ПАРОГЕНЕРАТОР
STEAM GENERATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области техники паросилового цикла, в частности - парогенератора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Силовой цикл с использованием водяного пара, в основе которого лежит цикл Ренкина, широко применяется в отраслях атомной энергетики, в комбинированном парогазовом цикле, в электростанциях на угле и т.д. В этих областях генерация водяного пара при высокой температуре и теплоте является первым этапом преобразования тепловой энергии в электрическую. В настоящее время для генерации водяного пара применяется оборудование двух типов, а именно: парогенератор с естественной циркуляцией и прямоточный парогенератор. По сравнению с парогенератором с естественной циркуляцией, прямоточный парогенератор может непосредственно генерировать перегретый пар, а также пар со сверхвысоким давлением и сверхкритическими параметрами, что позволяет не только повысить КПД генерации, но также сделать конструкцию более компактной.
По способу размещения в прямоточном парогенераторе различают два типа труб горячей воды, а именно: прямую и спиральную. По сравнению с компоновкой с применением спиральной трубы, конструкция прямоточного парогенератора с прямой трубой проще, но вследствие того, что теплообменная труба и цилиндр выполнены из разных материалов, возникает разница линейных расширений, что приводит к концентрации напряжений в теплопередающей трубе и трубной решетке, а также к снижению безопасности эксплуатации всей установки. Несмотря на то, что общая площадь теплообмена прямоточного парогенератора с трубой спирального типа относительно большая, данная конструктивная особенность позволяет решить проблему концентрации напряжений, а сама конструкция парогенератора обеспечивает возможность реализации гибких объемно-планировочных решений.
Благодаря вышеуказанным преимуществам прямоточного парогенератора с трубой спирального типа, он находит широкое применение в производстве электроэнергии на атомных электростанциях. Существует два основных типа конструкции такого парогенератора - конструкция со встроенной спиральной трубой большого сечения и разделяемая модульная конструкция.
В ториевом высокотемпературном реакторе с газовым теплоносителем на АЭС THTR-300 в Германии, в высокотемпературном реакторе Saint Flensburg, США с газовым теплоносителем, в реакторе типа AGR в Великобритании и даже в новейшем реакторе на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем применяется прямоточный парогенератор со встроенной большой трубой спирального типа с несколькими головками и объединенной компоновкой. Одно из преимуществ такого парогенератора - его компактная конструкция. Кроме того, благодаря тому, что спираль имеет большой радиус закругления, обеспечена возможность производить проверку состояния рабочего объема и поверхностей. К основным проблемам такого устройства относятся следующие: 1) из-за отсутствия возможности проверить конструкцию с помощью внешнего испытания теплового состояния снаружи реактора, сторона водяного потока при эксплуатации перераспределению не подлежит, а это может привести к неравномерности температуры пара; 2) при подготовке спиральной трубы с объединенной компоновкой для прямоточного парогенератора, для каждого ее витка требуется собственная оснастка, так как диаметр закругления трубы на каждом витке разный, это увеличивает стоимость и сроки производства; 3) с целью предотвращения вибрации, вызванной потоком, требуется большее количество опорных пластин, что ведет к появлению такой проблемы, как повышенные напряжения в месте контакта теплообменных труб и опорных пластин.
В российских реакторах VG-400, АБТУ-ц50, БГР-300, а также в высокотемпературном испытательном реакторе мощностью 10 МВт с газовым теплоносителем в Университете Цинхуа применяется прямоточный парогенератор разделяемой модульной конструкции. Основные преимущества парогенератора такого типа заключаются в том, что модуль может выпускаться серийно, стоимость его производства невелика, и на каждом модуле можно провести внешнее испытание теплового состояния снаружи реактора. К основным проблемам такого устройства относятся следующие: 1) недостаточно компактная конструкция; 2) малый радиус закругления спиральной трубы, не позволяющий выполнять проверку состояния рабочего объема и поверхностей в процессе эксплуатации; 3) в случае закупорки трубы происходит блокировка не только стороны водяного потока, но также стороны высокотемпературного теплоносителя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании парогенератора, в конструкции которого устранены соответствующие недостатки парогенератора со встроенной большой спиральной трубой и парогенератора с разделяемой модульной конструкцией, известные из уровня техники; в новом парогенераторе обеспечена возможность контроля рабочего объема и поверхности теплопередающей трубы для своевременного обнаружения угроз безопасности, а также возможность проведения проверочных испытаний теплового состояния перед вводом в эксплуатацию с целью проверки надежности конструкции.
