1.本发明涉及核反应堆氦气净化领域，具体涉及一种氦气净化系统及运行方法。
背景技术：2.在核反应堆中，氦气可以作为一回路的冷却剂，用来传送反应堆堆芯的热量。核反应堆运行过程中，氦气中会逐渐混入来自各类污染源的杂质，例如氢气、一氧化碳、氮气、甲烷以及放射性核素kr和xe的同位素等。上述杂质会对核反应堆的运行带来不利影响，因此核反应堆往往需要配备氦气净化系统。
3.高温气冷堆示范工程htr-pm氦气净化系统主要包括三道净化工序，三道净化工序分别通过氧化铜床和电加热器、冷却器和分子筛床、低温吸附器(深冷活性炭床)实现对氦气的净化。其中：过氧化铜床和电加热器用于将氦气中的杂质氢气和一氧化碳分别转化为水和二氧化碳；冷却器和分子筛床用于将含有杂质水和二氧化碳的氦气经过一次冷却、二次冷却、气-水分离、分子筛床吸附后，去除其中的杂质水和二氧化碳；低温吸附器(深冷活性炭床)用于对氦气中的其余杂质进行去除。
4.上述氦气净化系统运行一段时间后，分子筛床会达到饱和，因此需要将分子筛床定期从系统中隔离出来，使用再生系统对分子筛床的吸附能力进行再生。而分子筛床的再生过程存在以下问题：再生流程工艺复杂，所需设备较多；再生过程一般需要几十个小时，耗时较长；分子筛床再生无法完全去除其中的水和二氧化碳，其中残余的水或二氧化碳可能在系统下游的管道内结冰，导致下游管道堵塞。
技术实现要素：5.本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：现有的氦气净化系统中，一般采用冷却器和分子筛床来对氦气中的杂质水和二氧化碳进行去除，分子筛床需要定期再生，而分子筛床的再生过程较为复杂、耗时长，且再生效果不好。
6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
7.为此，本发明实施例提出一种氦气净化系统，该氦气净化系统通过冷凝分离的方式去除氦气中的水和二氧化碳，无需使用分子筛床，使用较为方便。
8.本发明实施例还提出了两种氦气净化系统的运行方法。
9.本发明实施例的氦气净化系统包括第一单元、第二单元、第三单元、第四单元和第一管路。所述第一单元适于输入待净化氦气，并将所述待净化氦气中的氢和一氧化碳分别转化为水蒸气和二氧化碳后输出第一氦气；
10.所述第二单元与所述第一单元连接，所述第二单元包括第一换热器和第一容器，所述第一换热器适于将所述第一氦气冷却至第一温度范围，所述第一容器与所述第一换热器连接，并适于接收由所述第一氦气中冷凝出的液态水或冰，所述第二单元输出第二氦气；
11.所述第三单元与所述第二单元连接，所述第三单元包括第二换热器和第二容器，所述第二换热器适于将所述第二氦气冷却至第二温度范围，所述第二容器与所述第二换热
器连接，并适于接收由所述第二氦气中冷凝出的液态二氧化碳，所述第三单元输出第三氦气；
12.所述第四单元与所述第三单元连接，且至少部分所述第三氦气进入所述第四单元，所述第四单元适于去除所述第三氦气中的剩余杂质，并输出纯净氦气；
13.所述第一管路与所述第四单元连接并适于接收所述纯净氦气，所述第一管路依次与所述第二换热器、所述第一换热器连接，且所述第一管路中的所述纯净氦气适于冷却所述第二氦气、所述第一氦气。
14.本发明实施例的氦气净化系统中，第二单元包括第一换热器和第一容器，含有水蒸气和二氧化碳的氦气在第一换热器内能够被冷却到第一温度范围，在第一温度范围内，氦气中的水蒸气转化为液态水或冰，第一容器与第一换热器连接，对从氦气中冷凝出的液态水或冰进行收集，最终实现对氦气中水蒸气的去除。
15.第三单元包括第二换热器和第二容器，含有二氧化碳的氦气在第二换热器内能够被冷却到第二温度范围，在第二温度范围内，氦气中的二氧化碳转化为液态，第二容器与第二换热器连接，对从氦气中冷凝出的液态人氧化碳进行收集，最终实现对氦气中水蒸气二氧化碳的去除。
