液态金属钠热工水力实验回路系统及其使用方法

摘要

本发明公开了一种液态金属钠热工水力实验回路系统，该回路系统包括灌钠系统、回路本体、真空系统、氩气系统及手套箱；其中灌钠系统包括熔钠罐、钠过滤器；回路本体主要包括储钠罐、泵箱、主电磁泵、辅电磁泵、预热器、试验段、散热器、校验筒和冷阱；手套箱主要包括钠取样化验装置。该系统可以实现灌钠操作；液态金属钠换热流动特性的分析；液态金属钠在线净化；电磁流量计的标定；液态金属钠的取样分析及检测等多项功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种液态金属钠热工水力实验回路系统，属于工程热 物理与能源利用学科领域。

背景技术

核能在当今世界能源领域已经占据了越来越重要的地位，而随着 核能的发展，如何充分的利用有限的铀资源，有效的处理核废料，已 经日益引起了人们的重视。钠冷快中子反应堆正是目前解决上述问题 的有效出路。作为钠冷快堆冷却剂的钠虽然有着很好的导热性能以及 流动特性，但是由于其活泼的化学性能，使得对于其热工水力性能的 研究具有极大难度。为了快堆的设计建造以及快堆运行的安全分析， 液态金属钠的热工水力特性的研究又是必不可少的。因此必须建造能 够完成液态金属钠热工水力特性分析研究的实验装置。

例如，中国专利CN201138577提供了一种钠冷快堆一回路钠的充 排系统，它包括储钠罐出口与电磁泵入口连接，电磁泵出口与一回路 连通；一回路与储钠罐入口连接；储钠罐、扬液器分别连接有氩气系 统，储钠罐入口与位于系统最低处得扬液器出口连通，扬液器入口与 系统最低处的管道连通。此系统安全可靠，结构简单，能够将设备和 管道中钠排放干净。另外，中国专利CN201111964提供了一种钠冷快 堆二回路钠的在线净化系统，它的冷阱通过一台回热器与二回路相 连。此系统结构简单，体积小，操作安全。以上两项专利中的钠回路 系统只是为了实现钠的充排或者净化功能，结构简单，并不能作为对 液态金属钠热工水力性能进行实验研究的回路。

又如，中国专利CN101807441A提供了一种高温钠热对流试验回 路包括主回路系统，储钠罐，进钠排钠系统，覆盖气体净化及真空系 统，取样箱和温控系统，它既能排放回路中杂质含量较高的钠，又能 灌装纯度较高的新钠；既保持回路的气密性又使得气相试验空间操作 通道全口径畅通，能同时进行钠及钠蒸气的腐蚀试验；取样箱能始终 在氩气保护气氛下完成试样的取放操作而不受空气污染。但是，该回 路主要是为了测试钠在高温环境下运行时杂质进入后的腐蚀特性，对 于流量，压力等物理量缺少相应的控制和检测手段，无法完成对于液 态金属钠的热工水力特性的分析研究。

发明内容

因此，本发明提供了一种液态金属钠热工水力实验回路系统，以 弥补上述技术的不足，实现对液态金属钠热工水力特性的试验研究。

本回路系统包括灌钠系统，回路本体，真空系统，氩气系统及手 套箱五个部分。其中灌钠系统主要包括熔钠罐、钠过滤器；回路本体 主要包括储钠罐、泵箱、主(辅)电磁泵、预热器、试验段、散热器、 校验筒、冷阱；真空系统主要包括真空泵及电磁阀；氩气系统主要包 括氩气瓶、氩气过滤器；手套箱主要包括钠取样化验装置。回路管道 均采用304不锈钢管材，气路布置真空隔膜阀14个，其中6个控制氩气 走向，3个为排气阀，1个控制真空回路，3个为压力表缓冲阀；液态 金属钠流道布置13个钠阀、两个电磁流量计。

本发明具体提供了一种液态金属钠热工水力实验回路系统，该回 路系统包括灌钠系统、回路本体、真空系统、氩气系统及手套箱；其 中灌钠系统包括熔钠罐、钠过滤器；回路本体主要包括储钠罐、泵箱、 主电磁泵、辅电磁泵、预热器、试验段、散热器、校验筒和冷阱；真 空系统包括真空泵及电磁阀；氩气系统包括氩气瓶和氩气过滤器；手 套箱主要包括钠取样化验装置。

