CN110783006A - 一种除气试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种除气试验装置及除气试验方法，所述装置包括：冷却剂循环回路、排气支路、喷淋支路、加气支路和稳压支路；本发明根据反应堆一回路压力、温度和主要设备运行参数、冷却剂中溶解的低浓度气体特点，利用已有的蒸汽稳压器设备作为除气反应器，设计高温高压条件下模拟压水堆除气试验装置和热物理除气工艺方法，可用于模拟反应堆一回路从常压至运行压力)下的动态除气过程和受压力、温度、喷淋流量、排汽流量等各项参数的影响规律，本装置及方法能够模拟反应堆一回路除气动态特性和研究影响稳压器除气效率的参数，为反应堆一回路除气模型提供参数验证以及为除气方案设计提供数据参考。

Description

一种除气试验装置及方法

技术领域

本发明涉及溶解气体除气领域，具体地，涉及高温高压条件下的压水堆冷却剂中的除气试验装置及方法。

背景技术

在压水堆冷却剂中，溶解有各种气体，它们来自于冷却剂中的溶解气体、化学添加物和水的辐照分解产物、燃料元件释放的裂变气体等。随着反应堆的长时间运行，溶解的放射性气体浓度随时间增加而持续增加。放射性气体中，危害最大的气体是氪和氙的同位素⁸⁵Kr、¹³³Xe和¹³⁵Xe，它们泄漏到空气中，使得空气中的放射性超过辐射防护标准，危害工作人员健康。因此必须采取去除冷却剂中溶解放射性气体的措施。而现有技术中缺乏相应的除气装置或方法。

发明内容

本发明为了克服现有技术中的缺陷，提供一种模拟压水堆一回路稳压器除气过程的试验装置和热物理除气工艺方法，模拟反应堆一回路除气动态特性和研究影响稳压器除气效率的参数。为反应堆一回路除气模型提供参数验证以及为除气方案设计提供数据参考。

在高温高压条件下气体在低浓度稀溶液中的溶解和迁移理论由关于气体溶解度的亨利定律所概况。亨利定律指出：在恒温和平衡状态下，溶液中某种气体在气相中的分压与液相中该气体的浓度成正比：

C_i＝K_iP_i (1)

(1)式中，C_i是某气体在溶液中的浓度，kg/kg(H2O)；P_i是某气体在气相中的分压，Pa；K_i是某气体的亨利定律常数，Pa-1。该定律表明，当液相的气体浓度增大时，初始平衡被破坏，液相中的气体就迁移到气相中，直到达到新的平衡；反之亦然。温度升高时，挥发性气体溶解度降低，K_i减小。以气体的溶解和迁移理论为基础，合理利用亨利定律，利用蒸汽稳压器作为热物理除气器净化一回路冷却剂中溶解的气体可最大程度利用一回路已有的设备和***，是一个节省、方便且行之有效的的方法。

本发明基于以上背景，提出一种高温高压条件下蒸汽稳压器除气模拟试验装置和热物理除气工艺方法，用于模拟压水堆一回路稳压器除气过程和研究影响稳压器除气效率的参数。

本发明中的除气试验装置包括：

冷却剂循环回路、排气支路、喷淋支路、加气支路和稳压支路；

冷却剂循环回路包括：主循环泵、冷却剂循环管路和换热支路；冷却剂循环管路的两端分别与主循环泵的出液端和进液端连接，主循环泵用于使回路冷却剂在管路内循环流动，换热支路包括：换热管路和换热器，换热管路一端与冷却剂循环管路连通，换热管路另一端与换热器连接后与冷却剂循环管路连通，换热器用于维持回路冷却剂温度稳定；

稳压支路包括：稳压器和稳压管路，稳压管路一端与稳压器的出液孔连通，稳压管路的另一端与主循环泵进液端侧的冷却剂循环管路连通，稳压器将部分冷却剂加热为蒸汽，补偿喷淋和排汽带来的压力降低，通过稳压管路将冷却剂传输回冷却剂循环管路；

