CN217880865U - 一种高温气冷堆核蒸汽供应系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高温气冷堆核蒸汽供应系统，包括用热气导管连通的压力容器和蒸汽发生器，蒸汽发生器包括壳体；壳体上设有换热介质入口和换热介质出口，壳体内设有环状隔板；环状隔板将壳体分为上部空腔和下部空腔；上部空腔内安装有第一主氦风机和第二主氦风机，第一主氦风机和第二主氦风机的入口管道均穿过环状隔板延伸至下部空腔内，第一主氦风机和第二主氦风机的排气口与热气导管的外管连通；环状隔板内孔密封安装有若干传热组件，每个传热组件均包括氦气通道和传热管。本实用新型所述高温气冷堆核蒸汽供应系统，设置了两台主氦风机，降低了反应堆冷却剂的运行压力和堆芯的进出口温度。

Description

一种高温气冷堆核蒸汽供应系统

技术领域

本实用新型属于核电技术领域，尤其涉及一种高温气冷堆核蒸汽供应系统。

背景技术

目前的高温气冷堆，无论功率大小，都由一台压力容器、一根热气导管、一台主氦风机以及一台蒸汽发生器组成。由于主氦风机体积流量限制，为了满足堆芯流量要求，一方面增加反应堆冷却剂的压力，而反应堆冷却剂压力增加以后，为燃料装卸系统的设计，蒸汽发生器传热管的承压设计等都带来不利影响。另一方面，由于流量限制，必须增加堆芯冷却剂的进出口温差，导致堆芯形状高径比很大，堆芯显得瘦长，控制棒也很长，另外，蒸汽发生器传热管也很长，为这些设备的设计带来了很大影响。最后，目前高温气冷堆的核蒸汽供应系统只设置一台主氦风机，导致容量很大，重新研发主氦风机可靠性不高。

此外，目前高温气冷堆连接压力容器和蒸汽发生器的热气导管为直管，在启停堆过程中，需经受很大的温差，故管道的热胀冷缩量很大，直接转递给压力容器和蒸汽发生器，使得这两个设备承受了很大的热应力。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种高温气冷堆核蒸汽供应系统，蒸汽发生器内设置两台容量较小的主氦风机，提高了设备的可靠性，同时降低了反应堆冷却剂的压力、堆芯进出口温差，从而降低了一回路设备承压边界的厚度、蒸汽发生器传热管的长度及蒸汽发生器管板的温差，提高了管板的寿命。

为达到上述目的，本实用新型实施例提出了一种高温气冷堆核蒸汽供应系统，包括用热气导管连通的压力容器和蒸汽发生器，所述蒸汽发生器包括壳体；所述壳体上设有换热介质入口和换热介质出口，所述壳体内设有环状隔板；

所述环状隔板将所述壳体分为上部空腔和下部空腔；所述上部空腔内安装有第一主氦风机和第二主氦风机，所述第一主氦风机和第二主氦风机的入口管道均穿过环状隔板延伸至下部空腔内，所述第一主氦风机和第二主氦风机的排气口与所述热气导管的外管连通；所述环状隔板内孔密封安装有若干传热组件，每个传热组件均包括氦气通道和传热管；所述氦气通道上端连通所述热气导管的内管，下端连通所述下部空腔；所述传热管上端连通所述换热介质入口，下端连通所述换热介质出口。

本实用新型实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统，蒸汽发生器内设置两台容量较小的主氦风机，提高了设备的可靠性，同时降低了反应堆冷却剂的压力、堆芯进出口温差，从而降低了一回路设备承压边界的厚度、蒸汽发生器传热管的长度及蒸汽发生器管板的温差，提高了管板的寿命。

另外，根据本实用新型上述实施例提出的高温气冷堆核蒸汽供应系统，还可以具有如下附加的技术特征：

在本实用新型的一些实施例中，所述第一主氦风机和第二主氦风机分别设在所述上部空腔的两侧。

在本实用新型的一些实施例中，所述热气导管为“z”字形结构的弯管。

在本实用新型的一些实施例中，所述热气导管包括依次连通的第一横管、第一弯管、竖管、第二弯管和第二横管；所述第一横管、第一弯管、竖管、第二弯管和第二横管均包括第一管和第二管，且第一管设在第二管的内部；所有第一管连通构成所述热气导管的内管，所有第一管和第二管之间的区域连通构成所述热气导管的外管；所述第一横管连接压力容器，第二横管连接蒸汽发生器；所述第一横管和所述第二横管平行设置，所述竖管与所述第一横管垂直设置，且所述第一横管、第二横管和竖管三者投影不重合；所述第一弯管和所述第二弯管弯曲方向相反。