Решение поставленной задачи достигается тем, что парогенератор согласно настоящему изобретению содержит: теплообменник, скомпонованный из нескольких теплообменных блоков одинаковой конструкции, причем теплообменный блок содержит пучок спиральных теплопередающих труб, центральный цилиндр и рукав, где спиральные теплопередающие трубы, имеющие разные радиусы, размещены по концентрической спирали в межтрубном пространстве между центральным цилиндром и рукавом с образованием одной или нескольких теплообменных колонн; жидкостный коллектор, один выход которого соединен с основным трубопроводом для подачи воды, а второй выход - с пучком спиральных теплопередающих труб; паровой коллектор, один выход которого соединен с основным паровым трубопроводом, а второй выход - с пучком спиральных теплопередающих труб.
Теплообменная колонна содержит одну или несколько теплопередающих труб.
Радиус закругления спиральной теплопередающей трубы обеспечивает возможность доступа посредством контактного датчика к любой части конструкции для контроля рабочего объема и поверхностей.
При этом в направлении оси центрального цилиндра варианты навивки пучка спиральных теплопередающих труб на теплообменные поверхности могут включать: попеременно по часовой и против часовой стрелки, полностью по часовой стрелке, полностью против часовой стрелки.
В поперечном сечении каждый пучок спиральных теплопередающих труб, центральный цилиндр и рукав имеют круглую или прямоугольную с закругленными углами форму.
По отношению к направлению потока теплоносителя, жидкостный коллектор установлен выше по направлению потока относительно теплообменника, а паровой коллектор - ниже по направлению потока относительно, либо паровой коллектор устанавливается выше по направлению потока относительно теплообменника, а жидкостный - ниже по направлению потока относительно.
При этом парогенератор выполнен с возможностью размещения согласно следующим вариантам: в вертикальном положении, в горизонтальном положении либо в положении под любым углом.
Внутри части соединения с жидкостным коллектором каждая спиральная теплопередающая труба снабжена фиксированной или съемной диафрагмой; причем фиксированная диафрагма выполнена с возможностью стабилизации потока двухфазной жидкости в спиральной теплопередающей трубе и равномерного распределения сопротивления на каждую спиральную теплопередающую трубу; съемная диафрагма, посредством которой в случае выхода из строя одной из спиральных теплопередающих труб обеспечено перераспределение потока в спиральной трубе путем снятия съемной диафрагмы с других спиральных теплопередающих труб в той теплообменной колонне, в которой находится неисправная спиральная теплопередающая труба.
По сравнению с известным уровнем техники, техническое решение, предложенное согласно настоящему изобретению, обладает следующими преимуществами:
1) компоновочные блоки производят серийно, благодаря чему стоимость производства низкая;
2) в каждом компоновочном блоке обеспечена возможность проведения проверочных испытаний теплового состояния снаружи реактора;
3) каждый блок содержит несколько спиральных колонн, каждая из которых, в свою очередь, содержит спиральные трубы с несколькими головками; благодаря этому устраняется недостаток, заключающийся в громоздкости конструкции с разделяемой компоновкой, поэтому она не подвержена возникновению вибрации вследствие воздействия потока, при этом опорная конструкция проста и надежна благодаря малому радиусу закругления спиральных труб и устойчивой конструкции;
4) минимальный радиус закругления спиральных труб выбран с учетом возможности доступа контрольно-измерительных инструментов для текущего эксплуатационного контроля; теплопередающие трубы каждого блока не снабжены коллекторами, они все подключены к одному жидкостному и паровому коллектору, что позволяет осуществлять текущий эксплуатационный контроль рабочего объема и поверхностей, а в случае закупорки трубы блокируется только данная труба, а не модуль, таким образом, поддерживается максимальная готовность теплопередающих труб;
5) конструкция с применением фиксированных и съемных диафрагм позволяет быстро и легко перераспределять поток после закупорки трубы.