排气支路一端延伸至稳压器的汽空间内，排汽支路用于将稳压器中汽空间内的溶解气体排出；

喷淋支路包括：雾化喷头和喷淋管路，喷淋管路一端与主循环泵出液端侧的冷却剂循环管路连通，喷淋管路一端与位于稳压器内顶部的雾化喷头连接，喷淋支路用于将回路冷却剂喷入稳压器汽空间；

加气支路包括：加气罐和加气管路，加气管路一端与加气罐连通，加气管路另一端与主循环泵进液端侧的冷却剂循环管路连通；

所述装置的管路上设有若干测点，用于实时取样测量回路各个位置溶解的气体浓度。

优选的，所述装置的管路上设有4个测点，分别为测点a、测点b、测点c和测点d，测点a位于喷淋管路上，测点b位于排气支路上，测点c位于稳压管路上，测点d位于主循环泵进液端侧的冷却剂循环管路上。

优选的，排气支路上安装有第一流量计和第一电动调节阀。

优选的，喷淋支路上安装有第二流量计和第二电动调节阀。

优选的，加气管路管路上安装有截止阀。

优选的，冷却剂循环管路上沿主循环泵的出液端至进液端依次安装有：止回阀、第三流量计、第三电动调节阀和第四电动调节阀，换热支路并联在第四电动调节阀两端，换热支路上安装有流量计和第五电动调节阀。

优选的，稳压器内底部安装有电加热器，电加热器用于将部分冷却剂加热为蒸汽。

本发明中的除气试验方法包括：

(1)将加气罐与回路隔离，加气罐充满水后与气瓶连接，向加气罐内充溶解气体的同时排水，待加气罐内液位达到最低点后，关闭排水阀，继续充气至回路运行压力一半，启动增压泵，高压水经雾化喷头雾化后，喷入加气罐对加气罐进行充水，并保证加气罐内的水溶解了饱和浓度的溶解气体，使得加气罐内压力提高至回路运行压力后，关闭增压泵，此时加气罐内水溶解有相应压力下饱和浓度的待去除气体；

(2)开启稳压器升压，冷却剂循环回路充满去离子水，冷却剂循环回路进行排气然后连通稳压器，启动主循环泵使得冷却剂在回路内循环流动；

(3)开启喷淋支路向稳压器内喷淋，开启稳压器电加热器进行回路升温升压，至预定压力和温度后，调节回路保持回路压力和温度稳定；

(4)开启加气罐阀门和增压泵对加气罐补水，将气体溶解到冷却剂循环回路，同时测量气体溶解浓度，达到预定值后，关闭加气罐阀门和增压泵；

(5)继续开启喷淋支路，溶解有气体的水通过喷头雾化后，喷入稳压器饱和蒸汽空间，与气空间进行质量和能量交换后，落入稳压器内饱和水内，测量回路不可凝气体浓度，达到稳定后，关闭喷淋支路，开启排汽支路阀门，将流量调节至预定值，此过程中，持续测量稳压器汽相气体浓度，达到预定值后，调节排汽支路阀门，将流量调节至试验工况设计值，同时开启喷淋支路，调节喷淋流量至工况设计值，调节稳压器电加热器功率使得稳压器压力保持稳定，此时除气过程运行，开始进行连续除气试验；

(6)保持装置压力和温度稳定，同时，记录各测点浓度随时间变化情况，记录测量数据，记录稳压器压力和液位；

(7)回路气体浓度达到预定下限，关闭喷淋支路和排汽支路，完成一次除气试验。

进一步的，所述步骤(6)还包括：依据稳压器液位变化情况，在稳压器液位达到设计下限时，补充排汽损失的水量。

进一步的，本方法中依据测点测量速度，每5min记录一组测量数据。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明根据反应堆一回路压力、温度和主要设备运行参数、冷却剂中溶解的低浓度气体特点，利用已有的蒸汽稳压器设备作为除气反应器，设计高温高压条件下模拟压水堆除气试验装置和热物理除气工艺方法，可用于模拟反应堆一回路从常压至运行压力(15.5MPa)下的动态除气过程和受压力、温度、喷淋流量、排汽流量等各项参数的影响规律，具有失真度小，对除气过程气体浓度变化特性模拟精确的特点，适用于工程上对压水堆一回路除气模型和设计方案提供数据支撑和验证。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中试验装置的组成示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1，本发明实施例提供了一种除气试验装置，所述装置包括：