在本实用新型的一些实施例中，所述第一横管、第一弯管、竖管、第二弯管和第二横管一体成型。

在本实用新型的一些实施例中，所述热气导管为带“n”字形结构的弯管。

在本实用新型的一些实施例中，每个传热组件均包括同轴设置的内筒和外筒；所述内筒为中空封闭空间，所述内筒和外筒之间的环状区域为所述氦气通道，所述传热管设在所述氦气通道内。

在本实用新型的一些实施例中，所述传热管的数量为多个，沿所述环状区域周向均匀布设。

在本实用新型的一些实施例中，所述传热管的高度为40-50m。

在本实用新型的一些实施例中，所述传热组件的数量为32-38个，所述传热管的总数量为800-950个。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统的结构示意图。

图2是图1中反应压力容器和热气导管连接部分的放大图。

图3是根据本实用新型一个实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统中热气导管的俯视图。

图4是根据本实用新型另一个实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统中热气导管的俯视图。

图5是根据本实用新型一个实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统中蒸汽发生器内部传热组件的俯视图。

图6是根据本实用新型一个实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统中蒸汽发生器隔板内孔安装若干传热组件的俯视图。

附图标记：

1-压力容器；2-蒸汽发生器；201-壳体；202-环状隔板；203-上部空腔；204-下部空腔；205-第一主氦风机；206-第二主氦风机；207-传热组件；2071-传热管；2072-氦气通道；2073-内筒；2074-外筒；208-入口管道；3-热气导管；301-第一横管；302-第一弯管；303-竖管；304-第二弯管；305-第二横管；306-内管；307-外管；4-反应堆堆芯；401-燃料元件；402-中子反射层；403-隔热层。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面结合附图来描述本实用新型实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统。

图1是根据本实用新型一个实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统的结构示意图。

如图1、图2、图5和图6所示，本实用新型实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统，包括用热气导管3连通的压力容器1和蒸汽发生器2，蒸汽发生器2包括壳体201；壳体201上设有换热介质入口和换热介质出口，壳体201内设有环状隔板202；环状隔板202将壳体201分为上部空腔203和下部空腔204；上部空腔203内安装有第一主氦风机205和第二主氦风机206，第一主氦风机205和第二主氦风机206的入口管道208均穿过环状隔板202延伸至下部空腔204内，第一主氦风机205和第二主氦风机206的排气口与热气导管3的外管307连通；环状隔板202内孔密封安装有若干传热组件207，每个传热组件207均包括氦气通道2072和传热管2071；氦气通道2072上端连通热气导管3的内管306，下端连通下部空腔204；传热管2071上端连通换热介质入口，下端连通换热介质出口。

本实用新型实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统，蒸汽发生器内设置两台容量较小的主氦风机，提高了设备的可靠性，同时降低了反应堆冷却剂的压力、堆芯进出口温差，从而降低了一回路设备承压边界的厚度、蒸汽发生器传热管的长度及蒸汽发生器管板的温差，提高了管板的寿命。

可选的，第一主氦风机205和第二主氦风机206可将进入蒸汽发生器的氦气通道的氦气加压，为氦气的流动提供动力。第一主氦风机205和第二主氦风机206的入口管道208均穿过环状隔板202上的安装孔延伸至下部空腔204内，入口管道208与环状隔板202焊接。第一主氦风机205和第二主氦风机206分别设在上部空腔203的两侧，较佳的，第一主氦风机205和第二主氦风机206的中心连线与热气导管3中紧邻蒸汽发生器一端(也即热气导管与蒸汽发生器连通处的热氦气流动方向，如果是下述z字形热气导管，为第二横管所在端)热氦气流入蒸汽发生器的方向相互垂直，可以平衡两侧载荷，使得蒸汽发生器受力更加均匀，结构更稳定。第一主氦风机205和第二主氦风机206的容量相同(两台风机的流量和扬程性能相同)，流量均在50-100kg/s范围内，为现有主氦风机容量的50-100％。如果主氦风机容量不变，堆芯工况不变，那么反应堆冷却剂系统的压力可由目前的7MPa降低至4MPa左右，设备承压边界的壁厚可以降低一半左右，从而可以降低造价。

