CN101702330B - 一种球床反应堆燃料元件气力输送减速的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球床反应堆燃料元件气力输送减速的方法及系统，属于核反应堆燃料输送技术领域。沿着输送管道燃料元件运行方向，设备或元件包括入口过球测速器、前、终端气体分流器、减速弯管、出口过球测速器；前端气体分流器和中端气体分流器引出的气流管道上装有调节阀和流量计。利用前端气体分流器的引流，在减速系统燃料元件输送管路中形成气动推力突降，借助管道机械结构达到减速目的。主控程序通过过球测速器、调节阀、流量计的反馈值判断减速系统工作的启停，并且计算、输出调节阀的调节量，控制燃料元件出口速度。该系统实现了多工况燃料元件减速比的可调性，减速效果明显，能够适应反应堆燃料元件运行高可靠、高安全性要求。

Description

一种球床反应堆燃料元件气力输送减速的方法及系统

技术领域

本发明专利涉及核反应堆燃料输送技术，特别涉及球床反应堆燃料元件气力输送旁通分流减速方法及系统。

背景技术

模块化高温球床气冷堆是目前正在研究开发的第四代新型核反应堆，是当前世界公认的固有安全性最高的核反应堆型。此堆型核燃料元件输送的最大特点是：依靠气力输送系统提供的气压推力或燃料自重实现燃料元件(球状)循环加料与卸料。堆芯外部管路系统中，燃料元件在高速气流推动下从堆芯的底部运行至顶部。为了避免管路系统出口燃料元件冲击其它系统的设备以及提高燃料球自身完整性，输送系统设计时对燃料元件的出口最大运行速度进行了限制。然而，系统高速气流的引入以及球形燃料元件特殊外形使得仅依靠输送管路结构很难安全地将燃料元件出口运行速度降到设计安全值以下，这给燃料元件输送系统以及整个反应堆运行带来了安全隐患，为此需要设计一种结构简单、运行高可靠性的燃料元件减速系统。

已有一项球床堆燃料元件减速的发明(ZL 02805719.8)，这种减速系统在位于反应堆压力容器内燃料元件输送管的排出端引入与燃料元件运动方向相返的逆向气流，高速运行的燃料元件在逆向气流的作用下速度降低至安全值以下。该发明的不足为：这种减速系统安装在反应堆压力壳内部，为此，多条逆向气流引入和输出管线需穿过堆芯压力壳边界，这就增加了管路系统结构复杂性以及设备维修的难度。另外，这种减速系统不能实现燃料元件运行速度的检测，燃料元件出口速度的调节具有不确定性。

发明内容

本发明的目的为：克服已有技术的不足，提出一种在堆芯压力容器外部进行燃料元件减速的方法及相应的系统，该方法使得燃料元件通过此系统后获得较大减速、减速程度可调、系统结构及控制逻辑简单，能够保证燃料元件高可靠、高安全输送。

本发明的特征在于提出了一种球床反应堆燃料元件气力输送减速的方法，该减速方法包括：

燃料元件在主提升气流的作用下沿着压力容器外部的气力输送管线，从底部向顶部运行，在进入压力容器前从主提升气流中引出部分分气流，燃料元件气力输送管中仍保留部分分流后的主提升气流，并且其输送方向同燃料元件运行方向一致；燃料元件运行至压力容器之前，分流后的主气流被全部引出燃料元件输送管，燃料元件依靠重力进入压力容器；

燃料元件从主提升气流区进入分流后的主提升气流区时瞬间失去气动推力，并通过弯管管道内壁减速作用使得燃料元件进入堆芯或其它压力容器前将速度降到设计安全值以下。

通过控制从主提升气流引出的分气流流量，达到改变燃料元件输送管路中分流后的主提升气流平均流速的目的，并且使其调整在小于燃料元件的运行速度、大于燃料元件在管路中的悬浮速度的范围以内，并接近燃料元件输送的悬浮速度。此分流后的主提升气流用以保证燃料元件能够获得通过输送管道的动力。

