离子交换器输入端与所述第三自动控制阀的输出端之间设置有纯水补充装置，用于向所述主循环回路添加循环水。

进一步的，所述系统还包括稳压装置，包括氮气瓶和调压阀，所述氮气罐与所述膨胀罐连通，所述调压阀设置在所述氮气瓶与所述膨胀罐之前，用于通过调节所述膨胀罐内的压力，以保持所述主循环回路以及副循环回路中的循环水压力。

本发明提供的一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统，操作方便、结构简单，通过在副供水管道设置副循环回路，使用离子交换器实时监控水质情况；通过对极向场、第一壁和偏滤器等不同的设备的需求进行独立的水质调节，更加有针对性的调节水质，更大程度的提高冷却效果；还可以结合过滤器以及自动控制阀灵活的进行水质处理作业，提高了全超导托卡马克装置的水质处理效率，使得水质处于良好的状态，以保证全超导托卡马克装置的正常工作。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统的示意图。

附图中：1、换热器；2、第一过滤器；3、脱气罐；4、热负荷设备；5、离子交换器；6、第二过滤器；7、膨胀罐；8、冷却塔；9、第三过滤器；10、第一自动控制阀；11、第二自动控制阀；12、第三自动控制阀；13、第四自动控制阀；14、纯水补充装置；15、氮气瓶；16、调压阀；17、加药装置。

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，以下结合附图及实施例，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。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统的示意图，在本发明实施例中，一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统包括：

主循环回路，按照冷却水流动方向依次设置有换热器1、第一过滤器2和脱气罐3，换热器1用于将主循环回路中的冷却水与外界进行热交换，以降低冷却水温度；脱气罐3用于对主循环回路的冷却水进行脱氧处理；第一过滤器2的输出端与脱气罐3的输入端之间连接有全超导托卡马克装置需要进行冷却的热负荷设备4。

在本发明实施例中，换热器1是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备。换热器可以选择市场常见的品牌或者根据实际需要进行定制。

在本发明实施例中，脱气罐3是根据“亨利定理”（在等温等压下，某种挥发性溶质（一般为气体）在溶液中的溶解度与液面上该溶质的平衡压力成正比）制作的装置，采用纯度≥99.995%的氮气和真空泵，对流经脱气罐的纯水进行脱氧，降低冷却水中含氧量，减少全超导托卡马克装置的设备在热负荷下出现的氧化腐蚀和结垢等不良影响。

在本发明实施例中，全超导托卡马克装置需要进行冷却的热负荷设备4可以是低杂波设备、烘烤设备、极向场电源、纵场电源、水冷电缆系统、共振磁扰动线圈电源、低温制冷系统、偏滤器、真空室。其中，第一壁是核聚变中面对等离子体的一层固体结构，也就是真空室壁，用于封闭等离子体；偏滤器是全超导托卡马克装置的组成部分，用来把放电的外壳层内的带电粒子偏滤到一个单独的室内，在此带电粒子轰击挡板，变为中性粒子被抽走。以上设备均为全超导托卡马克装置使用的常规设备。

在本发明实施例中，通过将各类设备进行独立的水质管控，可以根据不同的设备的材料进行有针对性的处理，比如偏滤器内部冷却管路是铜管，腐蚀和磨损程度均要高于不锈钢管；真空室供水主管道内壁使用304不锈钢，内表面有锈蚀和结垢，可以有针对性的进行水质控制。

副循环回路，按照冷却水流动方向依次设置有离子交换器5、第二过滤器6和膨胀罐7，副循环回路并联到热负荷设备4的两端，与主循环回路连通；离子交换器5用于与副循环回路中的冷却水中的杂质离子进行交换，以调节冷却水的酸碱度以及电导率；膨胀罐7用于缓冲冷却水因温度变化而产生的体积变化。具体的，全超导托卡马克装置运行时由于温度的变化范围很大，一般来说全超导托卡马克装置在高功率加热下温度将超过1亿度，使得设备进行冷却时，冷却水的温度骤升，冷却水流经换热器换热之后温度下降至几十度，冷却水在温度变化如此大的情况下容易产生体积的变化，进而通过膨胀罐能够缓冲冷却水因温度变化而产生的体积变化。

