聚變反應堆的氦氣實驗迴路裝置的製作方法

2023-10-20 16:51:07

本發明涉及聚變反應堆技術領域，尤其涉及一種聚變反應堆的氦氣實驗迴路裝置。

背景技術：

在未來的聚變反應堆系統中，氦氣被用於冷卻接觸等離子體的部件，如包層(blanket)和偏濾器(divertor)。其中，包層模塊是驗證聚變反應堆能否實現氚自持，並提取聚變所產生巨大能量的關鍵設備。經過多年的努力，我國已發展了自己的氦冷陶瓷氚增殖劑鐵素體鋼實驗包層(testblanketmodule,tbm)技術，並將在iter的實驗堆中進行多項測試工作，來驗證該包層模塊的設計方案。為確保待測tbm模塊能夠在iter實驗窗口裡安全、有效運行，在實施iter實驗堆測試項目前，需要建設一個與iter實驗堆測試環境相同的堆外氦氣實驗迴路，用於檢驗我國tbm模塊在高溫高壓條件下的熱工表現以及整體的機械性能，保證iter測試項目的順利開展。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種聚變反應堆的氦氣實驗迴路裝置，所述氦氣實驗迴路裝置能夠開展無輻照條件、真實溫度和壓力環境下tbm窄縫通道中氦氣流動與傳熱等熱工水力特性和安全特性的研究與驗證工作，以及第一壁、結構、增殖球床等單項實驗模擬件的熱工水力特性實驗，有效保證聚變反應堆的可靠運行，提高實驗的精確度和準確度，且測試方便、簡單。

為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是：

聚變反應堆的氦氣實驗迴路裝置包括系統主迴路、冷卻水系統、補氣與壓力控制系統、抽真空系統、安全保護系統、電氣系統、儀表系統以及測控系統。所述系統主迴路用於將緩衝罐內的氦氣進行升壓、降溫、升溫後供給實驗使用，使用後的氦氣經過降溫後返回緩衝罐，完成氦氣在迴路的循環；所述冷卻水系統用於為冷卻器和風機提供冷源，冷卻系統主迴路中的氦氣和主迴路風機的電機；所述補氣與壓力控制系統用於為系統主迴路提供氦氣源、控制實驗迴路系統內氣體的整體壓力及回收實驗結束後主迴路的氦氣；所述抽真空系統用於將氦氣實驗迴路裝置抽成真空狀態，排除實驗系統內的雜質氣體，保證實驗迴路注入氦氣後迴路內部氦氣的純淨度；所述安全保護系統用於實現系統主迴路的超壓保護；所述電氣系統用於對迴路設備進行交流電供電及電氣傳動控制與保護；所述儀表系統用於測量實驗迴路所需的溫度、壓力、壓差、氣體流量、液體流量、液位、真空度、電壓與電流等信號；所述測控系統用於數據採集、存儲、分析和設備控制。系統主迴路、冷卻水系統、補氣與壓力控制系統、抽真空系統、安全保護系統、電氣系統、儀表系統受控於所述測控系統。

進一步的技術方案在於：所述系統主迴路包括離心式風機c001、回熱器hr001、預熱器ph001、冷卻器he001、緩衝罐bt001、緩衝罐bt002、混合器mx001、混合器mx002、過濾器f001以及相應的管道、閥門等設備，用於將緩衝罐內的氦氣進行升壓、降溫、升溫後供給實驗使用，使用後的氦氣經過降溫後返回緩衝罐，完成氦氣在迴路的循環；

所述系統主迴路由所述補氣與壓力控制系統與緩衝罐bt002連接，緩衝罐bt002的出氣口經離心式風機c001與緩衝罐bt001的進氣口連接，緩衝罐bt001的出氣口分為三路，第一路與所述抽真空系統連接；第二路為主迴路旁通支路，用於調節主迴路的氦氣流量，該管路依次經流量計fm002、調節閥vc001後與混合器mx002的一個進氣口連接，混合器mx002的出氣口依次經冷卻器he001、截止閥vi009、過濾器f001、調節閥vc005、流量計fm001後與緩衝罐bt002的進氣口連接；第三路為實驗本體支路，依次經流量計fm003、流量計fm004、調節閥vc002後與回熱器hr001的第一個進氣口連接，回熱器hr001的第一個出氣口依次經預熱器ph001、混合器mx001後分為兩路，第一路為實驗本體旁通支路，主要用於調節實驗本體的流量大小，經流量計fm005後接調節閥vc004的進氣口，第二路為實驗本體支路，依次經截止閥vi006、流量計fm006、實驗段ts001後分別與調節閥vc007a和調節閥vc007b的進氣口連接，調節閥vc004的出氣口管道與調節閥vc007a和調節閥vc007b的出氣口管道連接後與回熱器hr001的第二個進氣口連接，回熱器hr001的第二個出氣口經截止閥vi008後與混合器mx002的另一個進氣口連接，所述冷卻水系統與冷卻器he001連接，用於為冷卻器he001提供冷源；

所述系統主迴路還包括加熱段旁通支路，包括調節閥vc003，調節閥vc003的進氣口與流量計fm003的出氣口連接，調節閥vc003的出氣口與混合器mx001的另一個進氣口連接，該管路用於調節經回熱器和預熱器加熱工質的流量大小，並結合預熱器的加熱功率實現實驗本體入口溫度的精確調節。

進一步的技術方案在於：所述冷卻水系統由冷卻水迴路和過冷水迴路組成，用於為冷卻器和風機提供冷源，冷卻系統主迴路中的氦氣和主迴路風機的電機；

所述冷卻水迴路包括變頻式離心泵pu101、過濾器f101、冷卻塔ct101、水池以及相應的管道、閥門等設備，水池的出水口依次經離心泵pu101、過濾器f101、流量計fm101後接系統主迴路的冷卻器he001進行熱量交換，由冷卻器he001流出的冷卻水分為兩路，第一路依次經調節閥vc103、冷卻塔ct101後進入水池，冷卻水源通過調節閥vc101與水池的進水口連接，第二路為冷卻塔旁通支路，經調節閥vc102後進入水池，所述冷卻水迴路用於冷卻系統主迴路中的氦氣；

