CN102519863B - 一种超临界水蒸汽氧化试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界水蒸汽氧化试验装置，其特征在于：包括流体控制组件，流体控制组件分别管路连接水处理组件及反应容器组件，水处理组件管路连接反应容器组件，流体控制组件、水处理组件及反应容器组件共同形成介质循环流动回路，反应容器组件置于加热炉内，加热炉及反应容器组件的温度由控温***控制，由数据监测组件对流体控制组件及控温***进行监测。本发明提供的设备可模拟超（超）临界电站锅炉高温高压水蒸汽环境的试验装置以及一整套的技术解决方案，设备制造难度小、经济性高、功能全面、操作简便、控制精确、安全可靠，适合于在实验室中广泛推广使用，满足科学研究和工程试验的需要。

Description

一种超临界水蒸汽氧化试验装置

技术领域

本发明涉及一种金属材料水蒸汽氧化试验装置，该装置的主要功能是：可在实验室条件下实现模拟超（超）临界参数锅炉元件内的高温高压水蒸汽环境，用于研究金属材料在超临界水蒸汽环境中的氧化行为以及评价材料的抗水蒸汽氧化性能。

背景技术

由于超临界水蒸汽具有比空气更强的氧化性，电站锅炉过热器、再热器、蒸汽管道等部件在运行过程中往往发生内壁严重氧化。在机组启停过程中剥落的氧化皮会堵塞弯头、阻碍气流流动导致锅炉超温爆管，汽流携带的氧化物颗粒进入汽轮机会引起汽轮机喷嘴、前级叶片固体颗粒冲蚀等问题，危害锅炉安全运行。为提高发电效率，机组设计参数还在不断提高，水蒸汽氧化问题今后会变得更加突出，在当前广泛运行的超（超）临界电站中，水蒸汽氧化导致的事故大量发生。为研究和解决水蒸汽氧化问题，国内外的科研工作者开展了大量的实验室试验和分析工作，但是普遍受到试验设备条件的制约，主要困难是如何同时达到超（超）临界锅炉水蒸汽的高压(>22.5MPa)、高温（566～620℃）、流动三方面的热工条件，以及给水溶氧量控制的要求。经过调研，总结现有设备有如下缺点：

（1）实验室中常用的高温反应釜工作压力往往较低，达不到超临界水蒸汽压力，并且反应釜为封闭结构，可认为是静止气氛，其中水蒸汽品质会由于反应产物积聚而发生破坏。

（2）实验室中较多的是运行于低压条件下循环流动的水蒸汽氧化试验装置，例如：专利CN 101118211 B《高温蒸汽氧化试验装置》，去离子水经除氧由计量泵传输，经预热炉加热成为高温蒸汽，送往反应炉，排出的蒸汽经冷凝器，再回收处理，由于***压力不高，技术上易于实现。专利CN 10162661 B《金属材料高温水蒸汽氧化实验装置》也基本类似，只是通过蒸汽发生器产生蒸汽，依靠水不断汽化膨胀产生的压力推动蒸汽流动。这些工作对于试验研究带来不少帮助，但是不具备高压条件，试验工艺无法模拟实际工况，试验结果说服力不够。

（3）国外只有个别实验室建立可以实现超（超）临界蒸汽条件的试验设备，例如：美国NETL实验室的蒸汽氧化装置（I. Wright, Clean Coal Technology Advanced Materials Program-Overview of Steam Oxidation Task, Presentation at 23rd Annual Conference on Fossil Energy Materials, NETL, 2009.）；美国Wisconsin–Madison大学超临界水氧化装置（L. Tan, X. Ren, K. Sridharan, T.R. Allen, Corrosion Behavior of Ni-base Alloys for Advanced High Temperature Water-Cooled Nuclear Plants, Corrosion Science, 50(2008) 3056–3062.）；日本Nippon Steel公司（Y. Otoguro, M.Sakakibara, T. Saito, H. Ito, Y. Inoue, Oxidation Behavior of Austenitic Heat-resisting Steels in a High Temperature and High Pressure Steam Environment, Transactions ISIJ, Vol. 28, 1988, pp. 761-768.）的实验台。国内见于报道的有浙江工业大学研制了用于废水处理的超临界水氧化实验装置（王保峰，卢建树，张九渊，超临界水氧化实验装置的建立，浙江工业大学学报，Vol.29, No.1, 2001, pp.1-4.），但其工作参数只能达到25MPa/450℃，远低于电站锅炉的超（超）临界蒸汽条件。上述装置在过程实现上的基本特征是：依靠高压泵和背压阀组合实现高压条件、试样置于反应釜中、水通过多个加热炉（或加热套）分级加热至规定温度、排出的蒸汽经水冷排出或用于预热给水管路之后再水冷。但是，上述装置要普遍适用于常规实验室，还是存在不少技术问题需要解决，如：

