CN112191287B - 一种高温熔融物全自动释放机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温熔融物全自动释放机构及其控制方法，本发明的释放机构包括暂存容器；所述暂存容器的上游通过上游释放管道与装载有熔炼炉的低压容器连接，且沿所述低压容器至所述暂存容器的上游释放管道上依次设置有保护闸阀和上游主密封阀；所述暂存容器的下游设置有下游释放管道，且下游释放管道上设置有熔融物释放阀和下游主密封阀，所述熔融物释放阀设置在靠近所述暂存容器的一侧，所述下游主密封阀设置在远离所述暂存容器的一侧；所述暂存容器及其下游器件均安装在底部高压容器内；所述暂存容器分别通过压力平衡管线与所述低压容器、所述底部高压容器和压力源联通。本发明突破了高温熔融物从低压环境向高压环境转移困难的难题。

Description

一种高温熔融物全自动释放机构及其控制方法

技术领域

本发明属于机械自动化技术领域，具体涉及一种高温熔融物全自动释放机构及其控制方法。

背景技术

在核反应堆严重事故机理研究中，当进行堆芯熔融物与冷却剂相互作用实验时，需要将高温的熔融物（≥1000℃）从常压的熔炼炉释放进入承压容器中的水池进行试验。高温的熔融物在转移的过程中，如果与管道、阀门长时间的接触，则会造成钢质部件的高温屈服、承压密封失效、阀门无法动作等难题；同时，高温熔融物接触钢质部件壁面时，即会在凝固形成一层硬壳覆盖在壁面上，这将极大影响阀门处的动作难度和承压密封难度。

面对这些技术难题，目前的实验技术分为两类：一种是选择降低底部承压容器中的压力到常压，不设置释放机构，高温熔融物从熔炼炉直接释放进入底部实验作用容器，这种设计确实降低了释放难度，但使得底部实验作用容器的***压力条件不能很好的模拟实际事故工况条件，不具备承压可调的功能；另一种是选择将熔炼炉也放入承压容器中，熔融物释放时上下承压容器已连通，尽可能缩短熔融物与释放机构接触的时间和空间，但这种设计使得底部容器中产生的蒸汽、***冲击波均能波及到顶部承压容器中干扰和损坏熔炼炉等电气设备。

发明内容

本发明基于高温熔融物从常压熔炼炉释放进入实验作用承压容器的应用背景，提出了一种高温熔融物全自动释放机构。本发明突破了高温熔融物从低压环境向高压环境转移困难的难题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种高温熔融物全自动释放机构，包括暂存容器；

所述暂存容器的上游通过上游释放管道与装载有熔炼炉的低压容器连接，且沿所述低压容器至所述暂存容器的上游释放管道上依次设置有保护闸阀和上游主密封阀；

所述暂存容器的下游设置有下游释放管道，且下游释放管道上设置有熔融物释放阀和下游主密封阀，所述熔融物释放阀设置在靠近所述暂存容器的一侧，所述下游主密封阀设置在远离所述暂存容器的一侧；

所述暂存容器及其下游器件均安装在底部高压容器内；

所述暂存容器分别通过压力平衡管线与所述低压容器、所述底部高压容器和压力源联通。

针对高温熔融物从低压环境向高压环境转移困难的背景和现有实验技术对此类问题处理的不足，解决高温高压条件下进行堆芯熔融物与冷却剂相互作用实验中高温熔融物可控释放的难题。本发明提出的高温熔融物全自动释放机构是通过在顶部熔炼炉常压容器（低压容器）与底部实验承压容器（高压容器）之间设置暂存容器，通过两段转移方式实现熔融物从低压容器到高压容器之间的转移。

优选的，本发明的上游释放管道和下游释放管道的管径大于低压容器的释放漏斗口径，以使熔融物转移射流与释放管道不接触。

本发明通过设置管径大于释放漏斗口径的释放管道，使得熔融物在释放过程中与释放管道不接触，环形气腔热阻带使得释放管道和阀门的吸热量较少，避免起密封作用的阀门、管道与高温熔融物长时间的接触造成高温失效，同时也降低了对释放管道和阀门的耐温要求。