所述過冷水迴路包括冷水機cr101、過濾器f102、過濾器f103以及相應的管道、閥門等設備，用於冷卻系統主迴路離心式風機c001的電機，保證電機能夠安全運行於高轉速工況。冷水機的作用是通過製冷劑冷卻生成足夠流量的5℃低溫冷卻水，冷水機內已整合了製冷劑壓縮循環、冷卻水驅動泵。

進一步的技術方案在於：所述補氣與壓力控制系統包括氦氣源s、壓縮機c201、緩衝罐bt201、緩衝罐bt202、儲氣罐bt203以及相應的管道、閥門等設備，氦氣源s的出氣口經截止閥vi201與緩衝罐bt201的一個進氣口連接，主迴路緩衝罐bt002的另一個出氣口經調節閥vc202與緩衝罐bt201的另一個進氣口連接，緩衝罐bt201的出氣口分為兩路，第一路經調節閥vc203、壓縮機c201後分為兩路，一路依次經止回閥vo205、緩衝罐bt202、調節閥vc204後與主迴路緩衝罐bt002的另一個進氣口連接，另一路經截止閥vi206後與儲氣罐bt203的進氣口連接，第二路經截止閥vi205後與儲氣罐bt203的進氣口連接，所述補氣與壓力控制系統用於為系統主迴路提供氦氣源、控制實驗迴路系統內氣體的整體壓力及回收實驗結束後主迴路的氦氣。

進一步的技術方案在於：所述抽真空系統包括真空泵vp301、截止閥vi301、截止閥vi302和相關管路，主迴路緩衝罐bt001的出氣口經截止閥vi301後，一路與截止閥vi302連接，另一路與真空泵vp301的進氣口連接，真空泵vp301的出氣口為氣體排放口，所述抽真空系統用於將氦氣實驗迴路裝置抽成真空狀態，排除實驗系統內的雜質氣體，保證實驗迴路注入氦氣後迴路內部氦氣的純淨度。

進一步的技術方案在於：所述安全保護系統包括安全閥vs010和安全閥vs011，所述系統主迴路的離心式風機c001的出口設有安全閥vs011，所述系統主迴路的實驗段ts001出口連接的調節閥vc007a、調節閥vc007b的出口設有安全閥vs010，所述安全保護系統用於實現系統主迴路的超壓保護。

進一步的技術方案在於：所述電氣系統包括供電系統和電氣傳動控制與保護系統，用於對迴路設備進行交流電供電及電氣傳動控制與保護。供電系統採用輸入電壓為380v的交流電對實驗迴路的離心式風機c001、預熱器ph001、壓縮機c201和真空泵vp301等設備供電。電氣傳動控制與保護系統包括直流電氣供電系統傳動控制、交流電氣供電系統傳動控制及保護、電氣系統手動控制，將離心式風機c001、壓縮機c201和真空泵vp301的啟停信號及預熱器ph001的控制信號引入測控系統，實現設備和操作的遠程控制。

進一步的技術方案在於：所述儀表系統包括鉑電阻溫度計、熱電偶、壓力變送器、壓差變送器、科氏力氣體質量流量計、液位計等測量設備，所述儀表系統用於測量實驗迴路所需的溫度、壓力、壓差、氣體流量、液體流量、液位、真空度、電壓與電流等信號。

進一步的技術方案在於：所述測控系統包括數據採集系統、存儲分析系統和控制系統，用於實驗工況監視、實驗數據的實時在線測量和存儲、實驗參數的自動控制及報警聯鎖保護、實驗數據的分析處理、一般的故障診斷和故障處理以及多臺計算機的通訊。

採用上述技術方案所產生的有益效果在於：所述氦氣實驗迴路裝置能夠開展無輻照條件、真實溫度和壓力環境下tbm窄縫通道中氦氣流動與傳熱等熱工水力特性和安全特性的研究與驗證工作，以及第一壁、結構、增殖球床等單項實驗模擬件的熱工水力特性實驗，有效保證聚變反應堆的可靠運行，提高實驗的精確度和準確度，且測試方便、簡單。

附圖說明

圖1是本發明所述系統主迴路的原理圖；

圖2是本發明所述冷卻水系統的原理圖；

圖3是本發明所述補氣與壓力控制系統的原理圖；

圖4是本發明所述抽真空系統的原理圖。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。

如圖1～圖4所示，本發明公開了一種聚變反應堆的氦氣實驗迴路裝置，所述氦氣實驗迴路裝置包括系統主迴路、冷卻水系統、補氣與壓力控制系統、抽真空系統、安全保護系統、電氣系統、儀表系統以及測控系統。所述系統主迴路用於將緩衝罐內的氦氣進行升壓、降溫、升溫後供給實驗使用，使用後的氦氣經過降溫後返回緩衝罐，完成氦氣在迴路的循環；所述冷卻水系統用於為冷卻器和風機提供冷源，冷卻系統主迴路中的氦氣和主迴路風機的電機；所述補氣與壓力控制系統用於為系統主迴路提供氦氣源、控制實驗迴路系統內氣體的整體壓力及回收實驗結束後主迴路的氦氣；所述抽真空系統用於將氦氣實驗迴路裝置抽成真空狀態，排除實驗系統內的雜質氣體，保證實驗迴路注入氦氣後迴路內部氦氣的純淨度；所述安全保護系統用於實現系統主迴路的超壓保護；所述電氣系統用於對迴路設備進行交流電供電及電氣傳動控制與保護；所述儀表系統用於測量實驗迴路所需的溫度、壓力、壓差、氣體流量、液體流量、液位、真空度、電壓與電流等信號；所述測控系統用於數據採集、存儲、分析和設備控制。系統主迴路、冷卻水系統、補氣與壓力控制系統、抽真空系統、安全保護系統、電氣系統、儀表系統受控於所述測控系統。

