辐射式液态金属钠高功率加热系统及加热方法技术方案

一种辐射式液态金属钠高功率加热系统及加热方法，该系统包括一个入口主管线、一个出口主管线、多个并联连接的高功率加热器；液态金属钠在高功率加热器中被加热后进入出口管线，高功率加热器设计中在门字形液态金属钠管道内外各布置有一层加热棒，利用辐射换热对钠进行加热；加热系统引入了氮气保护，隔绝了空气及其他气体与液态钠的反应；整个加热系统各级加热器相互隔离，可分别控制通断和调整功率，并且引入了自动反馈调节，使得整个加热系统的钠出口温度能够达到实验工况的要求；整个加热系统经济高效、安全可靠，可操作性强。

【技术实现步骤摘要】
辐射式液态金属钠高功率加热系统及加热方法
本专利技术涉及液态金属加热
，具体涉及一种辐射式液态金属钠高功率加热系统及加热方法。
技术介绍
钠-水蒸汽发生器是连接钠冷快堆二回路和三回路的重要枢纽，它将反应堆产生的热量加热主给水产生蒸汽，从而推动汽轮机做功。同时蒸汽发生器还是分隔二回路和三回路的重要屏障，一旦传热管破裂将会引起严重的钠水反应，产生极大安全事故。在钠冷快堆研究中，对于钠-水蒸汽发生器的研究是非常关键的一部分，较早发展快堆的几个国家均对此开展了大量的研究工作，在蒸汽发生器试验中，很多国家利用燃气加热的方式代替反应堆输出的热量，如日本SGTF(SteamGeneratorTestFacility)台架、印度SGTF(SteamGeneratorTestFacility)台架、美国SGTR(SteamGeneratorTestRig)试验台架等。火焰加热方式主要存在锅炉的匹配和加工问题，同时引入锅炉在运行和安全上增加了大量不确定度，提高了试验风险评估的层次，增大了发生重大事故的概率。根据现有试验运行经验，钠工质的电加热方式主要有两种，直接式加热和辐射式加热。直接式加热是指直接将加热棒插入钠工质中，通过钠与加热器表面的对流换热传递热量，这种加热方式原理简单，效率略高，热量损失小，但是由于钠是直接与加热棒接触的，并且加热棒与钠容器筒体连接处需要的焊缝数量很大，一旦加热棒与筒体焊接处出现泄漏将会直接导致液态金属钠泄漏到外界环境中，产生巨大安全隐患。辐射式加热器设计中液态金属钠是与加热棒分开的，钠在独立的钠通道中流动，加热棒在钠通道外部通过辐射换热为钠提供热量，这种加热方式由于辐射换热热效率相比对流换热较小，而且热量泄漏比例也太高于直接式加热，因此加热效率要比直接式低。另外，直接式加热器设计比较紧凑，因此整个加热器总体积相比辐射式加热器要小很多。辐射式加热器最重要的优点在于液态金属钠不与加热棒直接接触，钠通道筒体上贯穿焊缝很少，因此泄漏概率要小很多，甚至就算发生泄漏也还有最外层的保温筒体作为保护，安全性相比直接式加热器要高很多。
技术实现思路
国内外钠水试验很多都有过钠泄漏的事故，本试验规模较大，一旦发生钠泄漏，将会引起严重安全事故，因此考虑安全因素，本专利技术设计了一种辐射式液态金属钠高功率加热系统。本专利技术通过合理布置加热棒和选取合适的加热及其调节方式，满足现有钠冷快堆蒸汽发生器、热交换器等大型设备研发试验验证的需要，提供代替核能的常规能源进行试验，加热器设计简单易行，切实有效，安全性和经济性较高。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种辐射式液态金属钠高功率加热系统，包括一个入口主管线、一个出口主管线、多个并联连接的高功率加热器；液态金属钠进入加热系统，首先进入入口主管线上的第一个三通接口，第一个三通第一出口通过第一入口阀201连通第一高功率加热器1，第一高功率加热器1出口连接第一出口阀301，第一出口阀301连接出口主管线，第一个三通第二出口直接连接第二个三通接口，后续管线以相同结构连接其它高功率加热器，多个高功率加热器的出口流体经由多个出口阀汇入出口主管线，钠进出口分别布置有热电偶测量钠温；以上第一高功率加热器1、第一入口阀201、第一出口阀301构成第一加热单元；第二高功率加热器2、第二入口阀202、第二出口阀302构成第二加热单元，以此类推，构成多个加热单元，每个加热单元的结构和流量均相同；每个加热单元均在外层包裹保温棉，启动时使整个加热单元温度达到钠的凝固点以上，防止钠的凝固造成的堵管事故；还包括与每个高功率加热器连接的PLC控制柜及控制系统5。