CN1123893C - 高温气冷堆换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明为高温气冷堆一体化换热装置，该装置压力壳内含有蒸汽发汽发生器、中间换热器和氮风机三个设备。高温氮气先在中间换热器内加热二次气体，然后进入蒸汽发生器内把给水加热成过热蒸汽。二次气体和过热蒸汽分别驱动气体透平和蒸汽透平进行联合循环发电。蒸汽发生器和中间换热器的一体化设计，减少了一个压力壳和一个热气导管，提高了经济性和安全性。

Description

高温气冷堆换热装置

技术领域

本发明属发应堆领域，尤其涉及用于蒸汽透平和气体透平联合循环发电的高温气冷堆蒸汽发生器和中间换热器。

背景技术

在进行蒸汽透平和气体透平联合循环发电的高温气冷堆中，反应堆一回路的高温氦气先通过中间换器进行氦气与氦气(或氮气)热交换，降温后再进行氦气与水/蒸汽的热交换。现有技术一般是采用分置式结构，即蒸汽发生器和中间换热器作为两个独立的设备分别进行设计。进行蒸汽透平和气体透平联合循环发电的高温气冷堆，一回路主要由反应堆、热气导管1、中间换热器(氦风机与中间换热器一体化设计)，热气导管2和蒸汽发生器组成。有代表性的蒸汽发生器方案是德国西门子公司设计的200兆瓦模块式高温气冷堆蒸汽发生器，中间换热器的典型设计是日本的高温工程试验堆(HTTR)中间换热器。西门子公司设计的200兆瓦蒸汽发生器采用了强迫循环、直流式的螺旋管结构，一回路700℃的氦气由热气导管进入，经导流装置进入中心管和围板之间的管束，从上往下流动，把热量传给管内后降为245℃。冷氦气流出管束并转向180°，在蒸汽发生器套筒和压力壳之间往上流动，经冷氦气联箱进入氦风机，增压后由蒸汽发生器上部返回到热气导管压力壳和热气导管之间的环形流道，最后返回到反应堆。主给水管嘴位于压力壳的下部，主蒸汽管嘴位于压力壳的上部，主给水管板和主蒸汽管板与传热管束之间通过连接管束连接。螺旋管束由支撑板固定约束，支撑板围绕中心管径向布置并焊在中心管上。日本的HTTR中间换热器也是螺旋盘管结构，二次氦气从顶部的四个进口管箱进入传热管。传热管汇集到热端管箱后从中心管流出进入二次氦气系统。来自反应堆的(压力4MPa，温度950℃)一次氦气从中间换热器的下部进入，在管束间流动与二次氦气热交换后降到395℃从上部进入氦风机。中间换热器主要由压力壳、螺旋管束、中心管、支撑结构、热端温管箱和进口管箱等部件组成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于蒸汽透平和气体透平联合循环发电的高温气冷堆换热装置，该装置实现了蒸汽发生器和中间换热器的一体化设计。即把蒸汽发生器和中间换热器布置在同一个压力壳内。减少了一个压力壳和一段热气导管，从而使高温气冷堆一回路系统简化，布置简单，结构紧凑，提高了高温气冷堆的安全性和经济性。

本发明的主要特征是：

(1)把用于蒸汽透平和气体透平联合循环发电的高温气冷堆的蒸汽发生器，中间换热器实现了一体化设计，即在一个压力壳内安装了氦风机，中间换热器和蒸汽发生器三个设备。

(2)一体化换热装置用三层壳体对蒸汽发生器和中间换热器进行布置和流道组织。最内层壳为中间换热器腔室壳，该腔室壳内侧安装了耐高温的隔热层纤维，中间换热器布置在该腔室内。中间层为蒸汽发生器腔室壳，该腔室壳内层也安装了隔热层，蒸汽发生器腔室壳与中间换热器之间的环形空间为蒸汽发生器腔室，蒸汽发生器传热管组件布置在环形腔室内。最外层为压力壳，压力壳与蒸汽发生器腔室壳之间的环形空间为压力壳腔室，风机连接管布置在该腔室内。进入氦风机的氦气流经风机连接管，由风机流出的氦气在环形腔室内由上往下流动，经热气导管返回堆芯入口。中间换热器腔室进口与热气导管相连，中间换热器腔室出口与蒸汽发生器腔室进口相连，流出蒸汽发生器的氦气进入风机连接管。中间换热器低温的二次气体(氦气或氮气)由进出口同心套管外管进入，由冷端管箱进入冷端连接管束、螺旋管束、热端连接管束、热端管箱、中心管、同心套管内管、最后进入气体透平。蒸汽发生器的给水由给水管箱进入，经给水连接管束、传热管组件、蒸汽连接管、蒸汽管箱、进入主蒸汽管和蒸汽透平。氦风机位于换热装置的上部，通过主法兰、紧固件、密封件与压力壳连接。氦风机出口管插入与风机连接管相连的承插口中。

