CN110473639A - 一种用于研究粉尘沉积行为的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究粉尘沉积行为的装置，包括有用于存放压缩氦气的氦气储罐、氦气循环风机、氦气风机控制系统、氦气加热器、模拟件试验段、管道试验段、取样试验段、氦气冷却系统、用于产生石墨粉尘样品的气溶胶发生气囊以及气溶胶缓冲罐；本方案所提供的用于研究粉尘沉积行为的装置能够有效模拟高温气冷堆内石墨粉尘的传播及沉积行为，并同时可以对整个模拟过程中的石墨粉尘的传播和沉积过程进行监测与测量。

Description

一种用于研究粉尘沉积行为的装置

技术领域

本发明涉及核工程技术领域，具体涉及一种用于研究粉尘沉积行为的装置。

背景技术

高温气冷堆以石墨包覆的燃料球作为燃料元件，以氦气做为冷却剂，其具有安全性好、发电效率高、经济性好等优点，已被国际核能署列为第四代反应堆发展堆型之一。我国在清华HTR-10实验高温气冷堆的基础上发展并建立了HTR-PM高温气冷示范堆。

高温气冷堆采用石墨包覆的燃料球，在循环过程中，燃料球会与自身以及石墨反射层其它的石墨构件发生摩擦磨损产生石墨粉尘。石墨粉尘会随着氦气流在高温气冷堆一回路内进行流动。含有14C和其他放射性核素的石墨粉尘在传播过程中，极易在传播面表面和死区发生沉积，沉积在设备表面的石墨粉尘一方面会对维修人员造成不必要的辐射；另一方面，碳元素在金属内的扩散可能造成金属属性的变化，影响设备的稳定性。因此研究高温气冷堆石墨粉尘的传播过程与在各类设备结构上的沉积行为具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于研究粉尘沉积行为的装置，该用于研究粉尘沉积行为的装置能够有效模拟高温气冷堆内石墨粉尘的传播及沉积行为，并同时可以对整个模拟过程中的石墨粉尘的传播和沉积过程进行监测与测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于研究粉尘沉积行为的装置，包括有用于存放压缩氦气的氦气储罐、氦气循环风机、氦气风机控制系统、氦气加热器、模拟件试验段、管道试验段、取样试验段、氦气冷却系统、用于产生石墨粉尘样品的气溶胶发生气囊以及气溶胶缓冲罐，所述氦气储罐、氦气循环风机、氦气加热器以及氦气冷却系统依次通过设置有的氦气管路相连，其中所述模拟试验段、管道试验段以及取样试验段并联安装在所述氦气加热器和氦气冷却系统之间，所述气溶胶发生气囊与所述气溶胶缓冲罐相连通，所述气溶胶缓冲罐通过设置有的氦气管路与所述氦气加热器相连通，所述氦气储罐其上设置有第一压力传感器，邻近所述氦气加热器进气一端的氦气管路上安装有气体流量计，邻近所述氦气加热器出气一端的氦气管路上设置有第一温度传感器和第二压力传感器，邻近所述氦气冷却系统进气一端的氦气管路上设置有第三压力传感器和第二温度传感器，邻近所述氦气冷却系统出气一端的氦气管路上设置有第四压力传感器，所述气溶胶缓冲罐上还安装有第五压力传感器和用于检测其内石墨粉尘浓度的气溶胶在线分析仪。