在本发明实施例中，离子交换器5通过电去离子的方式进行水质处理，可以是电去离子设备，电去离子设备主要是在直流电场的作用下，通过隔板的水中电介质离子发生定向移动，利用交换膜对离子的选择透过作用来对水质进行提纯的一种科学的水处理技术。全超导托卡马克装置的设备在运行时，容易产生活性腐蚀物，容易对铜或钢铁材质的设备产生腐蚀作用，部分金属离子进入冷却水中，本发明通过水质处理使得冷却水中的离子处于平衡状态，从而调节冷却水的酸碱平衡，避免冷却水对设备或者管道产生腐蚀作用。电去离子设备可以选择市场常见的品牌或者根据实际需要进行定制，均具有水质实时监测和处理的功能。

在本发明实施例中，水质管控系统还包括外循环回路，设置在全超导托卡马克装置的外部，与换热器1连接，用于与主循环回路中的冷却水进行热交换；外循环回路按照冷却水流动的方向依次设置有冷却塔8、第三过滤器9，冷却塔用于冷却外循环回路中的冷却水。

在本发明实施例中，换热器1安装在室内，为主循环回路和外循环回路之间进行热交换，为板式设计，换热器是对流式设计，所有的接头都位于同一侧，而且还可以根据实际情况设置防护罩，将换热器与外界进行隔离，使得设备冷却循环回路内部的冷却水不与外界接触，隔绝冷却水的辐射。本发明通过使用换热器1将设置在全超导托卡马克装置外部的外循环回路与主循环回路隔离，使得全超导托卡马克装置内部由于直接接触设备而被辐射的冷却水不与外界进行交互，减少了全超导托卡马克装置外部的辐射强度，能够减少对巡视人员等的人体伤害。

在本发明实施例中，冷却塔8是指用水作为循环冷却剂，从系统中吸收热量排放至大气中，利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热、对流传热和辐射传热等原理来散去工业上或制冷空调中产生的余热来降低水温的蒸发散热装置。同时，冷却塔可以是设置在全超导托卡马克装置外部的室外环境，有助于提高冷却效果。

在本发明实施例中，第一过滤器2的输入端设置有第一自动控制阀10，第一自动控制阀10的输入端与第一过滤器2的输出端并联有第二自动控制阀11，第一自动控制阀10和第二自动控制阀11结合使用，以切换第一过滤器2的使用状态。

具体的，在本发明实施例中，当需要进行冷却水的过滤时，关闭第二自动控制阀11，打开第一自动控制阀10，使得冷却水流过第一过滤器2，从而进行冷却水过滤；当不需要进行过滤时，打开第二自动控制阀11，关闭第一自动控制阀10，使得冷却水从第二自动控制阀11流过，使得第一过滤器2不至于长期处于过滤状态而因为水压等对其造成损坏。

在本发明实施例中，过滤器的作用在于，全超导托卡马克装置水冷回路在运行时产生的悬浮物直径为0.5mm，容易发生严重的流动加速腐蚀（flow accelerated corrosion ）现象，严重后果就是发生薄壁贯穿故障，而且当前全超导托卡马克装置内部冷却设备水冷电缆管道内安装的流量计由于悬浮物直径过大，导致流量计叶轮无法正常运转。通过第一过滤器2严格控制悬浮物的直径大小，减小悬浮物对水质的影响。

在本发明实施例中，离子交换器5输入端与主循环回路之间设有第三自动控制阀12，用于控制进入副循环回路的水流量；主循环回路在热负荷设备4的两端设置有第四自动控制阀13，结合第三自动控制阀12用于切换所述副循环回路的使用状态。具体的，当仅是对冷却水进行检测时，没有必要将主循环回路的冷却水分流一半进入副循环回路，仅需要维持足够的水流量进行监测即可；当需要进行水质调节的时候，则将第三自动控制阀开至最大，将第四自动控制阀13关闭，方便冷却水流过副循环回路进行处理。

在本发明实施例中，离子交换器5输入端与第三自动控制阀12的输出端之间设置有纯水补充装置14，用于向主循环回路添加循环水。纯水补充装置具体可以是存储有纯水的罐体，可以设置有水泵将纯水添加到主循环回路中，而且通过纯水补充装置进行补水，能够避免冷却水与外界进行接触，降低冷却水含氧量以及杂质，避免对全超导托卡马克装置的冷却水水质产生污染。

在本发明实施例中，还包括稳压装置，包括氮气瓶15和调压阀16，氮气罐15与膨胀罐7连通，调压阀16设置在氮气瓶15与膨胀罐7之前，用于通过调节膨胀罐7内的压力，以保持主循环回路以及副循环回路中的循环水压力。具体的，膨胀罐7的顶部由氮气瓶15提供有稳定压力的高纯氮气，当冷却水因少量外渗或电解而损失时，氮气自动扩张，把冷却水压入循环回路，以保持回路的压力恒定和冷却水的充满。特别的，降低了冷却水流动过程中的沿程压降，延长了全超导托卡马克装置中偏滤器、第一壁等设备的使用寿命，减少偏滤器的维护次数，能够安全高效的运作。