冷却剂循环回路、排气支路、喷淋支路、加气支路和稳压支路；

冷却剂循环回路包括：主循环泵、冷却剂循环管路和换热支路；冷却剂循环管路的两端分别与主循环泵的出液端和进液端连接，主循环泵用于使回路冷却剂在管路内循环流动，换热支路包括：换热管路和换热器，换热管路一端与冷却剂循环管路连通，换热管路另一端与换热器连接后与冷却剂循环管路连通，换热器用于维持回路冷却剂温度稳定；

稳压支路包括：稳压器和稳压管路，稳压管路一端与稳压器的出液孔连通，稳压管路的另一端与主循环泵进液端侧的冷却剂循环管路连通，稳压器将部分冷却剂加热为蒸汽，补偿喷淋和排汽带来的压力降低，通过稳压管路将冷却剂传输回冷却剂循环管路；

排气支路一端延伸至稳压器的汽空间内，排汽支路用于将稳压器中汽空间内的溶解气体排出；

喷淋支路包括：雾化喷头和喷淋管路，喷淋管路一端与主循环泵出液端侧的冷却剂循环管路连通，喷淋管路一端与位于稳压器内顶部的雾化喷头连接，喷淋支路用于将回路冷却剂喷入稳压器汽空间；

加气支路包括：加气罐和加气管路，加气管路一端与加气罐连通，加气管路另一端与主循环泵进液端侧的冷却剂循环管路连通；

所述装置的管路上设有若干测点，用于实时取样测量回路各个位置溶解的气体浓度。

本实施例中的装置与原型动态除气特性一致，规模与原型成一定模拟比例的试验装置，含有：(1)用于容纳冷却剂在其中循环运转的压力管路***和保持压力稳定的蒸汽式稳压器；(2)(1)中的稳压器设置有流量可调节的雾化喷淋装置、内置电功率可调电加热装置和排汽装置；(2)试验装置回路布置有4个采样测点，实时测量回路不同位置的溶解气体浓度；(3)含有雾化喷淋装置的加气罐，通过控制流入回路的流量向回路加入预定浓度的含有饱和溶解气体浓度的冷却剂并确保溶解气体不会析出。

本实施例中的装置的基于除气原理，依据模化准则，包括：被除气体类型、稳压器压力、喷淋液温度、回路总质量与喷淋流量之间的比值、排汽流量与喷淋流量之间的比值等参数与原型保持一致，结合试验装置设计的稳压器热物理除气工艺流程实现模拟核反应堆一回路动态除气过程，见(2)式，获得设计参数下的除气效率，并通过改变参数研究参数对除气效率的影响。稳压器除气动态特性中，回路中溶解气体浓度随时间变化表述为：

C₁＝C₀exp(-G₁ετ/W) (2)

其中，C₁是回路溶解气体浓度，C₀是初始状态气体浓度，G₁是喷雾率，kg/h，ε是除气效率，τ是时间，h，W回路冷却剂总质量，kg。

本实施例中的试验装置和热物理除气工艺方法能够针对氪、氩、氢气、氦气等气体进行除气试验研究。

附图1为除气模拟试验装置示意图。1为主循环泵，启动后使回路冷却剂在管路内循环流动；2为换热器，开启后使得回路冷却剂温度维持稳定；3为排汽支路，将稳压器汽空间内高浓度溶解气体排出；4为喷淋支路，将回路冷却剂喷入稳压器汽空间；5为稳压器，作为除气装置和回路稳压装置，稳压器顶部有雾化喷头，喷淋支路流体流入稳压器后，经雾化喷头雾化后喷入稳压器汽空间，与蒸汽进行质量和能量交换，稳压器下部安装有电加热器，开启后将部分冷却剂加热为蒸汽，补偿喷淋和排汽带来的压力降低；6为加气罐，可将预定浓度气体加入回路中。a～d四个测点可实时取样测量回路各个位置溶解的气体浓度。