(3)传热管组件的外套管和内套管与螺旋管的外径和内径之间的环隙构成了氦气流道，每根传热管组件的氦气流道相同，流量分配不受外界环境的影响。

(4)传热管组件有较好的刚度，直径最小可为80～110mm左右，可以布置在狭窄环形空间。

(5)传热器组件内套管带沟槽结构使支撑板与螺旋管的装配套能够定位和调整。内套管直径大于中心管，使两段螺旋管之间连接管有焊接和射线检查的空间。

(6)氦风机和上盖板的可拆卸设计，使一体化换热器装置能够分两期工程实施，即第一期工程只安装蒸汽发生器就可以蒸汽透平循环发电，第二期工程加装中间换热器，就可以实现蒸汽透平和气体透平的联合循环发电。

本发明的设计方案是：

用于蒸汽透平和气体透平联合循环发电的高温气冷堆一体化换热装置主要由四部分组成：氦风机，蒸汽发生器，中间换热器和压力壳。

氦风机是反应堆冷却剂的循环设备。经氦风机的驱动，来自高温气冷堆的高温氦气经热气导管、中间换热器一次侧、蒸汽发生器一次侧降温后进入风机连接管、风机压力壳腔室，最后回到反应堆。

中间换热器采用了多头多层的螺旋管结构，主要由中心管，高温端管箱、低温端管箱、支承板、螺旋管束、中间换热器腔室壳、二次气体进出口同心管等组成。蒸汽发生器由传热管组件，连接管束，给水和蒸汽管箱(包括管板，管箱短节，法兰和封头等)和腔室壳体及隔热层等组成。蒸汽发生器传热管组件主要由中心管、内套管、螺旋管束，支承板和外套管等零件构成。每根传热管组件是一台具有独立一次侧和二次侧流道的小蒸汽发生器，并且每根传热管组件的热功率分配和流量分配都比较均匀。由于组件尺寸小，刚度好，能够布置在狭窄的环形蒸汽发生器腔室，为一体化布置创造了条件。

压力壳是氦风机、蒸汽发生器和中间换热器的承压边界。

本发明的优点是：

1.在一个压力壳内布置了氦风机，蒸汽发生器和中间换热器三个设备，减少了一个压力壳和一个热气导管压力壳，提高了安全性和经济性。

2.氦风机及蒸汽发生器和中间换热器腔室上盖板的可拆装结构使一体化装置分两期工程实施成为现实。

3.蒸汽发生器传热管组件加装外套管和内套管使氦气流量分配不受外部环境的影响，以确保各个传热管组件内氦气流量的分配均匀。

4.蒸汽发生器腔室壳、中间换热器腔室壳和中间换热器中心管隔热层的使用，使这些壳体避免承受高温。

5、蒸汽发生器传热管组件内套管带沟槽结构便于支承板的定位和调整。

附图说明

图1是含有蒸汽发生器和氦风机的换热装置总图；

图2是含有蒸汽发生器、中间换热器和氦风机的换热装置总图；

图3是蒸汽发生器蒸传热管组件图。

[1]氦风机 [2]风机进口管 [3]承插口 [4]中间换热器腔室壳 [5]蒸汽发生器腔室壳 [6]蒸汽发生器传热管组件 [7]压力壳 [8]给水连接管束 [9]给水管箱[10]蒸汽管箱 [11]蒸汽连接管束 [12]上盖板 [13]风机连接管 [14]中间换热器螺旋管束 [15]热气导管 [16]热端连接管束 [17]热端管箱 [18]中间换热器中心管 [19]冷端连接管束 [20]冷端管箱 [21]进出口同心套管 [22]螺旋管[23]蒸汽发生器中心管 [24]支承板 [25]外套管 [26]内套管

具体实施方式

实施例：

结合附图以本发明设计的清华大学10兆瓦高温气冷实验堆蒸汽发生器和中间换热器一体化装置，进一步说明本发明设计的方案。

蒸汽发生器

蒸汽发生器采用了立式、直流、组件式螺旋管结构，它和中间换热器采用一体化设计是为10兆瓦高温气冷实验堆二期工程作准备的，第一期工程不安装中间换热器，中间换热器的位置成为一段氦气流道即中间换热器腔室，第一期工程的蒸汽发生器主要由蒸汽发生器压力壳[7]、传热管组件[6]、连接管束、管箱结构、隔热层和内部构件组成，氦风机[1]位于装置的上部。

