CN102262907B - 一种高温气冷堆吸收球气力输送供料器及输送系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核反应堆工程与安全领域，具体公开一种高温气冷堆吸收球气力输送供料器及输送系统。该供料器包括上部筒体、下部筒体、设于上部筒体和下部筒体分界处的颗粒料位限位板、设于上部筒体上端面的顶盖、多个进球管、内导流管和外导流管；顶部缓冲空腔具有进气管；外导流管一端贯穿连接在颗粒料位限位板上，另一端延伸至下部筒体底部；内导流管一端贯穿连接在顶盖上并嵌套于外导流管的内部，另一端延伸至下部筒体的底部；多个进球管一端贯穿连接在顶盖上，另一端延伸至颗粒料位限位板的下端面。本发明提供的供料器及输送系统，将汇集堆芯反射层多个落球孔道中的吸收球，及对吸收球进行初始流态化完成气力输送的双重功能集于一体。

Description

一种高温气冷堆吸收球气力输送供料器及输送系统

技术领域

本发明涉及核反应堆工程与安全技术领域，特别涉及一种高温气冷反应堆的吸收球气力输送供料器及输送系统。

背景技术

目前，球床式高温气冷反应堆具有两套反应性控制与停堆系统，即：控制棒系统和吸收球停堆系统，用于确保反应堆的运行安全。控制棒系统主要用于正常的反应性控制、补偿、调节及热停堆作用。吸收球停堆系统则起到冷停堆及与控制棒系统共同参与反应堆启动的作用。

吸收球停堆系统的冷停堆功能可通过向堆芯反射层落球孔道中落入适量含有可吸收中子材料(如碳化硼)的吸收球颗粒而实现。当反应堆需要启动时，反射层孔道中的吸收球颗粒需要被卸出送回以备再次使用。吸收球停堆系统的回球功能可以通过供料器发送吸收球，经过沿程管道气力输送返回到位于堆芯上方的吸收球贮存容器(贮球罐)中用于再次使用而实现。吸收球供料器与驱动装置、贮球罐、堆芯反射层落球孔道、气力输送回球气固两相流管道及气源供应管道、阀门和风机等共同构成了一套吸收球停堆系统。

供料器是吸收球气力输送过程中的一个重要设备，设置在堆芯下方反应堆压力容器内，属于堆内构件。供料器的主要功能包括当反应堆需要启动时，对落入堆芯反射层落球孔道内的吸收球颗粒进行初始流态化形成气固两相流。由于供料器是吸收球气力输送气固两相流的起点，且设置在堆内具有高放射性不方面维修，因此供料器对吸收球颗粒发送性能的可靠性和稳定性对反应堆的正常安全运行具有十分重要的意义。

对于高温气冷堆使用及试验过的吸收球气力输送供料器，其共同特征在于颗粒相以具有一定倾斜角度的单一入口进入供料器。由于小功率的高温气冷实验堆相应的反射层落球孔道数量较少，因此可以对每个落球孔道设置一个与其相对应的具有单一颗粒相入口的供料器。但是对于功率较大、具有较多反射层孔道数量的商用高温气冷堆而言，若仍采取对每一个反射层落球孔道单独设置一个与之相应的具有单一颗粒相入口的供料器，这不再是理想的方案。当反射层落球孔道数量多到一定程度时，该供料器则无法应用。

一个可能的解决办法是将多个反射层落球孔道中的颗粒先用一个汇集器汇集成一个颗粒相出口，再将此出口与设置于汇集器下方的具有单一颗粒相入口的供料器相连。但这种解决方案，直接带来反应堆压力容器高度增高、核岛建筑总高度增高以及吸收球气力输送高度增高等相关问题，增加工程造价。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种应用于高温气冷反应堆的吸收球气力输送供料器及吸收球气力输送系统，可有效实现吸收球颗粒发送的稳定性与可靠性。并且，一方面可避免对具有较多落球孔道数量的较大功率高温气冷堆，采取对每一个反射层落球孔道单独设置一个与之相应的具有单一颗粒相入口的供料器的方式，所带来的大量增加工程造价等弊端；另一方面可避免采用多个反射层孔道中的颗粒先用一个汇集器汇集，再将其送入具有单一颗粒相入口的供料器的方式，所带来的反应堆压力容器高度增高、核岛建筑总高度增高导致工程造价增加等弊端。