在本发明实施例中，膨胀罐7可以配置有液位计，装在膨胀罐7外侧，可显示膨胀罐7中的液位及低液位报警。当液位到达低点时，发出警告信号，提示操作人员补充纯水。当液位到达超低点时，发出报警信号，提示操作人员检修系统。

在本发明实施例中，还可以设置加药装置17，用于添加比如酸碱中和剂、絮凝剂、除氧剂及离子交流树脂等物质进行水质调节。

在本发明实施例中，加药装置是一种自动加药的设备，可以是单元组合式加药装置，主要有溶液箱、计量泵、过滤器、安全阀、止回阀、压力表、缓冲罐、液位计、控制柜等组成一体化安装在一个底座上。只需将组合式加药装置安放在加药间，将进水口、出药口接好并接通电源即可启动投入运行，具体的可以根据实际添加的药物选择市场常见的品牌或者根据实际需要进行定制。

在本发明实施例中，加药装置可以选择添加弱型H型、OH型树脂，冷却水通过树脂，对水体中杂质离子进行交换，使冷却水pH值、电导率控制在正常范围内。

在本发明其他实施例中，也可以采用强型离子交换树脂，对水体进行纯化，使冷却水pH值、电导率控制在正常范围内。

本发明提供的一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统，操作方便、结构简单，通过在副供水管道设置副循环回路，使用离子交换器实时监控水质情况；通过对极向场、第一壁和偏滤器等不同的设备的需求进行独立的水质调节，更加有针对性的调节水质，更大程度的提高冷却效果；还可以结合过滤器以及自动控制阀灵活的进行水质处理作业，提高了全超导托卡马克装置的水质处理效率，使得水质处于良好的状态，以保证全超导托卡马克装置的正常工作。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于全超导托卡马克装置的水质管控系统，其特征在于，所述系统包括：

主循环回路，按照冷却水流动方向依次设置有换热器、第一过滤器和脱气罐，所述换热器用于将所述主循环回路中的冷却水与外界进行热交换，以降低冷却水温度；所述脱气罐用于对所述主循环回路的冷却水进行脱氧处理；所述第一过滤器的输出端与所述脱气罐的输入端之间连接有所述全超导托卡马克装置需要进行冷却的热负荷设备；

副循环回路，按照冷却水流动方向依次设置有离子交换器、第二过滤器和膨胀罐，所述副循环回路并联到所述热负荷设备的两端，与所述主循环回路连通；所述离子交换器用于与所述副循环回路中的冷却水中的杂质离子进行交换，以调节冷却水的酸碱度以及电导率；所述膨胀罐用于缓冲冷却水因温度变化而产生的体积变化。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述全超导托卡马克装置需要进行冷却的热负荷设备可以是：

低杂波设备、烘烤设备、极向场电源、纵场电源、水冷电缆系统、共振磁扰动线圈电源、低温制冷系统、偏滤器、真空室，且各类设备的水质管控系统相互独立。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水质管控系统还包括：

外循环回路，设置在所述全超导托卡马克装置的外部，与所述换热器连接，用于与所述主循环回路中的冷却水进行热交换；所述外循环回路按照冷却水流动的方向依次设置有冷却塔、第三过滤器，所述冷却塔用于冷却所述外循环回路中的冷却水。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一过滤器的输入端设置有第一自动控制阀，所述第一自动控制阀的输入端与所述第一过滤器的输出端并联有第二自动控制阀，所述第一自动控制阀和第二自动控制阀结合使用，以切换所述第一过滤器的使用状态。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述离子交换器输入端与所述主循环回路之间设有第三自动控制阀，用于控制进入所述副循环回路的水流量；所述主循环回路在所述热负荷设备的两端设置有第四自动控制阀，结合所述第三自动控制阀用于切换所述副循环回路的使用状态。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述离子交换器输入端与所述第三自动控制阀的输出端之间设置有纯水补充装置，用于向所述主循环回路添加循环水。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括稳压装置，包括氮气瓶和调压阀，所述氮气罐与所述膨胀罐连通，所述调压阀设置在所述氮气瓶与所述膨胀罐之前，用于通过调节所述膨胀罐内的压力，以保持所述主循环回路以及副循环回路中的循环水压力。