系統主迴路

如圖1所示，氦氣主迴路工作狀態共有6種，因此在設計中取6種狀態中最高參數指標作為主迴路設計基準，確定主迴路設計參數。主迴路的主要工作參數如下：

所述系統主迴路包括離心式風機c001、回熱器hr001、預熱器ph001、冷卻器(he001)、緩衝罐(bt001，bt002)、混合器(mx001，mx002)、過濾器(f001)以及相應的管道、閥門等設備，用於將緩衝罐內的氦氣進行升壓、降溫、升溫後供給實驗使用，使用後的氦氣經過降溫後返回緩衝罐，完成氦氣在迴路的循環。

其中，風機提供主迴路和實驗支路氣體工質強制循環的驅動壓頭，保證實驗本體達到測試所需流量；回熱器位於預熱器上遊，其一、二次側分別逆向通入實驗本體出口的高溫氦氣和風機出口的低溫氦氣，用實驗本體流出高溫氣體的部分熱量加熱預熱器上遊的低溫氦氣，提高熱量利用率，同時可達到有效降低預熱器加熱功率和冷卻器及冷卻水系統冷卻需求的目的；預熱器用於提高氣體溫度，以滿足實驗本體入口溫度要求；冷卻器是迴路的熱量導出設備，可吸收回熱器流出氦氣的熱量，使氣體溫度降低至滿足風機入口溫度的要求；在風機進出口分別設置一個緩衝罐，起到穩定迴路壓力的作用，其中風機進口的緩衝罐用於降低冷卻器冷卻過程引入的壓力波動，同時保證風機進口工況的穩定；風機出口的緩衝罐起到緩解由風機引起的壓力波動、保證迴路壓力和流量穩定性的作用；混合器為一種帶內襯管的三通，設置於高溫和低溫氣體匯合處，其目的是利用內襯管來吸收氣體混合過程中溫度波動引起的應力變化，防止承壓管道和焊縫出現熱疲勞，保證其機械性能不受影響；過濾器用於過濾迴路中的懸浮雜質，保證迴路工質的潔淨；實驗流量通過調節迴路閥門開度實現；在實驗本體出口和壓縮機出口設置有安全閥，實現實驗迴路的超壓保護。

主迴路的流程是：氣體經離心式風機c001升壓後，一部分進入實驗本體支路，其餘氣體經主迴路旁通支路返回主迴路，進入冷卻器he001；進入實驗本體支路的氣體，首先進入回熱器hr001吸收實驗本體流出的熱流體的熱量，升溫後經預熱器ph001加熱至指定溫度，回熱器hr001和預熱器ph001設置有旁通支路，通過結合旁通支路流量和預熱器功率的調節實現實驗本體入口溫度的精確控制；達到指定溫度的高溫流體進入實驗本體，與實驗本體旁通管路的流體匯合後進入回熱器hr001加熱低溫氣體，實現熱量再利用；回熱器hr001流出的氣體經過降溫與主迴路旁通支路的氣體混合後進入冷卻器he001排出剩餘熱量，冷卻後進入離心式風機c001完成循環。

迴路中包含3個旁通支路，分別是主迴路旁通支路、加熱段旁通支路和實驗本體旁通支路。主迴路旁通支路用於調節主迴路的流量；預熱段旁通支路可以調節經回熱器hr001和預熱器ph001加熱工質的流量大小，結合預熱器ph001的加熱功率實現實驗本體入口溫度的精確調節；實驗本體旁通支路主要用於調節實驗本體的流量大小。

具體的連接關係如圖1所示，所述系統主迴路包括離心式風機c001、回熱器hr001、預熱器ph001、冷卻器he001、緩衝罐bt001、緩衝罐bt002、混合器mx001、混合器mx002、過濾器f001以及相應的管道、閥門等設備，用於將緩衝罐內的氦氣進行升壓、降溫、升溫後供給實驗使用，使用後的氦氣經過降溫後返回緩衝罐，完成氦氣在迴路的循環。

所述系統主迴路由所述補氣與壓力控制系統與緩衝罐bt002連接，緩衝罐bt002的出氣口經離心式風機c001與緩衝罐bt001的進氣口連接，緩衝罐bt001的出氣口分為三路，第一路與所述抽真空系統連接；第二路為主迴路旁通支路，用於調節主迴路的氦氣流量，該管路依次經流量計fm002、調節閥vc001後與混合器mx002的一個進氣口連接，混合器mx002的出氣口依次經冷卻器he001、截止閥vi009、過濾器f001、調節閥vc005、流量計fm001後與緩衝罐bt002的進氣口連接；第三路為實驗本體支路，依次經流量計fm003、流量計fm004、調節閥vc002後與回熱器hr001的第一個進氣口連接，回熱器hr001的第一個出氣口依次經預熱器ph001、混合器mx001後分為兩路，第一路為實驗本體旁通支路，主要用於調節實驗本體的流量大小，經流量計fm005後接調節閥vc004的進氣口，第二路為實驗本體支路，依次經截止閥vi006、流量計fm006、實驗段ts001後分別與調節閥vc007a和調節閥vc007b的進氣口連接，調節閥vc004的出氣口管道與調節閥vc007a和調節閥vc007b的出氣口管道連接後與回熱器hr001的第二個進氣口連接，回熱器hr001的第二個出氣口經截止閥vi008後與混合器mx002的另一個進氣口連接，所述冷卻水系統與冷卻器he001連接，用於為冷卻器he001提供冷源；

