一种实现动态调节铅铋回路氧浓度的气态氧控系统技术方案

本发明专利技术公开了属于第四代核反应堆铅基冷却剂技术领域的一种实现动态调节铅铋回路氧浓度的气态氧控系统。膨胀箱、电加热元件、电磁流量计、电磁泵以及另外两个串联的电加热元件依次连接形成回路；与电磁流量计相邻的电加热元件上设置空气冷却器；电磁流量计两侧和两个串联的电加热元件之间均设置氧传感器和K型热电偶；铅铋熔化罐通过电动阀接入电磁流量计与电磁泵中间的回路，通过一个针阀单独连接一个Ar气罐，并通过另一个针阀与尾气处理箱连接；尾气处理箱通过针阀与膨胀箱连接；膨胀箱分别与O2/Ar混合气罐、Ar气罐、H2/Ar混合气罐连接。本发明专利技术可以精确控制铅铋回路中的氧浓度，抑制或减少铅铋合金对堆内材料的腐蚀。或减少铅铋合金对堆内材料的腐蚀。或减少铅铋合金对堆内材料的腐蚀。

【技术实现步骤摘要】
一种实现动态调节铅铋回路氧浓度的气态氧控系统


[0001]本专利技术涉及第四代核反应堆铅基冷却剂
，尤其涉及一种实现动态调节铅铋回路氧浓度的气态氧控系统。

技术介绍

[0002]铅铋合金沸点高，在堆内温度变化时体积变化小，系统可以常压运行，对材料的承压要求较低，这些显著的优势使铅铋合金作为冷却剂可以有效提高反应堆冷却剂的出口温度，提高经济性，减少对材料的损伤，保证系统的安全性，对材料的承压要求较低。然而，反应堆运行过程中，铅铋合金腐蚀问题不容忽视。铅铋合金对结构材料或管道存在溶解腐蚀，会对反应堆的安全运行造成重大影响。目前针对材料腐蚀的解决方法主要通过表面涂层技术或表面合金化对材料进行保护，以及通过控制运行回路内氧气的浓度，在材料表面生成氧化膜，降低腐蚀速率。反应堆运行时回路中的氧浓度过低时金属材料会出现溶解腐蚀现象，氧浓度过高时金属氧化物会出现沉淀导致管路堵塞，因此要动态调整回路中的氧气浓度，将氧浓度控制在氧化膜稳定生成的工作区间内，其中包括气态氧控方式。气态氧控向回路中注入H2/O2或H2/H2O调节回路内的含氧量，动态地改变注气量进而控制氧化膜的形成速率，具有氧浓度调节迅速、回路结构简单、维护成本低等优势。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提出一种实现动态调节铅铋回路氧浓度的气态氧控系统，包括H2/Ar混合气罐、第一Ar气罐、第二Ar气罐、O2/Ar混合气罐、O2质量流量控制器、Ar质量流量控制器、H2质量流量控制器、膨胀箱、第一氧传感器、第二氧传感器、第三氧传感器、第四氧传感器、第五氧传感器、第一压力表、第二压力表、第一液位计、第二液位计、第一K型热电偶、第二K型热电偶、第三K型热电偶、第四K型热电偶、第五K型热电偶、铅铋熔化罐、电磁泵、第一电加热元件、第二电加热元件、第三电加热元件、第四电加热元件、空气冷却器、电磁流量计、第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀、第四电动阀、第五电动阀、第六电动阀、第七电动阀、第八电动阀、第九电动阀、尾气处理箱、流量监测与控制终端；
[0004]其中，膨胀箱、第六电动阀、第三电加热元件、第七电动阀、电磁流量计、第八电动阀、第二电动阀、电磁泵、第三电动阀、第一电加热元件、第四电动阀、第二电加热元件、第五电动阀依次连接形成回路；第三电加热元件上设置空气冷却器；铅铋熔化罐通过第一电动阀接入第二电动阀与第八电动阀中间的回路，且铅铋熔化罐的侧壁设置第四电加热元件；铅铋熔化罐通过一个针阀与第二Ar气罐连接，通过另一个针阀与尾气处理箱连接；尾气处理箱通过针阀与膨胀箱连接；O2/Ar混合气罐、第一Ar气罐、H2/Ar混合气罐分别与O2质量流量控制器、Ar质量流量控制器、H2质量流量控制器连接后三路并为一路连接至膨胀箱；O2质量流量控制器、Ar质量流量控制器、H2质量流量控制器的出入侧各设置一个针阀；O2质量流量控制器、Ar质量流量控制器、H2质量流量控制器均另行接入流量监测与控制终端；铅铋熔化罐上设置第一压力表、第一液位计、第一氧传感器、第一K型热电偶；第二氧传感器、第二K