本发明的特征还在于，依据以上提出的分流减速原理设计了一种球床堆燃料元件气力输送旁通分流减速系统，该减速系统，沿着燃料元件运动方向依次安装的设备或元件包括：入口过球测速器1、前端气体分离器2、终端气体分离5、出口过球测速器4，以上设备或元件包括连接管道，构成减速系统燃料元件输送及主提升气流通道20；减速系统中入口过球测速器1靠近燃料元件及主气流入口端19；出口过球测速器4靠近减速系统出口端13，并与压力容器进料缓冲管11连接，压力容器进料缓冲管11穿过压力容器12的边界；前端气体分离器2和终端气体分离器5引出两气体支路；前端气体分离器2引出的气体支路上设置了分气流调节阀9、分气流流量计8，终端气体分离器5引出的气体支路上设置了主气流调节阀6、主气流流量计7；

入口过球测速器1和出口过球测速器4分别用于测量燃料元件进入和离开减速系统时的速度，前端气体分离器2和终端气体分离器5用于从燃料元件输送管中引出气流；主气流调节阀6和分气流调节阀9用于气流管中的流量调节；主气流流量计7和分气流流量计8用于测量气路中气流的流量；

主气流调节阀6和分气流调节阀9的开度大小控制减速系统燃料元件输送管中分流后的主气流平均速度以及分量流量的大小，进而改变燃料元件在减速系统中的运行状态，调节出口13运行速度。

前端气体分离器2和终端气体分离5之间设置减速弯管3，增加燃料元件的制动阻力。

前端气体分离器2和终端气体分离器5引出两气体支路在接口17汇合后进入气流回流管。

高压气体的流向是：主气流进入减速系统后首先经过入口过球测速器1，经过前端气体分流器2后分为两路，一路为分流后的主提升气流，与燃料球的流向相同，作为“储备”气动推力，经过减速弯管3、后端气体分流器5、主气流调节阀6以及主气流流量计7，与另外一路经过前端气体分流器后的分气流调节阀9和分气流流量计8的气体汇合后形成回流。

燃料元件输送的气体动力由压缩机或风机提供。

该减速系统控制装置的主程序接收入口过球测速器1、出口过球测速器4、主气流调节阀6、分气流调节阀9及主气流流量计7和分气流调节阀9的输出信号；主控程序接收入口过球测速器1的信号后，调用燃料元件运行速度计算程序，计算出燃料球的速度并与给定的系统安全运行允许速度作比较，如果速度小于安全允许值，减速系统不作任何动作；如果运动速度大于安全允许值，主控程序调用调节阀开度计算程序，根据入口过球测速器1和出口过球测速器4以及主气流流量计7和分气流流量计8的返回测量值，计算给出主气流调节阀6和分气流调节阀9的开度调节量，调节信号传给调节阀驱动机构调节阀的开度，减小燃料元件输送管中分流后的主气流的流量，最终达到改变输送管中燃料元件的运行速度，减小燃料元件出口速度的目的。

球床堆燃料元件气力输送旁通分流减速系统的优点：

1、燃料元件通过减速系统后可以获得较大减速比，同时，可根据系统运行不同工况进行燃料元件减速比的调节；

2、具有燃料元件气力输送安全运行监测功能。通过过球测速器采集燃料元件出口运动速度信息，流量计、调节阀采集气体流量及调节阀开度大小的信息并反馈给主控系统，作为调节燃料元件出口运动速度的依据；

3、系统结构及控制逻辑简单，能够保证球床堆气力输送燃料元件运行的高可靠、高安全要求。

附图说明

图1所示为球床堆燃料元件气力输送旁通分流减速系统结构示意图，

其中：1.入口过球测速器，2.前端气体分流器，3.减速弯管，4.出口过球测速器，5.终端气体分流，6.主气流调节阀，7.主气流流量计，8.分气流流量计，9.分气流调节阀，10.堆芯燃料区，11.进料缓冲管，12.压力容器(局部剖视图)，13.减速系统出口端，14.气流管道，15.分流后的主气流流向，16.分流的气流流向，17.气流接口，18.燃料元件(即燃料球)，19减速系统入口端(即燃料元件和主提升气流入口端)，20.燃料元件输送通道。

