CN201359593Y

CN201359593Y - 高温高压水循环系统

Info

Publication number: CN201359593Y
Application number: CNU2008202323712U
Authority: CN
Inventors: 匡文军; 吴欣强; 韩恩厚
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2018-12-30

Abstract

本实用新型涉及水循环系统，具体为一种能够控制水化学并实现高温高压条件的水循环系统，解决高温高压水循环系统中水化学参数的测量与控制等问题。该系统主要由两个回路组成。一回路为常温常压状态，此回路中通过不断循环可以使水的电导率达到所需的指标，能比较精确地控制水中的溶解氧含量和溶解氢含量，并可以在线检测水的pH值和温度变化，根据实验需要还能在该回路中加入含有特殊离子的溶液。二回路中的高压泵和预热器可以使高压釜中的水达到高温高压的状态(320℃，12MPa)，模拟一些实际的服役环境(如核电高温水环境)来进行材料的环境损伤实验，高压釜中出来的水经过换热和冷却后可以回到第一回路中继续循环使用。

Description

高温高压水循环系统

技术领域

本实用新型涉及水循环系统，具体为一种能够控制水化学并实现高温高压条件的水循环系统。

背景技术

核电站材料的服役性能是关系到核电站能否安全运行的关键问题。从目前核电站的运行经验来看，一些关键设备材料如循环回路管道、蒸汽发生器传热管等会发生各种各样的环境失效现象，其中最典型的失效方式就是应力腐蚀破裂，严重威胁核电站的安全运行。所以研究核电关键材料在服役环境中的损伤和失效机理，为材料的设计和加工成型提供依据并为材料的使用提供安全评价准则势在必行。要在实验室中进行模拟研究，首先要求能够模拟核电运行环境，即高温高压水环境，并严格控制水的电导率、溶解氧含量、pH值等水化学参数。目前，国内还没有制造这种能够控制水化学参数的高温高压水循环系统的厂家。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种能够控制水化学并实现高温高压条件的水循环系统，解决高温高压水循环系统中水化学参数的调整与控制等问题，能够比较精确模拟典型的核电运行水环境，为研究核电关键材料的环境失效行为提供了条件。

本实用新型的技术方案如下：

一种高温高压水循环系统，该系统主要由两个回路组成，一回路为常温常压状态回路，二回路为高温高压状态回路，具体如下：

在系统中设有储水罐，储水罐底部的循环水出水口处有混合泵，该混合泵的出水口有棉芯过滤器，棉芯过滤器出口分成4个支路，分别进入一回路和二回路中；其中，

一回路包括与储水罐连接的3个支路，在与储水罐连接的支路I上装有手动调节阀MV2；在与储水罐连接的支路II上装有手动调节阀MV6、转子流量计和水处理装置，第一回路的支路II连接一管路，该管路分出两路，其中一路上装有一棉芯过滤器和手动调节阀MV5，另一路通过管路连至第二回路，在该管路上装有单向阀CV3；在与储水罐连接的支路III上装有手动调节阀MV7，支路III再分成3个分支路分别经过转子流量计和装有化学传感器的流通池，最后经过单向阀CV4连回到储水罐中；

二回路中有高压泵，高压泵出水管路上装有缓冲罐、单向阀CV5、压力表II、换热器，换热器通过一管路与高压釜的进水口连接，在该管路上装有手动调节阀MV11；换热器通过另一管路与高压釜的出水口连接，在该管路上装有预热器和手动调节阀MV12；换热器通过一管路与冷凝器入口连接，冷凝器出口管路上装有压力变送器、过滤器、背压阀、压力表III、电导率传感器EC、溶解氧传感器DO和热电偶。

所述一回路的支路I上还装有旁通容器，在旁通容器的进、出口管路上分别装有手动调节阀MV3、MV4。

所述一回路的支路III的3个分支路上的化学传感器分别是电导率传感器EC、溶解氧传感器DO和pH传感器；装有pH传感器的分支路前有一截断阀IV3，装有pH传感器的分支路旁边有一来自二回路的支路，在该二回路的支路上装有手动调节阀MV8，在该二回路的支路上连接一装有手动调节阀MV9的管路。