1）高温高压反应容器采用耐热钢或合金锻件制造难度大且造价昂贵；

2）介质多个加热器加热效率不高；

3）排出的高温高压蒸汽直接水冷需要较纯净的去离子水使成本增加（自来水冷却容易导致高压管道应力腐蚀）；

4）排出的高温高压蒸汽直接进入背压阀则要求选用特殊的耐高温背压阀，成本高，可靠性下降；

5）排出的高温高压蒸汽预热给水效率低反而使机构复杂；

6）装置的可操作性不佳，等。

此外，对于控制给水溶解氧含量方面上述装置都没有给出很好的解决方案。

发明内容

本发明针对现有试验装置的不足，提供一种可模拟超（超）临界电站锅炉高温高压水蒸汽环境的试验装置以及一整套的技术解决方案，设备制造难度小、经济性高、功能全面、操作简便、控制精确、安全可靠，适合于在实验室中广泛推广使用，满足科学研究和工程试验的需要。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种超临界水蒸汽氧化试验装置，其特征在于：包括流体控制组件，流体控制组件分别管路连接水处理组件及反应容器组件，水处理组件管路连接反应容器组件，流体控制组件、水处理组件及反应容器组件共同形成介质循环流动回路，反应容器组件置于加热炉内，加热炉及反应容器组件的温度由控温***控制，由数据监测组件对流体控制组件及控温***进行监测。

优选地，所述流体控制组件包括串联的高压计量泵、阻尼器及安全阀以及与所述水处理组件相连的背压阀，高压计量泵的入口端连接所述水处理组件，安全阀的出口端连接所述反应容器组件，压力传感器的一端接入阻尼器与安全阀之间，另一端连接至所述数据监测组件。

优选地，所述水处理组件包括第一蒸馏水箱，热交换器设于第一蒸馏水箱内，热交换器的两端分别通过反应容器出口蒸汽管和背压阀入口管连接所述反应容器组件及所述背压阀，第一蒸馏水箱的入口连接所述背压阀的出口，第一蒸馏水箱的出口连接第二蒸馏水箱的入口，在第二蒸馏水箱内设有电加热管，水冷套的一端连接第二蒸馏水箱的出口，另一端连接置于给水箱内的气体输入管，给水箱的给水出口连接所述高压计量泵，氩气钢瓶及氧气钢瓶内的氩气及氧气分别通过各自的减压阀及流量控制阀后汇合输入连接第一蒸馏水箱的出口与第二蒸馏水箱的入口之间的管路内。

优选地，所述反应容器组件包括由耐热钢或高温合金制成的管道式反应容器，在管道式反应容器的介质输入端焊接有钢制高压法兰，在钢制高压法兰的法兰盖上开有介质入口，在管道式反应容器的介质输出端焊接有耐热钢或高温合金制端盖，在端盖上开有介质出口，小口径的耐热钢或高温合金内插管穿过钢制高压法兰***管道式反应容器的内腔，内插管一端焊接封堵并安装有定位圈，在其另一端内插有内腔热电偶，内腔热电偶连接所述控温***，在内插管的四周焊有用于悬挂试样的销钉，在内插管的前段套有由节流圈组成的扰流机构。

优选地，所述管道式反应容器的外径为50～70mm，壁厚为10～15mm。

优选地，在所述加热炉的内腔设有控温热电偶组，控温热电偶组连接所述控温***。

优选地，在所述反应容器组件与所述流体控制组件相连的管路外包裹有保温套。

本发明流体控制组件、反应容器组件、加热炉及温度控制组件共同实现蒸汽的热工条件。各组件相关设备和部件规格适当选择，可以达到水蒸汽氧化试验和研究所关注的超（超）临界甚至更高蒸汽参数并且参数可调，虽然蒸汽流量受到实验室可用能源功率的限制，一般可以达到的流量比较小（给水1～10L/h），但是已足够保证反应容器内的蒸汽品质保持新鲜。选用管道作为反应容器，制造难度和成本降低，且可以直接置于加热炉中加热和保温，均热带范围大，保证足够的试验空间，由于管道内径较小，有利于提高蒸汽流速，反应容器介质入口采用法兰结构拆装方便，反应容器内插管兼具三个功能：内插热电偶用于测量蒸汽温度、四周焊上销钉用于悬挂试样、预热段安装扰流机构使汽流加热均匀。加热炉预热段和保温段一体化设计，加热效率高、热量损失少、温度控制精度高。

