[發明專利]一種液態金屬鈉高功率加熱系統及其調節方法

有效

• 申請號: 201810037587.1
• 申請日: 2018-01-15
• 公開（公告）號: CN108286799B
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發明（設計）人: 蘇光輝;向延;張大林;王明軍;張魁;田文喜;秋穗正
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F24H1/20
• 分類號: F24H1/20;F24H1/14;F24H9/00;F24H9/12;F24H9/18;F24H9/20
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

一種液態金屬鈉高功率加熱系統及其調節方法，包括多個高功率加熱器，每個加熱器功率為4.2MW，共分為多個加熱單元。每個加熱單元包括電加熱器，進口閥、出口閥、旁通閥。每個加熱單元串聯連接，最后一個加熱單元連接再熱器，再熱器進一步調節鈉出口溫度。電加熱系統引入了氬氣保護，隔絕了空氣及其他氣體與液態鈉的反應，同時在大幅度甩負荷、降負荷、升負荷等操作中維持了加熱器的壓力穩定。整個加熱系統調節采用通斷式、高功率粗調、低功率細調的“三步走”方案，并引入了自動反饋調節，使得整個加熱系統的鈉出口溫度能夠達到實驗工況的要求。整個加熱系統經濟高效、安全可靠，可操作性強。

技術領域

本發明涉及液態金屬加熱技術領域，具體涉及一種液態金屬鈉高功率加熱系統及其調節方法

背景技術

鈉冷快堆通常采用鈉-鈉-水的回路設計，鈉-水蒸汽發生器是二回路和三回路的重要樞紐，它將反應堆產生的熱量加熱主給水產生蒸汽，從而推動汽輪機做功。同時蒸汽發生器還是分隔二回路和三回路的重要屏障，一旦傳熱管破裂將會引起嚴重的鈉水反應，嚴重影響核電站運行的可用性、經濟性及可靠性。大量的文獻調研發現，在鈉冷快堆蒸汽發生器研究方面，較早發展快堆的幾個國家均開展了大量的研究工作，在蒸汽發生器試驗中，很多國家利用燃氣加熱的方式代替反應堆輸出的熱量。日本SGTF(Steam Generator TestFacility)臺架功率為50MW，按文殊堆1/5功率設計，采用燃氣加熱，鍋爐進口鈉溫 390℃，出口鈉溫540℃。印度SGTF(Steam Generator Test Facility) 臺架功率為5.5MW，采用燃氣加熱，將鈉從355℃加熱至525℃。美國SGTR(Steam Generator Test Rig)試驗臺架功率為2MW，同樣采用火焰加熱器。燃氣鍋爐進出口鈉溫分別約為308℃和505℃，流量 524t/h。荷蘭SCTF(Sodium Component Test Facility for testing of steam generator)試驗臺架功率為50MW，其火焰加熱器功率58MW，鈉溫從343.5℃升至650℃，流量1800m³/h。火焰加熱方式主要存在鍋爐的匹配和加工問題，同時引入鍋爐在運行和安全上增加了大量不確定度，提高了試驗風險評估的層次，增大了發生重大事故的概率。

目前國內常規壓水堆的蒸汽發生器研發采用燃油或高溫蒸汽加熱，由于鈉介質化學性質活潑，在蒸汽加熱器內發生鈉泄漏會形成劇烈的鈉水反應引起氫氣爆炸，造成嚴重后果。

根據現有實驗運行經驗，鈉工質的電加熱方式有三種：電加熱絲加熱，加熱絲纏繞在容器或管道上由徑向導熱將流體溫度增加至額定工況，加熱絲單根加熱功率較小，容器的表面容積有限，而且在徑向導熱的同時會向環境進行輻射換熱，流體需要的加熱溫度高達505℃，加熱絲表面溫度更高，輻射換熱損失較大，加熱絲加熱適用于小功率低溫加熱；管內多級加熱，內管中鈉流動換熱，內管與外管之間填充氧化鎂粉末，起到絕緣和導熱的作用，外管通電加熱，表面熱流密度較大，與加熱絲加熱方式同樣存在輻射換熱損失較大的影響，另外由于加熱段采用的多級加熱，若加熱段的加工出現問題，導致管內的鈉帶電，則整個回路可能會出現電擊等安全事故,同時由于在整個實驗加熱功率較高，需要的加熱段長度較長，帶來較大的流動阻力，整個加熱方式為串聯多級加熱，任何一段加熱段出現問題都會影響整個加熱段的安全。該種加熱方式適用于低功率精細化調節；加熱棒加熱，加熱棒插入加熱容器，加熱棒的加熱環境為高溫鈉介質，輻射換熱損失小。

發明內容

本發明的目的是克服上述燃氣或蒸汽加熱的缺點，提供了一種液態金屬鈉高功率加熱系統及其調節方法，本發明通過合理布置加熱棒和選取合適的加熱及其調節方式，滿足現有鈉冷快堆蒸汽發生器、熱交換器等大型設備研發試驗驗證的需要，提供代替核能的常規能源進行試驗，加熱器設計簡單易行，切實有效，安全性和經濟性較高。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：