16.通过设置第二单元、第三单元对氦气中的水蒸气和二氧化碳进行去除，无需使用分子筛床，解决了分子筛床需要定期再生，且再生过程复杂、耗时长的问题。设置第一回路能够通过纯净氦气冷却未净化完成的氦气，节约了能源。
17.在一些实施例中，所述氦气净化系统包括第二管路，所述第二管路连接于所述第三氦气出口侧和所述第一换热器的纯净氦气出口侧，且所述第二管路上设有第一调节阀。
18.在一些实施例中，所述第四单元包括液氮罐和活性炭床，所述活性炭床设于所述液氮罐内，所述液氮罐适于冷却进入所述活性炭床的所述第三氦气，所述活性炭床适于吸附所述剩余杂质。
19.在一些实施例中，所述氦气净化系统包括第三管路，所述第三管路与所述液氮罐连接，并适于接收所述液氮罐中产生的低温氮气，所述第三管路依次与所述第二换热器、所述第一换热器连接，且所述低温氮气适于冷却所述第二氦气、所述第一氦气。
20.在一些实施例中，所述氦气净化系统包括第四管路，所述第四管路连接于所述液氮罐的低温氮气出口侧和所述第一换热器的低温氮气进口侧，且所述第四管路上设有第二调节阀。
21.在一些实施例中，所述第一温度范围为-10至-2摄氏度。
22.在一些实施例中，所述第二温度范围为-80至-70摄氏度。
23.在一些实施例中，所述第一换热器和所述第二换热器均为管壳式换热器，且所述第一换热器和所述第二换热器的外周均设有换热盘管，所所述换热盘管适于供所述低温氮气流通。
24.本发明实施例的氦气净化系统的运行方法之一为：
25.当一回路中氦气的杂质浓度低于设定值时，调节第一调节阀至设定开度，部分所述第三氦气通过所述第二管路汇入所述纯净氦气。通过调节第一调节阀开度使部分第三氦气直接汇入纯净氦气，能够降低第四单元对氦气的处理量，较为节能。
26.本发明实施例的氦气净化系统的运行方法之二为：
27.当所述第一换热器内的所述第一氦气温度高于设定温度时，增大所述第二调节阀的开度，以增大流经所述第一换热器的所述低温氮气的流量。增大第二调节阀使得更多的低温氮气直接流入第一换热器，实现对第一换热器内的第一氦气的温度进行调节，较为方便。
附图说明
28.图1是本发明实施例的氦气净化系统的示意图。
29.图中：
30.100、第一单元；11、过滤器；12、电加热器；13、氧化铜床；
31.200、第二单元；21、氮气热交换器；22、氦-氮热交换器；23、第一换热器；24、第一出口；
32.300、第三单元；31、第二换热器；32、第二出口；
33.400、第四单元；41、液氮罐；42、活性炭床；
34.5、第一管路；6、第二管路；61、第一调节阀；7、第三管路；8、第四管路；81、第二调节阀。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.如图1所示，本发明实施例的氦气净化系统包括第一单元100、第二单元200、第三单元300、第四单元400和第一管路5。第一单元100适于输入待净化氦气，并将待净化氦气中的氢和一氧化碳分别转化为水蒸气和二氧化碳后输出第一氦气。
37.如图1所示，第一单元100可以包括依次连接的过滤器11、电加热器12和氧化铜床13。过滤器11能够将待净化氦气中的颗粒杂质滤除，起到对下游设备进行保护的作用。过滤器11采用的过滤方式可以为活性炭过滤、烧结不锈钢滤芯过滤等。
38.经过滤器11过滤后的氦气进入到电加热器12中加热，电加热器12用于将氦气加热至后续反应所需温度，加热后的氦气进入氧化铜床13中，氧化铜床13内装有铜基催化剂，在铜基催化剂的作用下，氦气中的氢和一氧化碳转化为水蒸气和二氧化碳。
39.如图1所示，第二单元200与第一单元100连接，第二单元200包括第一换热器23和第一容器，第一换热器23适于将第一氦气冷却至第一温度范围，第一容器与第一换热器23连接，并适于接收由第一氦气中冷凝出的液态水或冰，第二单元200输出第二氦气。