ПЕРЕЧЕНЬ ГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
На фиг.1 изображен продольный разрез парогенератора согласно первому варианту реализации настоящего изобретения с горизонтальным прохождением высокотемпературной текучей среды;
на фиг.2 изображен продольный разрез парогенератора согласно второму варианту реализации настоящего изобретения, с горизонтальным прохождением высокотемпературной текучей среды;
на фиг.3 изображен продольный разрез парогенератора согласно третьему варианту реализации настоящего изобретения с вертикальным прохождением высокотемпературной текучей среды;
на фиг.4 изображен продольный разрез парогенератора согласно четвертому варианту реализации 4 настоящего изобретения с вертикальным прохождением высокотемпературной текучей среды;
на фиг.5 представлена схема внутреннего устройства теплообменного узла согласно вариантам реализации настоящего изобретения;
на фиг.6 представлена схема устройства диафрагмы на входе спиральной трубы согласно вариантам реализации настоящего изобретения.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении используются свойства компоновки из модулей, но каждый блок включает несколько спиральных колонн, а каждая спиральная колонна, в свою очередь, состоит и спиральных труб с несколькими головками, благодаря чему удается избежать громоздкости, присущей разделяемой конструкции. Минимальный радиус закругления спиральных труб подобран с учетом возможности доступа контрольно-измерительных инструментов для текущего эксплуатационного контроля, теплопередающие трубы каждого блока непосредственно подключены к одному жидкостному и паровому коллектору, что позволяет осуществлять текущий эксплуатационный контроль рабочего объема и поверхностей. Кроме того, в случае закупорки трубы блокируется только данная труба, а не модуль, таким образом сохранена максимальная готовность теплопередающих труб.
На входе подачи воды каждой теплопередающей трубы установлена диафрагма. Диафрагмы подразделяются на два типа: фиксированные и съемные. Фиксированная диафрагма обеспечивает выполнение требований начального распределения и стабильности потока, а съемная диафрагма обеспечивает выполнение требований по перераспределению потока при закупоривании одной из труб. Внутри отдельного компоновочного блока, спиральные трубы в спиральной колонне находятся в одном и том же канале протекания гелия; при закупорке одной из труб вследствие поломки поток гелия отрегулировать нельзя; поэтому, чтобы обеспечить однородность температуры на выходе пара, поток текучей среды в других трубах спиральной колонны нужно увеличить. Путем снятия диафрагм с других труб такой спиральной колонны возможно произвести перераспределение потока после закупоривания одной из труб, это позволяет соблюсти требование по однородности температуры на выходе пара. Сопротивление дросселя на неповрежденных блоках регулировки не требует, как и сопротивление дросселя неповрежденных спиральных труб в каждом слое поврежденного блока. Точный размер диафрагмы может быть определен с помощью проверочных испытаний теплового состояния отдельно взятого блока, а распределение потока со стороны высокотемпературного теплоносителя в каждом блоке проверяется с помощью испытаний в аэродинамической трубе на масштабном макете высокотемпературной стороны.
Варианты реализации настоящего изобретения со ссылками на чертежи подробно описаны далее. Следующие варианты реализации используются для описания настоящего изобретения, но область его применения данными вариантами не ограничивается.
ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ
Продольный разрез парогенератора с горизонтальным прохождением высокотемпературной текучей среды изображен на фиг.1, где парогенератор 1 установлен в направлении потока теплоносителя х, он содержит жидкостный коллектор 11, паровой коллектор 12 и теплообменник 13. В этом варианте реализации парогенератор 1 размещен горизонтально. Жидкостный коллектор 11 и, соответственно, паровой коллектор 12 расположены по обеим сторонам теплообменника 13, в настоящем варианте реализации используется компоновочное решение по входу потока, т.е. паровой коллектор 12 установлен выше по направлению потока относительно теплообменника 13, а жидкостный коллектор 11 установлен ниже по направлению потока относительно теплообменника 13.