(二)技术方案

为了解决上述问题，本发明一方面提供一种吸收球气力输送供料器，包括上部筒体、下部筒体、设于上部筒体和下部筒体分界处的颗粒料位限位板、设于上部筒体上端面的顶盖、多个进球管、内导流管、和外导流管；

所述顶盖、上部筒体和颗粒料位限位板之间形成顶部缓冲空腔，所述顶部缓冲空腔具有进气管；

所述外导流管的一端贯穿连接在颗粒料位限位板上，其另一端延伸至下部筒体的底部；所述内导流管一端贯穿连接在顶盖上并嵌套于外导流管的内部，其另一端延伸至下部筒体的底部；

所述多个进球管一端贯穿连接在顶盖上，其另一端延伸至颗粒料位限位板的下端面。

另一方面，本发明提供一种吸收球气力输送系统，包括供料器、依次连接的驱动装置、贮球罐、反射层多个落球孔道；与供料器相连接的气力输送回球气固两相流管道及阀门、风机；所述驱动装置包括驱动杆，所述驱动杆的底端具有落球阀阀头；所述反射层多个落球孔道的另一端与供料器相连。

(三)有益效果

本发明提供的吸收球气力输送供料器及气力输送系统，采用将堆芯反射层多个落球孔道内的吸收球颗粒各自通过一个进球管，共同汇集到一个供料器内进行气力输送，以实现减少供料器、汇集器等设备的数量，以及减少为供料器提供气力输送气源的核安全1级管道和阀门等相关设备的数量，降低工程造价。由于核安全1级管道数量的减少，降低了一回路压力边界发生破坏的概率，使得反应堆的运行安全性进一步提高。由于避免了将多个反射层孔道中的颗粒先用一个汇集器汇集，再将其送入具有单一颗粒相入口的供料器的方式，降低了对反应堆压力容器高度及核岛建筑总高度的要求，降低工程造价。

附图说明

图1为本发明实施例吸收球气力输送供料器结构俯视图；

图2为本发明实施例吸收球气力输送供料器结构A-A剖面示意图；

图3为本发明实施例吸收球气力输送系统的示意图。

其中：1、进气管；2、顶盖；3、上部筒体；4、颗粒料位限位板；5、下部筒体；6、内导流管；7、外导流管；8、进球管；9、驱动装置；10、驱动杆；11、贮球罐；12、落球阀阀头；13、堆芯反射层落球孔道；14、风机；15、阀门；16、供料器；17、气力输送回球气固两相流管道；18、一回路压力边界。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。

如图1-2所示，本发明实施例吸收球气力输送供料器，应用于高温气冷堆中，包括：上部筒体3、下部筒体5、设于上部筒体3和下部筒体5分界处的颗粒料位限位板4、设于上部筒体3上端面的顶盖2、内导流管6、外导流管7、进气管1和多个进球管8。

本发明实施例中进球管8采用四个，该四个进球管8均匀、对称地分布在顶盖2上。其中，上部筒体3的截面为圆柱形，下部筒体5的截面为锥形。顶盖2、上部筒体3和颗粒料位限位板4形成顶部缓冲空腔，顶部缓冲空腔具有进气管1。进气管1通常穿过顶盖2的上方将气流送入顶部缓冲空腔中，以减小流动阻力。若考虑到空间布置等问题，进气管1也可从顶部缓冲空腔侧面穿过上部筒体3将气流送入供料器内。

