RU2071021C1

RU2071021C1 - Device for transfer of heat and method of determination of abnormal conditions of operation of liquid-metal heat-transfer agent loop

Info

Publication number: RU2071021C1
Application number: RU94031528A
Authority: RU
Inventors: В.В. Борисов; В.С. Белинский; В.В. Денисов; С.В. Перевозников; И.И. Ракосей
Original assignee: Государственный научный центр физико-энергетический институт
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1996-12-27
Also published as: RU94031528A

Abstract

FIELD: power plants with liquid-metal heat transfer agent; nuclear power and metallurgy. SUBSTANCE: device is provided with additional circulating loop for checking the steam generator for loss of tightness and leakage of sodium from main loop into surrounding medium. Main and auxiliary loops are connected by means of pipe which connects section of main loop between outlet of steam generator and suction branch pipe of main pump and section of additional loop between pressure branch pipe of auxiliary pump and main tank inlet. Tightness of steam generator is lost if flow rate of heat-transfer agent in inlet branch pipe of drain tank exceeds that in outlet branch pipe of the same tank. If flow rate of heat-transfer agent in outlet branch pipe of drain tank exceeds that in inlet branch pipe of the same tank, sodium escapes into surrounding medium. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическим установкам с жидкометаллическим теплоносителем и может быть использовано в атомной энергетике и металлургии. The invention relates to power plants with a liquid metal coolant and can be used in nuclear energy and metallurgy.

Известен ряд схем систем аварийной защиты парогенераторов [1, с. 104-109]
Недостатком указанных схем является их высокая инерционность при аварийных режимах работы.A number of known schemes of emergency protection systems for steam generators [1, p. 104-109]
The disadvantage of these schemes is their high inertia during emergency operation.

Наиболее близкой к предлагаемой является теплопередающая система Альплауса Ноллзской лаборатории атомной энергии [2, с. 118-119]
Схема натриевой части теплопередающей системы Альплауса состоит из двух контуров:
основного, включающего в себя насос, теплообменник, получающий тепло от постоянного источника, теплообменник отдающий тепло (может быть парогенератор) и расширительный бак с компенсационным газовым объемом;
вспомогательного, обеспечивающего автоматическое поддержание уровня натрия в расширительном баке и состоящего из сливного натриевого бака, натриевая полость которого подключена через подающую линию с электромагнитным насосом к натриевой полости расширительного бака, из расширительного бака на определенном уровне выведена переливная труба подключенная к газовой полости сливного бака.Closest to the proposed is the Alplaus heat transfer system of the Nolls Atomic Energy Laboratory [2, p. 118-119]
The sodium part of the Alplaus heat transfer system consists of two circuits:
the main one, which includes a pump, a heat exchanger that receives heat from a constant source, a heat exchanger that gives off heat (there may be a steam generator) and an expansion tank with a compensating gas volume;
auxiliary, providing automatic maintenance of the sodium level in the expansion tank and consisting of a drain sodium tank, the sodium cavity of which is connected through the supply line with an electromagnetic pump to the sodium cavity of the expansion tank, an overflow pipe connected to the gas cavity of the drain tank is withdrawn from the expansion tank at a certain level.

Давление в газовых полостях расширительного и сливного баков поддерживается одинаковым. The pressure in the gas cavities of the expansion and drain tanks is maintained the same.

Компенсационный газовый объем и предохранительный клапан обеспечивают защиту натриевого контура от превышения давления в переходных и аварийных режимах. The compensating gas volume and safety valve protect the sodium circuit from overpressure in transient and emergency conditions.

Таким образом данная система способна самостоятельно, без вмешательства оперативного персонала, отслеживать температурные возмущения, возникающие в контуре (функция компенсационного объема) и с помощью подающей и переливной линий приводить систему в исходное состояние по уровню натрия в расширительном баке. Thus, this system is able to independently, without the intervention of operational personnel, monitor the temperature disturbances that occur in the circuit (function of the compensation volume) and use the supply and overflow lines to restore the system to its initial state by the level of sodium in the expansion tank.

Вместе с тем наличие компенсационных объемов сказывается на быстродействии системы и не обеспечивает достаточно оперативного ее реагирования на возможное возникновение течи. At the same time, the presence of compensation volumes affects the system’s speed and does not provide a sufficiently quick response to a possible leak.