进一步，还包括有氦气缓冲罐，其中所述氦气缓冲罐与所述气溶胶缓冲罐相连通。

进一步，所述氦气冷却系统出气一端还通过氦气管路与设置有的喷淋水冷相连。

进一步，所述氦气冷却系统与喷淋水冷之间的氦气管路上还设置有第三温度传感器和流量计。

进一步，所述氦气冷却系统与喷淋水冷之间的氦气管路上还设置有压力控制报警器。

进一步，邻近所述氦气加热器出气一端的氦气管路上还设置有泄压阀。

进一步，邻近所述氦气加热器出气一端的氦气管路上还设置有粉尘浓度传感器。

进一步，所述气溶胶缓冲罐上还安装有第六压力传感器。

进一步，还包括有用于对冷却后的氦气进行回收的氦气回收系统，其中所述氦气回收系统通过氦气管路与氦气冷却系统出气一端相连通。

与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：本方案所提供的用于研究粉尘沉积行为的装置能够有效模拟高温气冷堆内石墨粉尘的传播及沉积行为，并同时可以对整个模拟过程中的石墨粉尘的传播和沉积过程进行监测与测量，具体的整个装置主要包括有氦气主管路、氦气加热及冷却系统、粉尘气溶胶发生系统、粉尘沉积试验段、粉尘浓度检测系统等构成，氦气主管路主要提供氦气的供应及循环，氦气加热及冷却系统提供氦气在进入试验段前和进行回收前的加热及冷却，粉尘气溶胶发生系统可将待进行沉积试验的粉尘通过气溶胶发生器进行发尘，同时在气溶胶缓冲罐中稀释为需要的浓度；粉尘沉积试验段主要为两条试验回路，可分别接入管道模拟段与结构件模拟段；粉尘浓度检测系统主要包括对试验段前后管道中粉尘浓度的实时检测系统，可用于评估沉积于试验段内的石墨粉尘沉积量。

附图说明

图1为本发明粉尘沉积行为研究装置的结构原理示意图。

图中：

1-氦气缓冲罐，2-气溶胶缓冲罐，3-第六压力传感器，4-气溶胶在线分析仪，5-第五压力传感器，6-第四压力传感器，7-氦气冷却系统，8-第三温度传感器，9-流量计，10-压力控制报警器，11-喷淋水冷，12-第二温度传感器，13-第三压力传感器，14-模拟件试验段，15-管道试验段，16-取样试验段，17-粉尘浓度传感器，18-第一温度传感器，19-第二压力传感器，20-泄压阀，21-气溶胶发生气囊，22-氦气加热器，23-气体流量计，24-氦气风机控制系统，25-氦气循环风机，26-氦气储罐，27-第一压力传感器。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本方案是针对现有的高温气冷堆其内产生的含有14C和其他放射性核素的石墨粉尘在传播过程中，极易在传播面表面和死区发生沉积，沉积在设备表面的石墨粉尘一方面会对维修人员造成不必要的辐射；另一方面，碳元素在金属内的扩散可能造成金属属性的变化，影响设备的稳定性的问题，进而提出的一种用于研究粉尘沉积行为的装置，该用于研究粉尘沉积行为的装置能够有效模拟高温气冷堆内石墨粉尘的传播及沉积行为，并同时可以对整个模拟过程中的石墨粉尘的传播和沉积过程进行监测与测量。

参见附图1所示，为本实施例中的粉尘沉积行为研究装置的结构原理示意图。本实施例中的用于研究粉尘沉积行为的装置，包括有用于存放压缩氦气的氦气储罐26、氦气循环风机25、氦气风机控制系统24、氦气加热器22、模拟件试验段14、管道试验段15、取样试验段16、氦气冷却系统7、用于产生石墨粉尘样品的气溶胶发生气囊21以及气溶胶缓冲罐2，氦气储罐26、氦气循环风机25、氦气加热器22以及氦气冷却系统7依次通过设置有的氦气管路相连，其中模拟试验段、管道试验段15以及取样试验段16并联安装在氦气加热器22和氦气冷却系统7之间，气溶胶发生气囊21与气溶胶缓冲罐 2相连通，气溶胶缓冲罐2通过设置有的氦气管路与氦气加热器22相连通，氦气储罐26其上设置有第一压力传感器27，邻近氦气加热器22进气一端的氦气管路上安装有气体流量计23，邻近氦气加热器22出气一端的氦气管路上设置有第一温度传感器18和第二压力传感器19，邻近氦气冷却系统7进气一端的氦气管路上设置有第三压力传感器13和第二温度传感器12，邻近氦气冷却系统7出气一端的氦气管路上设置有第四压力传感器6，气溶胶缓冲罐2上还安装有第五压力传感器5和用于检测其内石墨粉尘浓度的气溶胶在线分析仪4。

