ПАРОГЕНЕРАТОР НАТРИЙ-ВОДА-ПАР С ПОТОКАМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ, ФИЗИЧЕСКИ РАЗДЕЛЕННЫМИ ДВУМЯ ТВЕРДЫМИ СТЕНКАМИ (ВАРИАНТЫ)
SODIUM-WATER-VAPOUR GENERATOR WITH HEAT CARRIER STREAMS, PHYSICALLY DIVIDED BY TWO SOLID WALLS (VERSIONS)

Изобретение относится к теплообменному оборудованию и может быть использовано в атомной энергетике.
Известен парогенератор реактора БН-600, установленный на втором нерадиоактивном натриевом контуре [В.М.Поплавский и Ф.А.Козлов «Безопасность парогенераторов натрий-вода», Москва, Энергоатомиздат, 1990, стр.27, 28].
Модуль испарителя известного парогенератора представляет собой вертикальный прямотрубный теплообменный аппарат с линзовым компенсатором на корпусе. По торцам модуля расположены камеры входа и выхода рабочего тела, имеющие крышки. В верхней и нижней частях трубного пучка устроены камеры входа и выхода теплоносителя. Натрий, поступая по трубопроводу в верхнюю часть модуля, движется далее вниз по его межтрубному пространству, а затем выходит из него. Циркуляция воды и пара в модуле организована по противоточной схеме. Конструкция парогенератора по натриевом тракту включает в себя буферную емкость, где организован газовый объем. Циркуляция в пароводяном тракте производится по прямоточному циклу.
Недостатками известного парогенератора являются:
- одностенное разделение натрия и воды, которое может привести к аварийным ситуациям для натриевого контура при разгерметизации трубки вследствие реакции натрия с водой с выделением большого количества водорода и тепла;
- исключает возможность установки парогенератора на первом контуре.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является парогенератор реактора DFR [В.М.Поплавский и Ф.А.Козлов «Безопасность парогенераторов натрий-вода», Москва, Энергоатомиздат, 1990, стр.19].
В известном парогенераторе сплав натрий-калий и вода циркулируют в отдельных трубках, которые вставлены и впаяны в матрицу из медных блоков и образуют теплообменные элементы. Парогенератор состоит из горизонтальных теплообменных элементов. В каждом из элементов вмонтированы параллельные трубки для сплава и для воды-пара. Соединение элементов по рядам производится с помощью U-образных перепускных труб. Сплав течет снизу вверх через весь парогенератор. Трубные элементы заключены в корпус.
Недостатками известного решения являются:
- трудности в изготовлении парогенератора, относительно большие весогабаритные характеристики и стоимость на единицу мощности парогенератора, обусловленные использованием в качестве теплопередающей среды между трубками с водой и трубками с натрием медного блока;
- относительно высокая стоимость парогенератора, связанная с тем, что неизменность сечения трубки с натрием по всей длине приводит к увеличению сечения промежуточной среды и большой ее избыточной массе;
- относительно низкая теплопередача из-за относительно высокого контактного сопротивления между медным блоком и поверхностями трубок.
Для устранения указанных недостатков в парогенераторе натрий-вода-пар с потоками теплоносителей, физически разделенными двумя твердыми стенками, состоящем из корпуса с укрепленными на нем входным и выходным патрубками по натрию, входным патрубком по воде, выходным патрубком по пару, трубок с водой-паром и трубок с натрием, расположенных внутри корпуса, трубных досок входной и выходной камер по натрию, соединенных трубками с натрием, трубных досок входной камеры по воде и выходной камеры по пару, соединенных трубками с водой-паром, входной и выходной камер по натрию, расположенных соответственно в верхней и нижней частях парогенератора, входной камеры по воде и выходной камеры по пару, расположенных соответственно в нижней и верхней частях парогенератора, промежуточной среды, расположенной в межтрубном пространстве, входной и выходной камер по натрию, входной камеры по воде и выходной камеры по пару, предлагается:
- в качестве промежуточной среды использовать жидкий металл, что позволяет улучшить теплопередачу за счет исключения контактного сопротивления между промежуточной средой и трубками;
- в нижней части корпуса над трубной доской входной камеры по воде расположить патрубок для подачи и сброса промежуточной среды, что позволяет осуществлять дренаж, обработку поверхностей конструкции и замену этой среды;
- в верхней части корпуса под трубной доской выходной камеры по пару расположить газовую полость и патрубок для подачи и сброса газа, что обеспечивает контроль за плотностью между промежуточной средой и теплоносителями;
- концы трубок с натрием выполнить меньшего диаметра по сравнению с их центральной частью, что обеспечивает существенное уменьшение поперечного сечения промежуточной среды, ее объем и весогабаритные характеристики парогенератора.