В настоящее время действие систем аварийной защиты парогенераторов как отечественных, так и зарубежных АЭС (Феникс, БН-600, PFR и др.) с точки зрения определения аномальных режимов работы контура с жидкометаллическим теплоносителем основано на концентратометрических методах контроля за обнаружением течи воды в натрий [1] Поэтому в этом отношении они достаточно инерционны (происходит значительное запаздывание за счет инерционности самих приборов и времени транспорта продуктов реакции к датчикам). At present, the operation of emergency protection systems for steam generators of both domestic and foreign nuclear power plants (Phoenix, BN-600, PFR, etc.) from the point of view of determining the anomalous operating conditions of the circuit with a liquid metal coolant is based on concentrate methods for monitoring the detection of water leakage in sodium [ 1] Therefore, in this respect they are quite inertial (there is a significant delay due to the inertia of the devices themselves and the time of transport of reaction products to the sensors).

Акустические системы контроля течи воды в натрий, несмотря на их быстродействие, до настоящего времени не нашли практического применения на действующих АЭС. Acoustic systems for controlling the flow of water into sodium, despite their speed, have not yet found practical application at existing nuclear power plants.

Защита натриевых контуров от превышения давления осуществляется в основном с помощью предохранительных устройств, установленных на компенсационном газовом объеме. Однако вследствие больших компенсационных объемов систем защиты, для срабатывания этих систем по превышению давления требуется большое количество воды, попавшей в контур, что конечно же является негативным фактором. The protection of sodium circuits from overpressure is carried out mainly with the help of safety devices installed on a compensating gas volume. However, due to the large compensation volumes of the protection systems, for the operation of these systems to exceed the pressure, a large amount of water that has got into the circuit is required, which of course is a negative factor.

Задача изобретения достижение как можно меньшей инерционности с точки зрения обнаружения течи; способность системы влиять на отключение аварийной петли на возможно более ранней стадии развития течи (или с минимальным количеством попавшей в аварийную петлю воды). The objective of the invention is to achieve the lowest possible inertia from the point of view of leak detection; the ability of the system to influence the shutdown of the emergency loop at the earliest possible stage of leak development (or with the minimum amount of water falling into the emergency loop).

Последнее положение весьма актуально в плане сохранения оборудования в ремонтируемом состоянии. The latter provision is very relevant in terms of maintaining equipment in a repaired condition.

Для решения указанной задачи предлагается устройство для передачи тепла, выполненное в виде заполненного щелочным металлом циркуляционного контура, включающего последовательно соединенные теплообменник, парогенератор, основной насос и предохранительную систему оснастить дополнительным циркуляционным контуром, содержащим вспомогательный насос и сливной бак. Основной и дополнительный контуры предлагается связать между собой трубой, соединяющей участок основного контура, находящийся между выходом из парогенератора и всасывающим патрубком вспомогательного насоса и участок дополнительного циркуляционного контура, находящийся между напорным патрубком вспомогательного насоса и входом в сливной бак. Предохранительную систему предлагается выполнить в виде предохранительного устройства, установленного на трубопроводе соединяющем основной контур и сливной бак, а трубопровод соединяющий основной контур и предохранительное устройство выполнить как часть дополнительного циркуляционного контура. To solve this problem, a heat transfer device is proposed, made in the form of a circulation loop filled with alkali metal, including a heat exchanger, a steam generator, a main pump and a safety system connected in series, with an additional circulation circuit containing an auxiliary pump and a drain tank. It is proposed to connect the main and additional circuits with each other by a pipe connecting a section of the main circuit located between the outlet of the steam generator and the suction pipe of the auxiliary pump and a section of the additional circulation circuit located between the pressure pipe of the auxiliary pump and the inlet to the drain tank. The safety system is proposed to be implemented in the form of a safety device installed on the pipeline connecting the main circuit and the drain tank, and the pipeline connecting the main circuit and the safety device should be implemented as part of the additional circulation circuit.