Один выход жидкостного коллектора 11 соединен с пучком спиральных теплопередающих труб 3, а его второй выход подсоединен к основному трубопроводу 14 для подачи воды. Один выход парового коллектора 12 соединен с пучком 3 спиральных теплопередающих труб, а другой его выход соединен с основным паровым трубопроводом 15.
Теплообменник 13 содержит несколько теплообменных блоков 2 одинаковой конструкции. Внутреннее устройство теплообменного блока согласно этому варианту реализации изображено на фиг.5, где теплообменный блок 2 содержит пучок спиральных теплопередающих труб 3, центральный цилиндр 4 и рукава 5. Спиральные теплопередающие трубы 3, имеющие разный радиус закругления, размещены по концентрической спирали в межтрубном пространстве между центральным цилиндром 4 и рукавом 5, образуя одну или несколько теплообменных колонн 6, а каждая теплообменная колонна 6 содержит одну или несколько спиральных теплопередающих труб 3.
Поперечное сечение центрального цилиндра 4, оболочки 5 и спиральной теплопередающей трубы 3 может иметь круглую или приближенную к круглой форму (например, прямоугольную с закругленными углами).
Радиус закругления каждой спиральной теплопередающей трубы 3 удовлетворяет условиям, согласно которым обеспечена возможность доступа посредством контактного датчика к любой части конструкции для контроля рабочего объема и поверхностей.
Направление навивки спиральной теплопередающей трубы 3 в теплообменных колоннах 6 следующее: если смотреть в направлении оси центрального цилиндра 4, навивка спиральной теплопередающей трубы 3 на теплообменную колонну 6 выполняется попеременно по часовой и против часовой стрелки, либо полностью по часовой или против часовой стрелки.
В месте соединения с жидкостным коллектором 11 на каждой спиральной теплопередающей трубе 3 установлена диафрагма; устройство диафрагмы на входе спиральной трубы в данном варианте реализации настоящего изобретения изображено на фиг.6. Диафрагмы бывают двух типов, а именно: фиксированная диаграмма 7 и съемная диафрагма 8. В случае выхода из строя одной спиральной теплопередающей трубы 3 перераспределение потока в спиральной трубе 3 реализуется путем снятия диафрагмы 8 с других спиральных теплопередающих труб 3 в спиральной колонне 6, в которой находится неисправная теплопередающая труба 3.
ВТОРОЙ ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ
Продольный разрез парогенератора с горизонтальным прохождением высокотемпературной текучей среды изображен на фиг.2. Парогенератор согласно настоящему варианту реализации аналогичен парогенератору согласно первому варианту реализации, единственное отличие заключается только в том, что в жидкостном коллекторе 11 и паровом коллекторе 12 согласно настоящему варианту реализации применяется компоновочное решение по выходу потока, т.е. паровой коллектор 12 установлен ниже по направлению потока относительно теплообменника 13, а жидкостный коллектор 11 установлен выше по направлению потока относительно теплообменника.
ТРЕТИЙ ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ
Продольный разрез парогенератора с вертикальным прохождением высокотемпературной текучей среды изображен на фиг.3, где парогенератор 1 содержит теплообменник 13, жидкостной коллектор 11 и паровой коллектор 12. В настоящем варианте реализации, парогенератор 1 размещен вертикально. Жидкостной коллектор 11 и, соответственно, паровой коллектор 12 расположены по обеим сторонам теплообменника 13. В настоящем варианте реализации используется компоновочное решение по входу потока, т.е. паровой коллектор 12 установлен выше по направлению потока относительно теплообменника 13, а жидкостной коллектор 11 установлен ниже по направлению потока теплообменника.