所述灌钠系统熔钠罐与钠过滤器连接，过滤器后接储钠罐，储钠 罐与泵箱连接，泵箱与主电磁泵连接，泵箱与辅电磁泵连接，主辅电 磁泵与预热器连接，泵箱与预热器连接形成泵旁路，预热器连接试验 段，试验段与散热器连接，散热器与泵箱连接；预热器前开有支路与 冷阱连接，冷阱出口与泵箱连接，冷阱排钠口与储钠罐连接；预热器 前另开支路与校验筒连接；氩气瓶与氩气过滤器连接，氩气过滤器与 熔钠罐上部连接，熔钠罐连接气体回路、手套箱、校验筒、储钠罐和 泵箱；储钠罐上设置排气阀，泵箱上设置排气阀，手套箱上设置排气 阀，校验筒上方与真空泵连接；手套箱与冷阱出口连接。

所述灌钠系统熔钠罐通过第十三钠阀与钠过滤器连接，过滤器后 接储钠罐，储钠罐通过第一钠阀与泵箱连接，泵箱通过第二钠阀与主 电磁泵连接，泵箱通过第四钠阀与辅电磁泵连接，主辅电磁泵分别通 过第三钠阀，第五钠阀与预热器连接，泵箱通过第六钠阀直接与预热 器连接形成泵旁路，预热器通过第七钠阀连接试验段，试验段通过第 八钠阀与散热器连接，散热器与泵箱连接；预热器前开有支路通过第 十钠阀与冷阱连接，冷阱出口与泵箱连接，冷阱排钠口通过第九钠阀 与储钠罐连接；预热器前另开支路通过第十一钠阀与校验筒连接；氩 气瓶与氩气过滤器连接，氩气过滤器通过第一气阀与熔钠罐上部连 接，熔钠罐通过第二气阀连接气体回路，第二气阀后，通过第三气阀 与手套箱连接，通过第四气阀与校验筒连接，通过第五气阀与储钠罐 连接，通过第六气阀与泵箱连接；储钠罐上接第七气阀作为排气阀， 泵箱上接第八气阀作为排气阀，手套箱上接第十一气阀作为排气阀校 验筒上方通过第九气阀，第十气阀与真空泵连接；手套箱通过第十二 钠阀与冷阱出口连接。

基于所述液态金属钠热工水力实验回路系统的使用方法，回路启 动前应先通过灌钠系统为回路充钠，购买的钠经熔化后注入熔钠罐， 打开第十三钠阀，通过气路为熔钠罐加压将钠经过钠过滤器注入储钠 罐，然后关闭第十三钠阀，完成充钠过程；

打开第一气阀、第二气阀和第五气阀，由氩气瓶，通过氩气过滤 器，熔钠罐为储钠罐加压，同时打开第八气阀为泵箱减压，维持储钠 罐与泵箱之间压差，打开第一钠阀，使储钠罐中的液态金属钠压至泵 箱内，完成压钠后关闭第一钠阀；

打开第二钠阀或第四钠阀，第三钠阀或第五钠阀，第十一钠阀， 关闭回路其他钠阀，启动主电磁泵或辅电磁泵，将液态金属钠输送至 校验筒，当钠液位达到要求高度时关闭电磁泵及以上各钠阀；

打开第四气阀，通过氩气加压维持校验筒压力；打开第八气阀， 通过排气维持泵箱压力；依次打开电磁泵旁路第六钠阀，校验筒入口 第十一钠阀，此时液态金属钠在压差驱动下由校验筒经电磁流量计和 电磁泵旁路进入泵箱；通过校验筒内液位下降速度及电磁流量计读数 进行比较，即可完成对电磁流量计的标定工作。

基于所述液态金属钠热工水力实验回路系统的使用方法，回路启 动前应先通过灌钠系统为回路充钠，购买的钠经熔化后注入熔钠罐， 打开第十三钠阀，通过气路为熔钠罐加压将钠经过钠过滤器注入储钠 罐，然后关闭第十三钠阀，完成充钠过程；