来自反应堆的高温氦气经热气导管[15]和中间换热器腔室进入蒸汽发生器管束组件氦侧流道。在蒸汽发生器管束氦气从上往下流动把热量传给管内的水和蒸汽，使氦气从700℃冷却到250℃，流出蒸汽发生器管束组件的氦气经风机连接管[13]进入氦风机[1]，增压后的氦气流过压力壳与蒸汽发生器腔室壳[6]之间的环缝后进入热气导管压力壳与热气导管之间的环缝回到堆芯.这样组织的氦气流程虽然较为复杂，但可以使压力壳只与冷氦气接触，以保证压力壳的安全。二回路的给水经给水管箱和连接管，从下部进入螺旋管，在螺旋管内从下往上流过预热段，蒸发段和过热段，由104℃2的过冷水变成440℃的过热蒸汽进入汽轮机驱动发电机发电。

蒸汽发生器传热管组件采用单头、小弯曲半径的螺旋管结构，蒸汽发生器传热管组件[6]由中心管[23]、内套管[26]、螺旋管[22]，支承板[24]和外套管[25]组成。外套管，螺旋管和内套管之间的两个环缝构成了氦气流道。传热管预热段和蒸发段的管径为φ18×3mm，过热段的管径为φ18×2mm，传热管采用不同内径是为了提高蒸发段的质量流速和降低过热段的流动阻力，以保证汽一水两相流动的稳定性。传热管束采用相同外径的目的是保持螺旋管束的外形尺寸相同，便于氦气流道的组织。为了减少蒸汽发生器出口段的阻力和便于在给水管板管子内安装节流孔板，在过热段后的连接管和预热段前的连接管都采用了φ22×2.5mm的管子，螺旋管束分四段共88圈缠绕而成，各段螺旋管束的连接通过对接焊接来实现，变径部分的连接通过一个过渡段来实现，蒸汽发生器共有30个传热管组件布置在中间换热器腔室壳和蒸汽发生器腔室壳之间的环形空间。螺旋管束直径为112mm，外套管直径为148mm。

蒸汽发生器给水连接管束[8]的作用是把给水由给水管箱[9]连接到蒸汽发生器传热管组件[6]的传热管进口。蒸汽连接管束[11]的作用是把蒸汽由蒸汽发生器传热管组件[6]的传热管出口连接到蒸汽管箱[10]。为了防止流体诱发振动，在连接管束上设置了固定管夹，并在连接管束两侧都安装了隔热层，这样既防止了振动又减少了热损失。

中间换热器

中间换热器采用了多头多层的螺旋管结构。传热管的管径为φ25×2.5mm，中心管为φ900×40mm。热端管箱和冷端管箱都采用了圆筒形结构，支承板焊在中心管上支撑约束螺旋管束。高温氦气由热气导管进入中间换热器管束，与二次气体换热后进入蒸汽发生器。二次气体由冷端管箱[20]进入冷端连接管束[19]、螺旋管束[14]、热端连接管束[16]、热端管箱[17]、中心管[18]和同心套管[21]和内套管后进入气体透平。

内部构件

换热装置的内部构件主要由以下部分组成：

中间换热器腔室壳[4]

中间换热器腔室壳由筒体，承重板，连接段筒体和法兰连接段等部件组成。承重板连接中间换热器腔室壳连接段筒体，并通过承重板上的4个支撑块即加强板承受了换热装置内件的全部重量。

蒸汽发生器腔室壳[5]及下连接段

蒸汽发生器腔室壳由蒸汽发生器腔室壳筒体、隔热层法兰和上连接段等部件组成。蒸汽发生器腔室壳通过定位板和上下连接段相连，而下连接段焊在承重板上。这样蒸汽发生器腔室壳与中间换热器腔室壳构成了一个环形空间，传热管组件就布置在这个环形空间内。30个传热管组件的外套管下端焊在定位板上；传热管组件外套管上端承插在上定位盘的圆孔中。隔热层法兰与蒸汽发生器腔室壳的上端相焊接。上盖与隔热层法兰连接后把蒸汽发生器腔室壳在上部封闭起来。隔热层法兰圆周上有8个定位块，其中0°、90°、180°和270°位置上的定位块与压力壳上的限位板组成了十字定位装置，限制了内部构件在环向和径向的移动。这8个定位块中有6个定位块上开有圆孔，风机连接管穿过圆孔起到限位和固定的作用。