采用除气模拟试验装置的除气的热物理工艺方法为：

(1)加气罐6首先与回路隔离，充满水，接气瓶后充溶解气体(氪、氩、氢气或氦气)，同时排水，待加气罐6内液位达到最低点后，关闭排水阀，继续充气至回路运行压力一半，启动增压泵，高压水经雾化喷头雾化后，喷入加气罐6对加气罐进行充水，并保证加气罐6内的水溶解了饱和浓度的溶解气体，使得加气罐6内压力提高至回路运行压力后，关闭增压泵，此时加气罐6内水溶解有相应压力下饱和浓度的待去除气体；

(2)开启稳压器5升压，回路***充满去离子水，进行排气然后连通稳压器，启动主循环泵1使得冷却剂在回路内循环流动；

(3)开启喷淋支路4往稳压器内喷淋，开启稳压器电加热器进行回路升温升压，至预定压力和温度后，调节回路保持回路压力和温度稳定；

(4)开启加气罐6阀门和增压泵对加气罐补水，将气体溶解到回路***，同时测量气体溶解浓度，达到预定值后，关闭加气罐6阀门和增压泵；

(5)继续开启喷淋支路4，溶解有气体的水通过喷头雾化后，喷入稳压器饱和蒸汽空间，与气空间进行质量和能量交换后，落入稳压器内饱和水内，测量回路不可凝气体浓度，达到稳定后，关闭喷淋支路，开启排汽支路3阀门，将流量调节至预定值，此过程中，持续测量稳压器5汽相气体浓度，达到预定值后，调节排汽支路3阀门，将流量调节至试验工况设计值，同时开启喷淋支路4，调节喷淋流量至工况设计值，调节稳压器电加热器功率使得稳压器压力保持稳定，此时除气过程运行，开始进行连续除气试验；

(6)在此过程中，应保持***压力和温度稳定，同时，记录各测点浓度随时间变化情况，依据a～d四个测点测量速度，约每5min记录一组数据，记录稳压器5压力和液位，依据稳压器液位变化情况，在稳压器5液位达到设计下限时，补充排汽损失的水量，补水过程尽可能减小对***参数的影响；

(7)回路气体浓度达到预定下限，关闭喷淋支路4和排汽支路3，完成一次除气试验。

依据试验装置模拟比例和模化准则确定的试验参数可模拟原型除气过程的动态特性。

在每次试验的工艺流程中，通过更改除气溶解气体类型和浓度、喷淋流量、排汽流量、回路压力、回路温度、雾化喷头雾化效果等各项参数，重复(1)～(7)工艺方法可研究各项参数对除气效率的影响规律。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种除气试验装置，其特征在于，所述装置包括：

冷却剂循环回路、排气支路、喷淋支路、加气支路和稳压支路；

冷却剂循环回路包括：主循环泵、冷却剂循环管路和换热支路；冷却剂循环管路的两端分别与主循环泵的出液端和进液端连接，主循环泵用于使回路冷却剂在管路内循环流动，换热支路包括：换热管路和换热器，换热管路一端与冷却剂循环管路连通，换热管路另一端与换热器连接后与冷却剂循环管路连通，换热器用于维持回路冷却剂温度稳定；

稳压支路包括：稳压器和稳压管路，稳压管路一端与稳压器的出液孔连通，稳压管路的另一端与主循环泵进液端侧的冷却剂循环管路连通，稳压器将部分冷却剂加热为蒸汽，补偿喷淋和排汽带来的压力降低，通过稳压管路将冷却剂传输回冷却剂循环管路；