为了能够直接对气溶胶缓冲罐2中冲入一定浓度的氦气，本实施例中的装置还包括有氦气缓冲罐1，其中氦气缓冲罐1与气溶胶缓冲罐2相连通。

为了对试验后的有害气体进行处理，本方案氦气冷却系统7出气一端还通过氦气管路与设置有的喷淋水冷11相连，同时为了能够对该段整个氦气管路中的气体进行监测，氦气冷却系统7与喷淋水冷11之间的氦气管路上还设置有第三温度传感器8、流量计9以及相应的压力控制报警器10。

此外，为了能够对经试验后的氦气进行回收循环利用，本方案中的上述装置其还包括有用于对冷却后的氦气进行回收的氦气回收系统，其中氦气回收系统通过氦气管路与氦气冷却系统7出气一端相连通。可以知晓的是，本方案中的氦气回收系统可以直接采用现有技术中的氦气回收装置。

为了能够有效地对整个氦气管路中的气体参数状态进行监测，本方案在邻近氦气加热器22出气一端的氦气管路上还设置有泄压阀20和粉尘浓度传感器17，并在气溶胶缓冲罐2上还安装有第六压力传感器3。

发明人经研究发现石墨粉尘在一回路内表面的沉积行为主要受到流体性质、流体条件、沉积目标结构等影响。因此如需要对高温气冷堆内石墨粉尘的传播及沉积行为进行研究，需要对流体性质、流体条件与沉积目标结构进行控制，同时对整个传播与沉积过程进行监测与测量：

下面结合具体的实施例来说明对不同的目标构件的模拟：

实施例一：

研究石墨粉尘在蒸汽发生器底部人孔处的沉积

本次应用的主要目的是研究高温气冷堆内石墨粉尘在蒸汽发生器底部人孔中的沉积情况，如下：

(1)试验前，将待进行试验研究的蒸汽发生器底部模拟件更换至结构件试验段内，通过法兰与氦气主回路连通，将管道试验段15、取样试验段16 关闭，仅留模拟件试验段14打开；

(2)压缩氦气通过氦气储罐26调节压力后通入氦气试验回路，使得氦气试验回路充满7MPa的氦气；

(3)设定氦气循环风机25的风速控制及风压控制值，氦气流经氦气加热器22加热至设定温度后通过温度、压力、粉尘浓度、流速等探头后进入氦气试验段；

(4)待氦气流稳定后，打开气溶胶发生气囊21将预设的石墨粉尘样品进行发生；

(5)发生的粉尘气溶胶经过气溶胶缓冲罐2进行稀释，同时通过气溶胶在线分析仪4测量气溶胶缓冲罐内石墨粉尘浓度；

(6)经发生稀释的石墨粉尘通过支路进入氦气试验回路，并通过管道粉尘浓度传感器17对进入模拟件试验段14的石墨粉尘浓度进行实时监测；

(7)经过试验段的氦气经氦气冷却系统7冷却后的氦气返回氦气回收系统进行重复利用；

(8)试验过程中，保持发尘过程(气溶胶发生气囊21产生石墨粉尘的过程)中对管道内粉尘浓度的实时监测，同时在发尘结束后，保持氦气通风，直至氦气流中石墨粉尘浓度降低至初始水平值；

