燃料球输运装置设计文件.docx
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燃料球输运装置设计文件
燃料输运装置方案设计说明书
1.适用范围
本文适用于TMSR-SF0燃料装卸系统综合试验平台的燃料输运装置设计。
2.设计依据
2.1术语与定义
1）燃料元件输运：
是指燃料元件向装料机构以及燃料元件从卸料机构向乏燃料容器传送的过程，应包括对燃料元件的计数、碎球分离、分配等操作。
2）预处理装置：
对新燃料元件作除水、除氧处理的装置。
3）过球计数器：
测量燃料元件通过数量和流向的装置。
4）碎球分离器：
分离不适于继续在堆中运行的破损和有缺陷的燃料元件的装置。
5）分配器：
对不同条件燃料元件的输运流向进行分配的装置。
6）分流器：
对燃料元件的流向控制和分配的装置。
2.2设计要求
2.2.1总体功能要求
1）燃料元件输运管道主要重力作用下实现燃料输运，必要处辅以气力传输；
2）与装卸料机构和卸料机构处实现气氛的隔离与切换；
3）燃料元件进行除水除氧处理，满足进堆要求；
4）碎球分离器可自动识别并分选出破损及尺寸不合格的燃料元件；
5）过球计数器对燃料元件的速度和数量监测和记录；
6）燃料元件分流器可以根据需要将不同类型的燃料元件（不同燃耗的燃料球）分别输运到不同流向；
7）分配器可根据指令将不同类型的燃料元件（模拟钍球、模拟铀球）输运到不同贮存容器；
8）测设和验证钍基熔盐堆球形燃料元件整体输运过程关键技术和关键设备的工艺过程的可靠性与正确性。
2.2.2设计输入
燃料输运装置相关设计输入如表1所示。
表1燃料输运装置设计输入参数
序号
名称
参数描述
1
燃料球直径
60mm
3
燃料球平均密度
1.8g/cm3
4
卸料形式
停堆卸料\有盐
5
卸料球温度
500°C
6
装料速度
6球/分
7
卸料速度
6球/分
8
装、卸料机构接口高度差
≥1m
2.2.3基本要求
1）具备实验测试与运行设备。
a）具备燃料输运装置输运管道与阀门件。
输运管道规格为DN65，奥氏体不锈钢材质，输运管道均需采用可拆卸的法兰连接，可以采用螺栓预紧，为防止燃料元件输运过程中卡顿与碰撞，管道弯头采用大曲率半径。
管道阀门能满足输运系统的运行环境。
b）具备燃料输运装置中碎球分离器，分流器，过球计数器，气动分配器等关键输运设备。
2）具备支撑、容纳上述设备的钢结构平台，钢结构台架满足国家标准（包括抗震要求）、空间要求、载荷要求等。
3）具备安装起吊设备和拆卸维护所需的设备。
4）具备货物、工装暂存与通道。
根据实验的进展、实验内容的不同，需要有待装的、拆卸后暂存的设备；需要有暂存空间。
5）具备参观通道。
参观通道应尽量在实验对象设备的一侧。
参观通道宽度不小于1.5米。
参观通道地面必须设置有路线标志。
参观通道与实验区应有明显的标志。
6）具备安全防护与监控报警装置。
7）具备照明。
在钢结构每一层平台下面，均应设置有照明设备。
照明设备的布置应按无影要求（或相近）设置。
2.2.4气路要求
1）提供系统气体供应设备和真空保持设备，真空泵组保持管道内真空，供气与尾气系统保持气体成分与压力。
2）提供纯度为99.99%氩气，水氧含量≤30ppm。
3）系统排出废气至废气接口处理。
4）提供气动阀门开关压缩空气气源。
2.2.5控制要求
1）提供满足燃料输运装置调试和运行输运控制设备，电气、测量、本地控制与人机交互设备。
2）控制输运线上各类阀门的开关次序与连锁。
3）控制机械设备动作,完成碎球分选，燃料分配功能。
4）使用压力传感器，监测输运线各处气体压力。
5）使用温度传感器，监测输运管路中的温度。
6）经分析和判断,发出相应信号,控制各个设备动作。
7）发生误操作和出现的故障应进行故障诊断及发出预报警信号。
3.实施内容
3.2实施方案
燃料输运装置可分解为燃料管路输运子系统、供气辅助子系统与控制子系统三个子系统。
燃料管路输运系统包括燃料输运的密封管路及支撑件，燃料元件分流器、分配器，过球计数器与碎球分离器等关键设备以及管路连接件。
