[發(fā)明專利]液態(tài)金屬鈉高功率加熱系統(tǒng)及加熱方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910075492.3
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號(hào): CN109855283A
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張大林;張衍;蘇光輝;田文喜;秋穗正
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): F24H1/10
• 分類號(hào): F24H1/10;F24H9/18;F24H9/20;B01L7/00
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會(huì)俠

液態(tài)金屬鈉高功率加熱系統(tǒng)及加熱方法，包括四個(gè)高功率加熱器，每個(gè)加熱單元包括電加熱器，進(jìn)口閥、出口閥、旁通閥，每個(gè)加熱單元之間串聯(lián)連接；每個(gè)加熱器中液態(tài)金屬鈉在立式螺旋形盤管中流動(dòng)，盤管內(nèi)部和外部分別布置有鎳絡(luò)合金制成的加熱絲，對盤管中流體進(jìn)行內(nèi)外輻射加熱；液態(tài)金屬鈉管道全程沒有貫穿件和焊縫，同時(shí)電加熱系統(tǒng)引入了氮?dú)獗Ｗo(hù)，隔絕了空氣及其他氣體與液態(tài)鈉的反應(yīng)，最大程度上減小了鈉泄漏的風(fēng)險(xiǎn)和少量鈉泄漏的后果；整個(gè)加熱系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)采用通斷式、高功率粗調(diào)、低功率細(xì)調(diào)的“三步走”方案，并引入了自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)，使得整個(gè)加熱系統(tǒng)的鈉出口溫度能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)工況的要求。整個(gè)加熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)高效、安全可靠，可操作性強(qiáng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及液態(tài)金屬加熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種液態(tài)金屬鈉高功率加熱系統(tǒng)及加熱方法

背景技術(shù)

鈉冷快堆通常采用鈉-鈉-水的回路設(shè)計(jì)，鈉-水蒸汽發(fā)生器是二回路和三回路的重要樞紐，它將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量加熱主給水產(chǎn)生蒸汽，從而推動(dòng)汽輪機(jī)做功。同時(shí)蒸汽發(fā)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(huì)引起嚴(yán)重的鈉水反應(yīng)，嚴(yán)重影響核電站運(yùn)行的可用性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性。大量的文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在蒸汽發(fā)生器試驗(yàn)中，很多國家利用燃?xì)饧訜岬姆绞酱娣磻?yīng)堆輸出的熱量。日本SGTF(Steam GeneratorTest Facility)臺(tái)架功率為50MW，按文殊堆1/5功率設(shè)計(jì)，采用燃?xì)饧訜?，鍋爐進(jìn)口鈉溫390℃，出口鈉溫540℃。印度SGTF(Steam Generator Test Facility)臺(tái)架功率為5.5MW，采用燃?xì)饧訜?，將鈉從355℃加熱至525℃。美國SGTR(Steam Generator Test Rig)試驗(yàn)臺(tái)架功率為2MW，同樣采用火焰加熱器。燃?xì)忮仩t進(jìn)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(yàn)臺(tái)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?；鹧婕訜岱绞街饕嬖阱仩t的匹配和加工問題，同時(shí)引入鍋爐在運(yùn)行和安全上增加了大量不確定度，提高了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的層次，增大了發(fā)生重大事故的概率。

目前國內(nèi)常規(guī)壓水堆的蒸汽發(fā)生器研發(fā)采用燃油或高溫蒸汽加熱，由于鈉介質(zhì)化學(xué)性質(zhì)活潑，在蒸汽加熱器內(nèi)發(fā)生鈉泄漏會(huì)形成劇烈的鈉水反應(yīng)引起氫氣爆炸，造成嚴(yán)重后果。

根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，鈉工質(zhì)的電加熱方式主要有兩種，直接式加熱和輻射式加熱。直接式加熱是指直接將加熱棒插入鈉工質(zhì)中，通過鈉與加熱器表面的對流換熱傳遞熱量，這種加熱方式原理簡單，效率略高，熱量損失小，但是由于鈉是直接與加熱棒接觸的，并且加熱棒與鈉容器筒體連接處需要的焊縫數(shù)量很大，一旦加熱棒與筒體焊接處出現(xiàn)泄漏將會(huì)直接導(dǎo)致液態(tài)金屬鈉泄漏到外界環(huán)境中，產(chǎn)生巨大安全隱患。輻射式加熱器設(shè)計(jì)中液態(tài)金屬鈉是與加熱棒分開的，鈉在獨(dú)立的鈉通道中流動(dòng)，加熱棒在鈉通道外部通過輻射換熱為鈉提供熱量，這種加熱方式由于輻射換熱熱效率相比對流換熱較小，而且熱量泄漏比例也太高于直接式加熱，因此加熱效率要比直接式低。另外，直接式加熱器設(shè)計(jì)比較緊湊，因此整個(gè)加熱器總體積相比輻射式加熱器要小很多。輻射式加熱器最重要的優(yōu)點(diǎn)在于液態(tài)金屬鈉不與加熱棒直接接觸，鈉通道筒體上貫穿焊縫很少，因此泄漏概率要小很多，甚至就算發(fā)生泄漏也還有最外層的保溫筒體作為保護(hù)，安全性相比直接式加熱器要高很多。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服上述燃?xì)饣蛘羝訜岬娜秉c(diǎn)，提供了一種輻射式液態(tài)金屬鈉高功率加熱系統(tǒng)及加熱方法，本發(fā)明通過合理布置液態(tài)金屬鈉管道和加熱棒，選取合適的加熱及其調(diào)節(jié)方式，滿足現(xiàn)有鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器、熱交換器等大型設(shè)備研發(fā)試驗(yàn)驗(yàn)證的需要，提供代替核能的常規(guī)能源進(jìn)行試驗(yàn)，加熱器設(shè)計(jì)簡單易行，切實(shí)有效，安全性和經(jīng)濟(jì)性較高。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：