所述系統主迴路還包括加熱段旁通支路，包括調節閥vc003，調節閥vc003的進氣口與流量計fm003的出氣口連接，調節閥vc003的出氣口與混合器mx001的另一個進氣口連接，該管路用於調節經回熱器和預熱器加熱工質的流量大小，並結合預熱器的加熱功率實現實驗本體入口溫度的精確調節。

主迴路設計參數如下表：

主迴路主要設備設計方案如下：

主迴路風機：系統主迴路設置1臺離心式風機c001用於提供主迴路和實驗支路氣體工質強制循環的驅動壓頭，保證實驗本體達到測試所需流量。根據測試需要，實驗本體入口應滿足8mpa、300℃條件下通過的質量流量達到1.04kg/s，對應0.101325mpa、27℃下的體積流量2.3036×104標準立方米每小時，圓整為2.35×104標準立方米每小時，因此風機的額定流量應大於2.35×104nm3/h；實驗本體是迴路中的主要阻力件，通過調研tbm模擬體的流動壓降一般在0.3mpa以內；回熱器設計壓降<25kpa，預熱器設計壓降<9kpa，冷卻器則小於11kpa，考慮閥門以及流量計等設備引入的流動壓降，除實驗本體外其他設備的總阻力小於0.1mpa；因此迴路總壓降約為0.5mpa，考慮一定安全裕量，風機的實際驅動全壓應高於0.6mpa。因此，考慮將來模擬實驗的需要，主迴路風機採用離心式風機，結構材料選用316l。風機的設計參數如下：

回熱器hr001：系統主迴路設置1臺回熱器來提高能量的利用率，降低預熱器和冷卻器的功率水平，回熱器為一臺逆流式換熱器。回熱器位於預熱器的上遊，其功能是利用實驗本體流出的熱流體加熱預熱器上遊的低溫流體，達到能量再利用目的同時，提高預熱器入口流體溫度，並降低冷卻器一次側入口流體溫度，實現降低預熱器和冷卻器功率水平的目的。pche換熱器高效、結構緊湊，又具有管殼式換熱器耐高溫、高壓的特點，從而使其傳熱效率高、壓力損失小，在節省空間的同時可以保證換熱效率，能夠滿足氦氣實驗迴路裝置的要求。因此，考慮將來模擬實驗的需要，實驗迴路的回熱器採用pche高效換熱器，結構材料選用316l。回熱器主要參數為：

預熱器ph001：系統主迴路設置1臺預熱器加熱氦氣工質，是實驗迴路的主要熱源。預熱器位於回熱器的下遊，其主要功能是用於迴路的升溫，同時繼續加熱經回熱器加熱後的氦氣，使其溫度達到實驗本體進口溫度的需求，在實驗過程中維持穩定的功率，並進行適當調節，以保證實驗本體進口溫度恆定。本實驗迴路的預熱器採用氣體電加熱裝置的結構形式，加熱功率400kw。預熱器主要設計參數為：

冷卻器he001：系統主迴路設置1臺冷卻器導出熱量，位於風機入口的上遊，其功能是降低迴路系統氦氣的溫度，滿足風機入口工質低溫度(＜50℃)的要求。考慮將來模擬實驗的需要，本實驗迴路的冷卻器採用pche高效換熱器，結構材料選用316l。冷卻器主要參數為：

緩衝罐：氦氣實驗迴路裝置中共設置了4臺緩衝罐，其中主迴路風機的進出口分別設置一個緩衝罐bt001、緩衝罐bt002，用於穩定風機的進出口壓力和流量，且風機進口處的緩衝罐bt002和補氣與壓力控制系統相連；在補氣與壓力控制系統中也有兩個緩衝罐bt201、緩衝罐bt202，主要起到儲氣和緩衝的作用。緩衝罐主要由承壓筒體、接管和支座組成，採用焊接形式連接，以降低工質的洩露。緩衝罐的容積應能夠減弱壓力波動，同時儲氣容積應能滿足一次實驗的需要，結構材料選用316l。緩衝罐的主要設計參數如下：

主迴路緩衝罐主要設計參數

補氣與壓力控制系統緩衝罐主要設計參數

混合器：系統主迴路設置了2臺混合器，混合器mx001、混合器mx002分別安裝於預熱器下遊和冷卻器的上遊，其結構形式為帶內襯管的異徑三通，主要用來混合冷熱氣體、利用內襯管吸收由混合過程引起熱應力波動導致的熱疲勞，保證三通承壓壁面和管路焊縫的安全可靠。混合器應具有儘可能低的流動阻力，內襯管應固定充分，防止脫落，同時應考慮熱膨脹空間的問題，結構材料選用316l。實驗本體附近的混合器mx001處於中子和磁場較強的區域，要求不能含有半導體材料和滷素元素。混合器設計參數如下：

過濾器f001：系統主迴路設置了1臺氣體過濾器，其結構形式為帶內濾網的管道，主要起到過濾迴路氣體中雜質的作用。內置濾網採用耐高溫、耐腐蝕、高精度的過濾材料不鏽鋼金屬燒結氈。過濾器應具有儘可能低的流動阻力；化學穩定性好，不會汙染迴路；納汙能力好，短期內不會造成二次汙染；內襯濾網固定充分，防止脫落，同時應考慮熱膨脹空間的問題。結構材料選用316l。過濾器主要設計參數如下：

閥門：氦氣實驗迴路裝置中包含了調節閥、截止閥、安全閥和止回閥，閥門選用電動閥門或氣動閥門。調節閥用於流動參數和子系統功能的調節，截止閥用於管路的隔斷，安全閥用於實現迴路超壓的安全保護，止回閥用於迴路補氣或升壓過程中防止出現逆流。由於氦氣實驗迴路裝置的工作介質氦氣具有很強的滲透性，因此對於氦氣實驗迴路裝置閥門的密封性能提出了更嚴格的要求，以保證閥體的氣密性，保證實驗迴路的可靠運行。實驗本體附近的閥門(vi006、vc004、vc007a、vc007b、vs010)處於中子和磁場較強的區域，要求閥門不能含有半導體材料和滷素元素。與氦氣接觸的閥體及其零部件要具有良好的抗腐蝕性能，不汙染迴路內的氦氣，且要具有較高的光潔度，閥門裝配應在清潔間內完成，裝箱、運輸過程中應在管接頭出增設防護措施，保證閥門內部的清潔。閥門結構材料選用316l，如有需要應採用鍛件，以保證閥門的設計強度；閥體材料應進行超聲波、著色或磁粉探傷，保證閥體材料的可靠性；調節閥具有遠程控制的能力。氦氣實驗迴路裝置閥門的設計參數如下表：