所述高功率加热器的数量为四个，分别为第一高功率加热器1、第二高功率加热器2、第三高功率加热器3和第四高功率加热器4，每个高功率加热器的功率为5MW，共20MW。所述多个并联连接的高功率加热器结构均相同，其中第一高功率加热器1包括加热器壳体105，入口法兰101及与入口法兰101相连的入口主管道104，出口法兰114及与出口法兰114相连的出口主管道113，连接入口主管道104和出口主管道113的门字形管束110，分别设置在门字形管束110内部和外部的内部加热棒束108和外部加热棒束109；门字形管束110的两端分别焊接在入口主管道104和出口主管道113上；所述门字形管束110是若干根沿主管道方向平行布置的门字形管道，流体进入主管道后在流动过程中向门字形管束中分流，在其中被加热；所述内部加热棒束108和外部加热棒束109均为门字形平行排列的单排管束，分别布置在门字形管束110内部和外部，距门字形管束110有一段距离，通过辐射换热加热管束中的流体；上述入口主管道104、出口主管道113、门字形管束110、内部加热棒束108和外部加热棒束109都布置在加热器壳体105中，加热器壳体105中布置有支撑格架107对门字形管束110、内部加热棒束108和外部加热棒束109进行支撑；所述入口主管道104和出口主管道113入口处均布置有测温热电偶103和排净孔102，测温热电偶103用来测量加热器内流体的进出口温度，排净孔用来排完加热器中残留的流体；所述加热器壳体105外部布置有充氮口112、排气孔106和仪表接线箱111。所述入口主管道104和出口主管道113均为直径为DN200的圆形管道；所述门字形管束110的直径为DN25。所述多个高功率加热器采用PLC控制柜及控制系统5调节加热功率，每个高功率加热器的功率均能够单独调节，以满足不同试验条件对出口钠温的要求。所有的入口阀、出口阀均采用电动控制阀门，所有温度、压力信号经过数据采集系统采集、调节和分析；PLC控制柜及控制系统5设置钠出口温度与加热功率反馈，通过钠出口温度与额定工况温度差值，调节各级高功率加热器功率，实现出口温度的自动调节控制。所述的辐射式液态金属钠高功率加热系统的加热方法，首先开启所有高功率加热器的入口阀和出口阀，对加热系统进行抽真空处理，通过各高功率加热器的充氮口向系统中充入氮气到所需压力并维持；开启各加热单元的高功率加热器外部加热棒束，使得各加热单元的高功率加热器、入口阀和出口阀以及管路温度均到达180℃-220℃范围内，保持外部加热棒束加热功率稳定；当液态金属钠进入加热系统后，开启各级高功率加热器，控制加热功率缓慢升高；根据钠出口温度与额定工况温度差值，调节各级高功率加热器功率，直至液态金属钠加热至所需功率；当加热系统需要关闭时，依次关闭第一高功率加热器1、第二高功率加热器2、以此类推，关闭所有高功率加热器，保持加热功率不变，待所有金属钠从加热系统排空后，停止加热，同时保持氮气保护。和现有技术相比较，本专利技术具备如下优点：1.液态金属钠与高功率加热器之间完全隔离，并且二者均被布置在加热器壳体内，加热器壳体上只有很少的贯穿件焊缝，最大程度上减少了液态金属钠泄漏的可能以及泄漏后的风险；2.加热器中布置有双层加热管束，分别布置在钠管束内外两侧，对通道中流体进行双面加热，在保证加热功率的同时节省了空间，减小了加热器的整体体积；3.