承插口[3]及风机连接管[13]

氦风机位于装置的上部，氦风机的进口管[2]承插在承插口中。承插口结构由承插简，法兰，筋板和衬环等部件组成。6根风机连接管[13]下端连在下连接段的圆周上，中间穿过隔热层法兰定位块的圆孔，上端焊在承插口的圆周上，对承插口起支撑作用。承插口径向定位通过调整衬环上的调整螺钉来实现。

上盖板[12]

上盖板与隔热层法兰相连。上盖板主要起了法兰盖板的作用。它主要包括上盖板、支撑板、支承筒和加强筋等。支承板和加强筋是为装隔热层而设计的，支承筒的主要作用是用来支承中间换热器腔室壳，防止在设备运输和使用过程中中间换器腔室壳变形。影响二期工程中间换热器的安装。为了保证氦气流道的畅通，支承筒圆周上开了大量圆孔。

管箱结构

蒸汽发生器管箱结构主要包括了管板，管箱法兰，封头，过渡段，紧固件和密封件等。管箱结构位于蒸汽发生器压力壳的下封头。管箱法兰通过过渡段和管嘴焊在压力壳下封头上，管板和管板短节焊接，形成了热套袖结构，减少了局部热应力。连接管束分别连接了给水管板和蒸汽管板，在给水管板的管孔中安装了节流孔板，以保证汽一水两相流动的稳定性。中间换热器管箱采用圆筒形结构。

材料

蒸汽发生器的选材主要考虑了要符合规范要求，安全可靠，与介质相容，加工性好和经济上合理等因素。国外高温气冷堆蒸汽发生器传热管的预热段一般都采用碳钢，蒸发段一般采用 或其它低合金钢，过热段一般都采用Ni-Fe-Cr合金，也有的采用

钢(如AVR蒸汽发生器，THTR蒸汽发生器的微过热段)和304不诱钢(桃花谷蒸汽发生器)。由于10MW高温气冷实验堆蒸汽发生器工作在中压参数(进汽轮机蒸汽温度435℃，AVR蒸汽发生器蒸汽温度505℃)，传热管最高计算壁温为520℃左右，采用具有较好高温性能和良好的耐氯离子应力腐蚀性能的 钢完全能满足蒸汽发生器的设计要求，并符合设计规范，考虑到蒸汽发生器的传热面积小，用钢量少，预热段，蒸发段和过热段都采用同一种材料钢。管箱也采用了 钢。

蒸汽发生器传热管组件[6]的中心管[23]，外套管[25]和支承板[24]采用奥氏体不锈钢，中间换热器隔热层内衬采用镍基合金材料，隔热层绝热纤维采用Al₂O₃，其它内部结构材料根据工作温度分别采用奥氏体不锈钢，SA516-70或

钢。

中间换热器传热管和热端管箱采用了Inconel-617，其它部件采用了316不锈钢。

Claims (1)

1.一种用于蒸汽透平和气体透平联合循环发电的高温气冷堆换热装置，该换热装置由蒸汽发生器，中间换热器及氦风机组成，其特征在于：蒸汽发生器，中间换热器与氦风机[1]安装在同一个压力壳内；

a.换热装置最内层为中间换热器腔室壳[4]，中间换热器置于该腔室中；

b.换热装置中间层为蒸汽发生器腔室壳[5]，该壳与中间换热器腔室壳[4]组成的环形腔室内安装了蒸汽发生器传热管组件[6]；

c.换热装置最外层为压力壳[7]，该壳与蒸汽发生器腔室壳[5]组成了环形的压力壳腔室，风机连接管[13]置于该腔室内；

d.氦风机位于换热装置的上部，通过主法兰，紧固件和密封件与压力壳连接，风机进口管[2]承插在与风机连接管[13]相连的承插口[3]内；

e.蒸汽发生器采用了使每根传热管组件[6]都有独立的相同氦气流道的外套管[25]和内套管[26]；

f.蒸汽发生管的传热管组件[6]，其独立的相同氦气流道是由外套管[25]，螺旋管[22]和内套管[26]组成，即外套管[25]与螺旋管[22]外径之间的环缝以及内套管[26]与螺旋管[22]内径之间环缝组成了氦气流道。

g.传热管组件的内套管[26]在外壁均布了三条轴向沟槽，支承板[24]安装在沟槽内。

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