Устройство для передачи тепла и способ определения аномальных режимов работы контура с жидкометаллическим теплоносителем

 

Изобретение относится к энергетическим установкам с жидкометаллическим теплоносителем и может быть использовано в атомной энергетике и металлургии. Сущность изобретения: устройство содержит дополнительный циркуляционный контур для отслеживания возможных нарушений герметичности парогенератора и протечки натрия в окружающую среду из основного контура. Основной и вспомогательный контуры связаны между собой трубой. Последняя соединяет участок основного контура между выходом из парогенератора и всасывающим патрубком основного насоса и участок дополнительного контура между напорным патрубком вспомогательного насоса и входом в основной бак. О негерметичности парогенератора судят по превышению расхода теплоносителя во входном патрубке сливного бака, по отношению к расходу в выходном патрубке сливного бака. О протечках натрия в окружающую среду судят по повышению расхода теплоносителя в выходном патрубке сливного бака по отношению к расходу во входном патрубке сливного бака. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к энергетическим установкам с жидкометаллическим теплоносителем и может быть использовано в атомной энергетике и металлургии.

Известен ряд схем систем аварийной защиты парогенераторов [1, с. 104-109] Недостатком указанных схем является их высокая инерционность при аварийных режимах работы.

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.

Давление в газовых полостях расширительного и сливного баков поддерживается одинаковым.

Компенсационный газовый объем и предохранительный клапан обеспечивают защиту натриевого контура от превышения давления в переходных и аварийных режимах.

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.

Вместе с тем наличие компенсационных объемов сказывается на быстродействии системы и не обеспечивает достаточно оперативного ее реагирования на возможное возникновение течи.

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).

Акустические системы контроля течи воды в натрий, несмотря на их быстродействие, до настоящего времени не нашли практического применения на действующих АЭС.

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.

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).

Последнее положение весьма актуально в плане сохранения оборудования в ремонтируемом состоянии.

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.

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.

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.

Главным преимуществом такого варианта является возможность при любой ситуации сохранить натрий в циркуляционном контуре, что особенно важно для установок, требующих постоянного охлаждения.

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.

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.

Устройство для передачи тепла работает следующим образом.

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.

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.

Переливная линия подключена непосредственно на входе в предохранительное устройство.

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.

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.

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.

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.

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.

Формула изобретения

1. Устройство для передачи тепла, выполненное в виде заполненного щелочными металлом циркуляционного контура, включающее последовательно соединенные теплообменник, парогенератор, основной насос и предохранительную систему, отличающееся тем, что оно содержит дополнительный циркуляционный контур, содержащий вспомогательный насос и сливной бак, причем основной и дополнительный циркуляционные контуры связаны между собой трубой, соединяющей участок основного контура, находящийся между выходом из парогенератора и всасывающим патрубком основного насоса, и участок дополнительного циркуляционного контура, находящийся между напорным патрубком вспомогательного насоса и входом в сливной бак.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предохранительная система выполнена в виде предохранительного устройства, установленного на трубопроводе, соединяющем основной контур и сливной бак, а трубопровод, соединяющий основной контур и предохранительное устройство, является частью дополнительного циркуляционного контура.

3. Способ определения аномальных режимов работы контура с жидкометаллическим щелочным теплоносителем, заключающийся в фиксации его негерметичности, отличающийся тем, что теплоноситель непрерывно забирают из сливного бака и возвращают в сливной бак, давление в газовой полости сливного бака поддерживают ниже давления в основном циркуляционном контуре, контролируют расход теплоносителя во входном и выходном патрубках сливного бака, о негерметичности парогенератора судят по превышению расхода теплоносителя во входном патрубке сливного бака по отношению к расходу в выходном 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1