CN103400608A - 一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，包括排盐罐、换热元件、汽包、风筒，换热元件的上部分位于汽包里，换热元件的下部分位于排盐罐里，换热元件的其余部分位于汽包和排盐罐之间，换热元件包括传热管，传热管里设置中间套管，中间套管包括内壁和外壁，内壁与外壁之间形成供蒸汽流通的通道，内壁里形成进水管路，进水管路的顶端为进水口，进水管路的底端断开并与通道相连通，风筒里安装空气冷却器，空气冷却器的端部为空气冷却器进口、中部设置翅片管，汽包与空气冷却器进口相连通。本发明提高了系统的非能动工作能力，解决了由于能动式系统设计带来的故障率高等问题，提高了熔盐堆余热排出系统的安全性。

Description

一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统

技术领域

本发明涉及的是一种热工水利研究领域的余热排出系统。

背景技术

2002年7月，在第四代国际核能论坛(GIF)上，熔盐堆(MSR)被确立为第四代核能系统优先发展的六种堆型之一。作为第四代反应堆中唯一的液态燃料反应堆，与其它类型的堆型相比，熔盐堆具有固有安全性高、燃料循环特性灵活等特点，并能有效利用核资源和防止核扩散。熔盐堆由美国橡树岭国家实验室(ORNL)提出，并于1954年建成了第一个用于军用空间核动力研究的2.5MW实验熔盐堆(ARE)，还建立了循环氟化熔盐系统的性能基准。1965年至1969年，ORNL完成了10MW熔盐实验堆(MSRE)设计、建造并成功运行13000h，此外，还研究了氟化锂/氟化铍熔盐、石墨慢化剂等的特性，证明了熔盐堆商业应用的可行性，完成了熔盐增殖堆(MSBR)的设计。目前，我国已将熔盐堆作为未来发展的新型反应堆之一。

在MSRE中，熔盐堆停堆后，系统将液态燃料盐排入排盐罐中，汽包内冷却水通过套管式换热元件的进水管向下流动，在套管底部折流向上，被管壁加热，产生沸腾，蒸汽沿上升环腔进入到排盐罐上方的汽包，汽包内的蒸汽沿着蒸汽管线流向冷凝器，凝液在重力的作用下又返回到汽包中，并进入进水管，形成自然循环，带走余热。此外通过专设冷却塔中冷却水的强迫循环带走冷凝器内的热量（如：R.C.Robertson.MSRE design and operation report I[R].ORNL-0728.U.S.Atomic energy commission.1965:205-243；S.E.Beall.MSREdesign and operation report V[R].ORNL-0732.U.S.Atomic energycommission.1965:74-81）。

ORNL10MW熔盐堆的余热排出系统属于一种能动系统，在专设冷却塔中冷却水输水线路出现故障或其他原因，导致冷凝器无法正常工作时，整个系统将无法正常工作。此外，系统设备的冗余也增加了故障率，给维修带来不便，同时经济性也会下降。

发明内容

本发明的目的在于提供提高系统的非能动工作能力的一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征是：包括排盐罐、换热元件、汽包、风筒，换热元件的上部分位于汽包里，换热元件的下部分位于排盐罐里，换热元件的其余部分位于汽包和排盐罐之间，换热元件包括传热管，传热管里设置中间套管，中间套管包括内壁和外壁，内壁与外壁之间形成供蒸汽流通的通道，内壁里形成进水管路，进水管路的顶端为进水口，进水管路的底端断开并与通道相连通，风筒里安装空气冷却器，空气冷却器的端部为空气冷却器进口、中部设置翅片管，汽包与空气冷却器进口相连通，风筒的顶部为筒状结构、底部为矩形结构、中间部分是锥形过渡结构。

本发明还可以包括：

1、汽包上方设置与其相连通的封闭式结构的给水箱，给水箱分别连通补水箱和空气冷却器，在汽包、空气冷却器、给水箱之间安装三通阀，汽包和给水箱之间安装第一控制阀，补水箱和给水箱之间安装第二控制阀。