40.第一换热器23可以为管壳式换热器，第一氦气可以在第一换热器23的壳程流通，管程内可以流通有低温流体，低温流体与第一氦气进行换热并将第一氦气冷却至第一温度范围，在第一温度范围，第一氦气中的水蒸气转化为水或冰。第一容器可以与第一换热器23的壳程连通，第一氦气中冷凝出的水或冰流入到第一容器内。第一容器上可以设有第一出口24，第一出口24用于定期将第一容器内的水或冰排出。
41.如图1所示，第三单元300与第二单元200连接，第三单元300包括第二换热器31和第二容器，第二换热器31适于将第二氦气冷却至第二温度范围，第二容器与第二换热器31连接，并适于接收由第二氦气中冷凝出的液态二氧化碳，第三单元300输出第三氦气。
42.第二换热器31也可以为管壳式换热器，第二氦气可以在第二换热器31的壳程流通，管程内可以流通有低温流体，低温流体与第二氦气进行换热并将第二氦气冷却至第二温度范围，在第二温度范围，第二氦气中的二氧化碳变为液态。第二容器可以与第二换热器31的壳程连通，第二氦气冷凝处的液态二氧化碳流入到第二容器内。第二容器上可以设有第二出口32，第二出口32用于定期将第二容器内的水或冰排出。
43.如图1所示，第四单元400与第三单元300连接，且至少部分第三氦气进入第四单元400，第四单元400适于去除第三氦气中的剩余杂质，并输出纯净氦气。第四单元400用于去除第三氦气中的剩余杂质，以使一回路中的氦气杂质含量处于许可含量范围内。
44.如图1所示，第一管路5与第四单元400连接并适于接收纯净氦气，第一管路5依次与第二换热器31、第一换热器23连接，且第一管路5中的纯净氦气适于冷却第二氦气、第一氦气。
45.设置第一管路5将纯净氦气输送回第二换热器31、第一换热器23的目的在于回收纯净氦气中的冷量，节约能源。同时，释放冷量后的纯净氦气温度更接近于一回路中氦气的温度，使得一回路的运行更加稳定。
46.本发明实施例的氦气净化系统中，第二单元200包括第一换热器23和第一容器，含有水蒸气和二氧化碳的氦气在第一换热器23内能够被冷却到第一温度范围，在第一温度范围内，氦气中的水蒸气转化为液态水或冰，第一容器与第一换热器23连接，对从氦气中冷凝出的液态水或冰进行收集，最终实现对氦气中水蒸气的去除。
47.第三单元300包括第二换热器31和第二容器，含有二氧化碳的氦气在第二换热器31内能够被冷却到第二温度范围，在第二温度范围内，氦气中的二氧化碳转化为液态，第二容器与第二换热器31连接，对从氦气中冷凝出的液态人氧化碳进行收集，最终实现对氦气中水蒸气二氧化碳的去除。
48.通过设置第二单元200、第三单元300对氦气中的水蒸气和二氧化碳进行去除，无需使用分子筛床，解决了分子筛床需要定期再生，且再生过程复杂、耗时长的问题。设置第一回路能够通过纯净氦气冷却未净化完成的氦气，节约了能源。
49.在一些实施例中，如图1所示，氦气净化系统包括第二管路6，第二管路6连接于第三氦气出口侧和第一换热器23的纯净氦气出口侧，且第二管路6上设有第一调节阀61。
50.由于氦气净化系统为串接在一回路中运行，当检测装置检测到一回路总的氦气杂质含量远低于设定含量时，可以控制第一调节阀61的开度以使部分第三氦气进入到第四单元400中净化，其余氦气直接越过第四单元400在一回路中继续循环。这样设置的目的在于减小第四单元400对氦气的处理量，例如，当第四单元400通过液氮对第三氦气进行冷却以去除其中的剩余杂质时，上述设置可以有效降低液氮的蒸发量，进而降低了系统的运行成本。
51.在一些实施例中，如图1所示，第四单元400包括液氮罐41和活性炭床42，活性炭床42设于液氮罐41内，液氮罐41适于冷却进入活性炭床42的第三氦气，活性炭床42适于吸附剩余杂质。设置液氮罐41能够进一步对第三氦气进行降温，活性炭床42在低温环境下对第三氦气中的杂质吸附效果更好。
52.在一些实施例中，如图1所示，氦气净化系统包括第三管路7，第三管路7与液氮罐41连接，并适于接收液氮罐41中产生的低温氮气，第三管路7依次与第二换热器31、第一换