所述高压釜上还有一排气口，在高压釜的排气口管路上装有手动调节阀MV13。

所述高压釜的旁边有一并行的旁路，旁路上装有手动调节阀MV10。

所述冷凝器出口管路上装有的过滤器为两个目数分别为100μm和50μm的过滤器串联在一起。

所述储水罐底部开有排水口、通气口和循环水出水口，储水罐侧面装有液位计，储水罐上部开有两个循环水进水口，储水罐顶部装有压力表I、安全阀以及排气口。

所述储水罐底部开有的排水口、通气口，在所述排水口管路上有手动调节阀MV1，在所述通气口内插有多孔的通气管，该通气口的管路上还装有单向阀CV2、气体流量计并最后分为三路，其中两路上分别装有比例电磁阀，另一路上装有手动调节阀；在所述循环水出水口上装有截断阀IV1。

所述储水罐顶部的排气口管路上装有单向阀CV1和排气装置。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型系统主要由两个回路组成，一回路为常温常压状态，此回路中通过不断循环可以使水的电导率达到所需的指标，能比较精确地控制水中的溶解氧含量和溶解氢含量，并可以检测水的pH值和温度变化，根据实验需要还能在该回路中加入含有特殊离子的溶液。二回路中的高压泵和预热器可以使高压釜中的水达到高温高压的状态(320℃，12MPa)，模拟一些实际服役环境(如核电高温水环境)来进行材料的环境失效实验，高压釜中出来的水经过换热和冷却后可以回到一回路中继续循环使用。

2、本实用新型的一回路中可通过各种水化学传感器检测电导率(EC)、溶解氧含量(DO)、pH值的变化；一回路中的水处理装置可以不断去除水中的阴阳离子，使电导率降低到合适的指标。

3、本实用新型的一回路中可通过一旁通容器加入含有特殊离子的溶液，为研究各种离子的影响提供了条件。

4、本实用新型的一回路可通过一套控制系统比较精确地控制溶解氧的含量，溶解氧的含量控制请参见中国发明专利申请(专利申请号：200810012594.2，发明名称：一种精确控制水中溶解氧含量的系统及其应用)。

5、本实用新型可根据亨利定律，利用气体质量流量计控制通入组分气体的流量比，从而达到控制水中溶解氢含量的目的。

6、本实用新型的二回路中可通过一隔膜式高压泵和背压阀来调节水的压力在0至20MPa之间，通过一预热器可将水温加热到室温至350℃。

7、本实用新型的二回路中通过换热器将大部分高压釜内高温出水的热量传递给低温的进水，这样既减少了能量的损耗，又能使出水温度显著降低；出水再经过冷凝器后即降到常温，被过滤器虑去杂质颗粒后经过背压阀即降到常压，最后回到一回路中循环反复使用。

8、本实用新型的二回路中可实时检测高压釜中出水的电导率和溶解氧含量变化，据此可以更加确切了解高压釜内的水化学参数，关闭截断阀，打开手动调节阀后，还可测量pH值的变化，还可以通过另一手动调节阀来取样分析。

附图说明

图1为高温高压水循环系统的总体结构图。

图中，1液位计；2排气装置；3压力表I；4旁通容器；5水处理装置；6化学传感器；7热电偶；8压力表III；9背压阀；10压力变送器；11高压釜；12预热器；13换热器；14冷凝器；15流量计；16缓冲罐；17压力表II；18高压泵；19棉芯过滤器；20混合泵；21储水罐；22气瓶；23气体流量计。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供能够达到高温高压状态的水循环系统，该系统主要由两个回路组成。一回路为常温常压状态，此回路通过不断循环可以使水的电导率、溶解氧含量达到所需的指标，并能检测水的pH值和温度变化，根据实验需要还可以在该回路中加入含有特殊离子的溶液。二回路中的高压泵18和预热器12可以使高压釜11中的水达到高温高压的状态，从而模拟一些实际服役环境(如核电高温高压水环境)进行材料的环境失效实验，高压釜11中出来的水经过换热和冷却后可以回到一回路中继续循环使用。具体如下：