本发明水处理组件实现水的循环利用、水质提纯和溶氧控制的目标。巧妙利用反应容器出口蒸汽的热量循环蒸馏反应容器排出的水，由于热交换器置于反应容器排出的水中，水质纯净不会造成应力腐蚀，通过第一蒸馏水箱和第二蒸馏水箱的双重蒸馏，充分提纯，无须复杂的离子交换处理即达到水的循环再利用，而蒸馏水冷凝可直接用自来水，简便、廉价。氩气和氧气的混气机构通过调节流量控制器改变气体比例可方便地用于给水除气和溶氧量的控制（从几个ppb至几个ppm范围可调）。由于水处理工艺稳定性高，给水只需定期监测，对于一般要求可省去实时水质监测仪表。

附图说明

图1是本发明提供的一种超临界水蒸汽氧化试验装置的结构示意图。

其中：1-高压计量泵，2-阻尼器，3-压力传感器，4-安全阀，5-钢制高压法兰，6-管道式反应容器，7-内插管，8-扰流圈，9-销钉，10-试样，11-定位圈，12-端盖，13-加热炉，14-控温热电偶组，15-内腔热电偶，16-控温***，17-保温套，18-热交换器，19-背压阀，20-第一蒸馏水箱，21-阀门，22-第二蒸馏水箱，23-观察窗，24-电加热管，25-阀门，26-水冷套，27-给水箱，28-观察窗，29-气体输入管，30-阀门，31-水封，32-氩气瓶，33-氩气减压阀，34-流量控制器，35-氧气瓶，36-氧气减压阀，37-流量控制器，38-液晶屏，39-计算机。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，本发明提供的一种超临界水蒸汽氧化试验装置包括流体控制组件、反应容器组件、加热炉及温度控制组件、水处理组件、数据监测组件五部分，其中流体控制组件、反应容器组件和水处理组件通过不锈钢管及管接头连通，形成介质循环流动回路。

流体控制组件包括：高压计量泵1，可根据试验要求选型，一般选择最高工作压力>30MPa，最大流量>10L/h，泵出口设置阻尼机构，即为阻尼器2；背压阀19，调节并稳定高压回路中的压力在试验压力±0.3MPa波动以内；压力传感器3；安全阀4。

反应容器组件包括：由耐热钢或高温合金制成的管道式反应容器6，选择外径50～70mm，壁厚10～15mm，可长期运行于超（超）临界及更高蒸汽参数，完全适用于电站材料水蒸汽氧化试验研究的温度和压力要求；管道式反应容器6的介质输入端焊接钢制高压法兰5，法兰盖上开有介质入口；管道式反应容器6的介质输出端焊接耐热钢或高温合金制的端盖12，端盖12上开有介质出口；小口径的耐热钢或高温合金的内插管7穿过钢制高压法兰5***管道式反应容器6的内腔，内插管7的一端焊接封堵并安装有定位圈11，另一端可***内腔热电偶15进入其内腔，用于监测管道式反应容器6的内部温度，其四周焊有销钉9用于悬挂试样10，其前段套有由扰流圈8组成的扰流机构，使流经的蒸汽混和均匀。

加热炉及温度控制组件包括：多段加热的对开式管式加热炉13，可根据试验要求，顺介质流向设3～5段预热段，以及3～5段保温段，最高工作温度800℃以上，均热带（温度偏差±3℃以内）长度400mm以上，以确保试验容器内蒸汽温度均匀和足够的试样容纳空间；由控温热电偶组14、补偿导线、控制器件等部件组成的温控***16，可分别设定并控制七段加热炉每一段的温度。