管道：氦氣實驗迴路裝置主管道的內徑大小一方面決定了工質在運行過程中的流速，影響整個系統的壓降，從而決定主迴路風機的驅動全壓，另一方面還決定了整個實驗迴路的氦氣總裝量。為了降低氦氣總裝量，同時與iter現有裝置接口尺寸保持一致，主迴路管道採用dn100(φ114.3×8.56)的無縫不鏽鋼管，主迴路旁通支路管道採用dn50(φ60.3×5.54)的無縫不鏽鋼管，實驗本體附近的管道處於中子和磁場較強的區域，要求管道材料不能含有半導體材料和滷素元素，因此材料均採用316l。

冷卻水系統

如圖2所示，氦氣迴路的熱量最終通過冷卻水系統收集，需冷卻的設備包括主迴路的換熱器和主迴路的循環風機。冷卻水用於冷卻換熱器，及時導出迴路熱量；過冷水用於冷卻循環離心式風機c001的電機，保證風機電機工作在安全溫度範圍內。電加熱器是迴路中的熱源之一，其作用是預熱工質和調節模擬體進口溫度。冷卻水迴路系統和電加熱器的主要給定參數如下表：

所述冷卻水系統由冷卻水迴路和過冷水迴路組成，用於為冷卻器和風機提供冷源，冷卻系統主迴路中的氦氣和主迴路風機的電機；

所述冷卻水迴路包括變頻式離心泵pu101、過濾器f101、冷卻塔ct101、水池以及相應的管道、閥門等設備，用於冷卻系統主迴路中的氦氣。冷卻水系統採用了一臺變頻離心泵作為冷卻水的驅動源，離心泵裝有變頻器，其轉速可調，達到調節進入冷卻塔熱水流量的目的。冷卻塔為開放式結構，利用風機引入的空氣給冷卻水降溫，將實驗迴路的熱量排向大氣，是整個實驗設施的最後一級熱交換裝置；冷卻塔風機的電機為變頻式，轉速可調，實現在迴路過程中根據實際熱負荷調節電機功率，降低能耗。在離心泵出口處裝有顆粒過濾器，用於過濾冷卻水中的雜質，降低冷卻器換熱空間的沉澱及對換熱管的磨蝕，顆粒過濾器採用y型過濾器，其結構簡單，容易清洗，能夠滿足冷卻水水質過濾的需求。

在冷卻水系統運行過程中，其流程為：冷卻水經離心泵pu101後又經過濾器f101去除水中的雜質，進入主迴路的冷卻器he001進行熱量交換，由冷卻器he001流出後一路進入冷卻塔ct101進行冷卻，並回流至冷卻水容器，另一路為冷卻塔旁通支路，該路冷卻水直接進入冷卻水容器。在運行過程中，可以根據冷卻器he001二次側出口溫度或一次側出口溫度來調節離心泵pu101轉速、冷卻塔ct101的電機轉速以及冷卻塔旁通支路的流量，最終滿足冷卻器he001一次側出口溫度在規定範圍內的要求。

具體的連接關係如圖2所示，所述冷卻水迴路包括變頻式離心泵pu101、過濾器f101、冷卻塔ct101、水池以及相應的管道、閥門等設備，水池的出水口依次經離心泵pu101、過濾器f101、流量計fm101後接系統主迴路的冷卻器he001進行熱量交換，由冷卻器he001流出的冷卻水分為兩路，第一路依次經調節閥vc103、冷卻塔ct101後進入水池，冷卻水源通過調節閥vc101與水池的進水口連接，第二路為冷卻塔旁通支路，經調節閥vc102後進入水池。

所述過冷水迴路包括冷水機cr101、過濾器f102、過濾器f103以及相應的管道、閥門等設備，用於冷卻主迴路離心式風機c001的電機，保證電機能夠安全運行於高轉速工況。冷水機的作用是通過製冷劑冷卻生成足夠流量的5～10℃低溫冷卻水，冷水機內已整合了製冷劑壓縮循環、冷卻水驅動泵。

冷卻水系統設計參數如下表：

冷卻水系統主要設備設計方案如下：

離心泵pu101：冷卻水系統設置1臺離心泵，用於驅動冷卻水的循環，離心泵裝有變頻器，其轉速可調，達到調節進入冷卻塔熱水流量的目的。離心泵的主要設計參數如下：

冷卻塔ct101：冷卻塔採用開放式結構，利用風機引入的空氣給冷卻水降溫，並將實驗迴路的熱量排向大氣，是整個實驗設施的最後一級熱交換器，風機的電機為變頻式，轉速可調，實現在迴路過程中根據實際熱負荷調節電機功率，降低能耗。冷卻塔的主要設計參數如下：

過濾器f101：冷卻水系統設置1臺顆粒過濾器，位於離心泵出口處，用於過濾冷卻水中的雜質，降低對冷卻器的沉澱及磨蝕，顆粒過濾器採用y型過濾器，其結構簡單，容易清洗，能夠滿足冷卻水水質過濾的需求。過濾器的主要設計參數如下：

冷水機cr101：冷水機用於給主迴路風機提供進口溫度符合要求的設備冷卻水，保證風機電機在安全溫度範圍內運行。冷水機內已整合了製冷劑壓縮循環、冷卻水驅動泵。冷水機的主要設計參數如下：