在系统中有一个两百升左右的不锈钢储水罐21，该储水罐21底部开有排水口、通气口和循环水出水口。在所述排水口管路上有一手动调节阀MV1以控制是否排水；在所述通气口内插有一根多孔的通气管使气体较为缓慢均匀地通入到储水罐21内，该通气口的管路上还装有单向阀CV2、气体流量计23并最后分为三路，其中两路上分别装有比例电磁阀，另一路上装有手动调节阀，其中两路上的比例电磁阀用来自动控制水中的溶解氧含量，而手动调节阀用来手动通入气体；在所述循环水出水口上装有一截断阀IV1，该阀打开时可以使储水罐21内的水进入到回路中参与循环。储水罐21侧面装有一个高约1米的液位计1，可用来观测储水罐21内水位的变换。储水罐21上部开有两个循环水进水口，使循环回路中的水回到储水罐21内。储水罐21顶部装有压力表I 3、安全阀以及排气口。压力表I 3可指示储水罐21内压力变化，安全阀可避免储水罐21内发生过压危险，排气口管路上装有一单向阀CV1和排气装置2(专利申请号：200810011749.0)，排气装置2能使储水罐21内气体单向排到大气中而不发生排空或倒吸现象。

储水罐21底部的循环水出水口处有一磁力混合泵20，该泵可将储水罐21内的水泵到回路中参与循环。该混合泵20的出水口有一棉芯过滤器19以滤去水中的杂质颗粒，然后出水分成4个支路，分别进入第一回路和第二回路中，其中第一回路包括3个支路。

棉芯过滤器19滤后的出水有一部分经过一回路中的支路I直接回到储水罐21中，在与储水罐21连接的支路I上装有手动调节阀MV2，这样可以使储水罐21内的水上下混合，保证化学参数更为均匀一致。该支路I上还装有一旁通容器4，在旁通容器4的进、出口管路上分别装有手动调节阀MV3、MV4。当要往回路中加入含有特殊离子的溶液时，先将手动调节阀MV3、MV4关闭，旋开旁通容器4上的密封盖，往容器内注入溶液，再将密封盖旋紧，打开手动调节阀MV3、MV4，关闭手动调节阀MV2，这样当水循环时就能流经旁通容器4，将溶液带入储水罐21内。

棉芯过滤器19滤后的出水有一部分经过一回路中的支路II回到储水罐21中，支路II上装有一手动调节阀MV6、转子流量计和一套水处理装置。该支路II中流量可通过转子流量计来观测，通过手动调节阀MV6来调节，水处理装置中包括一根活性炭柱和两根混床超纯化柱。当水经过性炭柱时，水中微小的杂质粒子会被吸附掉，随后经过混床超纯化柱时，水中的阴阳离子会被交换成氢离子和氢氧根离子，经过这个过程以后出来的水电导率逐渐下降，水质将越来越纯。第一回路的支路II连接一管路，该管路分出两路，其中一路上装有一棉芯过滤器和手动调节阀MV5，另一路通过管路连至二回路，在该管路上装有单向阀CV3。当系统中需要补充水时，打开手动调节阀MV5，入口的进水经过棉芯过滤器19除去部分杂质后，并入支路II中进入循环系统。

棉芯过滤器19滤后的出水有一部分经过一回路中的支路III回到储水罐21中，该支路III上有一手动调节阀MV7来调节通过的流量，然后再分成3个分支路分别经过一个转子流量计15和装有化学传感器6的流通池，最后经过一单向阀CV4连回到储水罐21中。3个分支路上的化学传感器6分别是电导率传感器EC、溶解氧传感器DO和pH传感器。装有pH传感器的分支路前有一截断阀IV3，装有pH传感器的分支路旁边有一来自二回路的支路，在该二回路的支路上装有手动调节阀MV8，在该二回路的支路上连接一装有手动调节阀MV9的管路。当需要测量二回路的pH值时，将该分支路上的截断阀IV3关闭，并将二回路支路上的手动调节阀MV8打开即可。

