控制氧含量的動態高溫高壓蒸汽氧化試驗裝置的製作方法

2023-05-29 10:04:31 2

本實用新型屬於金屬材料在高溫高壓環境中的試驗研究技術領域，具體涉及一種控制氧含量的動態高溫高壓蒸汽氧化試驗裝置。

背景技術：
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在火力發電領域中，隨著人們對節約能源和保護環境的日益重視，機組參數不斷提高，過熱器、再熱器、高溫蒸汽管道、汽輪機轉子、葉片、噴嘴等蒸汽流通部件的蒸汽側氧化問題也越來越突出。開發適合的試驗設備是研究並解決金屬蒸汽氧化問題的關鍵，其中水化學控制和循環系統是設備的核心，為保證試驗結果可靠有三個關鍵因素：(1)蒸汽或水中的氧含量可控，由於蒸汽中的含量會影響材料的氧化層結構以及氧化速率，蒸汽中的氧含量是否可控制到火電機組實際運行時蒸汽條件(水全揮發處理時為10ppb以下，加氧處理時為30ppb～150ppb)，即成為試驗結果是否可靠的關鍵因素。(2)蒸汽流量不能過低，由於蒸汽氧化的反應過程中會生成H2、CrO2(OH)2等揮發性的反應產物，如果蒸汽為靜態或流量過低，揮發性反應產物不能被及時帶走，反應進入平衡狀態，試驗結果就不能真實反映材料的抗蒸汽氧化性能。(3)溫度和壓力應可以達到電站鍋爐常見的超臨界條件。除了這三個關鍵條件以外，系統簡單可靠、方便以及節能環保也是必須考慮的。

國內外很多研究單位都開發了蒸汽或超臨界水氧化試驗裝置，例如專利：專利CN 10162661 B《金屬材料高溫水蒸汽氧化實驗裝置》、CN 103543096 A《一種動態高溫高壓氧化實驗裝置》：美國NETL實驗室的蒸汽氧化裝置、美國Wisconsin–Madison大學超臨界水氧化裝置、日本Nippon Steel公司的實驗臺以及浙江工業大學廢水處理的超臨界水氧化實驗裝置等設備的主要缺點是蒸汽中的氧含量等關鍵因素無法控制。專利申請文件200810011845.5《一種在超臨界水中進行長時間氧化腐蝕實驗的方法和設備》介質為靜態。專利CN 101118211 B《高溫蒸汽氧化試驗裝置》不能用於高壓，且冷凝的水需要定期處理，需要消耗大量的氬氣。專利CN 102519863 A《一種超臨界水蒸汽氧化試驗裝置》實現了超臨界水氧化環境，但是有以下缺點：(1)通過設定氬氣和氧氣的流量調節水中的溶解氧含量，調節範圍小，不能達到10ppb以下，做不到實時觀察和控制氧含量；(2)在水路中先設置加熱棒加熱，隨後又設置水冷套，浪費大量電能和自來水；(3)結構複雜，水循環系統中設置三個密封結構的蒸餾水箱，且水箱上安裝排水閥、觀察窗、加熱管、換熱器等部件，安全可靠性較差。

技術實現要素：
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本實用新型的目的是為了克服現有高溫高壓環境下加載技術中的以上弊端，提供了一種控制氧含量的動態高溫高壓蒸汽氧化試驗裝置。