打开第一气阀、第二气阀和第五气阀，由氩气瓶，通过氩气过滤 器，熔钠罐为储钠罐加压，同时打开第八气阀为泵箱减压，维持储钠 罐与泵箱之间压差，打开第一钠阀，使储钠罐中的液态金属钠压至泵 箱内，完成压钠后关闭第一钠阀；

试验开始前，打开各气阀，打开第二钠阀或第四钠阀，第三钠阀 或第五钠阀，第七钠阀，第八钠阀，第十钠阀，控制第六钠阀的开度， 确认第一钠阀，第九钠阀，第十一钠阀关闭，启动主电磁泵或辅电磁 泵。此时，液态金属钠在主电磁泵或辅电磁泵驱动下，由泵箱经主电 磁泵或辅电磁泵，电磁流量计，预热器，试验段，散热器回到泵箱， 完成循环。同时，根据第六钠阀的开度，有部分钠经过第六钠阀所在 的电磁泵旁路，可以由此控制回路内钠流量；还有部分钠经电磁流量 计、第十钠阀和冷阱然后与主回路钠汇流至散热器后，起到对回路内 液态金属钠的在线净化作用。

该系统主要功能如下：

1、可以通过灌钠系统将工业级的钠注入，经过滤后进入储钠 罐；

2、试验时通过氩气提供压力差将液态金属钠压至泵箱内，然 后电磁泵提供动力驱使钠在回路中运行，通过加装不同试 验段和数据采集系统实现对液态金属钠换热流动特性的分 析；

3、冷阱支路可以提供液态金属钠在线净化，保持液态金属钠 纯度；

4、校验筒可以实现对电磁流量计的标定；

5、手套箱可以实现对回路中液态金属钠的取样分析及检测。

通过回路系统建成后的运行情况证明，回路可以很好的完成以上 各项功能，可以实现液态金属钠热工水力特性分析实验研究。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图；

其中：1为氩气瓶；2为氩气过滤器；3为熔钠罐；4为钠过滤 器；5为储钠罐；6为泵箱；7为冷阱；8为校验筒；9为试验段；10 为主电磁泵；11为辅电磁泵；12为预热器；13为散热器；14为手套 箱；15为真空泵；1-1为第一气阀；1-2为第二气阀；1-3为第三气 阀；1-4为第四气阀；1-5为第五气阀；1-6为第六气阀；1-7为第七 气阀；1-8为第八气阀；1-9为第九气阀；1-10为第十气阀；1-11为 第十一气阀；1-12为第十二气阀；2-1为第一钠阀；2-2为第二钠 阀；2-3为第三钠阀；2-4为第四钠阀；2-5为第五钠阀；2-6为第六 钠阀；2-7为第七钠阀；2-8为第八钠阀；2-9为第九钠阀；2-10为 第十钠阀；2-11为第十一钠阀；2-12为第十二钠阀；2-13为第十三 钠阀；3-1为第一电磁流量计；3-2为第二电磁流量计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细说明。

灌钠系统熔钠罐3通过第十三钠阀2-13与钠过滤器4连接，过 滤器4后接储钠罐5，储钠罐5通过第一钠阀2-1与泵箱6连接，泵 箱6通过第二钠阀2-2与主电磁泵10连接，泵箱6通过第四钠阀2-4 与辅电磁泵连接，主辅电磁泵分别通过第三钠阀2-3，第五钠阀2-5 与预热器12连接，泵箱6通过第六钠阀2-6直接与预热器连接形成 泵旁路，预热器12通过第七钠阀2-7连接试验段9，试验段9通过第 八钠阀2-8与散热器13连接，散热器13与泵箱连接。预热器12前 开有支路通过第十钠阀2-10与冷阱7连接，冷阱7出口与泵箱6连 接，冷阱7排钠口通过第九钠阀2-9与储钠罐5连接。预热器12前 另开支路通过第十一钠阀2-11与校验筒8连接。氩气瓶1与氩气过 滤器2连接，氩气过滤器2通过第一气阀1-1与熔钠罐3上部连接， 熔钠罐3通过第二气阀1-2连接气体回路，第二气阀1-2后，通过第 三气阀1-3与手套箱14连接，通过第四气阀1-4与校验筒8连接，通 过第五气阀1-5与储钠罐连接，通过第六气阀1-6与泵箱连接。储钠 罐5上接第七气阀1-7作为排气阀，泵箱6上接第八气阀1-8作为排 气阀，手套箱14上接第十一气阀1-11作为排气阀校验筒上方通过第 九气阀1-9，第十气阀1-10与真空泵15连接。手套箱14通过第十二 钠阀2-12与冷阱出口连接。