型热电偶设置在回路中，并处于第一电动阀与第二电动阀之间；第三氧传感器、第三K型热电偶设置于第一电加热元件与第四电动阀之间的回路；第四氧传感器、第四K型热电偶设置于第三电加热元件与第七电动阀之间的回路；第五K型热电偶、第二液位计、第五氧传感器均设置于膨胀箱上，且第二压力表通过第九电动阀与膨胀箱连接。
[0005]H2/Ar混合气罐中的气体比例为5％H2：95％Ar。
[0006]O2/Ar混合气罐中的气体比例为5％O2：95％Ar。
[0007]O2质量流量控制器为ACU模拟量质量流量控制器，其信号输出为4～20mA电流，流量控制输入为0～5V电压信号，对应气体流量0～20sccm。
[0008]H2质量流量控制器为ACU模拟量质量流量控制器，其信号输出为4～20mA电流，流量控制输入为0～5V电压信号，对应气体流量0～200sccm。
[0009]铅铋熔化罐为316L不锈钢罐体。
[0010]电磁泵的泵体最大流量为2m3/h，最大压强为0.75MPa，并采用三相交流电，最大电流为98A；泵体采用强制风冷却，满足最高运行温度450℃。
[0011]电磁流量计为永磁体流量计，由两个耐腐蚀和耐热的矩形SmCo永磁体以及两个用于支撑磁铁的316L材质支架组成，并通过体积法进行标定。
[0012]一种实现动态调节铅铋回路氧浓度的气态氧控系统的气态氧控方法，将注气口与排气口分别与第二Ar气罐、尾气处理箱连接，在回路启动阶段供给铅铋流体，第四电加热元件将铅铋熔化罐升温至回路运行温度熔化铅铋合金，并通过第二Ar气罐、第一电动阀将铅铋合金压入回路中运行，随后关闭第一电动阀；铅铋合金先通过第三电加热元件，再流经电磁流量计，若处于非等温状态，打开空气冷却器，冷却第三电加热元件处管路；在回路停止运行时，开启第一电动阀将铅铋合金回收至铅铋熔化罐储存；电磁泵为回路运行提供动力，膨胀箱缓冲回路容积变化，其处在系统的最高位，控制液面高度并流出气空间，截面积大于回路管道，保证气态氧控中气相与液态铅铋有大的接触面积，延长气体与液态铅铋的反应时间；第一氧传感器、第二氧传感器、第三氧传感器、第四氧传感器、第五氧传感器监测氧浓度，第一压力表、第二压力表监测压力防止超压或漏气，第一液位计、第二液位计监测铅铋合金液位，第一K型热电偶、第二K型热电偶、第三K型热电偶、第四K型热电偶、第五K型热电偶监测温度；流量监测与控制终端根据第一氧传感器、第二氧传感器、第三氧传感器、第四氧传感器、第五氧传感器的反馈来调节O2质量流量控制器、Ar质量流量控制器、H2质量流量控制器的开度，以分别控制O2/Ar混合气罐、第一Ar气罐、H2/Ar混合气罐的气体供给。
[0013]当回路中第一氧传感器、第二氧传感器、第三氧传感器、第四氧传感器、第五氧传感器反馈氧浓度均低于回路规定值时，通过流量监测与控制终端设置气体流量，信号随即进入到O2质量流量控制器，此时O2质量流量控制器内阀门开度增加，增加供氧量；当回路中第一氧传感器、第二氧传感器、第三氧传感器、第四氧传感器、第五氧传感器反馈氧浓度均到达回路中规定值，流量监测与控制终端传输关闭信号至O2质量流量控制器，其内部阀门开度关闭，在整个增氧过程中H2质量流量控制器阀门保持关闭，Ar质量流量控制器阀门保持开启；
[0014]当回路中第一氧传感器、第二氧传感器、第三氧传感器、第四氧传感器、第五氧传感器反馈氧浓度均高于回路规定值时，通过流量监测与控制终端设置气体流量，信号随即进入到H2质量流量控制器，此时H2质量流量控制器内阀门开度增加，增加供氢量；当回路中
第一氧传感器、第二氧传感器、第三氧传感器、第四氧传感器、第五氧传感器反馈氧浓度均到达回路中规定值，流量监测与控制终端传输关闭信号至H2质量流量控制器，其内部阀门开度关闭，在整个增氧过程中O2质量流量控制器阀门保持关闭，Ar质量流量控制器阀门保持开启。