外导流管7的一端贯穿连接在颗粒料位限位板4上，其另一端延伸至下部筒体5的底部。内导流管6一端贯穿连接在顶盖2上并嵌套于外导流管7的内部，其另一端延伸至下部筒体5的底部；多个进球管8一端贯穿连接在顶盖2上，其另一端延伸至颗粒料位限位板4的下端面。上部筒体3、下部筒体5、内导流管6和外导流管7为同轴设置。

多个落球孔道中堆积的吸收球颗粒在自身重力作用下各自通过一个进球管8穿过顶盖2进入供料器内；从进气管1流入供料器的气体经过供料器内顶部缓冲空腔缓冲作用后，流入外导流管7与内导流管6之间的环隙。在该环隙的出口附近，吸收球颗粒被具有一定压头和速度的气流连续地夹卷进行初始流态化形成气固两相流动。下部筒体5底面设置的锥形突起51具有对被初始流态化后的吸收球颗粒进行导流以及减少供料器中最终剩余的吸收球颗粒堆积量的作用。吸收球颗粒在内导流管6内被气流加速，形成吸收球颗粒和气体介质的稳定的气固两相流动，从内导流管6上端口离开供料器。由于四个进球管8在供料器的顶盖2上均匀、对称分布，且每根进球管8均竖直向下延伸至颗粒料位限位板4的下表面，因此在冷停堆状态，供料器中堆积的吸收球颗粒与颗粒料位限位板4的下表面基本平齐。在吸收球气力输送过程中，从每个进球管8中流至供料器中的吸收球颗粒的量基本相等。

外导流管7与下部筒体5所构成的通流面起着吸收球颗粒质量流量限制的作用。为了有效防止吸收球颗粒在此通流面堵塞，设置下部筒体5侧面的母线与其中心线所成的夹角的范围为20°-70°，外导流管7的底端距下部筒体5的侧锥面内侧的最小距离大于或等于所输送的吸收球颗粒直径的4倍。

设置内导流管6底端所在的水平高度低于外导流管7底端所在的水平高度；或者，内导流管6底端所在的水平高度等于或高于外导流管7底端所在的水平高度，其高度差小于或等于所输送的吸收球颗粒直径的4倍。通过设置外导流管7与下部筒体5所构成的颗粒相通流面的大小及外导流管7和内导流管6在下部筒体5底部伸出的相对长度，从而实现对吸收球气力输送颗粒相质量流量的控制，同时保证吸收球气力输送初始流态化及气力输送过程因故中断后重启的稳定性与可靠性。

当内导流管6底端所在的水平高度低于外导流管7底端所在水平高度时，由于气流夹卷的吸收球颗粒相对较多，因此颗粒相质量流量相对较大。当内导流管6底端所在的水平高度等于或高于外导流管7底部所在的水平高度，并且其高出的距离小于或等于所输送的吸收球颗粒直径的4倍时，此时气流对颗粒的夹卷能力相对较小，颗粒相质量流量相对较小。

下部筒体5的底部设有锥形突起51。为充分发挥下部筒体5底部设置的锥形突起对经初始流态化后的吸收球颗粒进行导流，以及减少供料器中最终剩余的吸收球颗粒堆积量的作用，设置锥形突起51的母线与中心线所形成的夹角的范围为10°-80°。

为了有效防止吸收球颗粒在下部筒体5底部锥形突起附近区域发生堵塞，设置内导流管6与锥形突起51的最小距离大于或等于所输送的吸收球颗粒直径的3倍。为有效防止吸收球颗粒在内导流管6内堵塞，设置内导流管的内径大于或等于所输送的吸收球颗粒直径的3倍。

设置外导流管底端出口、内导流管的底端入口和进球管底部出口处具有半径1-3mm的圆角，并且将锥形突起51外沿设为弧形，以减少这些接触部位对吸收球颗粒进行划伤等尖锐性冲击。

本发明实施例中进球管8的数量包括但不限于四个，具体数量可根据实际需求而定。

如图3所示，本发明实施例高温气冷堆吸收球气力输送系统包括供料器16、依次连接的驱动装置9、贮球罐11、堆芯反射层多个落球孔道13；与供料器16中内导流管6相连接的气力输送回球气固两相流管道17及阀门15、风机14。