水处理组件包括：不锈钢制的第一蒸馏水箱20，密封结构，内置不锈钢螺旋管热交换器18，热交换器18的两端分别连接反应容器出口蒸汽管和背压阀入口管，第一蒸馏水箱20的入口接收来自背压阀19出口的水，第一蒸馏水箱20中汽化产生的蒸汽及可能携带的少量液态水经出口排出，在第一蒸馏水箱20底部设有阀门21；不锈钢制的第二蒸馏水箱22，密封结构，入口接收来自第一蒸馏水箱20排出的蒸汽和水，第二蒸馏水箱22内置不锈钢的电加热管24，水蒸汽经出口排出，第二蒸馏水箱22底部设有阀门25，第二蒸馏水箱22上部安装有观察窗23；水冷套26，第二蒸馏水箱22排出的蒸汽流经浸没于水冷套26中的不锈钢螺旋管冷凝，水冷套26不断通入自来水并将热水排出室外；不锈钢制的给水箱27，密封结构，来自水冷套26的冷凝水在此汇集，作为高压计量泵1的水源，给水箱27输入管***到水箱底部，水箱底部设有阀门30，水箱上部安装有观察窗28；混气机构，来自氩气瓶32的氩气及来自氧气瓶35的氧气经过各自的氩气减压阀33及流量控制器34与氧气减压阀36及流量控制器37后，氩气和氧气会合进入气体输送管道，通过设定流量控制器的气体流量值使两种气体按任意比例输出，氩气和氧气从第二蒸馏水箱22入口持续通入，流经水冷套26和给水箱27，最后经水封31排到大气，在线水质分析仪器（溶氧仪、电导率仪、PH计等）从给水箱27的阀门获取水样定期监测；水封31，装有适当高度水柱的透明有机玻璃管，混和气体输送管通过橡胶塞***到水封底部。

所述数据监测组件包括：温度、压力等测量信号处理器件；液晶显示屏38，用于数据实时显示；计算机39，用于数据存储和分析。

上述各组件之间的构成关系为：以流体控制组件和反应容器组件为主线，高压计量泵1→管道式反应容器6→背压阀19→高压计量泵1构成基本的流体回路，高压计量泵1是***的水动力来源，回路中嵌入水处理组件循环净化给水。反应容器组件入口连接高压计量泵1出口，反应容器组件出口连接水处理组件的热交换器18热端，水处理组件的热交换器18冷端连接背压阀19入口，背压阀19出口连接水处理组件的第一蒸馏水箱20入口，水处理组件的给水箱27出口再连接高压计量泵1入口。加热炉13及温度控制组件是***的热量来源，作用于反应容器组件以实现高温条件。数据监测组件作为辅助功能单元，保障装置工作过程温度、压力数据的记录。

本发明装置在正常运行状态，其工作过程为：以高压计量泵1作为起点，其出口装有阻尼器2以缓冲压力脉动，通过压力传感器3监测压力，如果发生超压事故，压力超过安全阀4的设定压力，安全阀4自动开启泄压，水经钢制高压法兰5进入管道式反应容器6，经过加热炉13三段逐级预热和扰流圈8混汽生成试验温度下的蒸汽进入四段保温均热带，位于均热带区域的试样10悬挂于销钉9上，加热炉13的温度和管道式反应容器6内腔温度通过控温***16的控温热电偶组14和内腔热电偶15监测，内腔热电偶15可通过上下移动来调整监测位置，管道式反应容器6的出口管道包裹有保温套17，减少热量损失以确保进入热交换器18的蒸汽温度不低于380℃，蒸汽经热交换器18冷却到约100℃，高压水再经背压阀19降为低压水注入第一蒸馏水箱20，第一蒸馏水箱20内汽化产生的蒸汽及携带的少量液态水进入第二蒸馏水箱22，第二蒸馏水箱22底部电加热管24不断加热补充蒸汽量，蒸汽经水冷套26冷凝成液态水注入给水箱27，由于循环进入给水箱27中的水是双重蒸馏水，水质得到充分保证，第二蒸馏水箱22和给水箱27可透过观察窗23和观察窗28监测水位和箱内状况，氩气和氧气气氛分别从氩气瓶32和氧气瓶35经氩气减压阀33和氧气减压阀36送至流量控制器34、流量控制器37按比例输出，经第二蒸馏水箱22和水冷套26，到达给水箱27，给水除气并使溶氧量达到规定值，最后通过水封31排出气体，水封31还造成水处理组件内部正压力避免外界空气进入。正常试验过程中一般不需要试验员干预，装置自动运行，温度和压力信号通过液晶屏38和计算机39记录。

装置工作前的准备工作包括试样安装、***排空、注水和水处理。试样挂到管道式反应容器6内插管的销钉9上，管道式反应容器6通过钢制高压法兰5组装合成，组装好的反应容器组件连接到回路中，并置于加热炉13中。***内部的空气可通过氩气吹扫或者抽真空方式排空。给水箱27注入充足的水量，初始注入的水一般为超纯水或者电站锅炉给水，氩气和氧气气氛分别从氩气瓶32和氧气瓶35经氩气减压阀33和氧气减压阀36送至流量控制器34、流量控制器37按比例输出，经第二蒸馏水箱22和水冷套26，到达给水箱27，最后经水封31排出。