[0015]本专利技术的有益效果在于：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现动态调节铅铋回路氧浓度的气态氧控系统，其特征在于，包括H2/Ar混合气罐(1)、第一Ar气罐(21)、第二Ar气罐(22)、O2/Ar混合气罐(3)、O2质量流量控制器(4)、Ar质量流量控制器(5)、H2质量流量控制器(6)、膨胀箱(8)、第一氧传感器(OS1)、第二氧传感器(OS2)、第三氧传感器(OS3)、第四氧传感器(OS4)、第五氧传感器(OS5)、第一压力表(P1)、第二压力表(P2)、第一液位计(L1)、第二液位计(L2)、第一K型热电偶(T1)、第二K型热电偶(T2)、第三K型热电偶(T3)、第四K型热电偶(T4)、第五K型热电偶(T5)、铅铋熔化罐(13)、电磁泵(14)、第一电加热元件(151)、第二电加热元件(152)、第三电加热元件(153)、第四电加热元件(154)、空气冷却器(16)、电磁流量计(FM)、第一电动阀(181)、第二电动阀(182)、第三电动阀(183)、第四电动阀(184)、第五电动阀(185)、第六电动阀(186)、第七电动阀(187)、第八电动阀(188)、第九电动阀(189)、尾气处理箱(19)、流量监测与控制终端(20)；其中，膨胀箱(8)、第六电动阀(186)、第三电加热元件(153)、第七电动阀(187)、电磁流量计(FM)、第八电动阀(188)、第二电动阀(182)、电磁泵(14)、第三电动阀(183)、第一电加热元件(151)、第四电动阀(184)、第二电加热元件(152)、第五电动阀(185)依次连接形成回路；第三电加热元件(153)上设置空气冷却器(16)；铅铋熔化罐(13)通过第一电动阀(181)接入第二电动阀(182)与第八电动阀(188)中间的回路，且铅铋熔化罐(13)的侧壁设置第四电加热元件(154)；铅铋熔化罐(13)通过一个针阀与第二Ar气罐(22)连接，通过另一个针阀与尾气处理箱(19)连接；尾气处理箱(19)通过针阀与膨胀箱(8)连接；O2/Ar混合气罐(3)、第一Ar气罐(21)、H2/Ar混合气罐(1)分别与O2质量流量控制器(4)、Ar质量流量控制器(5)、H2质量流量控制器(6)连接后三路并为一路连接至膨胀箱(8)；O2质量流量控制器(4)、Ar质量流量控制器(5)、H2质量流量控制器(6)的出入侧各设置一个针阀；O2质量流量控制器(4)、Ar质量流量控制器(5)、H2质量流量控制器(6)均另行接入流量监测与控制终端(20)；铅铋熔化罐(13)上设置第一压力表(P1)、第一液位计(L1)、第一氧传感器(OS1)、第一K型热电偶(T1)；第二氧传感器(OS2)、第二K型热电偶(T2)设置在回路中，并处于第一电动阀(181)与第二电动阀(182)之间；第三氧传感器(OS3)、第三K型热电偶(T3)设置于第一电加热元件(151)与第四电动阀(184)之间的回路；第四氧传感器(OS4)、第四K型热电偶(T4)设置于第三电加热元件(153)与第七电动阀(187)之间的回路；第五K型热电偶(T5)、第二液位计(L2)、第五氧传感器(OS5)均设置于膨胀箱(8)上，且第二压力表(P2)通过第九电动阀(189)与膨胀箱(8)连接。2.根据权利要求1所述实现动态调节铅铋回路氧浓度的气态氧控系统，其特征在于，H2/Ar混合气罐(1)中的气体比例为5％H2：95％Ar。3.根据权利要求1所述实现动态调节铅铋回路氧浓度的气态氧控系统，其特征在于，O2/Ar混合气罐(3)中的气体比例为5％O2：95％Ar。4.根据权利要求1所述实现动态调节铅铋回路氧浓度的气态氧控系统，其特征在于，O2质量流量控制器(4)为ACU模拟量质量流量控制器，其信号输出为4～20mA电流，流量控制输入为0～5V电压信号，对应气体流量0～20sccm。5.根据权利要求1所述实现动态调节铅铋回路氧浓度的气态氧控系统，其特征在于，H2质量流量控制器(6)为ACU模拟量质量流量控制器，其信号输出为4～20mA电流，流量控制输入为0～5V电压信号，对应气体流量0～200sccm。6.根据权利要求1所述实现动态调节铅铋回路氧浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢宛均，李辉，冯鑫茁，朱玉琦，梁瑞仙，盛振华，牛风雷，吴浩，刘洋，刘芳，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：