本发明实施例中进球管8采用4个，因此，与进球管8相通连接匹配作业的反射层多个落球孔道的数量也采用四个，即反射层四个落球孔道13。风机14经阀门15及气流管道后与供料器16进行连接。风机14的气源由一回路压力边界18中的气体提供。驱动装置9包括驱动杆10，驱动杆10的底端具有落球阀阀头12；反射层多个落球孔道13的另一端与供料器16相连。

其中供料器16与驱动装置9、驱动杆10、贮球罐11、堆芯反射层多个落球孔道13、气力输送回球气固两相流管道17均设置在反应堆压力容器内。

下面具体描述供料器应用于高温气冷堆吸收球停堆系统中堆芯反射层其中四个落球孔道中堆积的吸收球颗粒的气力输送原理。

当反应堆需要紧急停堆时，落球阀阀头12在驱动装置9的驱动杆10带动下向下运动而打开。贮存在贮球罐11中的吸收球颗粒大小是均匀的，直径通常为3-10mm，优选为5-8mm。吸收球颗粒在自身重力作用下落入位于贮球罐11下方的堆芯反射层的四个落球孔道13中堆积。供料器16设置在堆芯下方反应堆压力容器内，为落球停堆中吸收球颗粒堆积的起点。由于受颗粒料位限位板4的限制，此时供料器中堆积的吸收球料位基本与颗粒料位限位板4的下表面平齐。

当反应堆需要启动时，首先将落球阀阀头12在驱动装置9的驱动杆10带动下向上运动而关闭。然后将风机14和阀门15置于适当的状态。一回路压力边界18内的气体为风机14入口的气源，经风机14升压后，为供料器的气力输送提供一定压头和流速的气流。该气流通过贯穿一回路压力边界的管道送入供料器的进气管1。由于落球阀阀头12此时已关闭，堆芯反射层四个落球孔道13沿程也近似是密闭的，因此通过进气管1进入供料器的气流在经过顶部空腔的缓冲后，进入外导流管7与内导流管6之间的环隙。在该环隙的出口，具有一定压头和速度的气流将吸收球颗粒连续地夹卷进行初始流态化，并携带颗粒进入内导流管6中。吸收球颗粒在内导流管6内被气流加速，形成吸收球颗粒和气体介质的气固两相流动，从内导流管6上端口离开供料器16进入与之相连通的气力输送回球气固两相流管道17。吸收球颗粒在气力输送回球气固两相流管道17内被逐渐提升，最后进入位于堆芯上方的贮球罐11中。经在贮球罐11内气固分离后，吸收球落入贮球罐中堆积以备落球停堆时再次使用，气体则排入一回路压力边界18内构成一个循环体系。

在吸收球颗粒相的流动方面，随着外导流管7与内导流管6之间的环隙空间出口附近的吸收球颗粒被气流夹卷携带进入内导流管6中，下部筒体5中堆积的后续吸收球颗粒在自身重力作用下依次下移，形成稳定的颗粒供给流。由于竖直进球管8布置的均匀性，从每个进球管8中流至供料器中的吸收球的量基本相等，因此堆芯反射层四个落球孔道内的吸收球料位高度随着气力输送过程的进行而基本均匀地下降。外导流管7与下部筒体5所构成的通流面的大小起着限制颗粒相输入的质量流量的作用。通过恰当地设计该通流面的大小及外导流管7和内导流管6在下部筒体5底部伸出的相对长度，实现对吸收球气力输送颗粒相质量流量的稳定控制，同时也保证吸收球气力输送初始流态化和气力输送过程因故中断后重启的稳定性和可靠性。

本发明提供的高温气冷堆吸收球气力输送供料器及输送系统，通过调整吸收球进球管8的数量，可用于高温气冷堆堆芯反射层中任意数量的落球孔道内堆积的吸收球颗粒的气力输送，应用起来灵活方便。