优选的，本发明的暂存容器为细长圆柱状的承压容器；

所述暂存容器内侧放置陶瓷坩埚；陶瓷坩埚和容器壁之间填充隔热层；陶瓷坩埚采用氮化硅、氧化锆等耐高温、抗热震性优秀的陶瓷坩埚；避免暂存容器与高温熔融物接触期间的高温失效。

所述暂存容器的容器壁采用加厚处理；为容器壁内埋布水冷管路，用以事故条件下排除暂存容器外壁的储热。

优选的，本发明的暂存容器中上部采用可拆卸连接设计，便于清除所述暂存容器内壁结壳层；同时在陶瓷坩埚和隔热层之间布置电加热丝用以在释放前阶段预热陶瓷坩埚，有效减少熔融物在暂存容器内的结壳和残留。

优选的，本发明的熔融物释放阀的阀体上设置凹槽。为了应对阀体部位的结壳问题，本发明通过在熔融物释放阀的阀体上设计凹槽，随着阀体的动作，部分结壳层被带离，熔融物释放更加容易可靠。

优选的，本发明的上游释放管道上还设置有γ射线探测器，所述γ射线探测器用于探测熔融物转移射流是否释放完毕。为了保护暂存容器上游的主密封阀，避免未释放完的熔融物滴落到阀体上，本发明通过设置γ射线探测器探测到无连续射流（释放完毕）时则产生信号，控制关闭主密封阀上游只起承接熔融物作用的闸阀，然后才关闭主密封阀。

优选的，本发明的熔融物释放阀与所述下游主密封阀之间的管道内还安装有射流喷嘴。本发明通过在暂存容器下游熔融物释放阀出口处可安装不同直径的射流喷嘴，结合压力控制，可以形成不同直径、初速的熔融物射流。

优选的，本发明的暂存容器与底部高压容器之间的压力平衡管线上设置有第一控制阀；

所述暂存容器与低压容器之间的压力平衡管线上设置有第二控制阀；

所述暂存容器与压力源之间的平衡管线上设置有第三控制阀。

本发明通过在压力平衡管线上设置控制阀，与压力源构成压力调节***。

优选的，本发明的保护闸阀和熔融物释放阀的阀体均采用耐高温材料制造。

另一方面，本发明还提出了如上所述的一种高温熔融物全自动释放机构的控制方法，该方法包括：

关闭所述暂存容器下游的所述熔融物释放阀、所述下游主密封阀以及所述暂存容器与所述底部高压容器之间的压力平衡管线上的控制阀，将所述底部高压容器充压达到***压力值；

打开所述暂存容器上游的所述保护闸阀、所述上游主密封阀以及所述暂存容器与低压容器之间的压力平衡管线上的控制阀，使得所述低压容器和所述暂存容器联通，完成高温熔融物从熔炼炉到所述暂存容器的转移；

当高温熔融物释放完毕时，依次关闭所述暂存容器上游的所述保护闸阀、所述上游主密封阀和所述暂存容器与所述低压容器之间的压力平衡管线上的控制阀；

打开所述暂存容器与底部高压容器的压力平衡管线上的控制阀，然后依次打开所述暂存容器下游的所述下游主密封阀、所述熔融物释放阀，高温熔融物从所述暂存容器释放入底部高压容器中。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提出的高温熔融物全自动释放机构，解决了高温熔融物（≥1000℃）从低压容器向高压容器转移、释放的难题；本发明通过在在顶部低压容器和底部高压容器之间设置暂存容器，实现高温熔融物分两段转移过程进行释放。

2、本发明熔融物释放管道选择比释放漏斗口径大的内径，熔融物转移射流与释放管道不接触，环形气腔热阻带使得释放管道和阀门的吸热量较少，避免了释放过程中的高温失效，同时也降低了对释放管道和阀门的耐温要求。

