液态金属钠高功率加热系统及加热方法技术方案

液态金属钠高功率加热系统及加热方法，包括四个高功率加热器，每个加热单元包括电加热器，进口阀、出口阀、旁通阀，每个加热单元之间串联连接；每个加热器中液态金属钠在立式螺旋形盘管中流动，盘管内部和外部分别布置有镍络合金制成的加热丝，对盘管中流体进行内外辐射加热；液态金属钠管道全程没有贯穿件和焊缝，同时电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，最大程度上减小了钠泄漏的风险和少量钠泄漏的后果；整个加热系统功率调节采用通断式、高功率粗调、低功率细调的“三步走”方案，并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】
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
，具体涉及一种液态金属钠高功率加热系统及加热方法
技术介绍
钠冷快堆通常采用钠-钠-水的回路设计，钠-水蒸汽发生器是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，严重影响核电站运行的可用性、经济性及可靠性。大量的文献调研发现，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。日本SGTF(SteamGeneratorTestFacility)台架功率为50MW，按文殊堆1/5功率设计，采用燃气加热，锅炉进口钠温390℃，出口钠温540℃。印度SGTF(SteamGeneratorTestFacility)台架功率为5.5MW，采用燃气加热，将钠从355℃加热至525℃。美国SGTR(SteamGeneratorTestRig)试验台架功率为2MW，同样采用火焰加热器。燃气锅炉进出口钠温分别约为308℃和505℃，流量524t/h。荷兰SCTF(SodiumComponentTestFacilityfortestingofsteamgenerator)试验台架功率为50MW，其火焰加热器功率58MW，钠温从343.5℃升至650℃，流量1800m3/h。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。目前国内常规压水堆的蒸汽发生器研发采用燃油或高温蒸汽加热，由于钠介质化学性质活泼，在蒸汽加热器内发生钠泄漏会形成剧烈的钠水反应引起氢气爆炸，造成严重后果。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
本专利技术的目的是克服上述燃气或蒸汽加热的缺点，提供了一种辐射式液态金属钠高功率加热系统及加热方法，本专利技术通过合理布置液态金属钠管道和加热棒，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：一种液态金属钠高功率加热系统，包括四个依次串联连接的高功率加热器及其连接管道；液态金属钠进入加热系统，首先进入第一个三通接口，第一个三通第一出口通过第一入口阀101连接第一高功率加热器1的入口端，第一个三通第二出口连接第一旁通阀301；第一高功率加热器1出口端连接第一出口阀401，第一出口阀401后端管线与第一旁通阀301后端管线交汇后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；旁通阀和旁通管线主要用于两类工况，其一为当钠所需加热功率较低时，液态金属钠不需要流经高功率加热器，从而减小流动阻力；其二为当某个高功率加热器需要在线检修，加热系统还需继续在线工作时，则液态金属钠绕过此需要在线检修的高功率加热器；所述四个高功率加热器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5.75MW，共23MW；以上第一高功率加热器1、第一入口阀101、第一出口阀401以及第一旁通阀301构成第一加热单元；第二高功率加热器2、第二入口阀102、第二出口阀402以及第二旁通阀302构成第二加热单元，以此类推，构成四个加热单元，每个加热单元的结构均相同；每个加热单元均在外层包裹保温棉，启动时使整个加热系统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5，以及与PLC控制柜5连接的控制系统6。所述四个高功率加热器的结构均相同，其中第一高功率加热器1包括入口法兰201、出口法兰215、加热器外壳203，以及布置在加热器外壳203内的盘管205和加热丝207；所述盘管205是液态金属钠的流通管道，管道形状为立式螺旋形，两端分别通过入口法兰201和出口法兰215连通第一高功率加热器1的进出口管道，液态金属钠从入口法兰201进入盘管205之后，经过多层管道逐步下降，在其中被加热，然后通过出口法兰215流出；所述加热丝207共四组，其中中间的两组布置在盘管内部，其他两组分别布置在盘管两侧，对盘管内流体进行双面加热；所述加热丝207接线端通过卡扣与加热器外壳203上表面固定，悬挂于第一高功率加热器腔体内，这种固定方式主要是便于在线更换，检修和维护更方便；第一高功率加热器1进出口管道上分别布置有入口测温热电偶202和出口测温热电偶214，用于监测液态金属钠流体进出口温度，便于实时功率调节；所述盘管205外表面多处布置有盘管超温保护装置206，所述加热丝207附近多处设置有加热丝超温保护装置208，所述盘管超温保护装置206和加热丝超温保护装置208实质为预先设置好温度的热电偶，一旦温度达到预定温度就会发出警报；所述加热器外壳203上还布置有充氮口217、呼吸阀209和压力变送器211，用于保证加热器内的压力控制、维持和监测；还包括用于检修维护时用于人员出入的第一人孔204和第二人孔212以及用于钠泄漏监测的钠泄漏监测装置210；第一高功率加热器1的出口管道上还布置有排放阀216。所述加热器外壳203和盘管205的材料均为不锈钢，盘管直径为DN200，单个高功率加热器内盘管展开长度为400m；所述加热丝207材料为镍络合金，直径为6～8mm。所述高功率加热器采用PLC控制柜5调节加热功率；其中第一高功率加热器1和第二高功率加热器2采用通断式加热方式，使整个加热系统经济、高效。所有的入口阀、出口阀和旁通阀均采用电动控制阀门，所有温度、压力信号经过控制系统6采集、调节、分析；控制系统6设置钠出口温度与加热功率反馈，加热系统钠出口温度与额定工况温度差值，调节各高功率加热器的功率，实现温度自动调节控制。具体加热方法为：首先开启所有高功率加热器的入口阀、出口阀和旁通阀，对加热系统进行抽真空处理，开启各高功率加热器的充氮口阀门，通过压力变送器监测加热系统内压力，充入氮气到预定压力；开启各加热单元的高功率加热器盘管两侧的加热丝，使得各加热单元的高功率加热器、入口阀、出口阀和旁通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液态金属钠高功率加热系统，其特征在于：包括四个依次串联连接的高功率加热器及其连接管道；液态金属钠进入加热系统，首先进入第一个三通接口，第一个三通第一出口通过第一入口阀(101)连接第一高功率加热器(1)的入口端，第一个三通第二出口连接第一旁通阀(301)；第一高功率加热器(1)出口端连接第一出口阀(401)，第一出口阀(401)后端管线与第一旁通阀(301)后端管线交汇后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；旁通阀和旁通管线主要用于两类工况，其一为当钠所需加热功率较低时，液态金属钠不需要流经高功率加热器，从而减小流动阻力；其二为当某个高功率加热器需要在线检修，加热系统还需继续在线工作时，则液态金属钠绕过此需要在线检修的高功率加热器；以上第一高功率加热器(1)、第一入口阀(101)、第一出口阀(401)以及第一旁通阀(301)构成第一加热单元；第二高功率加热器(2)、第二入口阀(102)、第二出口阀(402)以及第二旁通阀(302)构成第二加热单元，以此类推，构成四个加热单元，每个加热单元的结构均相同；每个加热单元均在外层包裹保温棉，启动时使整个加热系统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(5)，以及与PLC控制柜(5)连接的控制系统(6)。...