图中，实线箭头表示燃料元件运行方向，虚线箭头表示提升气流的运行方向(下同)。

图2所示为气体分流器结构简图，

其中：21.进球口，22.进球接管法兰，23.输球主管，24.气体仓室套管，25.气流支管，26.出气接管法兰，27.出气口，28.气体引流槽，29.出球口

图3所示为过球测速器工作原理图，

其中：31.输球管道，32.外套，33.通电线圈，34相关计数器

图4所示为引入旁通分流减速系统前后燃料元件减速效果对比，

旁通分流减速系统的主要参数为：供气气流平均流速：10m/s；主气流阀节阀(6)阻力系数：20；分气流阀节阀(9)阻力系数：5；燃料元件直径60mm；

图5所示为燃料元件运行速度与调节阀调节量的对应关系，

图4和图5横坐标表示旁通分流减速系统中沿燃料元件运行方向管线长度坐标，纵坐标表示燃料元件运行至减速系统管路相应坐标位置时的瞬态速度或分流后主提升气流瞬态流速。图5右边中部所给数值表示分气流调节阀(9)开度对应的阻力系数，图中1，1’至5，5’分别表示减速系统中燃料元件在管路中的瞬态运行速度和分流后主提升气流瞬态流速曲线。

图6所示为球床堆燃料元件气力输送旁通分流减速系统控制框图。

具体实施方式

本发明提出了一种球床反应堆燃料元件气力输送减速的方法，该减速方法包括：

燃料元件在主提升气流的作用下沿着堆芯或其它容器外的气力输送管线从底部向顶部高速运行；在接近堆芯或其它容器顶部入口前，从主提升气流中引出部分分气流，燃料元件输送管中仍保留部分主提升气流，并且其输送方向同燃料元件运行方向一致；燃料元件进入堆芯或其它容器之前，分流后的主气流全部引出燃料元件输送管，燃料元件依靠重力流入堆芯或其它容器；可以使分流后的主提升气流与引出的部分分气流汇合形成回流；主气流入口压力和回流气体的引出可以由压缩机或其它气体输送设备单独提供；

通过控制引出的分气流流量使分流后的主提升气流平均速度小于燃料元件的运行速度，并且大于燃料元件在管路中的悬浮速度；燃料元件从主提升气流区域进入分流后的主提升气流区域时将瞬间失去气动推力，并通过弯管管道内壁减速作用达到减速运行的目的，使得燃料元件进入堆芯或其它容器前将速度降到安全值以下；当燃料元件运行至提升管路系统终端时，分流后的主气流被引出燃料元件输送管，此后燃料元件将完全失去气动推力，依靠重力流入堆芯或其它容器；

减速方法的原理如下所述：

燃料元件在提升管平稳运行时存在延迟速度，及燃料元件运行速度小于主气流平均速度，由于延迟速度的存在使得燃料元件前后产生气体压力差，推动燃料元件沿管道中运行，因此，延迟速度是产生气动推力的必要条件。燃料元件从主提升气流区域进入分流后的主提升气流区域时，由于分流后管路中的主提升气流平均速度小于燃料元件运行速度，因此燃料元件将瞬间失去气动推力，并沿弯管内壁作减速运动，直到燃料元件的运行速度小于分流后的主提升气流平均速度时，重新获得气动推力。可以看出之所以保证分流后的主提升气流平均速度小于燃料元件的运行速度，是为了使燃料元件迅速失去气动推力，增加垂直弯管对燃料元件的减速作用；而保证分流后的主提升气流平均速度大于燃料元件在管路中的悬浮速度是为了将分流后的主提升气流作为“储备”气动推力，用以保证燃料元件能够运行至输送管路出口端，避免停滞在输送管路中出现运行事故。

球床反应堆燃料元件气力输送旁通分流减速系统安装在需要限制燃料元件运动速度的管路系统中，其硬件设备(或元件)包括：气体分流器、过球测速器、调节阀、流量计、各种管件等；软件部分主要包括：燃料元件运动速度控制主程序及其调节阀开度调节量计算程序。