3、本发明的暂存容器为细长圆柱状的承压容器，为了应对高温熔融物的短暂滞留可能带来的高温失效，在暂存容器内部放置陶瓷坩埚，陶瓷坩埚和容器壁之间填充隔热耐火材料；陶瓷坩埚采用氮化硅、氧化锆等耐高温、抗热震性优秀的陶瓷坩埚；避免暂存容器与高温熔融物接触期间的高温失效；为了应对熔融物结壳的问题，暂存容器中上部法兰连接，当结壳层较厚之后可以打开洗刷清理。

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。在附图中：

图1为本发明的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-低压容器，2-底部高压容器，3-释放漏斗，4-保护闸阀，5-γ射线探测器，6-上游主密封阀，7-暂存容器，8-熔融物释放阀，9-下游主密封阀，10-熔融物释放喷嘴，11-暂存容器法兰，12-第一电动压力平衡阀，13-第二电动压力平衡阀，14-压力平衡管线，15-减压阀，16-氮气压力源。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

针对高温熔融物从低压环境向高压环境转移困难的背景和现有实验技术对此类问题处理的不足，本实施例提出了一种高温熔融物全自动释放机构，本实施例的释放机构通过在顶部熔炼炉常压容器与底部实验作用容器之间设置暂存容器，采用两段转移的方式实现熔融物从低压空间到高压空间的转移。

本实施例分置于暂存容器上下游的隔离阀，采用堵塞高温熔融物、承压密封功能相分离的设计，由一对阀来实现；顶部阀采用闸阀的阀体结构起到堵塞熔融物的作用，阀体采用钢芯外裹SiC、石墨等耐高温材质制造；底部由不接触方式设计的球形主密封阀来起到隔离密封的作用；这种设计使得密封阀的可靠性大幅提升，堵塞释放阀的制造难度也大大降低。

具体如图1所示，本实施例的释放机构包括设置在顶部低压容器1与底部高压容器2之间的暂存容器7。

本实施例的暂存容器7的上游通过上游释放管道与装载有熔炼炉的低压容器1连接，且沿低压容器1至暂存容器的上游释放管道上依次设置有保护闸阀4和上游主密封阀6；暂存容器7的下游设置有下游释放管道，且下游释放管道上设置有熔融物释放阀8和下游主密封阀9，熔融物释放阀8设置在靠近暂存容器7的一侧，下游主密封阀9设置在远离暂存容器7的一侧；暂存容器7及其下游器件（管道及阀门）均安装在底部高压容器2内；暂存容器7分别通过压力平衡管线14与低压容器1、底部高压容器2和氮气压力源16联通。

本实施例的释放管道（上游释放管道和下游释放管道）的管径大于低压容器1的释放漏斗3口径，以使高温熔融物转移过程中与释放管道不接触，高温熔融物从熔炼炉卸出后倒入释放漏斗3中，释放漏斗3另一端放入熔融物释放管道中，熔融物射流与释放管道不接触，中间由环形气腔形成热阻带显著降低传递到管道和主密封阀门上的热量，避免了释放过程中的高温失效，同时也降低了对释放管道和阀门的耐温要求。

为了保护暂存容器7上游的上游主密封阀6，避免未释放完的熔融物滴落到阀体上，本实施例通过在保护闸阀4和上游主密封阀6之间的释放管道上设置γ射线探测器5，当γ射线探测器5探测到无连续射流（释放完毕）时则产生信号，控制关闭上游主密封阀6上游只起承接熔融物作用的保护闸阀4，然后才关闭上游主密封阀6。

本实施例的暂存容器7为细长圆柱状的承压容器，为了应对高温熔融物的短暂滞留可能带来的高温失效，在暂存容器7内部设计了陶瓷材质衬里（具体为在暂存容器内侧放置陶瓷坩埚；陶瓷坩埚和容器壁之间填充隔热层；陶瓷坩埚采用氮化硅、氧化锆等耐高温、抗热震性优秀的陶瓷坩埚；避免暂存容器与高温熔融物接触期间的高温失效）；容器壁采取加厚处理，为容器壁内埋布水冷管路，用以事故条件下排除暂存容器外壁的储热；为了应对熔融物结壳的问题，暂存容器7中上部采用法兰连接，当结壳层较厚之后可以打开暂存容器7进行洗刷清理，同时在陶瓷坩埚和隔热层之间布置电加热丝用以在释放前阶段预热陶瓷坩埚，有效减少熔融物在暂存容器内的结壳和残留。