2、包括第一安全阀和第二安全阀，第一安全阀和第二安全阀并联后与空气冷却器进口相连通。

3、包括第一-四安全阀，第一安全阀和第二安全阀并联后与空气冷却器进口相连通，第三安全阀和第四安全阀并联后与给水箱相连通。

4、所述的换热元件包括外层的20根和里层的12根、围绕排盐罐的中心圆周布置。

5、换热元件在汽包中的进水口有2种高度，相邻换热元件的进水口高度不同。

6、所述的空气冷却器倾斜布置。

本发明的优势在于：

1、能够完全实现非能动，同时减少了系统设备，提高了系统的固有安全性。

2、空气冷却器散热功率始终略高于排盐罐换热元件的散热功率，且二者均高于燃料盐的衰变功率，系统可以满足反应堆的余热排出要求。

3、系统具有一定的自动调节能力，能通过汽包自动调节系统压力，同时系统排热规律与熔盐的衰变热释放过程较为接近，确保系统运行时平稳正常。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为排盐罐、换热元件及汽包结构示意图；

图3为空气冷却器结构示意图；

图4为系统功率随时间变化关系；

图5为熔盐温度随时间变化关系。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，本发明主要包括排盐罐1、换热元件2、汽包3、风筒4、空气冷却器5、给水箱17、补水箱14，以及相关的阀门6、7、11、12、13、16、18、19，温度感应器9、10，液位感应器8、15和管路系统。

排盐罐1的主体是一个由INOR—8型镍基合金制成的筒状结构，用于储存能继续产生衰变热的熔盐，排盐罐1的体积决定了燃料盐在罐中不可能达到临界，排盐罐1内布置有换热元件导向管，即换热元件2的最外层套管。

换热元件2为套管式结构，排盐罐内一共布置有32根这种换热元件，换热元件2围绕排盐罐中心圆周形布置，外圆布置20根，内圆布置12根。换热元件2在汽包中的进水口2-1有2种高度，相邻换热元件的进水口高度不同，可以通过调节汽包3内凝水液位来改变投入工作的换热元件2的数量，以适应熔盐余热排出速率的要求。

汽包3为圆柱形结构，汽包3内为汽水混合物，初始压力接近于常压。

空气冷却器5为自然通风式空冷器，利用风筒4内空气20的自然循环，将余热最终排到大气之中。空气冷却器5选择L型高翅片换热管，采用单管程设计，管排三角形排列，空气冷却器倾斜放置，从而保证空气冷却器内的有效换热和凝液的顺利疏水。

风筒4为空气冷却器5的自然对流换热过程提供有一定风速的空气20。风筒4底部是矩形结构，顶部是圆筒状结构，中间部分是锥形过渡结构。风筒底部设置有引风口，可以通过调节风门开度来调节空气自然对流速度。

三通阀11用于调节系统的功率，系统正常运行时，蒸汽在空气冷却器5内冷凝后返回到汽包3内。当需要降低换热元件2散热功率时，调节三通阀11使冷凝水进入到给水箱17中，从而使汽包3内的液位降低，减少换热元件2的投入使用量。

给水箱17是一个封闭式结构，给水箱17位于汽包3的上方，系统正常运行时，给水箱17处于备用状态。当需要重新提高换热元件2散热功率或者正常运行时汽包3内液位过低时，阀门16开启，给水箱17开始向汽包3中充水。

补水箱14位于给水箱17上方，当给水箱17液位过低时，阀门12开启，补水箱14向给水箱17内补充冷却水。

系统拥有完整的超压保护装置，阀门6、7、18、19为安全阀，当出现事故工况（如冷凝器失效等）导致主回路压力超过设定值时，阀门6或阀门7自动开启，将蒸汽释放到蒸汽冷凝系统中；在系统调节过程中，当给水箱内超压时，安全阀18或19开启，将蒸汽排入到蒸汽冷凝系统中。

系统拥有完整的温度及液位监测系统。温度感应器9、10用于监测排盐罐中燃料盐的温度分布，液位感应器8和15分别用于监测汽包3及给水箱17的液位。

汽包3内冷却水通过换热元件进水口2-1向下流动，在套管底部折流向上，被中间套管2-2加热，产生沸腾，蒸汽沿上升环腔通过蒸汽出口进入排盐罐1上方的汽包3。汽包3内产生的蒸汽由空气冷却器5冷却凝结，凝液在重力作用下回返回到汽包3中，形成自然循环；空气20从风筒4底部进入，通过自然对流带走空气冷却器5的散热。