補氣與壓力控制系統

如圖3所示，所述補氣與壓力控制系統包括氦氣源s、壓縮機c201、緩衝罐bt201、緩衝罐bt202、儲氣罐bt203以及相應的管道、閥門等設備，用於為系統主迴路提供氦氣源、控制實驗迴路系統內氣體的整體壓力及回收實驗結束後主迴路的氦氣。其中，壓縮機c201用於迴路補氣和升壓，採用隔膜式壓縮機，其優點是密封性好，無密封和潤滑油路，不會汙染氦氣，且排氣壓力高，滿足氦氣實驗迴路裝置對氦氣工質低洩漏率和高純淨度的要求。緩衝罐bt201在運行過程作為低壓儲罐使用，其主要作用是儲存氦氣源s輸出的氦氣、回收回路降壓過程中排出的氦氣，同時在迴路升壓、補氣過程中為壓縮機c201提供穩定的氣源。緩衝罐bt202在運行過程中作為高壓儲罐使用，其主要作用是儲存高壓氦氣，用於迴路升壓，同時降低壓縮機c201排氣過程中帶來的壓力波動，保證迴路壓力穩定上升。儲氣罐bt203在實驗結束後用於回收實驗迴路的氣體。

補氣與壓力控制系統根據其不同功能需要可以分為四種運行狀態：

a.迴路補氣

在實驗迴路運行前的補氣過程中，關閉調節閥vc202，開啟調節閥vc203和壓縮機c201，待緩衝罐bt202內壓力高於1mpa後，小幅開啟調節閥vc204向迴路中補氣。隨著迴路壓力的上升，增加調節閥vc204的開度，使緩衝罐bt202內壓力不致上升過快，同時可增加迴路補氣的流量，按照此步驟逐步升壓。升壓過程中緩衝罐bt202壓力不低於1mpa。待迴路壓力達到目標值時，依次關閉調節閥vc204、壓縮機c201和調節閥vc203，最後關閉與氣源連接的截止閥vi201，完成實驗迴路的補氣操作。

b.迴路升壓

在實驗過程中，因工況參數要求需進行迴路升壓操作。升壓過程中，如果緩衝罐bt202壓力高於主迴路壓力，則可直接開啟調節閥vc204來對迴路進行升壓；如果緩衝罐bt202壓力低於主迴路壓力，則先開啟調節閥vc203和壓縮機c201，利用緩衝罐bt201內儲存氣體對緩衝罐bt202進行升壓，使其壓力高於主迴路壓力，關閉調節閥vc203和壓縮機c201，再開啟調節閥vc204來對迴路升壓；若迴路升壓幅度較大，則可將壓縮機c201與實驗迴路聯通，連續運行壓縮機，直至迴路壓力達到目標值，依次關閉調節閥vc204、壓縮機c201和調節閥vc203。

c.迴路降壓

在實驗過程中，隨著溫度的上升，迴路壓力會超過額定值，此時需要進行排氣操作來降低迴路的壓力。降壓過程中，開啟調節閥vc202，由於緩衝罐bt201內壓力低於主迴路壓力，因此利用這一壓力梯度來釋放主迴路壓力，同時收集排出的氦氣。待主迴路壓力降至目標值時，關閉調節閥vc202，完成降壓操作。

d.回收氣體

實驗結束後，需要對迴路的氦氣進行統一收集。迴路壓力高於緩衝罐bt201內壓力時，開啟調節閥vc202和截止閥vi205，由於壓差的存在，迴路氣體將會回收至儲氣罐bt203；隨著回收的不斷進行，當儲氣罐內壓力與迴路壓力平衡時，關閉截止閥vi205，開啟調節閥vc203、壓縮機c201和截止閥vc206，利用壓縮機將迴路氣體壓縮至儲氣罐bt203，從而達到氣體回收的目的。

具體的連接關係如圖3所示，所述補氣與壓力控制系統包括氦氣源s、壓縮機c201、緩衝罐bt201、緩衝罐bt202、儲氣罐bt203以及相應的管道、閥門等設備，氦氣源s的出氣口經截止閥vi201與緩衝罐bt201的一個進氣口連接，主迴路緩衝罐bt002的另一個出氣口經調節閥vc202與緩衝罐bt201的另一個進氣口連接，緩衝罐bt201的出氣口分為兩路，第一路經調節閥vc203、壓縮機c201後分為兩路，一路依次經止回閥vo205、緩衝罐bt202、調節閥vc204後與主迴路緩衝罐bt002的另一個進氣口連接，另一路經截止閥vi206後與儲氣罐bt203的進氣口連接，第二路經截止閥vi205後與儲氣罐bt203的進氣口連接。

補氣與壓力控制系統設計參數如下表：

補氣與壓力控制系統主要設備設計方案如下：

壓縮機c201：補氣與壓力控制系統設置1臺隔膜式壓縮機作為補氣泵。隔膜式壓縮機的隔膜周邊由兩限制板夾緊並組成氣缸，隔膜由機械或液壓驅動在氣缸內往復運動，從而實現對氣體的壓縮和輸送。隔膜壓縮機在壓縮過程不產生任何汙染，徹底避免有油潤滑活塞式高壓壓縮機含油量高，定期更滑濾芯和添加專用壓縮機油費用極高的缺點。隔膜壓縮機的設計參數如下：

緩衝罐：補氣與壓力控制系統中設置了2臺緩衝罐，緩衝罐bt201、緩衝罐bt202，在壓縮機上遊、與氣源相連的是低壓罐，主要作用是儲存氦氣作為氣源，以及回收主迴路減壓過程中排出的多餘氦氣；在壓縮機下遊安裝的是高壓罐，主要作用是儲存高壓氦氣來提高主迴路壓力，同時緩解壓縮機在補氣過程中引起的壓力波動。兩個緩衝罐容積均能儲存5kg的氦氣，從而保證瞬態工況下迴路總質量裝量5kg的調節範圍，同時考慮50％的安全裕量，其容積應為0.6m3。本實驗迴路的緩衝罐主要由承壓筒體、接管和支座組成，採用焊接形式連接，以降低工質的洩露，結構材料選用316l。緩衝罐的主要設計參數如下：