供气辅助系统保持管路内气体环境并与系统外接口的气氛切换以及采用必要的气力输运装置。
控制系统采集输运系统信号并进行监测和控制。
3.2.1总体技术方案
a）燃料元件靠重力作用，在惰性气体保护下在密封管路实现输运，在必要处设置气力输运装置辅助传输；
b）初始装料时燃料元件进行离线除水氧预处理；
c）模拟燃料元件从卸料机构输运至碎球分离器，有缺损的元件分离出来，并使之落入破损燃料贮存容器中；
d）卸出燃料元件经指令确定乏燃料是否重新在分流器中确定流向是否循环输运至装料机构；
e）分流器将确认卸出燃料元件输运至分配器分配至不同贮存容器；
f）过球计数器检测燃料元件输运数量和流向。
3.2.2系统构成及设计参数
表2燃料输运装置设备构成
设备名称
功能
输运管路
以重力实现燃料元件输运
隔离阀
隔离管路气氛
截止阀
过球阻挡功能
燃料元件预处理装置
燃料元件除水除氧以达到进堆要求
分流器
分配控制元件流向，实现燃料元件在线循环
气动分配器
将不同类型燃料元件导向至不同存储容器
碎球分离器
识别并自动分离破损燃料元件
过球计数器
检测燃料元件数量和流向
辅助系统
保持管内真空和输运气氛
表3燃料输运装置的设计参数
燃料输运装置设计参数
输运速度
≤10m/s
元件装载通量
6个/分钟
密封要求
外漏≤1×10-5Pa.m3/s
设计温度
500oC
输运气体
99.99%氩气
设计压力
0.2MPa
破损元件识别率：
≥98%
计数器准确率
2000次过球准确率≥99.5
3.2.3工艺流程
图1燃料输运装置工艺流程图
图2燃料输运运行流程图
一、总体工艺
燃料系统工艺流程图见图1所示，燃料输运装置运行图2所示。
燃料输运主要工艺描述如下：
1.新燃料装料流程
a）通过真空系统对整个管路系统内进行抽真空和管道除气，通过氩气系统对装置内进行氩气填充，完成气氛置换。
b）重复步骤1直至管道中氩气水氧含量小于30ppm。
c）燃料元件进行预处理，经预处理燃料转运至新燃料装料箱在气氛保护下存储。
d）燃料从新燃料装料箱装入燃料输运管路并气氛切换。
e）燃料元件输运至装料机构接口。
2.乏燃料卸料流程
a）乏燃料从卸料机构输经气氛切换，输送至碎球分离器。
b）碎球分离器根据指令将完好燃料元件输运至分流器。
分流器将燃料元件输运至气动分配器。
c）气动分配器根据指令进行分配后，将燃料元件输送到燃料贮存容器。
3.燃料循环控制流程
a）卸出燃料从卸料机构输经气氛切换，输送至碎球分离器。
b）碎球分离器根据指令将完好燃料元件输运至分流器。
c）分流器将燃料元件输运至装料管路。
d）燃料元件经过气氛切换输运至装料机构。
二、气氛切换工艺
燃料元件的气氛切换目的是将燃料输运管道0.2MPa氩气与装卸料机构中0.15MPa氩气气氛进行隔离切换。
整个工艺段由两个隔离阀，两个截止阀和两个计数器以及辅助氩气供排气装置构成。
该工艺段工作流程图见图3
图3气氛切换工艺流程图
气氛切换工艺设计参数见下表，其设计依据见附录所示。
表4气氛切换工艺参数
气氛切换工艺参数
单次最大置换燃料球数
20个
工艺用时*
100s
切换压力
装料段：
0.2MPa切换为0.15MPa
卸料段：
0.15MPa切换为0.2MPa
供气气体
99.99%氩气
供气气压
≥0.2MPa
注：
*设计依据见附录
下面以燃料进堆装料气氛切换工艺为例，描述气氛切换工艺过程。
1.燃料输运前，阀门处于关闭状态，计数器计数清零。
2.燃料输运至计数器C1处，计数器识别到燃料元件计数时，先打开隔离阀A1，然后打开截止阀B1,燃料元件滚动至气氛切换管段。
3.计数器C1计数达20个时，先关闭阀B1，随后关闭阀A1。
4.对管路内气氛抽真空，当真空计显示设计值（1Pa）时，停止抽气；随后对管路通气，当气压表达到0.15Mpa时，停止供气。
5.停止供气后，打开隔离阀A2，随后打开截止阀A1，燃料输运至装料机构。
6.计数器C2计数达20个时，关闭隔离阀A2，随后关闭截止阀B2。
卸料气氛切换工艺与以上描述类似。
3.2设备描述
燃料输运装置设备初步布置方案见图4，燃料输运装置设备包括：