本实施例的暂存容器7下游的熔融物释放阀8为了应对阀体部位的结壳问题，闸阀阀体上设计了凹槽，随着阀体的动作，部分结壳层被带离，熔融物释放更加容易可靠。

本实施例通过在暂存容器7下游熔融物释放阀8的出口处通过法兰安装有不同直径的熔融物释放喷嘴10，在压力控制下，可以形成不同直径、初速的熔融物射流。

本实施例的暂存容器7与底部高压容器2之间的压力平衡管线上设置有第一电动压力平衡阀12；暂存容器7与低压容器1之间的压力平衡管线上设置有第二电动压力平衡阀13；暂存容器7与氮气压力源16之间的平衡管线上设置有减压阀15。

此外，本实施例的暂存容器7中的压力可以自由调节，通过调节不同的暂存容器7压力，不同直径的熔融物释放喷嘴10形成不同直径、不同初速的熔融物射流。

本实施例的释放机构工作原理为：首先在顶部容器和暂存容器联通的情况下完成高温熔融物从熔炼炉到暂存容器的转移，然后关闭暂存容器上游的主密封阀，打开氮气压力源向暂存容器充压，当暂存容器中的压力达到预定值时关闭充压，依次打开暂存容器下游的主密封阀、熔融物释放阀，以一定初速的射流向底部容器释放。所有阀门采用电动或气动制动方式，在这套内置逻辑和压力值设定下完成“一键释放”。

实施例2

本实施例提出了一种如上述实施例1提出的高温熔融物全自动释放机构的控制方法，本实施例以高温熔融物以射流形式释放入***压力2MPa的承压容器中的实验研究为例进行描述，具体过程如下：

关闭暂存容器7下游的熔融物释放阀8、下游主密封阀9以及暂存容器7与底部高压容器2之间的压力平衡管线上的第一电动压力平衡阀12，将底部高压容器2充压达到2MPa；

打开暂存容器7上游的保护闸阀4、上游主密封阀6以及暂存容器7与低压容器1之间的压力平衡管线上的第二电动压力平衡阀13，使得低压容器1和暂存容器7联通，高温熔融物从熔炼炉中释放进入释放漏斗3，经释放漏斗3约束产生的连续射流依次穿过保护闸阀4、上游主密封阀6进入暂存容器7中；

当高温熔融物释放完毕时，连续射流消失，γ射线探测器5产生“释放完毕”的信号，依次关闭暂存容器7上游的保护闸阀4、上游主密封阀6和暂存容器7与低压容器1之间的压力平衡管线上的第二电动压力平衡阀13；

打开暂存容器7与底部高压容器2的压力平衡管线上的第一电动压力平衡阀12，然后依次打开暂存容器7下游的下游主密封阀9、熔融物释放阀8，高温熔融物从暂存容器7经过熔融物释放喷嘴10释放入底部高压容器2中。

本实施例的阀门的关闭和打开依靠气动执行机构进行控制，采用γ射线探测器、安装于暂存容器顶部的压力传感器给出的信号自动化控制阀门的开/闭；熔融物熔炼完毕，开始释放时，按下“开始释放”按钮，给出“开始”信号，即自动化完成熔融物的释放。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高温熔融物全自动释放机构，其特征在于，包括暂存容器(7)；

所述暂存容器(7)的上游通过上游释放管道与装载有熔炼炉的低压容器(1)连接，且沿所述低压容器(1)至所述暂存容器(7)的上游释放管道上依次设置有保护闸阀(4)和上游主密封阀(6)；