热器23连接，且低温氮气适于冷却第二氦气、第一氦气。设置第三管路7能够通过低温氮气对第二氦气、第一氦气进行冷却，进而达到回收低温氮气中的冷量、节约能源目的。从第三管路7流出的氦气可以收集备用或者通过排风管道排走。
53.在一些实施例中，如图1所示，氦气净化系统包括第四管路8，第四管路8连接于液氮罐41的低温氮气出口侧和第一换热器23的低温氮气进口侧，且第四管路8上设有第二调节阀81。
54.设置第四管路8的目的在于调节低温氮气流经第一换热器23、第二换热器31的流量，例如，当第一换热器23内的第一氦气的温度高于第一温度范围时，增大第二调节阀81的开度，使较多的低温氮气越过第二换热器31直接流向第一换热器23，低温氮气对第一氦气的冷却效果加强，使第一氦气的温度稳定在第一温度范围内。
55.在一些实施例中，第一温度范围为-10至-2摄氏度。在此温度范围内，第一氦气中的水蒸气能够有效地转化为水或冰，同时较为节能。
56.在一些实施例中，第二温度范围为-80至-70摄氏度。在此温度范围内，第二氦气中的二氧化碳能够有效地转化为液态，同时较为节能。
57.在一些实施例中，如图1所示，第一换热器23和第二换热器31均为管壳式换热器，且第一换热器23和第二换热器31的外周均设有换热盘管，所换热盘管适于供低温氮气流通。第一氦气和第二氦气分别走第一换热器23和第二换热器31的壳程，纯净氦气走管程，低温氮气走换热盘管并与需要净化的氦气进行换热。在低温氮气和纯净氦气的双重冷却作用下，第一氦气和第二氦气能够分别达到第一温度范围和第二温度范围，且上述管壳式换热器的布置结构较为紧凑，节省空间。
58.在一些实施例中，如图1所示，第一单元100还包括氮气热交换器21和氦-氮热交换器22。氮气热交换器21设于氧化铜床13之后，用于将从第一换热器23中排出的纯净氦气与从氧化铜床13中排出的第一氦气进行换热，起到对第一氦气进行预冷的作用，具体地将第一氦气的温度冷却至50-80摄氏度。同时在氮气热交换器21中，纯净氦气被加热至与第一回路中氦气接近的温度。
59.氦-氮热交换器22设于氮气热交换器21和第一换热器23之间，用于将从氮气热交换器21中排出的第一氦气与从第一换热器23中排出的低温氮气进行换热。设置氦-氮热交换器22将第一氦气进一步预冷，同时进一步回收低温氮气中的冷量，降低能耗。从氦-氮热交换器22中排出的低温氮气可以收集备用或者通过管道排走。
60.下面描述本发明实施例的两种氦气净化系统的运行方法。
61.本发明实施例的氦气净化系统的运行方法之一为：
62.当一回路中氦气的杂质浓度低于设定值时，调节第一调节阀61至设定开度，部分第三氦气通过第二管路6汇入纯净氦气。通过调节第一调节阀61开度使部分第三氦气直接汇入纯净氦气，能够降低第四单元400对氦气的处理量，较为节能。例如当第四单元400包括液氮罐41时，上述设置能够有效减小液氮的蒸发，降低液氮的消耗。
63.本发明实施例的氦气净化系统的运行方法之二为：
64.当第一换热器23内的第一氦气温度高于设定温度时，增大第二调节阀81的开度，以增大流经第一换热器23的低温氮气的流量。增大第二调节阀81使得更多的低温氮气直接流入第一换热器23，实现对第一换热器23内的第一氦气的温度进行调节，较为方便。
65.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
66.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。
67.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
68.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
69.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
70.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
