测量高温高压含尘气流中器件壁面粉尘沉积特性的装置

摘要

本发明提供了一种测量高温高压含尘气流中器件壁面粉尘沉积特性的装置。该装置包括高压气源系统、加热系统、主管道系统、粉尘注入系统、试验段系统以及除尘排放系统，整个装置为开式系统结构。气体通过高压气源系统注入到主管道之前，经加热系统加热升温，在主管道形成高温高压环境，石墨粉尘通过粉尘注入系统注入到主管道系统中，和主管道中的气流形成具有一定浓度的含尘气流，主管道中气体压力和流速可以通过恒压调节阀和恒流量调节阀来实现。本装置可以测量高温高压下处于含尘气流中试验器件壁面的粉尘沉积情况。

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆工程领域，特别是一种测量在高温高压含尘 气流中器件壁面粉尘沉积特性的装置。

背景技术

与其他核能系统相比，模块式高温气冷堆具有安全性好、发电效 率高等特点，受到各国普遍关注，而超高温气冷堆是第四代先进核能 系统的候选堆型之一，被认为是最有可能在不远的将来实施的先进堆 型。在高温气冷堆中，堆芯除去少量燃料、控制材料外，基本上全都 为石墨类材料，而球床堆特有的燃料球循环方式，使得燃料球在运动 过程中其自身以及其它的石墨构件和管道不可避免的将发生摩擦磨 损，产生石墨粉尘。产生的石墨粉尘将跟随一回路工质氦气在一回路 中运动、扩散和沉积。石墨粉尘的运动行为对于高温气冷堆的运行具 有较重要意义。在反应堆正常工况下运行时，石墨粉尘颗粒随着冷却 气体氦气在反应堆一回路流动，并在一回路表面和流动死区发生沉 积，对设备的维护和检修带来不便；石墨粉尘还会在蒸发器换热管表 面沉积，影响其换热效率等；石墨粉尘颗粒为疏松多孔结构，表面可 吸附带有放射性的裂变碎片。

因此，了解石墨粉尘在高温堆一回路各装置表面的沉积特性对于 反应堆的安全运行和分析有着重要意义。

发明内容

目前，对于高温堆中各设备器件表面的粉尘沉积情况的资料知之 甚少。已有其他领域的壁面粉尘沉积特性的数据大多是基于空气氛 围、常温常压下的数据，而高温气冷堆的冷却剂为高温高压的氦气。 因而，要需要设计合适的方案实现对高温气冷堆一回路中高温高压的 携带一定浓度石墨粉尘的氦气工质中各器件表面的粉尘沉积特性进 行测量。

本发明提供一种能够利用不同气体工质在高温高压工况下研究 器件壁面粉尘沉积特性的装置。

设计了一种高温堆内高温高压含尘气流中器件壁面粉尘沉积特 性的测试装置，具体结构见附件中图1及2。

该装置主要由高压气源系统、加热系统、主管路系统、粉尘注入 系统、试验段系统以及除尘排放系统构成。高压气源系统包含多种气 源，并且可以替换成不同的气源，开展不同气体工质下的实验。气体 注入到主管道之前，经加热系统加热升温，使得主管道环境为能够模 拟高温气冷堆一回路环境的高温高压。为较少散热，主管道管道外围 包裹保温隔热材料。

为了减少上游管道壁面可能存在的沉积粉尘对下游的影响，本装 置设计为开式系统。通过主管道下游的恒流量阀门来设置需要的流 量，通过主管道上游的恒压阀来设置实验需要的压力值，从而可以获 得不同的气体压力和气流速度。通过粉尘注入系统将石墨粉尘注入到 主管道系统中的气流中，从而形成具有一定浓度的含尘气流。本装置 可以分析试验器件在主管道中实验前后表面石墨粉尘沉积特性的变 化，如沉积的粉尘量、粉尘厚度、粉尘颗粒特性，可以进一步分析预 测高温堆中各器件壁面石墨粉尘沉积规律。