所述暂存容器(7)的下游设置有下游释放管道，且下游释放管道上设置有熔融物释放阀(8)和下游主密封阀(9)，所述熔融物释放阀(8)设置在靠近所述暂存容器(7)的一侧，所述下游主密封阀(9)设置在远离所述暂存容器(7)的一侧；采用两台功能相分离的阀门实现了暂存容器底部出口处的熔融物堵塞、隔绝密封的需求；

所述暂存容器(7)及其下游器件均安装在底部高压容器(2)内；

所述暂存容器(7)分别通过压力平衡管线与所述低压容器(1)、所述底部高压容器(2)和压力源联通；所述上游释放管道和下游释放管道的管径大于低压容器(1)的释放漏斗口径，以使熔融物转移射流与释放管道不接触。

2.根据权利要求1所述的一种高温熔融物全自动释放机构，其特征在于，所述暂存容器(7)为细长圆柱状的承压容器；

所述暂存容器(7)内侧放置陶瓷坩埚，陶瓷坩埚和容器壁之间填充隔热层；所述陶瓷坩埚材料采用氮化硅、氧化锆；

所述暂存容器(7)的容器壁采用加厚处理；为暂存容器壁内埋布水冷管路，用以事故条件下排除暂存容器外壁的储热。

3.根据权利要求2所述的一种高温熔融物全自动释放机构，其特征在于，所述暂存容器(7)中上部采用可拆卸连接设计，便于清除所述暂存容器(7)内壁结壳层；同时在陶瓷坩埚和隔热层之间布置电加热丝用以在释放前阶段预热陶瓷坩埚，有效减少熔融物在暂存容器内的结壳和残留。

4.根据权利要求1所述的一种高温熔融物全自动释放机构，其特征在于，所述熔融物释放阀(8)的阀体上设置凹槽。

5.根据权利要求1所述的一种高温熔融物全自动释放机构，其特征在于，所述上游释放管道上还设置有γ射线探测器(5)，所述γ射线探测器(5)用于探测熔融物转移射流是否释放完毕。

6.根据权利要求1所述的一种高温熔融物全自动释放机构，其特征在于，所述熔融物释放阀(8)与所述下游主密封阀(9)之间的管道内还安装有射流喷嘴。

7.根据权利要求1所述的一种高温熔融物全自动释放机构，其特征在于，所述暂存容器(7)与底部高压容器(2)之间的压力平衡管线上设置有第一控制阀；

所述暂存容器(7)与低压容器(1)之间的压力平衡管线上设置有第二控制阀；

所述暂存容器(7)与压力源之间的平衡管线上设置有第三控制阀。

8.根据权利要求1所述的一种高温熔融物全自动释放机构，其特征在于，所述保护闸阀(4)和所述熔融物释放阀(8)的阀体均采用耐高温材料制造。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种高温熔融物全自动释放机构的控制方法，其特征在于，该方法包括：

关闭所述暂存容器(7)下游的所述熔融物释放阀(8)、所述下游主密封阀(9)以及所述暂存容器(7)与所述底部高压容器(2)之间的压力平衡管线上的控制阀，将所述底部高压容器(2)充压达到***压力值；

打开所述暂存容器(7)上游的所述保护闸阀(4)、所述上游主密封阀(6)以及所述暂存容器(7)与低压容器(1)之间的压力平衡管线上的控制阀，使得所述低压容器(1)和所述暂存容器(7)联通，完成高温熔融物从熔炼炉到所述暂存容器(7)的转移；

当高温熔融物释放完毕时，依次关闭所述暂存容器(7)上游的所述保护闸阀(4)、所述上游主密封阀(6)和所述暂存容器(7)与所述低压容器(1)之间的压力平衡管线上的控制阀；

打开所述暂存容器(7)与底部高压容器(2)的压力平衡管线上的控制阀，然后依次打开所述暂存容器(7)下游的所述下游主密封阀(9)、所述熔融物释放阀(8)，高温熔融物从所述暂存容器(7)释放入底部高压容器(2)中。

Images