為達到上述目的，本實用新型採用如下技術方案來實現的：

控制氧含量的動態高溫高壓蒸汽氧化試驗裝置，包括給水組件、真空除氧組件、惰性氣體除氧組件、常溫循環水迴路、高溫高壓水迴路和高壓反應釜及加熱組件；其中，

給水組件包括儲水桶，儲水桶頂部管路依次通過背壓閥A和單向閥A與大氣相連通；

真空除氧組件包括真空泵；

惰性氣體除氧組件包括比例電磁閥、單向閥B和惰性氣體氣瓶；

常溫循環水迴路包括循環泵、流通池和溶解氧表；

高溫高壓水迴路包括高壓計量泵、阻尼器、換熱器、冷凝器和背壓閥B；

高壓反應釜及加熱組件包括釜體加熱爐和高壓反應釜；

其中，真空泵通過管路與儲水桶相連通；

惰性氣體氣瓶通過管路以及設置該管路上的單向閥B和比例電磁閥與儲水桶的惰性氣體入口相連通；

流通池通過管路以及設置該管路上的循環泵和溶解氧表與儲水桶形成常溫循環水迴路；

高壓計量泵、阻尼器、換熱器、冷凝器和背壓閥通過管路與儲水桶形成高溫高壓水迴路；

高壓反應釜設置在釜體加熱爐內，釜體加熱爐通過管路與換熱器形成水循環迴路。

本實用新型進一步的改進在於，給水組件還包括高純水機和給水泵，給水泵用於將高純水機製取的高純水加入至儲水桶中。

本實用新型進一步的改進在於，給水組件還包括設置在儲水桶底部的排汙口，以及設置在儲水桶側面的水位計。

本實用新型進一步的改進在於，真空除氧組件還包括設置在真空泵與儲水桶相連通的管路上的壓力表A。

本實用新型進一步的改進在於，惰性氣體氣瓶還包括通過信號線與溶解氧表和比例電磁閥相連接的溶解氧控制系統。

本實用新型進一步的改進在於，常溫循環水迴路還包括設置在管路上的閥門。

本實用新型進一步的改進在於，流通池內裝有溶解氧傳感器，溶解氧傳感器的信號通過溶解氧表整合為4-20mA的電流信號，該電流信號傳遞到所述溶解氧控制系統，溶解氧控制系統根據實測溶解氧值和設定溶解氧值計算出4-20mA控制信號，輸出到比例電磁閥上，控制其開關比例，進而控制惰性氣體通入量。

本實用新型進一步的改進在於，高溫高壓水迴路還包括設置在管路上的單向閥C、壓力表B、第一過濾器和洩壓閥。

本實用新型進一步的改進在於，高溫高壓水迴路還包括冷水機，該冷水機通過管路與冷凝器形成水循環迴路。

與現有技術相比，本實用新型中給水組件為試驗裝置提供高純水，真空除氧組件、惰性氣體除氧組件和常溫循環水迴路三者配合精確控制迴路中溶解氧含量，高溫高壓迴路和高壓反應釜及加熱組件為蒸汽氧化試驗提供高溫高壓環境，同時實現動態循環。具體來說，本實用新型試驗裝置的有益效果在於：

1、本實用新型試驗裝置通過溶解氧控制系統控制迴路中溶解氧含量，能夠長期精確控制溶解氧含量在10ppb以下。

2、本實用新型採用真空除氧組件和惰性氣體除氧組件相結合的方式除氧，提高了除氧效率，同時可以大大減少惰性氣體的使用量，節約成本。

3、本實用新型試驗裝置可以通過高壓計量泵和背壓閥來調節高溫高壓水迴路中的壓力在0至40MPa之間，溫度可以由釜體加熱爐控制在室溫到800℃之間，可以滿足不同試驗條件需求。

4、本實用新型通過一套換熱器將大部分高壓反應釜內高溫出水的熱量傳遞給低溫進水，這樣既可以減少熱量損失，節約能源，又可以使出水溫度顯著降低，出水再經過冷凝器後降至常溫，經過濾器過濾後回到儲水桶中自動循環反覆利用。

附圖說明：

圖1為本實用新型控制氧含量的動態高溫高壓蒸汽氧化試驗裝置的結構示意圖。

圖中：1為高純水機；2為給水泵；3為儲水桶；4為背壓閥A；5為單向閥A；6為排汙口；7為水位計；8為真空泵；9為壓力表A；10為比例電磁閥；11為第二過濾器；12為單向閥B；13為惰性氣體氣瓶；14為溶解氧控制系統；15為循環泵；16為閥門；17為流通池；18為溶解氧表；19為高壓計量泵；20為阻尼器；21為單向閥C；22為換熱器；23為釜體加熱爐；24為高壓反應釜；25為冷凝器；26為壓力表B；27為第一過濾器；28為背壓閥B；29為洩壓閥；30為冷水機。

具體實施方式：

下面結合附圖對本實用新型做進一步詳細說明。

如圖1所示，本實用新型一種控制氧含量的動態高溫高壓蒸汽氧化試驗裝置，包括給水組件、真空除氧組件、惰性氣體除氧組件、常溫循環水迴路和高溫高壓水迴路。具體安裝步驟如下：

所述的給水組件包括高純水機1、給水泵2、儲水桶3，高純水機1、給水泵2和儲水桶3依次連接。

真空除氧組件包括真空泵8和壓力表A9，且真空泵8通過管路與儲水桶3相連通，該管路上設置有壓力表A9。

在儲水桶3頂部設置管路依次通過背壓閥A4和單向閥A5與大氣相連。在儲水桶3底部開設有排汙口6，側面設置有水位計7。

在儲水桶3底部依次通過管路連接的比例電磁閥10、第二過濾器11、單向閥B12、惰性氣體氣瓶13。

通過管路依次連接閥門16、循環泵15、流通池17、溶解氧表18，之後迴路回到儲水桶3頂部，構成所述常溫循環水迴路。

通過管路連接的高壓計量泵19、阻尼器20、單向閥C21、換熱器22冷端、釜體加熱爐23、高壓反應釜24、換熱器22熱端、冷凝器25、壓力表B26、第一過濾器27、背壓閥B28，所述冷凝器連接冷水機29。高溫高壓水迴路的連接管路均為金屬卡套管。