(9)试验结束，拆下结构件试验段，将结构件试验段内沉积的石墨粉尘进行研究。

实施例二；

管道石墨粉尘污染件的制备

本次应用的主要目的是利用石墨粉尘沉积试验回路制备石墨粉尘沉积污染的管道污染模拟件，如下：

(1)试验前，将待进行污染模拟件制备的管道件连接进入管道试验段 15内，通过法兰与氦气主回路连通，将模拟件试验段14、取样试验段16关闭；

(2)压缩氦气通过氦气储罐26调节压力后通入氦气试验回路，使得氦气试验回路充满7MPa的氦气；

(3)设定氦气循环风机25的风速为0.11m/s，氦气流经氦气加热器 22加热至750℃通过温度、压力、粉尘浓度、流速等探头后进入氦气试验段；

(4)待氦气流稳定后，打开气溶胶发生气囊21将预设的石墨粉尘样品进行发生；

(5)发生的粉尘气溶胶经过气溶胶缓冲罐2进行稀释，同时通过气溶胶在线分析仪4测量气溶胶缓冲罐内石墨粉尘浓度；

(6)经发生稀释的石墨粉尘通过支路进入氦气试验回路，并通过管道粉尘浓度传感器17对进入模拟件试验段14的石墨粉尘浓度进行实时监测；

(7)经过试验段的氦气经氦气冷却系统7冷却后的氦气返回氦气回收系统进行重复利用；

(8)保持石墨粉尘的发生，并记录发尘时间，发尘结束后，保持氦气试验回路持续运行10h；

(9)关闭氦气加热器22，待回路内氦气冷却后，将管道模拟段拆下，作为石墨粉尘污染样品。

由此可见，本方案中的上述研究粉尘沉积行为研究的装置能够有效模拟高温气冷堆内石墨粉尘的传播及沉积行为，并同时可以对整个模拟过程中的石墨粉尘的传播和沉积过程进行监测与测量，通过对粉尘沉积试验段主要为两条试验回路不同试验回路的选择，可分别接入管道模拟段与结构件模拟段来完成对应的模拟过程。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于研究粉尘沉积行为的装置，其特征在于：包括有用于存放压缩氦气的氦气储罐、氦气循环风机、氦气风机控制系统、氦气加热器、模拟件试验段、管道试验段、取样试验段、氦气冷却系统、用于产生石墨粉尘样品的气溶胶发生气囊以及气溶胶缓冲罐，所述氦气储罐、氦气循环风机、氦气加热器以及氦气冷却系统依次通过设置有的氦气管路相连，其中所述模拟试验段、管道试验段以及取样试验段并联安装在所述氦气加热器和氦气冷却系统之间，所述气溶胶发生气囊与所述气溶胶缓冲罐相连通，所述气溶胶缓冲罐通过设置有的氦气管路与所述氦气加热器相连通，所述氦气储罐其上设置有第一压力传感器，邻近所述氦气加热器进气一端的氦气管路上安装有气体流量计，邻近所述氦气加热器出气一端的氦气管路上设置有第一温度传感器和第二压力传感器，邻近所述氦气冷却系统进气一端的氦气管路上设置有第三压力传感器和第二温度传感器，邻近所述氦气冷却系统出气一端的氦气管路上设置有第四压力传感器，所述气溶胶缓冲罐上还安装有第五压力传感器和用于检测其内石墨粉尘浓度的气溶胶在线分析仪。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究粉尘沉积行为的装置，其特征在于：还包括有氦气缓冲罐，其中所述氦气缓冲罐与所述气溶胶缓冲罐相连通。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于研究粉尘沉积行为的装置，其特征在于：所述氦气冷却系统出气一端还通过氦气管路与设置有的喷淋水冷相连。

4.根据权利要求3所述的一种用于研究粉尘沉积行为的装置，其特征在于：所述氦气冷却系统与喷淋水冷之间的氦气管路上还设置有第三温度传感器和流量计。

5.根据权利要求4所述的一种用于研究粉尘沉积行为的装置，其特征在于：所述氦气冷却系统与喷淋水冷之间的氦气管路上还设置有压力控制报警器。

6.根据权利要求1所述的一种用于研究粉尘沉积行为的装置，其特征在于：邻近所述氦气加热器出气一端的氦气管路上还设置有泄压阀。

7.根据权利要求1或6所述的一种用于研究粉尘沉积行为的装置，其特征在于：邻近所述氦气加热器出气一端的氦气管路上还设置有粉尘浓度传感器。

8.根据权利要求1所述的一种用于研究粉尘沉积行为的装置，其特征在于：所述气溶胶缓冲罐上还安装有第六压力传感器。

9.根据权利要求1所述的一种用于研究粉尘沉积行为的装置，其特征在于：还包括有用于对冷却后的氦气进行回收的氦气回收系统，其中所述氦气回收系统通过氦气管路与氦气冷却系统出气一端相连通。