儲氣罐bt203：補氣與壓力控制系統中設置1臺儲氣罐，用於回收實驗完成後迴路中的氦氣。儲氣罐要求能儲存迴路中所有管道和設備內的氦氣，結構材料選用316l。儲氣罐的主要設計參數如下：

抽真空系統

如圖4所示，所述抽真空系統包括真空泵vp301、截止閥vi301、截止閥vi302和相關管路，用於將氦氣實驗迴路裝置抽成真空狀態，排除實驗系統內的雜質氣體，保證實驗迴路注入氦氣後迴路內部氦氣的純淨度。真空泵vp301用於抽出主迴路中的氣體，去除其中的氧氣、水汽及其他成分，從而保證迴路注入氦氣後迴路內部氦氣的純淨度。

抽真空系統運行流程為：在抽真空前，迴路壓力應為大氣壓力，並關閉迴路上與環境及其他系統相通的閥門；關閉截止閥vi302，開啟截止閥vi301，啟動真空泵vp301抽真空，根據真空計的讀數判斷迴路內真空度，達到目標真空度時先關閉截止閥vi301，再打開截止閥vi302，最後關閉真空泵vp301，完成迴路抽真空。

具體的連接關係如圖4所示，所述抽真空系統包括真空泵vp301、截止閥vi301、截止閥vi302和相關管路，主迴路緩衝罐bt001的出氣口經截止閥vi301後，一路與截止閥vi302連接，另一路與真空泵vp301的進氣口連接，真空泵vp301的出氣口為氣體排放口。

抽真空系統設計參數如下表：

抽真空系統主要設備設計方案如下：

抽真空系統設置1臺真空泵vp301，用於實驗前去除實驗主迴路內的殘餘氣體，保證迴路中氦氣的純淨度。真空泵設計參數如下：

安全保護系統

所述安全保護系統包括安全閥vs010和安全閥vs011，用於實現系統主迴路的超壓保護，分別安裝於離心式風機c001出口處和實驗本體出口處。

具體的連接關係如圖1所示，所述安全保護系統包括安全閥vs010和安全閥vs011，所述系統主迴路的離心式風機c001的出口設有安全閥vs011，所述系統主迴路的實驗段ts001出口連接的調節閥vc007a、調節閥vc007b的出口設有安全閥vs010。

安全保護系統設計參數如下表：

安全保護系統設備設計方案如下：

氦氣實驗迴路裝置設置2臺安全閥，安全閥vs010和安全閥vs011，分別安裝於實驗本體出口和風機出口處，用於系統主迴路的超壓保護，是氦氣實驗迴路裝置的重要安全部件，其動作可靠性和性能好壞關係到設備安全。其中，實驗本體出口的安全閥處於中子和磁場較強的區域，要求閥門不能含有半導體材料和滷素元素。安全閥整定壓力和排放壓力均高於實驗迴路的最高工作壓力，同時低於迴路的設計壓力；安全閥回座後應能保證密封性；結構材料選用316l以保證閥體設計強度，閥芯可採用合金材料。兩臺安全閥的壓力參數為：

電氣系統

所述電氣系統包括供電系統和電氣傳動控制與保護系統，用於對迴路設備進行交流電供電及電氣傳動控制與保護。供電系統採用輸入電壓為380v的交流電對實驗迴路的離心式風機c001、預熱器ph001、壓縮機c201和真空泵vp301等設備供電。電氣傳動控制與保護系統包括直流電氣供電系統傳動控制、交流電氣供電系統傳動控制及保護、電氣系統手動控制，將離心式風機c001、壓縮機c201和真空泵vp301的啟停信號及預熱器ph001的控制信號引入測控系統，實現設備和操作的遠程控制。

交流電供電系統中：(1)主迴路風機採用交流電供電，輸入電壓為380v，總功率約為250kw。風機的啟停信號引入測控系統，實現風機的遠程控制；(2)預熱器採用管道交流電直接加熱方式，實現對實驗支路的溫度調節，從而可以精確控制實驗本體入口的溫度。預熱器需求功率400kw，輸入電壓380v，額定電流為1050a，預熱器自帶變壓器和控制系統，並將控制信號引入測控系統，用於統一管理和調節；(3)補氣用壓縮機採用交流電供電，輸入電壓為380v，總功率約為35kw。壓縮機的啟停信號引入測控系統，實現補氣過程的遠程控制；(4)真空泵採用交流電供電，輸入電壓為380v，總功率約為25kw。真空泵的啟停信號引入測控系統，實現補氣過程的遠程控制。

為確保設備的安全運行和實驗人員的人身安全，主要電氣設備需設置電氣聯鎖和監控保護，電氣系統負責向測控系統提供與電氣有關的模擬量和開關量信號以及電氣設備的控制接口。電氣傳動控制及保護系統包括直流電氣供電系統傳動控制、交流電氣供電系統傳動控制及保護、電氣系統手動控制。

儀表系統

所述儀表系統包括鉑電阻溫度計、熱電偶、壓力變送器、壓差變送器、科氏力氣體質量流量計、液位計等測量設備，所述儀表系統用於測量實驗迴路所需的溫度、壓力、壓差、氣體流量、液體流量、液位、真空度、電壓與電流等信號。

溫度測量：系統主迴路溫度參數採用ф6mm鉑電阻溫度計(rtd)測量。鉑電阻溫度計外壁為不鏽鋼保護套管，其強度好，不會產生流致振動，有利於測量的可靠性和準確性，同時鉑電阻溫度計採用四路導線電氣連接形式，測量精度高穩定性和復現性好，能夠滿足氦氣實驗迴路裝置氦氣溫度的準確測量；在冷卻水系統中，採用n型鎧裝熱電偶來監測冷卻水的溫度。