在進行高溫蒸汽氧化試驗時，首先打開給水泵2出口閥門，向儲水桶3中加入由高純水機1製取的高純水。之後打開真空除氧組件閥門對儲水桶3抽真空，可使高純水中溶解的大部分空氣排出，使水中的溶解氧含量降至500ppb左右，之後打開惰性氣體除氧組件和常溫循環水迴路，通過向儲水桶3內通入惰性氣體如氬氣來除氧。所述常溫水迴路中流通池17內裝有溶解氧傳感器，傳感器的信號通過溶解氧表18整合為4-20mA的電流信號，溶解氧控制系統14根據實測溶解氧值和設定溶解氧值計算出4-20mA控制信號，輸出到比例電磁閥10上，控制其開關比例，當實測溶解氧含量高於設定值上限時，比例電磁閥10打開，向儲水桶3內通入惰性氣體，吹洗儲水桶3中的水進行除氧，逸出的氣體通過背壓閥A4和單向閥A5排入大氣。當實測溶解氧含量高於設定值上限時，比例電磁閥10關閉，惰性氣體停止吹洗，此時可以開始正常試驗。背壓閥A4和單向閥A5保證儲水桶3處於惰性氣體環境下的微正壓狀態，防止溶解氧再次升高。之後打開高溫高壓循環水迴路，通過調節高壓計量泵19和背壓閥B28使迴路中壓力達到試驗預期壓力參數，之後打開可編程控制的釜體加熱爐23升溫，將迴路中溫度升至驗預期溫度參數，之後開始試驗。

本實用新型採用一套換熱器22將大部分高壓反應釜內高溫出水的熱量傳遞給低溫進水，這樣既可以減少熱量損失，節約能源，又可以使出水溫度顯著降低，使進入冷凝器25的氣體溫度降低，節約冷水機30所需的電能，之後經過濾器過濾後回到儲水罐中循環反覆利用。高溫高壓迴路中壓力通過高壓計量泵19和背壓閥B28控制，當試驗過程中超壓時，可通過洩壓閥29洩壓，保證安全。試驗過程中惰性氣體除氧組件一直處於開啟狀態，保證迴路中溶解氧含量始終控制在設定溶解氧範圍內，由於整個實驗裝置保持正壓和密封狀態，可大大降低除氧用惰性氣體的消耗。

本實用新型控制氧含量的動態高溫高壓蒸汽氧化試驗裝置的使用方法，包括如下步驟：

1)首先打開給水泵2出口閥門，向儲水桶3中加入由高純水機1製取的高純水；

2)打開真空除氧組件閥門對儲水桶3抽真空；

3)打開惰性氣體除氧組件和常溫循環水迴路，當溶解氧表18測得溶解氧含量高於設定值上限時，比例電磁閥10打開，惰性氣體吹洗儲水桶3中的水進行除氧，逸出的氣體通過背壓閥A4和單向閥A5排入大氣，當溶解氧表18測得溶解氧含量高於設定值上限時，比例電磁閥10關閉，惰性氣體停止吹洗；

4)打開高溫高壓循環水迴路，通過調節高壓計量泵19和背壓閥B28使迴路中壓力達到試驗預期壓力參數；

5)打開可編程控制的釜體加熱爐23升溫，將迴路中溫度升至驗預期溫度參數，開始試驗。

本實用新型試驗裝置的使用方法試驗順序安排合理，具體來說，本實用新型使用方法的有益效果在於：

1、先通過真空除氧組件中的真空泵對儲水桶抽真空，去除大量水中的溶解氧，隨後再利用惰性氣體進一步除氧，可以提高除氧效率，同時可以大大減少惰性氣體的使用量，節約試驗成本。

2、先將高壓釜壓力升至試驗預期溫度參數，將調節背壓閥B設置為試驗預期壓力參數，最後打開高壓計量泵向高壓反應釜中通入水，可使高壓反應釜中的壓力逐步增大到預期壓力參數，更加安全可靠。

綜上所述，本實用新型設計巧妙，與現有技術對比，本實用新型能夠實現在高溫高壓條件下動態蒸汽氧化試驗，且能夠實時監測和精確控制溶解氧含量，溶解氧含量可長期控制在10ppb以下，同時除氧效率高，蒸汽氧化試驗過程中系統能夠自動運行，無需看守，節約人力物力。