技术特征：1.一种氦气净化系统，其特征在于，包括：第一单元，所述第一单元适于输入待净化氦气，并将所述待净化氦气中的氢和一氧化碳分别转化为水蒸气和二氧化碳后输出第一氦气；第二单元，所述第二单元与所述第一单元连接，所述第二单元包括第一换热器和第一容器，所述第一换热器适于将所述第一氦气冷却至第一温度范围，所述第一容器与所述第一换热器连接，并适于接收由所述第一氦气中冷凝出的液态水或冰，所述第二单元输出第二氦气；第三单元，所述第三单元与所述第二单元连接，所述第三单元包括第二换热器和第二容器，所述第二换热器适于将所述第二氦气冷却至第二温度范围，所述第二容器与所述第二换热器连接，并适于接收由所述第二氦气中冷凝出的液态二氧化碳，所述第三单元输出第三氦气；第四单元，所述第四单元与所述第三单元连接，且至少部分所述第三氦气进入所述第四单元，所述第四单元适于去除所述第三氦气中的剩余杂质，并输出纯净氦气；第一管路，所述第一管路与所述第四单元连接并适于接收所述纯净氦气，所述第一管路依次与所述第二换热器、所述第一换热器连接，且所述第一管路中的所述纯净氦气适于冷却所述第二氦气、所述第一氦气。2.根据权利要求1所述的氦气净化系统，其特征在于，包括第二管路，所述第二管路连接于所述第三氦气出口侧和所述第一换热器的纯净氦气出口侧，且所述第二管路上设有第一调节阀。3.根据权利要求2所述的氦气净化系统，其特征在于，所述第四单元包括液氮罐和活性炭床，所述活性炭床设于所述液氮罐内，所述液氮罐适于冷却进入所述活性炭床的所述第三氦气，所述活性炭床适于吸附所述剩余杂质。4.根据权利要求3所述的氦气净化系统，其特征在于，包括第三管路，所述第三管路与所述液氮罐连接，并适于接收所述液氮罐中产生的低温氮气，所述第三管路依次与所述第二换热器、所述第一换热器连接，且所述低温氮气适于冷却所述第二氦气、所述第一氦气。5.根据权利要求4所述的氦气净化系统，其特征在于，包括第四管路，所述第四管路连接于所述液氮罐的低温氮气出口侧和所述第一换热器的低温氮气进口侧，且所述第四管路上设有第二调节阀。6.根据权利要求2所述的氦气净化系统，其特征在于，所述第一温度范围为-10至-2摄氏度。7.根据权利要求2所述的氦气净化系统，其特征在于，所述第二温度范围为-80至-70摄氏度。8.根据权利要求4所述的氦气净化系统，其特征在于，所述第一换热器和所述第二换热器均为管壳式换热器，且所述第一换热器和所述第二换热器的外周均设有换热盘管，所所述换热盘管适于供所述低温氮气流通。9.一种氦气净化系统运行方法，其特征在于，包括权利要求2-8中任意一项所述的氦气净化系统，当一回路中氦气的杂质浓度低于设定值时，调节第一调节阀至设定开度，部分所述第三氦气通过所述第二管路汇入所述纯净氦气。10.一种氦气净化系统运行方法，其特征在于，包括权利要求5所述的氦气净化系统，当
所述第一换热器内的所述第一氦气温度高于设定温度时，增大所述第二调节阀的开度，以增大流经所述第一换热器的所述低温氮气的流量。
技术总结本发明公开了一种氦气净化系统及运行方法。本发明的氦气净化系统中，第一单元将待净化氦气中的氢和一氧化碳分别转化为水蒸气和二氧化碳；第二单元和第三单元通过冷凝分离的方式分别去除水和二氧化碳；第四单元用于去除掉氦气中的剩余杂质并输出纯净的氦气；第一管路能够将纯净氦气送回并并用于冷却未净化完成的氦气。上述通过冷凝分离的方式避免了分子筛床的使用，较为方便；设置第一回路回收了纯净氦气的冷量，较为节能。系统中设有调节阀，运行时可以根据一回路中的杂质含量调节第一调节阀的开度以减小液氮消耗；通过调整第二调节阀可以控制第一单元中氦气的温度，使用较为方便。便。便。
技术研发人员：许杰 雷伟俊 张振鲁 肖三平 孙惠敏
受保护的技术使用者：华能核能技术研究院有限公司
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