棉芯过滤器滤19后的出水有一部分经过二回路，该回路中有一隔膜式高压泵18，能使该回路中水的压力维持在0到20MPa之间，高压泵18的出水口处有一缓冲罐16，该缓冲罐16内充入高压气体后能减小泵出水压力波动的幅度，使水压平稳。缓冲罐16后有一单向阀CV5以防止水回流，单向阀CV5后的安全阀可避免压力过高产生危险，之后有一压力表II 17指示压力大小。在压力表II17之后的高压泵18出水管路上装有换热器13，换热器13通过一管路与高压釜11的热端(进水口)连接，在该管路上装有手动调节阀MV11；换热器13通过另一管路与高压釜11的冷端(出水口)连接，在该管路上装有预热器12和手动调节阀MV12。常温的高压水随后进入到换热器13中与高压釜11内出来的高温水进行换热过程，这样可使要进高压釜11的水温度上升，减少后面用来加热的电能损耗，而且可大大降低出高压釜11高温水的温度，便于后面进一步将出水冷却至常温，再回到储水罐21中循环利用。换热器13冷端的出水再进入到预热器12中进一步加热到所需的工作温度，然后充入高压釜11内开始工作。高压釜11是放置试样进行实验的容器，高压釜11上除了有进水口、出水口外，还有一排气口以排除高压釜11内残余的空气，在高压釜的排气口管路上装有手动调节阀MV13。高压釜11的旁边有一并行的旁路，旁路上装有手动调节阀MV10，当水化学参数没有达到所需的指标时，关闭高压釜11的进出口处的阀门，打开旁路上的手动调节阀MV10让水从旁路流过，直到水化学参数达标后再让水通入高压釜11内。换热器13通过一管路与冷凝器14入口连接，从高压釜11内出来的高温高压水经过换热器13再进入冷凝器14，从冷凝器14出来的水温度可以降到常温。冷凝器14出口管路上装有压力变送器10、过滤器、背压阀9、压力表III8、电导率传感器EC、溶解氧传感器DO和热电偶7，压力变送器10可以感应压力的变化并变送成4到20mA电流信号。两个目数分别为100μm和50μm的过滤器串联在一起滤去在反应过程中产生的杂质。初步除杂的常温高压水随后经过背压阀9，背压阀9是调节高压部分压力大小的阀门，它与高压泵18联合作用来维持两者之间的压力在一稳定的数值。常温高压水经过背压阀9后变成常温常压水，再一次经过安全阀、压力表III8、流量计、电导率传感器EC、溶解氧传感器DO和热电偶7。此回路中测得的是高压釜出水的化学参数，与一回路中各传感器测到的值有所不同，更能真实反映出高压釜内的反应条件。该回路经过一个单向阀CV3后最终并入第一回路中的支路II上，并且分出两个支路以方便测量pH值和取样。

运行这套高温高压水循环系统，包括如下步骤：

1、关闭手动调节阀MV1，将自来水管接到手动调节阀MV5上，打开该阀门，此时水慢慢注入到储水罐21中，当水位到了一定高度时(约液位计2/3高度)，关闭手动调节阀MV5。

2、关闭手动调节阀MV3、MV4、MV11、MV12，打开手动调节阀MV10、截断阀IV1，启动混合泵20，调节手动调节阀MV2、MV6、MV7的开度，使各个转子流量计15的数值在合适的范围。

3、让水在回路中不断循环，使电导率达到足够低的数值；若要控制溶解氧含量，将各进气管连到对应的阀门上，打开气瓶22开关，在控制界面上设定好相关的参数即可；若要控制溶解氢含量，根据所需浓度和该温度下的亨利系数计算出组分气体的比例，然后在对应的气体质量流量计上按此比例设定好流量值即可。

4、若要在回路中加入某一浓度的特殊离子，先等水质纯化到一定程度(电导率达到60至70ns/cm)后短接水处理装置5两头的软管将其屏蔽，然后旋开旁通容器4上的密封盖，将配好的溶液注入到容器中，将密封盖旋紧，最后打开手动调节阀MV3、MV4，关闭手动调节阀MV2。

5、当各种水化学参数达到指标后，打开手动调节阀MV12、MV13，使水慢慢注入到高压釜11内，而高压釜11内气体从手动调节阀MV13处排出，当手动调节阀MV13处开始溢水时将其关闭，再打开手动调节阀MV11，最后关闭手动调节阀MV10。