【技术特征摘要】
1.一种液态金属钠高功率加热系统，其特征在于：包括四个依次串联连接的高功率加热器及其连接管道；液态金属钠进入加热系统，首先进入第一个三通接口，第一个三通第一出口通过第一入口阀(101)连接第一高功率加热器(1)的入口端，第一个三通第二出口连接第一旁通阀(301)；第一高功率加热器(1)出口端连接第一出口阀(401)，第一出口阀(401)后端管线与第一旁通阀(301)后端管线交汇后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；旁通阀和旁通管线主要用于两类工况，其一为当钠所需加热功率较低时，液态金属钠不需要流经高功率加热器，从而减小流动阻力；其二为当某个高功率加热器需要在线检修，加热系统还需继续在线工作时，则液态金属钠绕过此需要在线检修的高功率加热器；以上第一高功率加热器(1)、第一入口阀(101)、第一出口阀(401)以及第一旁通阀(301)构成第一加热单元；第二高功率加热器(2)、第二入口阀(102)、第二出口阀(402)以及第二旁通阀(302)构成第二加热单元，以此类推，构成四个加热单元，每个加热单元的结构均相同；每个加热单元均在外层包裹保温棉，启动时使整个加热系统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(5)，以及与PLC控制柜(5)连接的控制系统(6)。2.根据权利要求1所述的一种液态金属钠高功率加热系统，其特征在于：所述四个高功率加热器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5.75MW，共23MW。3.根据权利要求1所述的一种液态金属钠高功率加热系统，其特征在于：所述四个高功率加热器的结构均相同，其中第一高功率加热器(1)包括入口法兰(201)、出口法兰(215)、加热器外壳(203)，以及布置在加热器外壳(203)内的盘管(205)和加热丝(207)；所述盘管(205)是液态金属钠的流通管道，管道形状为立式螺旋形，两端分别通过入口法兰(201)和出口法兰(215)连通第一高功率加热器(1)的进出口管道，液态金属钠从入口法兰(201)进入盘管(205)之后，经过多层管道逐步下降，在其中被加热，然后通过出口法兰(215)流出；所述加热丝(207)共四组，其中中间的两组布置在盘管内部，其他两组分别布置在盘管两侧，对盘管内流体进行双面加热；所述加热丝(207)接线端通过卡扣与加热器外壳(203)上表面固定，悬挂于第一高功率加热器腔体内，这种固定方式主要是便于在线更换，检修和维护更方便；第一高功率加热器(1)进出口管道上分别布置有入口测温热电偶(202)和出口测温热电偶(214)，用于监测液态金属钠流体进出口温度，便于实时功率调节；所述盘管(205)外表面多处布置有盘管超温保护装置(206)，所述加热丝(207)附近多处设置有加热丝超温保护装置(208)，所述盘管超温保护装置(206)和加热丝超温保护装置(208)实质为预先设置...

【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