Для решения указанной задачи предлагается также способ определения аномальных режимов работы контура с жидкометаллическим щелочным теплоносителем, заключающийся в фиксации его негерметичности, дополнить следующими действиями. Теплоноситель непрерывно забирают из сливного бака и возвращают в сливной бак. Давление в газовой полости сливного бака поддерживают ниже давления в основном циркуляционном контуре. Расход теплоносителя контролируют во входном и выходном патрубках сливного бака. О негерметичности парогенератора судят по превышению расхода теплоносителя во входном патрубке сливного бака, а о протечках натрия в окружающую среду из основного циркуляционного контура судят по превышению расхода теплоносителя в выходном патрубке сливного бака по отношению к расходу во входном патрубке сливного бака. To solve this problem, a method is also proposed for determining the anomalous operating conditions of the circuit with a liquid-metal alkaline coolant, which consists in fixing its leakage, supplemented by the following steps. The coolant is continuously withdrawn from the drain tank and returned to the drain tank. The pressure in the gas cavity of the drain tank is kept below the pressure in the main circulation circuit. The flow rate of the coolant is controlled in the inlet and outlet pipes of the drain tank. The leakage of the steam generator is judged by the excess of the coolant flow rate in the inlet pipe of the drain tank, and the sodium leakage into the environment from the main circulation circuit is judged by the excess of the coolant flow rate in the outlet pipe of the drain tank with respect to the flow rate in the drain tank inlet.

С точки зрения компоновки схемы наиболее предпочтительным представляется вариант, где предохранительная мембрана, установленная на сбросном трубопроводе, идущим из основного контура и являющимся также составной частью дополнительного контура, будет расположена в верхней точке над всем остальным оборудованием. From the point of view of the layout of the circuit, the most preferred option is where the safety membrane installed on the discharge pipe coming from the main circuit and which is also part of the additional circuit will be located at the highest point above all other equipment.

Главным преимуществом такого варианта является возможность при любой ситуации сохранить натрий в циркуляционном контуре, что особенно важно для установок, требующих постоянного охлаждения. The main advantage of this option is the ability to save sodium in the circulation circuit in any situation, which is especially important for plants requiring constant cooling.

Здесь можно отметить и тот факт, что постоянная подкачка натрия обеспечит "незамораживаемость" сбросной линии до мембраны (несмотря на ее протяженность 20 м), а также соответствующие рабочие условия по температуре. Here we can note the fact that the constant pumping of sodium will ensure the “freezing” of the discharge line to the membrane (despite its length of 20 m), as well as the corresponding operating conditions for temperature.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства, где 1 основной насос, 2 теплообменник, 3 парогенератор, 4 вспомогательный насос, 5 - расходомеры, 6 предохранительное устройство (мембрана), 7 образный клапан, 8 быстродействующая арматура (клапан с электроприводом), 9 сливной бак. The drawing shows a diagram of the proposed device, where 1 main pump, 2 heat exchanger, 3 steam generator, 4 auxiliary pump, 5 - flow meters, 6 safety device (membrane), 7-shaped valve, 8 high-speed fittings (valve with electric actuator), 9 drain tank.

Устройство для передачи тепла работает следующим образом. A device for transferring heat operates as follows.

Основной циркуляционный контур передает тепло от внутренних натриевых трубок теплообменника 2 парогенератору 3, в котором вырабатывается перегретый пар. Охлажденный жидкий натрий поступает на всас основного, например центробежного насоса 1. The main circulation circuit transfers heat from the internal sodium tubes of the heat exchanger 2 to the steam generator 3, in which superheated steam is generated. Chilled liquid sodium enters the inlet of the main, for example, centrifugal pump 1.

Вспомогательный контур, состоящий из электромагнитного насоса 4, сливного бака 9, подающей и переливной линий, подключен к основному контуру между парогенератором и основным насосом. Во вспомогательный контур включен участок от основного контура до предохранительного устройства. The auxiliary circuit, consisting of an electromagnetic pump 4, a drain tank 9, supply and overflow lines, is connected to the main circuit between the steam generator and the main pump. The auxiliary circuit includes a section from the main circuit to the safety device.

Переливная линия подключена непосредственно на входе в предохранительное устройство. An overflow line is connected directly at the entrance to the safety device.

Сопротивление переливной линии подбирается таким образом, чтобы при выбранном расходе натрия по вспомогательному контуру обеспечивалось необходимое постоянное давление на всасе в насос основного циркуляционного контура. The resistance of the overflow line is selected in such a way that at the selected sodium flow rate along the auxiliary circuit, the necessary constant pressure at the inlet to the pump of the main circulation circuit is provided.

Теплоноситель непрерывно забирается из сливного бака и возвращается в него, давление в газовой полости сливного бака поддерживается ниже давления в основном циркуляционном контуре, ведется контроль расхода теплоносителя во входном и выходном патрубках сливного бака. Давление натрия в контуре контролируется датчиком давления, установленным на напоре насоса. The coolant is continuously taken from the drain tank and returned to it, the pressure in the gas cavity of the drain tank is maintained below the pressure in the main circulation circuit, the flow rate of the coolant in the inlet and outlet nozzles of the drain tank is controlled. The sodium pressure in the circuit is controlled by a pressure sensor mounted on the pump head.