В частных случаях выполнения парогенератора предлагается:
- в качестве промежуточной среды использовать натрий или сплав свинец-висмут;
- трубки с натрием и трубки с водой-паром расположить в шахматном порядке, что позволяет вывести натриевые трубки к своим трубным доскам;
- центральные части трубок с натрием и трубок с водой-паром ориентировать вертикально, что обеспечивает вертикальное расположение корпуса, возможность введения в верхней части корпуса газовой полости над поверхностью промежуточной среды.
Технический результат изобретения состоит в упрощении конструкции, увеличении ресурса парогенератора, уменьшении его себестоимости и повышении тепловой эффективности парогенератора, в обеспечении контроля за его состоянием и упрощении его обслуживания.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2, на которых представлены продольное осевое и поперечное сечения парогенератора.
На фиг.1, 2 приняты следующие обозначения: 2 - входная камера по воде; 3 - входная камера по натрию; 4 - входной патрубок по воде; 5 - входной патрубок по натрию; 6 - выходная камера по натрию; 7 - выходная камера по пару; 8 - выходной патрубок по натрию; 9 - выходной патрубок по пару; 10 - газовая полость; 11 - корпус парогенератора; 13 - патрубок подачи и сброса газа; 14 - патрубок подачи и сброса промежуточной среды; 15 - промежуточная среда; 16 - трубка с натрием; 17 - трубка с водой; 18 - трубная доска входной камеры по воде; 19 - трубная доска входной камеры по натрию; 20 - трубная доска выходной камеры по натрию; 21 - трубная доска выходной камеры по пару.
Парогенератор натрий-вода-пар с потоками теплоносителей, физически разделенными двумя твердыми стенками, состоит из корпуса 11 с укрепленными на нем входным 5 и выходным 8 патрубками по натрию, входным патрубком по воде 4, выходным патрубком по пару 9. В парогенераторе предусмотрены трубки с водой-паром 17 и трубки с натрием 16, трубные доски 19, 20 входной 3 и выходной 6 камер по натрию, трубные доски 18, 21 входной камеры по воде 2 и выходной камеры по пару 7, входная 3 и выходная 6 камеры по натрию, входная камера по воде 2, и выходная камера по пару 7, и промежуточная среда 15.
Трубки с водой-паром 17 и трубки с натрием 16 расположены внутри корпуса 11.
Трубные доски 19, 20 входной 3 и выходной 6 камер по натрию соединены трубками с натрием 16.
Трубные доски 18, 21 входной камеры по воде 2 и выходной камеры по пару 7 соединены трубками с водой-паром 17.
Входная 3 и выходная 6 камеры по натрию расположены соответственно в верхней и нижней частях парогенератора.
Входная камера по воде 2 и выходная камера по пару 7 расположены соответственно в нижней и верхней частях парогенератора.
Промежуточная среда 15 расположена в межтрубном пространстве. В качестве промежуточной среды 15 используют жидкий металл, в частности натрий или сплав свинец-висмут.
В нижней части корпуса 11 над трубной доской 18 входной камеры по воде 2 расположен патрубок для подачи и сброса 13 промежуточной среды 15.
В верхней части корпуса 11 под трубной доской 21 выходной камеры по пару 7 расположена газовая полость 10 и патрубок для подачи и сброса газа 14.
Концы трубок с натрием 16 выполнены меньшего диаметра по сравнению с их центральной частью.
В частном случае исполнения парогенератора трубки с натрием 16 и трубки с водой-паром 17 расположены в шахматном порядке, а их центральные части ориентированы вертикально.
Парогенератор работает следующим образом.
Вода подается в парогенератор через входной патрубок по воде 4, попадает во входную камеру по воде 2 и движется вверх по трубкам с водой-паром 17, испаряется, пар перегревается, попадает в выходную камеру по пару 7 и покидает парогенератор через выходной патрубок по пару 9.
Натрий подается в парогенератор через входной патрубок по натрию 5, попадает во входную камеру по натрию 3, движется вниз по трубкам с натрием 16, охлаждается, попадает в выходную камеру по натрию 6 и покидает парогенератор через выходной патрубок по натрию 8.
Эффективная теплопередача между трубками с натрием 16 и трубками с водой-паром 17 осуществляется через жидкометаллическую промежуточную среду 15.
Появление неплотности в теплопередающих поверхностях по воде-пару или натрию фиксируется по проникновению протечек через промежуточную среду 15 в газовую камеру 10.
Пример конкретного исполнения парогенератора
Предложенный парогенератор имеет следующие характеристики:
- мощность парогенератора, МВт
- 70;
- сечение прохода циркулирующего натрия в парогенераторе, м<sup>2</sup>
- 0,187;
- температура натрия на входе в парогенератор,°С
- 550;
- температура натрия на выходе из парогенератора,°С
- 350;
- температура воды на входе в парогенератор,°С
- 200;
- температура острого пара на выходе из парогенератора,°С
- 495;
- число пароводяных трубок (17)
- 349;
- диаметр пароводяных трубок, мм
- 16×2,5;
- промежуточная среда (15)
- Pb-Bi.