6、启动高压泵18，调节行程手轮，使水流量到合适值(一般为10L/h)，再将手轮锁紧。

7、慢慢顺时针旋紧背压阀9，可以看到压力表II 17指示值慢慢增大，一直旋转到压力达到合适的数值(10MPa左右)。

8、打开接到冷凝器14上的冷却水开关，接通预热器12电源，通过它将水温加热到实验温度(300℃左右)。

9、实验结束后，先关闭预热器12电源和气瓶22开关，等高压釜11内温度降到室温，关闭冷却水，逆时针旋转背压阀9直道压力表2指示为零，然后将高压泵18行程调到零后，再将其关闭，最后关闭混合泵20。

Claims

1、一种高温高压水循环系统，其特征在于：该系统主要由两个回路组成，一回路为常温常压状态回路，二回路为高温高压状态回路，具体如下：

在系统中设有储水罐(21)，储水罐(21)底部的循环水出水口处有混合泵(20)，该混合泵(20)的出水口有棉芯过滤器(19)，棉芯过滤器(19)出口分成4个支路，分别进入一回路和二回路中；其中，

一回路包括与储水罐(21)连接的3个支路，在与储水罐(21)连接的支路I上装有手动调节阀MV2；在与储水罐(21)连接的支路II上装有手动调节阀MV6、转子流量计和水处理装置，第一回路的支路II连接一管路，该管路分出两路，其中一路上装有一棉芯过滤器和手动调节阀MV5，另一路通过管路连至第二回路，在该管路上装有单向阀CV3；在与储水罐(21)连接的支路III上装有手动调节阀MV7，支路III再分成3个分支路分别经过转子流量计(15)和装有化学传感器(6)的流通池，最后经过单向阀CV4连回到储水罐(21)中；

二回路中有高压泵(18)，高压泵(18)出水管路上装有缓冲罐(16)、单向阀CV5、压力表II(17)、换热器(13)，换热器(13)通过一管路与高压釜(11)的进水口连接，在该管路上装有手动调节阀MV11；换热器(13)通过另一管路与高压釜(11)的出水口连接，在该管路上装有预热器(12)和手动调节阀MV12；换热器(13)通过一管路与冷凝器(14)入口连接，冷凝器(14)出口管路上装有压力变送器(10)、过滤器、背压阀(9)、压力表III(8)、电导率传感器EC、溶解氧传感器DO和热电偶(7)。

2、按照权利要求1所述的高温高压水循环系统，其特征在于：所述一回路的支路I上还装有旁通容器(4)，在旁通容器(4)的进、出口管路上分别装有手动调节阀MV3、MV4。

3、按照权利要求1所述的高温高压水循环系统，其特征在于：所述一回路的支路III的3个分支路上的化学传感器(6)分别是电导率传感器EC、溶解氧传感器DO和pH传感器；装有pH传感器的分支路前有一截断阀IV3，装有pH传感器的分支路旁边有一来自二回路的支路，在该二回路的支路上装有手动调节阀MV8，在该二回路的支路上连接一装有手动调节阀MV9的管路。

4、按照权利要求1所述的高温高压水循环系统，其特征在于：所述高压釜(11)上还有一排气口，在高压釜的排气口管路上装有手动调节阀MV13。

5、按照权利要求1所述的高温高压水循环系统，其特征在于：所述高压釜(11)的旁边有一并行的旁路，旁路上装有手动调节阀MV10。

6、按照权利要求1所述的高温高压水循环系统，其特征在于：所述冷凝器(14)出口管路上装有的过滤器为两个目数分别为100μm和50μm的过滤器串联在一起。

7、按照权利要求1所述的高温高压水循环系统，其特征在于：所述储水罐(21)底部开有排水口、通气口和循环水出水口，储水罐(21)侧面装有液位计(1)，储水罐(21)上部开有两个循环水进水口，储水罐(21)顶部装有压力表I(3)、安全阀以及排气口。

8、按照权利要求7所述的高温高压水循环系统，其特征在于：所述储水罐(21)底部开有的排水口、通气口，在所述排水口管路上有手动调节阀MV1，在所述通气口内插有多孔的通气管，该通气口的管路上还装有单向阀CV2、气体流量计(23)并最后分为三路，其中两路上分别装有比例电磁阀，另一路上装有手动调节阀；在所述循环水出水口上装有截断阀IV1。

9、按照权利要求7所述的高温高压水循环系统，其特征在于：所述储水罐(21)顶部的排气口管路上装有单向阀CV1和排气装置(2)。