本实用新型中的压力容器1以及在压力容器1内部安装反应堆堆芯4等结构，均为现有技术，不做详细描述，但为了说明本实用新型的技术效果，简要说明如下：

如图1和图2所示，反应堆堆芯4为球床式反应堆堆芯，包括燃料元件401、中子反射层402和隔热层403，其中：燃料元件401为球形，放置在压力容器中心位置，发生核裂变反应产生热量，众多燃料元件形成堆芯。相比于目前的高温气冷堆，相同功率下，高度有所降低，压力容器的高度也相应有所降低。主要原因在于增加一台主氦风机，堆芯冷却剂流量增加，相同功率下，冷却剂堆芯进出口温差可以降低，保持堆芯出口温度750℃不变，堆芯进口温度由目前的250℃提高到300-350℃，因此，堆芯长度可以相应降低。中子反射层402，放置在反应堆堆芯4外面，包裹反应堆堆芯4。主要材料为石墨碳砖(因此，中子反射层也可以理解为是石墨碳砖层)，主要功能是吸收反应堆堆芯向外散射的中子，降低堆内构件所遭受的中子剂量。石墨碳砖的另一个功能是为燃料元件提供支撑，将反应堆堆芯固定。石墨碳砖的第三个功能是碳砖的孔道为控制棒，吸收球提供通道，便于控制堆芯的反应性和停堆。第四个功能是为碳砖与碳砖之间的间隙为氦气流通提供通道。第五个功能是为反应堆堆芯提供热容，当事故工况下，反应堆堆芯余热没有及时散出时，石墨碳砖吸收热量，使得反应堆堆芯温度升高幅度降低。第六个功能是构建热气联箱，便于与热气导管连接。相比于目前的高温气冷堆，相同功率下，由于反应堆堆芯高度降低了，石墨碳砖的高度也有所降低。隔热层403安装在反应堆堆芯的上部和下部，中子反射层的外层，主要功能是防止反应堆堆芯的热量传递给压力容器的壳体，造成压力容器的壳体温度过高。上部隔热层预留相关通道，用于控制棒和吸收球运行以及装入燃料球；下部隔热层预留通道，用于卸出燃料球。相比于目前的高温气冷堆，相同功率下，由于反应堆堆芯高度降低了，隔热层高度也有所降低。

由于目前高温气冷堆连接压力容器和蒸汽发生器的热气导管为直管，在启停堆过程中，需经受很大的温差，故管道的热胀冷缩量很大，直接转递给压力容器和蒸汽发生器，使得这两个设备承受了很大的热应力。因此，在本实用新型的实施例中，在不改变热气导管双层套管结构(设有内管和外管，内管介质为温度较高的反应堆冷却剂(氦气)，外管为温度较低的反应堆冷却剂氦气)的前提下，对热气导管的直管形状进行了改进，在一些实施例中，热气导管采用“z”字形结构的弯管，而在另一些实施例中，热气导管可以采用带“n”字形结构的弯管(如图4所示)。热气导管的形状为“z”或“n”字形，能够吸收热胀冷缩引起的管道变形量，不至于将载荷传递给蒸汽发生器和压力容器。