排气支路一端延伸至稳压器的汽空间内，排汽支路用于将稳压器中汽空间内的溶解气体排出；

喷淋支路包括：雾化喷头和喷淋管路，喷淋管路一端与主循环泵出液端侧的冷却剂循环管路连通，喷淋管路一端与位于稳压器内顶部的雾化喷头连接，喷淋支路用于将回路冷却剂喷入稳压器汽空间；

加气支路包括：加气罐和加气管路，加气管路一端与加气罐连通，加气管路另一端与主循环泵进液端侧的冷却剂循环管路连通；

所述装置的管路上设有若干测点，用于实时取样测量回路各个位置溶解的气体浓度。

2.根据权利要求1所述的除气试验装置，其特征在于，所述装置的管路上设有4个测点，分别为测点a、测点b、测点c和测点d，测点a位于喷淋管路上，测点b位于排气支路上，测点c位于稳压管路上，测点d位于主循环泵进液端侧的冷却剂循环管路上。

3.根据权利要求1所述的除气试验装置，其特征在于，排气支路上安装有第一流量计和第一电动调节阀。

4.根据权利要求1所述的除气试验装置，其特征在于，喷淋支路上安装有第二流量计和第二电动调节阀。

5.根据权利要求1所述的除气试验装置，其特征在于，加气管路管路上安装有截止阀。

6.根据权利要求1所述的除气试验装置，其特征在于，冷却剂循环管路上沿主循环泵的出液端至进液端依次安装有：止回阀、第三流量计、第三电动调节阀和第四电动调节阀，换热支路并联在第四电动调节阀两端，换热支路上安装有流量计和第五电动调节阀。

7.根据权利要求1所述的除气试验装置，其特征在于，稳压器内底部安装有电加热器，电加热器用于将部分冷却剂加热为蒸汽。

8.一种基于权利要求1-7中任意一个所述除气试验装置的除气试验方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)将加气罐与回路隔离，加气罐充满水后与气瓶连接，向加气罐内充溶解气体的同时排水，待加气罐内液位达到最低点后，关闭排水阀，继续充气至回路运行压力一半，启动增压泵，高压水经雾化喷头雾化后，喷入加气罐对加气罐进行充水，并保证加气罐内的水溶解了饱和浓度的溶解气体，使得加气罐内压力提高至回路运行压力后，关闭增压泵，此时加气罐内水溶解有相应压力下饱和浓度的待去除气体；

(2)开启稳压器升压，冷却剂循环回路充满去离子水，冷却剂循环回路进行排气然后连通稳压器，启动主循环泵使得冷却剂在回路内循环流动；

(3)开启喷淋支路向稳压器内喷淋，开启稳压器电加热器进行回路升温升压，至预定压力和温度后，调节回路保持回路压力和温度稳定；

(4)开启加气罐阀门和增压泵对加气罐补水，将气体溶解到冷却剂循环回路，同时测量气体溶解浓度，达到预定值后，关闭加气罐阀门和增压泵；

(5)继续开启喷淋支路，溶解有气体的水通过喷头雾化后，喷入稳压器饱和蒸汽空间，与气空间进行质量和能量交换后，落入稳压器内饱和水内，测量回路不可凝气体浓度，达到稳定后，关闭喷淋支路，开启排汽支路阀门，将流量调节至预定值，此过程中，持续测量稳压器汽相气体浓度，达到预定值后，调节排汽支路阀门，将流量调节至试验工况设计值，同时开启喷淋支路，调节喷淋流量至工况设计值，调节稳压器电加热器功率使得稳压器压力保持稳定，此时除气过程运行，开始进行连续除气试验；

(6)保持装置压力和温度稳定，同时，记录各测点浓度随时间变化情况，记录测量数据，记录稳压器压力和液位；

(7)回路气体浓度达到预定下限，关闭喷淋支路和排汽支路，完成一次除气试验。

9.根据权利要求8所述的除气试验方法，其特征在于，所述步骤(6)还包括：依据稳压器液位变化情况，在稳压器液位达到设计下限时，补充排汽损失的水量。

10.根据权利要求8所述的除气试验方法，其特征在于，依据测点测量速度，每5min记录一组测量数据。