附图说明

图1为本发明测量高温堆一回路管道中器件壁面粉尘沉积特性 的装置的结构示意图。

图2为试验段系统的结构示意图。

其中，1-高压气源系统；2-加热系统；3-主管道系统；4-试验段 系统；5-粉尘注入系统；6-除尘排放系统；7-高压空气罐；8-高压氮 气罐；9-高压氦气罐；10-加热器；11-恒压调节阀；12-压力传感器； 13-温度传感器；14-功率调节器；15-温度传感器器；16-压力传感器； 17-风速传感器；18-连接法兰；19-试验段本体；20-试验器件；21-高 压气瓶；22-截止阀；23-粉尘容器；24-截止阀；25-恒流量调节阀； 26-安全泄压阀；27-过滤器；28-保温层；29-盘管结构器件；30-管道 结构器件；31-叶片结构器件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以 下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如附图1所示，一种测量高温堆内高温高压含尘气流中器件壁面 粉尘沉积特性的装置，包括高压气源系统1、加热系统2、主管道系 统3、试验段系统4、粉尘注入系统5、除尘排放系统6、恒压调节阀 11以及恒流量调节阀25；所述高压气源系统1和所述加热系统2依 次串联在所述主管道系统3的一端，所述粉尘注入系统位于主管道系 统3的侧面，所述除尘排放系统6连接在所述主管道系统3的另一端， 而所述试验段4串联在所述主管道系统3的内部；其中，所述高压气 源系统1用于向所述主管道系统3提供高压气体；所述加热系统2用 于对所述高压气源系统提供的气体进行加热；所述粉尘注入系统5用 于对所述主管道系统3中的气体加入石墨粉尘；所述除尘排放系统6 用于整个装置的气体泄放出口。

所述高压气源系统1用于向所述主管道系统3提供高压气源；初 定三种气体，分别为空气7、氮气8和氦气9；高压储气罐还可以更 换为不同的气源。

加热系统2用于对所述高压气源系统提供的气体进行加热，其与 高压气源系统的出气管路相连，由加热器10对管道中的气流进行加 热；所述电加热器的功率可调，即气流的温度可调，通过检测加热器 出口气体的温度13反馈给功率调节器14进行调节；所述加热系统的 出口管路上设置有恒压调节阀11。这样，气源通过高压注气系统注 入到主管道之前，经电加热装置升温，可以在主管道形成高温高压环 境。

主管道系统3包括气体管路，在所述气体管路上游连接恒压调节 阀11，下游连接恒流量调节阀25。通过调节恒压调节阀11，可以获 得实验所需要的气体压力，通过调节恒流量调节阀25，可以获得实 验所需要的气流速度。在恒压调节阀11和恒流量调节阀25的共同作 用下，从而可以获得不同的气体压力和气流速度。

试验段系统4包括连接法兰18、试验段本体19、试验器件20。 试验器件20安装在试验段本体19里面，可以拆卸。试验段本体19 通过法兰18与主管道管道相连，可拆卸。试验前，将试验器件20安 装在试验段本体19里面，再通过法兰18与主管道管路连接；试验结 束后，拆开连接法兰18，卸下试验段本体19，再从中拆下试验器件 20，测量和分析试验器件20壁面的粉尘沉积情况。

粉尘注入系统5由高压气瓶21、粉尘容器23以及截止阀22、24 组成。试验前，先将石墨粉尘安置在粉尘容器23中，试验时打开截 止阀22和截止阀24，石墨粉尘将在高压气瓶21中喷出的高压气流 的携带下，喷入主管道系统气流中。需要注意粉尘注入系统中的高压 气瓶的压力应该大于主管道系统中的压力。

除尘排放系统6由截止阀26和粉尘过滤器27组成。在试验结束 时时，截止阀26将打开排放主管道中的气体，由于主管道中气体为 含尘气体，因此设置粉尘过滤器27将排放气体中的粉尘过滤掉。

试验器件20可以为高温堆中一回路中的重要设备器件的模型， 如附图2中给出的盘管结构器件29、管道结构器件30以及风机(或 透平)叶片31等。

为减少管道壁面的散热，在主管道系统3及试验段4外部设置有 保温层28。

此外，在试验段系统4和除尘排放系统6之间的管路上设置有第 一温度传感器15、第一压力传感器16和风速传感器17，用于测量主 管道中的温度、压力以及流速。同时，在加热系统2的出气管路上、 截止阀11的上游还设置有第二压力传感器12和第二温度传感器13。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。