需要说明的是，当热气导管采用“Z”字形时，热气导管结构可以是严格的“Z”字形结构，即两个横管之间设置一斜管，安装时两个横管相互远离的一端分别连接压力容器和蒸汽发生器；热气导管结构也可以采用以下类似“Z”字形的结构：如图3所示，热气导管3包括依次连通的第一横管301、第一弯管302、竖管303、第二弯管304和第二横管305；第一横管301、第一弯管302、竖管303、第二弯管304和第二横管305均包括间隔一定间距的第一管和第二管，且第一管设在第二管的内部；所有第一管连通构成热气导管3的内管306，所有第一管和第二管之间的区域连通构成热气导管3的外管307；第一横管301连接压力容器1，第二横管305连接蒸汽发生器2；第一横管301和第二横管305平行设置，竖管303与第一横管301垂直设置，且第一横管301、第二横管305和竖管303三者投影不重合(也即：竖管303设在第一横管301远离第二横管305一端与第二横管305靠近第一横管301一端之间，且长度小于第一横管301与第二横管305之间的间距)；第一弯管302和第二弯管304弯曲方向相反。较佳的，第一横管301、第一弯管302、竖管303、第二弯管304和第二横管305一体成型。

需要说明的是，当热气导管3采用带“n”字形结构的弯管时，“n”字形弯管只是热气导管的中间一部份，其两端分别可以向“n”字形外部一体成型一个弯管或横管，用于分别连接压力容器和蒸汽发生器。

可选的，如图5所示，每个传热组件207均包括同轴设置的内筒2073和外筒2074；内筒2073为中空封闭空间，内筒2073和外筒2074之间的环状区域为氦气通道2072，传热管2071设在氦气通道2072内。为了提高换热效率，较佳的，传热管2071的数量为多个，且沿内筒2073和外筒2074之间的环状区域周向布设，更好的，可以均匀布设。单个传热组件中，传热管的数量优选25个。传热管2071为传热管，传热管2071的高度在40-50m之间。可选的，传热组件207的数量为32-38个，传热管2071的总数量为800-950个。由于增加一台主氦风机，堆芯流量增大，同功率下，可以降低反应堆冷却剂堆芯进出口温差，保持堆芯出口750℃不变，堆芯进口温度可由目前的250℃提高到300℃到350℃。温差降低以后，堆芯高径比可以降低，因此，对于蒸汽发生器，传热管长度可以降低，蒸汽发生器高度也相应降低，但是为保证传热面积，需增加传热管数目，蒸汽发生器直径也需增大，相当于由“高瘦形”修改成“矮胖形”。具体来说，蒸汽发生器传热管长度从目前的61m降低到40-50m，传热管数量由目前的665根提高到800-950根，传热管组件由35个变更为到32-38个(每个传热管组件原来含19个传热管，改进后含25个传热管)，从而也降低了这些设备的制造难度。

可选的，环状隔板202与壳体201焊接；多个传热组件可以先将上端和下端分别通过一个孔板安装在一起，具体是将各传热组件分别插入孔板上的孔中，再将传热组件的外筒与所在孔焊接，最后将孔板边缘与环状隔板202的内孔表面焊接；单个传热组件中，可通过杆状支架将传热管2071固定在内筒2073和外筒2074之间的环状区域内(也即氦气通道2072内)；第一主氦风机205和第二主氦风机206在上部空腔204内的安装方式同现有主氦风机在蒸汽发生器内的安装方式，在此不再赘述。

本实用新型实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统的工作原理：

热气导管3的内管306一端连接热气联箱，另一端连接蒸汽发生器2的氦气通道2072入口，将反应堆冷却剂加热的氦气导入蒸汽发生器2中的氦气通道2072。热气导管3的外管307一端连通第一主氦风机205的出口和第二主氦风机206的出口，另一端连接压力容器1，将经第一主氦风机205和第二主氦风机206可加压的氦气导回压力容器1。在蒸汽发生器2内部，环状隔板202将第一主氦风机和第二主氦风机的入口和出口气体隔开，便与加压和输送，同时在蒸汽发生器2传热管断裂工况下，可阻挡蒸汽发生器2二次侧的给水进入压力容器堆芯。来自热气导管3的内管306的反应堆冷却剂加热的氦气经过氦气通道2072时与进入第二管道2072的换热介质二次侧的冷水换热，将二次侧的冷水加热后成为蒸汽排出利用，经过换热的反应堆冷却剂加热的氦气进入下部空腔204，再经第一主氦风机205和第二主氦风机206的入口管道208(如图1所示，第一主氦风机205和第二主氦风机206均单独设置，但统一标记为入口管道208)进入第一主氦风机205和第二主氦风机206加压，再经第一主氦风机205和第二主氦风机206的出口直接排放至上部空腔203，最后经上部空腔203流通至热气导管3的外管307。