Теплообменник 13 содержит несколько теплообменных блоков 2 одинаковой конструкции. Внутреннее устройство теплообменного блока согласно этому варианту реализации изображено на фиг.5, где теплообменный блок 2 содержит пучок спиральных теплопередающих труб 3, центральный цилиндр 4 и рукава 5; спиральные теплопередающие трубы 3, имеющие разный радиус закругления, размещены по концентрической спирали в межтрубном пространстве между центральным цилиндром 4 и рукавом 5 с образованием одной или нескольких теплообменных колонн 6. Теплообменная колонна 6 содержит одну или несколько спиральных теплопередающих труб. Радиус закругления спиральной теплопередающей трубы 3 удовлетворяет условиям, согласно которым обеспечена возможность доступа посредством контактного датчика к любой части конструкции для контроля рабочего объема и поверхностей, вдоль направления оси центрального цилиндра, варианты навивки спиральной теплопередающей трубы 3 вокруг теплообменной колонны включают: попеременно по часовой и против часовой стрелки, полностью по часовой стрелке, полностью против часовой стрелки.
Поперечное сечение каждого пучка спиральных теплопередающих труб 3, центрального цилиндра 4 и рукава 5 имеют круглую или прямоугольную форму с закругленными углами. Один выход жидкостного коллектора 11 соединен с основным трубопроводом 14 для подачи воды, а второй его выход соединен с пучком спиральных теплопередающих труб 3. Один выход парового коллектора 12 соединен с основным паровым трубопроводом 15, а другой его выход соединен с пучком спиральных теплопередающих труб 3.
Как показано на фиг.6, в месте соединения с жидкостным коллектором, на каждой спиральной теплопередающей трубе установлена фиксированная диафрагма 7 и съемная диафрагма 8. Фиксированная диафрагма 7 служит для обеспечения стабильности потока двухфазной жидкости в спиральной теплопередающей трубе и равномерного распределения сопротивления на каждую спиральную теплопередающую трубу; съемная диафрагма 8, посредством которой в случае выхода из строя одной из спиральных теплопередающих труб, обеспечено перераспределение потока в спиральной трубе путем снятия съемной диафрагмы с других спиральных теплопередающих труб в той теплообменной колонне, в которой находится неисправная спиральная теплопередающая труба.
ЧЕТВЕРТЫЙ ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ
Продольный разрез парогенератора с вертикальным прохождением высокотемпературной текучей среды изображен на фиг.4, парогенератор в настоящем варианте реализации аналогичен парогенератору согласно третьему варианту реализации, единственное отличие заключается только в том, что в этом варианте реализовано другое компоновочное решение относительно размещения жидкостного коллектора 11 и парового коллектора 12 по выходу потока, т.е. паровой коллектор 12 размещен ниже по направлению потока относительно теплообменника 13, а жидкостный коллектор 11 размещен выше по направлению потока относительно теплообменника.
Конструкция теплообменного блока 2, фиксированной диафрагмы 7 и съемной диафрагмы 8 согласно настоящему изобретению обеспечивает проведение внешних испытаний теплового состояния перед эксплуатацией.
Изложенное выше описание - это предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, при этом необходимо отметить, что специалист в данной области техники может вносить в изобретение некоторые усовершенствования и улучшения без отклонения от технической сущности изобретения, что входит в объем правовой охраны настоящего изобретения.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Парогенератор, предложенный согласно настоящему изобретению, включает теплообменник, жидкостный коллектор и паровой коллектор. Отдельный компоновочный блок согласно настоящему изобретению выполнен с возможностью прохождения испытаний теплового состояния снаружи реактора; в то же время каждый блок имеет неизменную конструкцию и может выпускаться серийно, таким образом снижая стоимость производства. Парогенератор, предложенный в настоящем изобретении, позволяет обеспечить эксплуатационный контроль рабочего объема и поверхностей теплопередающей трубы для своевременного обнаружения угроз безопасности, а проверочные испытания теплового состояния могут проводиться перед вводом в эксплуатацию. Таким образом, настоящее изобретение может быть промышленно применимо.