给水分析合格后，启动高压计量泵1，使管道式反应容器6、第一蒸馏水箱20、第二蒸馏水箱22注入水，然后停止高压计量泵1，设置高压计量泵1流量和背压阀19的背压压力。启动加热炉13，控制***16将自动逐渐达到设定温度，再次开启高压计量泵1，试验开始。

试验结束时，停止高压计量泵1、加热炉13即可，反应容器随炉缓慢冷却，开启反应容器6取出试样，试样经干燥后用于分析和研究。通过改变试验温度、压力、给水溶氧量或者其它参数，可以研究材料在不同条件下的氧化行为；通过改变试验时间，获得不同时间氧化试验的数据，可用于绘制出材料水蒸汽氧化动力学曲线；根据不同材料在相同参数条件下的氧化试验结果，可以比较材料的抗氧化性能。

对于试样量多或者需要进行不同温度的试验，可以在回路上并联反应容器组件和相应的加热炉及温度控制组件，以扩展装置的试验能力，从而节省试验时间和成本。

Claims (6)

1.一种超临界水蒸汽氧化试验装置，其特征在于：包括流体控制组件，流体控制组件分别管路连接水处理组件及反应容器组件，水处理组件管路连接反应容器组件，流体控制组件、水处理组件及反应容器组件共同形成介质循环流动回路，反应容器组件置于加热炉（13）内，加热炉（13）及反应容器组件的温度由控温***（16）控制，由数据监测组件对流体控制组件及控温***（16）进行监测；

所述流体控制组件包括串联的高压计量泵（1）、阻尼器（2）及安全阀（4）以及与所述水处理组件相连的背压阀（19），高压计量泵（1）的入口端连接所述水处理组件，安全阀（4）的出口端连接所述反应容器组件，压力传感器（3）的一端接入阻尼器（2）与安全阀（4）之间，另一端连接至所述数据监测组件。

2.如权利要求1所述的一种超临界水蒸汽氧化试验装置，其特征在于：所述水处理组件包括第一蒸馏水箱（20），热交换器（18）设于第一蒸馏水箱（20）内，热交换器（18）的两端分别通过反应容器出口蒸汽管和背压阀入口管连接所述反应容器组件及所述背压阀（19），第一蒸馏水箱（20）的入口连接所述背压阀（19）的出口，第一蒸馏水箱（20）的出口连接第二蒸馏水箱（22）的入口，在第二蒸馏水箱（22）内设有电加热管（24），水冷套（26）的一端连接第二蒸馏水箱（22）的出口，另一端连接置于给水箱（27）内的气体输入管（29），给水箱（27）的给水出口连接所述高压计量泵（1），氩气钢瓶（32）及氧气钢瓶（35）内的氩气及氧气分别通过各自的减压阀及流量控制阀后汇合输入连接第一蒸馏水箱（20）的出口与第二蒸馏水箱（22）的入口之间的管路内。

3.如权利要求1所述的一种超临界水蒸汽氧化试验装置，其特征在于：所述反应容器组件包括由耐热钢或高温合金制成的管道式反应容器（6），在管道式反应容器（6）的介质输入端焊接有钢制高压法兰（5），在钢制高压法兰（5）的法兰盖上开有介质入口，在管道式反应容器（6）的介质输出端焊接有耐热钢或高温合金制端盖（12），在端盖（12）上开有介质出口，小口径的耐热钢或高温合金内插管（7）穿过钢制高压法兰（5）***管道式反应容器（6）的内腔，内插管（7）一端焊接封堵并安装有定位圈（11），在其另一端内插有内腔热电偶（15），内腔热电偶（15）连接所述控温***（16），在内插管（7）的四周焊有用于悬挂试样（10）的销钉（9），在内插管（7）的前段套有由节流圈（8）组成的扰流机构。

4.如权利要求3所述的一种超临界水蒸汽氧化试验装置，其特征在于：所述管道式反应容器（6）的外径为50～70mm，壁厚为10～15mm。

5.如权利要求1所述的一种超临界水蒸汽氧化试验装置，其特征在于：在所述加热炉（13）的内腔设有控温热电偶组（14），控温热电偶组（14）连接所述控温***（16）。

6.如权利要求1所述的一种超临界水蒸汽氧化试验装置，其特征在于：在所述反应容器组件与所述流体控制组件相连的管路外包裹有保温套（17）。

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