过球测速器可以采用外装结构，如图3，直接装夹在管道外壁上。测速是基于电磁感应原理，输球管道外壁缠绕两束间距固定的螺线管，螺线管分别通以电流，在管道内部产生磁场，当燃料元件通过测速器时依次改变两螺线管磁阻，进而产生具有延迟时间Δt的两个电压信号，结合螺线管的间距L通过相关分析就可计算出燃料元件在距离L以内的平均运行速度。

气体分流器是用来引出部分(或全部)输送用气体的部件。如图2所示，气体分流器结构形式为套管型，输球主管23外焊接一气体仓室套管24，输球主管23内径大于燃料球18的外径，并且侧壁上开有多个气体引流槽28。主管两端22与燃料元件输送系统管道连接。球形燃料元件18可直接通过输球主管23，气流全部或部分通过气体引流槽28引出，从气流支管25中流出，进入气路管道17。

主气流调节阀6、分气流调节阀9用来调节气流流量，可以选择电动或手动，为了实现减速比的自动调节，其优选方式应当选取电动调节阀，可调比应较大，一般选择20，及气流支管中的最大流量与最小流量之比为20。

主气流流量计7、分气流流量计8用来检测气管中的气体流量，可以采用孔板流量计或流量喷嘴等。检测的流量信号通过压差变送器传至主控系统。

减速系统的管件主要包括各种直管、弯管3、法兰等，其主要作用是连结各种设备、保证燃料元件顺畅通过以及引导气流流向等。

以上设备与管道及管件的连接可以选择法兰或直接焊接的形式，为了保证一定的泄露率，应当尽量选择焊接连接。

沿着燃料元件运动方向，在输送管路上依次安装入口过球测速器1、前端气体分流器2、减速弯管3、终端气体分流器5、出口过球测速器4。以上设备或元件之间用输球管道连接，构成减速系统燃料元件输送通道20。减速系统中入口过球测速器1靠近燃料元件及主气流入口端19；出口过球测速器4靠近减速系统出口端13，并与堆芯或其它容器进料缓冲管11连接，堆芯或其它容器进料缓冲管11穿过堆芯或压力容器12的边界。

前端气体分离器2和终端气体分离器5引出两气体支路；前端气体分离器2引出的气体支路上设置了分气流调节阀9、分气流流量计8，终端气体分离器5引出的气体支路上设置了主气流调节阀6、主气流流量计7。

高压气体的流向是：主气流进入减速系统后首先经过入口过球测速器1，经过前端气体分流器2后分为两路，一路为分流后的主提升气流，与燃料球的流向相同，作为“储备”气动推力，经过减速弯管3、终端气体分流器5、主气流调节阀6以及主气流流量计7，与另外一路经过前端气体分流器、分气流调节阀和分气流流量计的气体在气流接口17汇合后形成回流。17、19两处气流的压降可以由单独的气体压缩机或风机提供。以上设备或元件之间用气流管道14连接。

入口过球测速器1和出口过球测速器4分别用于测量燃料元件进入和离开减速系统时的速度，前端气体分流器2、终端气体分流器5用于从燃料元件输送管中引出气流，减速弯管3用于增加燃料元件制动阻力，主气流调节阀6和分气流调节阀9用于气流管中的流量调节，主气流流量计7和分气流流量计8用于测量支路中气流的流量。过球测速器、流量计、调节阀的信号上传至主控系统。

图6为球床堆燃料元件气力输送旁通分流减速系统控制框图，减速系统运行过程描述如下：出口过球测速器4检测燃料元件到达时间差，信号上传至主控系统；主控程序调用燃料元件速度计算程序，计算出燃料球的速度并与给定的系统安全运行允许速度作比较，如果速度小于安全允许值，减速系统不作任何动作；如果运动速度大于安全允许值，主控程序调用调节阀开度计算程序，根据入口过球测速器1和出口过球测速器4以及主气流流量计7和分气流流量计8的返回测量值，计算给出主气流调节阀6和分气流调节阀9的开度调节量，调节信号传给调节阀驱动机构，调节阀的开度，减小燃料元件输送管中分流后的主气流的流量。实际运行过程可以先固定主气流调节阀6的开度，通过调节分气流调节阀9的开度来控制分流后的主气流的流量大小。其调节量的选择可依据图5给出的燃料元件运行速度与调节阀调节量的对应关系曲线图。