本部分结合图1，介绍本发明的三个实施例，分别为电磁流量计 的标定，液态金属钠热工水力特性试验以及液态金属钠的取样分析。

结合图1，介绍本发明的第一个实施例，电磁流量计的标定。

由图1所示，回路启动前应先通过灌钠系统为回路充钠，购买的 钠经熔化后注入熔钠罐3，打开第十三钠阀2-13，通过气路为熔钠罐 3加压将钠经过钠过滤器4注入储钠罐5，然后关闭第十三钠阀2-13， 完成充钠过程。

打开第一气阀1-1，第二气阀1-2，第五气阀1-5，由氩气瓶1，通过 氩气过滤器2，熔钠罐3为储钠罐5加压，同时打开第八气阀1-8为 泵箱6减压，维持储钠罐5与泵箱6之间压差，打开第一钠阀2-1， 使储钠罐5中的液态金属钠压至泵箱6内，完成压钠后关闭第一钠阀 2-1。

打开第二钠阀2-2(或第四钠阀2-4)，第三钠阀2-3(或第五钠 阀2-5)，第十一钠阀2-11，关闭回路其他钠阀，启动主(辅)电磁泵 10(11)，将液态金属钠输送至校验筒8，当钠液位达到要求高度时 关闭电磁泵及以上各钠阀。

打开第四气阀1-4，通过氩气加压维持校验筒8压力；打开第八 气阀1-8，通过排气维持泵箱6压力。依次打开电磁泵旁路第六钠阀 2-6，校验筒入口第十一钠阀2-11，此时液态金属钠在压差驱动下由 校验筒8经电磁流量计3-2和电磁泵旁路进入泵箱6。通过校验筒内 液位下降速度及电磁流量计读数进行比较，即可完成对电磁流量计 3-2的标定工作。

结合图1，介绍本发明的第二个实施例，液态金属钠热工水力特 性试验。

该实施例的充钠和压钠过程同实施例一。

试验开始前，打开各气阀，打开第二钠阀2-2(或第四钠阀2-4)， 第三钠阀2-3(或第五钠阀2-5)，第七钠阀2-7，第八钠阀2-8，第十 钠阀2-10，控制第六钠阀2-6的开度，确认第一钠阀2-1，第九钠阀 2-9，第十一钠阀2-11关闭，启动电磁泵10(11)。此时，液态金属 钠在主(辅)电磁泵10(11)驱动下，由泵箱6经电磁泵10(11)， 电磁流量计3-2，预热器12，试验段9，散热器13回到泵箱6，完成 循环。同时，根据第六钠阀2-6的开度，有部分钠经过第六钠阀2-6 所在的电磁泵旁路，可以由此控制回路内钠流量。还有部分钠经电磁 流量计3-1，第十钠阀2-10，冷阱7然后与主回路钠汇流至散热器后， 起到对回路内液态金属钠的在线净化作用。

以上即为本系统进行液态金属钠热工水力特性试验时的流程。通 过对回路流量，压力的控制，可以得到需要的实验条件，通过为试验 段9加装数据采集系统，可以得到液态金属钠的热工水力特性参数， 为液态金属钠热工水力特性研究提供可靠的实验数据。

结合图1，介绍本发明的第三个实施例，液态金属钠的取样分析。

该实施例是在回路进行液态金属钠热工水力特性试验之前或者 实验过程中进行的，因此该步骤与实施例二类似。区别在于需要在回 路运行过程中，需控制第三气阀1-3，第十一气阀1-11为手套箱14调 节压力，打开第十二钠阀2-12利用手套箱与主回路的压力差从主回 路取钠进手套箱14。手套箱全密封并用氩气覆盖保护，可以保证钠 化验时准确。

经系统回路使用和运行证明，该回路完全可以完成电磁流量计的 标定，液态金属钠热工水力特性试验以及液态金属钠的取样分析等功 能，可以为液态金属钠热工水力特性的研究提供科学合理的实验数 据。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详 细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属 技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可 以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权 利要求书确定专利保护范围。