加热系统每级加热器功率都可以分开调节，并且每个加热器管道相互独立，在不需要满负荷运行时或是事故工况下，每个加热器均可以通过开关进出口阀门进行隔离，不影响其他加热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种辐射式液态金属钠高功率加热系统，其特征在于：包括一个入口主管线、一个出口主管线、多个并联连接的高功率加热器；液态金属钠进入加热系统，首先进入入口主管线上的第一个三通接口，第一个三通第一出口通过第一入口阀(201)连通第一高功率加热器(1)，第一高功率加热器(1)出口连接第一出口阀(301)，第一出口阀(301)连接出口主管线，第一个三通第二出口直接连接第二个三通接口，后续管线以相同结构连接其它高功率加热器，多个高功率加热器的出口流体经由多个出口阀汇入出口主管线，钠进出口分别布置有热电偶测量钠温；以上第一高功率加热器(1)、第一入口阀(201)、第一出口阀(301)构成第一加热单元；第二高功率加热器(2)、第二入口阀(202)、第二出口阀(302)构成第二加热单元，以此类推，构成多个加热单元，每个加热单元的结构和流量均相同；每个加热单元均在外层包裹保温棉，启动时使整个加热单元温度达到钠的凝固点以上，防止钠的凝固造成的堵管事故；还包括与每个高功率加热器连接的PLC控制柜及控制系统(5)。

【技术特征摘要】
1.一种辐射式液态金属钠高功率加热系统，其特征在于：包括一个入口主管线、一个出口主管线、多个并联连接的高功率加热器；液态金属钠进入加热系统，首先进入入口主管线上的第一个三通接口，第一个三通第一出口通过第一入口阀(201)连通第一高功率加热器(1)，第一高功率加热器(1)出口连接第一出口阀(301)，第一出口阀(301)连接出口主管线，第一个三通第二出口直接连接第二个三通接口，后续管线以相同结构连接其它高功率加热器，多个高功率加热器的出口流体经由多个出口阀汇入出口主管线，钠进出口分别布置有热电偶测量钠温；以上第一高功率加热器(1)、第一入口阀(201)、第一出口阀(301)构成第一加热单元；第二高功率加热器(2)、第二入口阀(202)、第二出口阀(302)构成第二加热单元，以此类推，构成多个加热单元，每个加热单元的结构和流量均相同；每个加热单元均在外层包裹保温棉，启动时使整个加热单元温度达到钠的凝固点以上，防止钠的凝固造成的堵管事故；还包括与每个高功率加热器连接的PLC控制柜及控制系统(5)。2.根据权利要求1所述的一种辐射式液态金属钠高功率加热系统，其特征在于：所述高功率加热器的数量为四个，分别为第一高功率加热器(1)、第二高功率加热器(2)、第三高功率加热器(3)和第四高功率加热器(4)，每个高功率加热器的功率为5MW，共20MW。3.根据权利要求1所述的一种辐射式液态金属钠高功率加热系统，其特征在于：所述多个并联连接的高功率加热器结构均相同，其中第一高功率加热器(1)包括加热器壳体(105)，入口法兰(101)及与入口法兰(101)相连的入口主管道(104)，出口法兰(114)及与出口法兰(114)相连的出口主管道(113)，连接入口主管道(104)和出口主管道(113)的门字形管束(110)，分别设置在门字形管束(110)内部和外部的内部加热棒束(108)和外部加热棒束(109)；门字形管束(110)的两端分别焊接在入口主管道(104)和出口主管道(113)上；所述门字形管束(110)是若干根沿主管道方向平行布置的门字形管道，流体进入主管道后在流动过程中向门字形管束中分流，在其中被加热；所述内部加热棒束(108)和外部加热棒束(109)均为门字形平行排列的单排管束，分别布置在门字形管束(110)内部和外部，距门字形管束(110)有一段距离，通过辐射换热加热管束中的流体；上述入口主管道(104)、出口主...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大林，张衍，苏光辉，田文喜，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61