该系统依靠3个耦合的自然循环回路来实现，汽包3内冷却水在重力作用下进入换热元件2，被加热沸腾产生蒸汽，蒸汽进入汽包3，由气液两相之间的密度差产生驱动压头形成自然循环；汽包3内蒸汽通过蒸汽管线进入空气冷却器5，冷凝后凝液在重力作用下返回到汽包中，形成第二个自然循环；空气20在风筒4内与空气冷却器5自然对流换热，由空气温度梯度产生的密度差构成第三个自然循环。因此，整个系统采用自动投入和非能动运行。

图1所示为一种用于10MW熔盐堆的非能动余热排出系统流程图，熔盐堆停堆后，系统将液态燃料盐排入排盐罐1中，余热排出系统启动，阀门16开启，给水箱17向汽包3内注水，当汽包3内液位达到预定值后，阀门16关闭。

图2所示为排盐罐1、换热元件2及汽包3的结构示意图。汽包3内冷却水通过换热元件进水口2-1向下流动，在套管底部折流向上，被中间套管2-2管壁加热，产生沸腾，蒸汽沿环腔上升环腔进入到汽包3，并通过蒸汽出口进入到空气冷凝器5中。为避免冷却套管因腐蚀破裂等事故引起高温熔盐与冷却水接触，换热元件插入至一个与熔盐直接接触的传热管2-3中，形成了三个传热管套装在一起的结构。

系统投入使用后，汽包3内的压力会发生波动，当外界环境的影响导致空气冷却器5散热功率小于排盐罐1散热功率时，蒸汽冷凝的速度小于蒸汽产生的速度，汽包3内压力升高，换热元件2产生的蒸汽量减小；当空气冷却器5的散热功率大于排盐罐1的散热功率时，蒸汽冷凝的速度大于蒸汽产生的速度，汽包3内压力降低，此时汽包3内会发生闪蒸，同时压力升高，从而缓解汽包3内的压力波动。

熔盐温度T1与换热元件外表面温度T2之间的关系可以使用以下方程式确定：

$T_1-T_2=\frac{\mathrm{\Φ}}{\mathrm{hA}}---\left(1\right)$

式中，Φ为换热量，h为对流换热系数，A为换热面积。

外套管2-3与中间套管2-2之间为气隙层，通过辐射和热传导换热，辐射换热量Φ_r与导热量Φ_c可以使用以下方程式确定：

${\mathrm{\Φ}}_r=\frac{\mathrm{\σ}(T_3^4-T_4^4)}{\frac{1-{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}{A}_1+\frac{1}{A_1{X}_{\mathrm{1,2}}}+\frac{1-{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_2}{A}_2}---\left(2\right)$

${\mathrm{\Φ}}_c=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_{2}L(T_3-T_4)}{\ln (d_2/d_3)}---\left(3\right)$

式中，σ为Stefan-Boltzmann常量，ε1、ε2分别为外层套管和中间套管的表面灰度，X1,2为角系数，λ2为气隙导热系数。

对于套管内的沸腾换热过程，可以采用Lazarek—Black公式进行计算。

$h_{\mathrm{tp}}=30{{\mathrm{Re}}_{\mathrm{lo}}}^{0.857}{\mathrm{Bo}}^{0.714}\frac{{\mathrm{\λ}}_l}{D}---\left(4\right)$

式中，h_tp为对流换热系数，Bo为沸腾数，λ_l为饱和水导热系数，Re_lo为雷诺数。

图3所示为空气冷却器5结构示意图。蒸汽沿蒸汽管线上升，通过空气冷却器进口5-1进入到翅片管5-2内，冷凝后的凝液在重力作用下回返回到汽包3中。空气20从风筒4底部进入，与空气冷却器5自然对流换热，将余热最终排到大气之中。

对于空气冷却器5的水平管内凝结换热系数可以采用Akers关系式计算。

当 $\mathrm{Re}=\frac{d_i{G}_e}{{\mathrm{\&mu;}}_l}<5\&times;{10}^4$ 时，

$h_i=5.03\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_l}{d_i}{{\mathrm{Re}}_l}^{\frac{1}{3}}{{\mathrm{Pr}}_l}^{\frac{1}{3}}---\left(5\right)$