输运管道及支撑件、隔离阀、截止阀及其辅助气装、燃料预处理装置、新燃料装料箱、碎球分离器、过球计数器、分流器、分配器、卸料贮存容器，同时还包括辅助真空系统和氩气供气系统等。
图4燃料输运装置设备初步布置图
3.3.1输运管路
燃料输运管路采用DN65规格，奥氏体不锈钢材质，其技术参数见表4。
燃料输运管路密封外漏率≤1×10-5Pa.m3/s，管道与设备连接法兰要考虑应力与形变影响。
表4燃料输运管路规格
类型
参数
主管道规格
DN65
材质
不锈钢
内径
≥62mm
管内粗糙度
6.3
管内径圆度公差
0.25mm
弯头曲率半径
≥300mm
椭圆度
小于1.03
直线度公差
1mm/m
3.3.2隔离阀
隔离阀的作用是隔离输运装置与装卸料装置气氛，阻止装卸料装置部分的气体进入输运系统。
选用密封球阀，其设计参数如下：
i.工作温度:
室温-500℃，
ii.工作压力0.2MPa
iii.工作介质：
99.99%氩气
iv.通径：
≥62mm
v.材质：
奥氏体不锈钢
vi.连接方式：
法兰连接
vii.操作方式：
气动
viii.泄漏率：
外漏
，内漏：
ix.使用寿命：
开关动作重复2000次后，应能保持其功能，即压力边界完整、动作正常、密封面、阀杆等无损伤、破裂、变形等，阀座处泄漏量不超过相关标准的规定值
x.开关频率：
48小时可开关200次,
xi.开关时间：
2s内完成开（关）动作
3.3.3截止阀
截止阀采用闸板阀，其作用是控制球的通过。
其设计参数如下：
i.工作温度:
室温-500℃，
ii.工作压力0.2MPa
iii.工作介质：
99.99%氩气
iv.通径：
≥62mm
v.材质：
奥氏体不锈钢
vi.连接方式：
法兰连接
vii.操作方式：
气动
viii.泄漏率：
外漏
ix.使用寿命：
开关动作重复2000次后，应能保持其功能，即压力边界完整、动作正常、密封面、阀杆等无损伤、破裂、变形等，阀座处泄漏量不超过相关标准的规定值
x.开关频率：
48小时可开关200次,
xi.开关时间：
2s内完成开（关）动作
3.3.4过球计数器
过球计数器的功能是记录通过的燃料元件数和监督燃料元件的运动状况。
它基于涡流检测原理，通以交变电流的线圈在空间产生交变的电磁场，当导电的模拟元件通过时，会在其内部激励出感应电动势从而产生涡流，元件中的涡流反过来会对线圈中的电流产生影响。
通过检测线圈中电流或线圈阻抗的变化，可以判断元件通过情况。
过球计数器主要设计参数如下：
i.检测方式：
非接触式
ii.球速检测范围：
0.1-10m/s
iii.工作温度：
室温-500℃
iv.准确性：
2000次过球准确率达到98%。
v.输出过球信号：
50ms脉冲信号
vi.过球信号传输缆线长度：
60m
3.3.5碎球分离器
碎球分离器用于分离不适于继续在堆中运行的破损和有缺陷的燃料元件，其主要采用机械方式自动识别和单列连续分离任意直径小于56.5mm破损燃料燃料元件。
碎球分离器的主要设计参数如下：
i.检测直径≤56.5mm
ii.工作温度：
室温-500℃
iii.工作气压：
0.2MPa
iv.工作介质：
99.99%氩气
v.检测准确率：
98%
3.3.6气动分配器
气动分配器通过压缩气体驱动内部元件，将入口与两个出口分别导通，进而实现将输送管道（与入口连接）送来的不同类型的燃料远近分配到不同的管道中（与乏燃料存储容器连接），以实现不同类型燃料元件的分别输送、贮存。
气动分配器主要设计参数如下：
i.工作温度：
室温-500℃
ii.工作压力：
0.2MPa
iii.工作介质：
99.99%氩气
iv.驱动方式：
气体驱动
3.3.7预处理装置
为了去除燃料元件基体材料中吸附的水汽和氧气，防止造成熔盐的水氧污染，在仿真燃料元件装料前，需作脱水除氧处理。
燃料预处理装置的设计参数如下
i.处理能力为500个/天
ii.水氧总含量不高于30ppm；
iii.真空除气时真空度≤10Pa；
iv.加热温度范围室温至500℃。
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