流量測量：系統主迴路氦氣流量採用科氏力氣體質量流量計測量。科氏力質量流量計是運用流體質量流量對振動管振蕩的調製作用即科裡奧利力現象為原理，以質量流量測量為目的的質量流量計，一般由傳感器和變送器組成。科氏力氣體質量流量計是一種直接式測量的測量裝置，它能夠高準確度的直接測量管道內流體的質量流量，而且穩定度高，可靠性好，量程比大；同時，科氏力氣體質量流量計管道內無障礙物，無可動部件，故障因素少，便於清洗，維護和保養，能夠滿足氦氣實驗迴路裝置氦氣流量的測量要求。

壓力和壓差測量：壓力及壓差信號採用壓力和壓差變送器測量。變送器在工作時，高、低壓側的隔離膜片和灌充液將過程壓力傳遞給灌充液，接著灌充液將壓力傳遞到傳感器中心的傳感膜片上。傳感膜片是一個張緊的彈性元件，其位移隨所受壓而變化。低壓側始終保持一個參考壓力。傳感膜片的最大位移量為0.1毫米，且位移量與壓力成正比。兩側的電容極板檢測傳感膜片的位置。傳感膜片和電容極板之間電容的差值被轉換為相應的電流，電壓或數字輸出信號。壓力、壓差變送器是常用壓力和壓差測量儀表，具有高可靠性、長期穩定性和易於維護的特點。

液位測量：液位測量信號主要是冷卻水系統水池的液位，採用液位計及液位變送器對液位進行監控，同時利用檢測值判斷水池液位以及時進行補水。

功率測量：預熱段電流採用交流互感器搭配交流電流變換器對三相電流中的一相進行測量，預熱段電壓採用交流電壓變換器對三相電壓中的一相進行測量。預熱段測量得到的電壓和電流信號再通過測控系統進行計算分別得到實驗本體和預熱段的加熱功率。

測控系統

所述測控系統包括數據採集系統、存儲分析系統和控制系統，用於實驗工況監視、實驗數據的實時在線測量和存儲、實驗參數的自動控制及報警聯鎖保護、實驗數據的分析處理、一般的故障診斷和故障處理以及多臺計算機的通訊。測控系統採用數字式儀控系統，測量參數包括溫度、壓力、壓差、電流、電壓、真空度、液位等測量信號和設備控制信號。測控系統為集散式控制系統，實驗全部需要採集的數據最快可在在10ms內一次性採集存儲處理完畢，其穩態採集精度不低於0.1％，瞬態採集精度不低於0.5％。

各類實驗數據由數據採集系統採集後，在終端顯示器上顯示，監測參數均直接或通過變送器和電氣轉換櫃轉換後進入數據採集系統，進行採集和保存，控制系統與數據採集系統相對獨立，控制系統通過控制信號對風機、預熱器、壓縮機、閥門、離心泵以及電氣設備進行控制，完成實驗流程需要的動作。所述測控系統用於數據採集、存儲、分析和設備控制。

測控系統的測量信號包括溫度、壓力、壓差、液位、流量、真空度、閥門開度、電機頻率、電壓、電流和設備狀態等；控制信號包括預熱器功率調節、閥門開度調節、離心泵頻率調節、冷卻塔電機頻率調節、風機啟停控制、預熱器啟停控制、離心泵啟停控制、壓縮機啟停控制、真空泵啟停控制、冷卻塔啟停控制、冷水機啟停控制等。

在測控系統的控制項軟體系統中，部署了聯鎖控制與保護功能，實現系統運行過程中的自動調節和自動保護功能，降低系統操作的複雜程度，同時保護設備安全。聯鎖控制通過在控制軟體中將相關測量信號定義為設備的調節依據，來實現迴路系統的自動調節，達到穩定實驗迴路參數、降低系統操作複雜程度的目的。氦氣實驗迴路裝置中主要包括以下聯鎖控制：回熱器冷端氣體流量控制；實驗本體入口流量控制；實驗本體入口溫度控制；實驗本體入口降壓控制；實驗本體入口升壓控制；冷卻水系統控制；水池液位控制。

聯鎖保護通過在控制軟體中將相關測量信號定義為設備的控制依據，實現關鍵設備的啟停與保護功能。氦氣實驗迴路裝置主要包括以下聯鎖保護：(1)主迴路風機保護：將冷卻器一次側出口溫度信號作為離心式風機c001的保護信號，溫度超過80℃時，系統報警「風機入口溫度過高」，超過90℃時，系統自動關閉風機；(2)預熱器保護：將離心式風機c001運行狀態作為預熱器ph001的保護信號，風機停運時自動切除預熱器全部功率，風機未啟動時預熱器拒絕接通電源；另外，預熱器自帶的加熱管溫度監測信號也將用於預熱器的保護控制中，當加熱管溫度超過限制時，將切除部分或全部加熱功率。

工藝系統保溫設計

根據gb50264-1997《工業設備及管道絕熱工程設計規範》的規定，為減少熱工實驗裝置設備、管道及其附件向周圍環境散熱，同時防止熱表面溫度過高造成人員燙傷事故，需要在其外表面採取一定的包覆措施。保溫設計的主要內容是保溫層厚度、保溫材料需求量以及熱損失計算等。此處採用表面溫度法，即給定保溫材料外表面溫度，通過熱平衡導出保溫層厚度及熱損失計算關係式。實驗迴路需要鋪設保溫材料的設備包括回熱器、預熱器、混合器(mx001)及回熱器高溫側的相應管路和閥門。選用普通型複合矽酸鹽(鋁鎂)保溫隔熱防火材料作為設備和管道保溫材料。