综上所述，本实用新型实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统，相对于现有的高温气冷堆，具有以下有益效果：

1、将常规蒸汽发生器的一个主氦风机改变成两个主氦风机，单个主氦风机的容量可以降低，从而降低了主氦风机的制造难度；

2、降低了反应堆冷却剂系统的压力，设备承压边界的壁厚可以降低，从而可以降低造价；

3、由于堆芯流量增大，同功率下，可以降低反应堆冷却剂堆芯进出口温差，温差降低以后，堆芯高径比可以降低，蒸汽发生器传热管长度也可以缩短，从而也降低了这些设备的制造难度；

4、由于反应堆冷却剂的温差缩小，对与直接承受温差的蒸汽发生器管板，由于温差降低，所承受的热应力降低，从而提高了该零件的使用寿命；

5、热气导管的形状为“z”或“n”字形，能够吸收热胀冷缩引起的管道变形量，不至于将载荷传递给蒸汽发生器和压力容器。

本实用新型实施例的高温气冷堆核蒸汽供应系统，结构简单，效果明显，具有广泛的应用价值。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种高温气冷堆核蒸汽供应系统，包括用热气导管连通的压力容器和蒸汽发生器，其特征在于，

所述蒸汽发生器包括壳体；所述壳体上设有换热介质入口和换热介质出口，所述壳体内设有环状隔板；

所述环状隔板将所述壳体分为上部空腔和下部空腔；所述上部空腔内安装有第一主氦风机和第二主氦风机，所述第一主氦风机和第二主氦风机的入口管道均穿过环状隔板延伸至下部空腔内，所述第一主氦风机和第二主氦风机的排气口与所述热气导管的外管连通；所述环状隔板内孔密封安装有若干传热组件，每个传热组件均包括氦气通道和传热管；所述氦气通道上端连通所述热气导管的内管，下端连通所述下部空腔；所述传热管上端连通所述换热介质入口，下端连通所述换热介质出口。

2.根据权利要求1所述的高温气冷堆核蒸汽供应系统，其特征在于，所述第一主氦风机和第二主氦风机分别设在所述上部空腔的两侧。

3.根据权利要求1所述的高温气冷堆核蒸汽供应系统，其特征在于，所述热气导管为“z”字形结构的弯管。

4.根据权利要求1所述的高温气冷堆核蒸汽供应系统，其特征在于，所述热气导管包括依次连通的第一横管、第一弯管、竖管、第二弯管和第二横管；所述第一横管、第一弯管、竖管、第二弯管和第二横管均包括的第一管和第二管，且第一管设在第二管的内部；所有第一管连通构成所述热气导管的内管，所有第一管和第二管之间的区域连通构成所述热气导管的外管；所述第一横管连接压力容器，第二横管连接蒸汽发生器；所述第一横管和所述第二横管平行设置，所述竖管与所述第一横管垂直设置，且所述第一横管、第二横管和竖管三者投影不重合；所述第一弯管和所述第二弯管弯曲方向相反。

5.根据权利要求4所述的高温气冷堆核蒸汽供应系统，其特征在于，所述第一横管、第一弯管、竖管、第二弯管和第二横管一体成型。

6.根据权利要求1所述的高温气冷堆核蒸汽供应系统，其特征在于，所述热气导管为带“n”字形结构的弯管。

7.根据权利要求1所述的高温气冷堆核蒸汽供应系统，其特征在于，每个传热组件均包括同轴设置的内筒和外筒；所述内筒为中空封闭空间，所述内筒和外筒之间的环状区域为所述氦气通道，所述传热管设在所述氦气通道内。

8.根据权利要求7所述的高温气冷堆核蒸汽供应系统，其特征在于，所述传热管的数量为多个，沿所述环状区域周向均匀布设。

9.根据权利要求7所述的高温气冷堆核蒸汽供应系统，其特征在于，所述传热管的高度为40-50m。

10.根据权利要求1所述的高温气冷堆核蒸汽供应系统，其特征在于，所述传热组件的数量为32-38个，所述传热管的总数量为800-950个。

Images