Claims (6)

1.一种球床反应堆燃料元件气力输送减速的方法，其特征在于：所述方法为，

燃料元件在主提升气流的作用下沿着压力容器外部的气力输送管线从底部向顶部运行，在进入压力容器前从主提升气流中引出部分分气流，燃料元件气力输送管中仍保留部分分流后的主提升气流，并且其输送方向同燃料元件运行方向一致；燃料元件运行至压力容器之前，分流后的主提升气流被全部引出燃料元件输送管，燃料元件依靠重力进入压力容器；

燃料元件从主提升气流区进入分流后的主提升气流区时瞬间失去气动推力，并通过弯管管道内壁减速作用使得燃料元件进入压力容器前，运行速度降到设计安全值以下。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法通过控制从主提升气流引出的分气流流量，达到改变燃料元件输送管路中分流后的主提升气流平均流速的目的，并且使其调整在小于燃料元件的运行速度、大于燃料元件在管路中的悬浮速度的范围以内，并接近燃料元件输送的悬浮速度。

3.一种实现球床反应堆燃料元件气力输送减速方法的系统，其特征在于：所述系统沿着燃料元件运动方向，在输送管路上依次安装的设备或元件包括：入口过球测速器(1)、前端气体分离器(2)、终端气体分离(5)、出口过球测速器(4)，以上设备或元件包括连接管道，构成减速系统燃料元件输送及主提升气流通道(20)；入口过球测速器(1)靠近燃料元件及主气流入口端(19)；出口过球测速器(4)靠近减速系统出口端(13)，并与压力容器进料缓冲管(11)连接，压力容器进料缓冲管(11)穿过压力容器(12)的边界；前端气体分离器(2)和终端气体分离器(5)引出两气体支路；前端气体分离器(2)引出的气体支路上设置了分气流调节阀(9)、分气流流量计(8)，终端气体分离器(5)引出的气体支路上设置了主气流调节阀(6)、主气流流量计(7)；

燃料元件输送的气体动力由压缩机或风机提供；

入口过球测速器(1)和出口过球测速器(4)分别用于测量燃料元件进入和离开减速系统时的速度，前端气体分离器(2)和终端气体分离器(5)用于从燃料元件输送管中引出气流；主气流调节阀(6)和分气流调节阀(9)用于气流管中的流量调节，主气流流量计(7)和分气流流量计(8)用于测量气路中气流的流量；

主气流调节阀(6)和分气流调节阀(9)的开度大小控制减速系统燃料元件输送管中分流后的主气流平均速度以及分量流量的大小，进而改变燃料元件在减速系统中的运行状态，调节出口(13)燃料元件的运行速度。

4.根据权利要求3所述的减速系统，其特征在于：在前端气体分离器(2)和终端气体分离器(5)之间设置减速弯管(3)，以增加燃料元件的制动阻力。

5.根据权利要求3所述的减速系统，其特征在于：前端气体分离器(2)和终端气体分离器(5)引出两气体支路在接口(17)汇合后进入气流回流管。

6.根据权利要求3所述的减速系统，其特征在于：该减速系统控制装置的主程序接收入口过球测速器(1)、出口过球测速器(4)、主气流调节阀(6)、分气流调节阀(9)及主气流流量计(7)和分气流流量计(8)的输出信号；主控程序接收入口过球测速器(1)的信号后，调用燃料元件运行速度计算程序，计算出燃料球的速度并与给定的系统安全运行允许速度作比较，如果速度小于安全允许值，减速系统不作任何动作；如果运动速度大于安全允许值，主控程序调用调节阀开度计算程序，根据入口过球测速器(1)和出口过球测速器(4)以及主气流流量计(7)和分气流流量计(8)的返回测量值，计算给出主气流调节阀(6)和分气流调节阀(9)的开度调节量，调节信号传给调节阀驱动机构调节阀的开度，减小燃料元件输送管中分流后的主气流的流量。

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