При нарушении герметичности парогенератора вода из пароводяного контура попадает в основной контур, вступает в химическое взаимодействие с щелочным металлом, вызывая повышение давления в основном контуре, что, соответственно, приводит к превышению расхода теплоносителя во входном патрубке сливного бака по отношению к расходу в выходном патрубке сливного бака. При протечках натрия в окружающую среду из основного контура происходит падение давления в нем, что приводит к превышению расхода теплоносителя в выходном патрубке сливного бака по отношению к расходу во входном патрубке сливного бака. In the event of a leak in the steam generator, water from the steam-water circuit enters the main circuit, enters into chemical interaction with the alkali metal, causing an increase in pressure in the main circuit, which, accordingly, leads to an excess of the coolant flow rate in the inlet port of the drain tank relative to the flow rate in the outlet port of the drain tank. When sodium leaks into the environment from the main circuit, a pressure drop occurs in it, which leads to an excess of the coolant flow rate in the outlet pipe of the drain tank relative to the flow rate in the inlet pipe of the drain tank.

Необходимость наличия в схеме устройства для передачи тепла дополнительной линии, снабженной быстродействующей арматурой 8 и срабатывающей по соответствующему сигналу, показал расчетный анализ, проведенный для режима "стоп-вода", сделанный на основе данных для БН-800. Полученное при этом пиковое значение расхода натрия (в несколько сот метров кубических в час) требует проходного сечения не меньшего, чем соответствующего dy100. При отсутствии такой дополнительной линии, расходная характеристика системы не обеспечивает слив всего объема "лишнего" натрия. Кроме режима "стоп-вода" данная линия способна отрабатывать последствия всех переходных процессов, возникших в контуре. The need for the presence of an additional line in the circuit of the device for heat transfer, equipped with high-speed fittings 8 and triggered by the corresponding signal, was shown by the calculation analysis carried out for the stop-water mode based on data for the BN-800. The resulting peak value of sodium consumption (several hundred meters cubic per hour) requires a flow area not less than the corresponding dy100. In the absence of such an additional line, the flow rate characteristic of the system does not provide drainage of the entire volume of "excess" sodium. In addition to the "stop-water" mode, this line is able to work out the consequences of all transients that have occurred in the circuit.

Таким образом, в предлагаемом устройстве для передачи тепла поставленные задачи в достаточной степени можно считать решенными. Следует особо отметить тот факт, что благодаря наличию контура подпитки, система способна саморегулироваться и отслеживать возможные возмущения основного контура практически сразу по их появлению. Thus, in the proposed device for heat transfer, the tasks can be considered sufficiently solved. Of particular note is the fact that, thanks to the presence of a make-up circuit, the system is able to self-regulate and track possible disturbances of the main circuit almost immediately upon their appearance.

Claims

1. A device for heat transfer, made in the form of a circulation loop filled with alkali metal, comprising a heat exchanger, a steam generator, a main pump and a safety system connected in series, characterized in that it contains an additional circulation loop containing an auxiliary pump and a drain tank, the main and additional circulation circuits are interconnected by a pipe connecting a section of the main circuit located between the outlet of the steam generator and the suction pipe SIC pump, and an additional portion of the circulation circuit located between the discharge port of the auxiliary pump and the inlet to the drain tank.

2. The device according to claim 1, characterized in that the safety system is made in the form of a safety device mounted on a pipeline connecting the main circuit and the drain tank, and the pipeline connecting the main circuit and the safety device is part of an additional circulation circuit.

3. The method for determining the abnormal operating conditions of the circuit with a liquid metal alkaline coolant, which consists in fixing its leaks, characterized in that the coolant is continuously taken from the drain tank and returned to the drain tank, the pressure in the gas cavity of the drain tank is maintained below the pressure in the main circulation circuit, control the flow rate of the coolant in the inlet and outlet pipes of the drain tank, the leakage of the steam generator is judged by the excess flow rate of the coolant in the inlet pipe of the drain tank in relation to the flow rate in the outlet pipe of the drain tank, and sodium leakage into the environment from the main circulation circuit is judged by the excess flow rate of the coolant in the outlet pipe of the drain tank in relation to the flow rate in the inlet pipe of the drain tank.