当 $\mathrm{Re}=\frac{d_i{G}_e}{{\mathrm{\&mu;}}_l}>5\&times;{10}^4$ 时，

$h_i=0.0265\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_l}{d_i}{{\mathrm{Re}}_l}^{0.8}{{\mathrm{Pr}}_l}^{\frac{1}{3}}---\left(6\right)$

式中，G_e为当量质量流速，h_i为凝结换热系数，μ_l为液相动力黏度，d_i为当量直径，Pr_l为普朗特数，Re_l为雷诺数。

对于空气横掠L型翅片管管外换热系数h₀，可以根据国产高低翅片管的几何尺寸，采用布利格斯（Briggs）简化关系式计算。

（7）h_o=453.6V_NF ^0.718

式中，V_NF为标准迎面风速。

对于整个系统的计算，已知余热排出系统投入使用初始时刻燃料盐的温度以及衰变功率，可以计算出排盐罐的散热功率以及蒸汽的产量，进而可以计算出熔盐温度变化量（如：孙露，孙立成，阎昌琪.ORNL10MW熔盐实验堆(MSRE)排盐罐冷却系统热工水力特性分析[J].核技术，2012，10（35）:790—794）。根据空气冷却器与汽包之间的自然循环过程，可以得出空气冷却器的散热功率以及蒸汽的凝结量。利用蒸汽产量与凝结量的变化可以得出汽包内压力在余热排出过程中的变化规律。

图4所示为余热排出过程中，随着燃料盐衰变功率c的逐渐下降，在32根换热元件全部投入使用的条件下，排盐罐散热功率b、空气冷却器散热功率a随时间变化规律。排盐罐及空气冷却器的散热功率随着熔盐衰变功率的迅速下降而下降，且下降趋势与衰变功率下降趋势基本一致，并最终处于一个相对比较平缓的区域。此外，稳态运行时，空气冷却器的散热功率始终略大于排盐罐的散热功率，且二者均大于熔盐的衰变功率，因此，非能动余热排出系统可以满足反应堆的排热要求。

图5所示为余热排出过程中，熔盐温度随时间变化关系。由于系统排热规律与排盐罐内的衰变热释放过程较为接近，因此熔盐温度平稳降低。

Claims (9)

1.一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征是：包括排盐罐、换热元件、汽包、风筒，换热元件的上部分位于汽包里，换热元件的下部分位于排盐罐里，换热元件的其余部分位于汽包和排盐罐之间，换热元件包括传热管，传热管里设置中间套管，中间套管包括内壁和外壁，内壁与外壁之间形成供蒸汽流通的通道，内壁里形成进水管路，进水管路的顶端为进水口，进水管路的底端断开并与通道相连通，风筒里安装空气冷却器，空气冷却器的端部为空气冷却器进口、中部设置翅片管，汽包与空气冷却器进口相连通，风筒的顶部为筒状结构、底部为矩形结构、中间部分是锥形过渡结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征是：汽包上方设置与其相连通的封闭式结构的给水箱，给水箱分别连通补水箱和空气冷却器，在汽包、空气冷却器、给水箱之间安装三通阀，汽包和给水箱之间安装第一控制阀，补水箱和给水箱之间安装第二控制阀。

3.根据权利要求1所述的一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征是：包括第一安全阀和第二安全阀，第一安全阀和第二安全阀并联后与空气冷却器进口相连通。

4.根据权利要求2所述的一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征是：包括第一-四安全阀，第一安全阀和第二安全阀并联后与空气冷却器进口相连通，第三安全阀和第四安全阀并联后与给水箱相连通。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征是：所述的换热元件包括外层的20根和里层的12根、围绕排盐罐的中心圆周布置。

6.根据权利要求5所述的一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征是：换热元件在汽包中的进水口有2种高度，相邻换热元件的进水口高度不同。

7.根据权利要求1-4任一所述的一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征是：所述的空气冷却器倾斜布置。

8.根据权利要求5任一所述的一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征是：所述的空气冷却器倾斜布置。

9.根据权利要求6任一所述的一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征是：所述的空气冷却器倾斜布置。

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