本发明提供的吸收球气力输送供料器及气力输送系统将汇集堆芯反射层多个落球孔道中的吸收球，以及对吸收球进行初始流态化形成气固两相流并完成气力输送的双重功能集于一体。采用将堆芯反射层多个落球孔道内的吸收球颗粒各自通过一个进球管共同汇集到一个供料器内进行气力输送，以实现减少供料器、汇集器等设备的数量，以及减少为供料器提供气力输送气源的核安全1级管道和阀门等相关设备的数量，降低工程造价。由于核安全1级管道数量的减少，降低了一回路压力边界发生破坏的概率，使得反应堆的运行安全性进一步提高。由于避免了将多个反射层孔道中的颗粒先用一个汇集器汇集，再将其送入具有单一颗粒相入口的供料器的方式，降低了对反应堆压力容器高度及核岛建筑总高度的要求，降低工程造价，也降低吸收球气力输送的总高度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种高温气冷堆吸收球气力输送供料器，其特征在于，包括上部筒体、下部筒体、设于上部筒体和下部筒体分界处的颗粒料位限位板、设于上部筒体上端面的顶盖、多个进球管、内导流管和外导流管；

所述顶盖、上部筒体和颗粒料位限位板之间形成顶部缓冲空腔，所述顶部缓冲空腔具有进气管；

所述外导流管的一端贯穿连接在颗粒料位限位板上，其另一端延伸至下部筒体的底部；所述内导流管一端贯穿连接在顶盖上并嵌套于外导流管的内部，其另一端延伸至下部筒体的底部；

所述多个进球管一端贯穿连接在顶盖上，其另一端延伸至颗粒料位限位板的下端面。

2.如权利要求1所述的高温气冷堆吸收球气力输送供料器，其特征在于，所述上部筒体截面为圆柱形，所述下部筒体截面为锥形，所述下部筒体侧面的母线与其中心线所成的夹角的范围为20°-70°。

3.如权利要求2所述的高温气冷堆吸收球气力输送供料器，其特征在于，所述外导流管的底端距下部筒体的侧锥面内侧的最小距离大于或等于所输送的吸收球颗粒直径的4倍。

4.如权利要求3所述的高温气冷堆吸收球气力输送供料器，其特征在于，所述内导流管底端所在的水平高度低于外导流管底端所在的水平高度。

5.如权利要求3所述的高温气冷堆吸收球气力输送供料器，其特征在于，所述内导流管底端所在的水平高度等于或高于所述外导流管底端所在的水平高度，其高度差小于或等于所输送的吸收球颗粒直径的4倍。

6.如权利要求2所述的高温气冷堆吸收球气力输送供料器，其特征在于，所述下部筒体的底部设有锥形突起，所述锥形突起的母线与中心线所形成的夹角的范围为10°-80°。

7.如权利要求6所述的高温气冷堆吸收球气力输送供料器，其特征在于，所述内导流管与锥形突起的最小距离大于或等于所输送的吸收球颗粒直径的3倍。

8.如权利要求1所述的高温气冷堆吸收球气力输送供料器，其特征在于，所述内导流管的内径大于或等于所输送的吸收球颗粒直径的3倍。

9.如权利要求2所述的高温气冷堆吸收球气力输送供料器，其特征在于，所述外导流管底端出口、内导流管的底端入口及进球管底部出口处均具有半径1-3mm的圆角；

下部筒体底部设置的锥形突起外沿为弧形。

10.一种高温气冷堆吸收球气力输送系统，其特征在于，包括所述权利要求1-9任一项中所述的供料器、依次连接的驱动装置、贮球罐、反射层多个落球孔道、与供料器相连接的气力输送回球气固两相流管道、阀门及风机；所述驱动装置包括驱动杆，所述驱动杆的底端具有落球阀阀头；所述反射层多个落球孔道的另一端与供料器相连。

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