- число натриевых трубок (16)
- 349,
- диаметр натриевых трубок на участке активной теплопередачи, мм
- 30×2;
- диаметр натриевых трубок на подходе к трубной доске, мм
- 16×2;
- длина парогенератора вместе с камерами воды и пара, м
- 28;
- вес сухого парогенератора, т
- 32;
- вес парогенератора, заполненного всеми средами, т
- 66;
- диаметр корпуса (11) на теплопередающей части, мм
- 650.
Известен парогенератор реактора БН-600, установленный на втором нерадиоактивном натриевом контуре [В.М.Поплавский и Ф.А.Козлов «Безопасность парогенераторов натрий-вода», Москва, Энергоатомиздат, 1990, стр.27, 28].
Модуль испарителя известного парогенератора представляет собой вертикальный прямотрубный теплообменный аппарат с линзовым компенсатором на корпусе. По торцам модуля расположены камеры входа и выхода рабочего тела, имеющие крышки. В верхней и нижней частях трубного пучка устроены камеры входа и выхода теплоносителя. Натрий, поступая по трубопроводу в верхнюю часть модуля, движется далее вниз по его межтрубному пространству, а затем выходит из него. Циркуляция воды и пара в модуле организована по противоточной схеме. Конструкция парогенератора по натриевом тракту включает в себя буферную емкость, где организован газовый объем. Циркуляция в пароводяном тракте производится по прямоточному циклу.
Недостатками известного парогенератора являются:
- одностенное разделение натрия и воды, которое может привести к аварийным ситуациям для натриевого контура при разгерметизации трубки вследствие реакции натрия с водой с выделением большого количества водорода и тепла;
- исключает возможность установки парогенератора на первом контуре.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является парогенератор реактора БР-5 [В.М.Поплавский и Ф.А.Козлов «Безопасность парогенераторов натрий-вода», Москва, Энергоатомнздат, 1990, стр.19, 20].
В известном парогенераторе использованы двойные коаксиальные теплопередающие трубки, кольцевая щель между стенками заполнена ртутью. В расположенный вертикально П-образный корпус вставлены двойные трубки. Наружные прямые трубки завальцованы и заварены своими концами в верхнюю трубную доску, которая является плитой заполненной ртутью камеры без газовой полости в верхней части корпуса. П-образные внутренние трубки закреплены концами в нижних трубных досках. Парогенератор состоит из двух последовательно включенных корпусов. Циркуляция с пароводяной стороны выполнена по прямоточной схеме. Движение пара и воды осуществляется по внутренним трубкам в противотоке со сплавом натрий-калий. В нижней части корпуса для дренажа ртути предусмотрены патрубки над трубными досками камеры входа воды и выхода пара из парогенератора.
Недостатками известного решения являются:
- относительная сложность в изготовлении парогенератора;
- отсутствует техническая возможность осуществления полного удаления остатков промежуточной среды из кольцевого зазора, проведения очистки объема промежуточной среды от этих остатков и обработки металлических поверхностей элементов конструкции;
- отсутствует газовая полость над промежуточной средой, что усложняет выявление протечек теплоносителей при разгерметизации теплопередающих поверхностей со стороны натрий-калия и воды-пара.
Предложенное техническое решение позволяет упростить изготовление парогенератора, обеспечить контроль за состоянием парогенератора, обеспечить техническую возможность осуществления полного удаления промежуточной среды из кольцевого зазора, проведения очистки объема промежуточной среды от ее остатков и обработки металлических поверхностей элементов конструкции.
Для устранения указанных недостатков в парогенераторе натрий-вода-пар с потоками теплоносителей, физически разделенными двумя твердыми стенками, состоящем из корпуса с укрепленными на нем входным и выходным патрубками по натрию, входным патрубком по воде, выходным патрубком по пару, входной камерой по натрию, выходной камерой по натрию, расположенной в нижней части парогенератора, входной камеры по воде, расположенной в нижней части парогенератора, выходной камеры по пару, трубных досок входной и выходной камер по натрию, соединенных наружными трубками, трубных досок входной камеры по воде и выходной камеры по пару, соединенных внутренними трубками, промежуточной среды в виде жидкого металла, расположенной в зазоре между наружной и внутренней трубками и в пространстве между трубными досками входной камеры по воде и выходной камеры по натрию, предлагается:
- промежуточную среду дополнительно расположить в части пространства над трубной доской входной камеры по натрию, что обеспечивает возможность контроля за уровнем промежуточной среды;
- входную камеру по натрию и выходную камеру по пару расположить в верхней части парогенератора;
- в верхней части корпуса между трубной доской выходной камеры по пару и промежуточной средой расположить газовую полость и патрубок для подачи и сброса газа, что позволяет осуществлять контроль возникновения протечек между промежуточной средой и натрием;
- внутренние и наружные трубки и корпус парогенератора ориентировать вертикально, что упрощает конструкцию парогенератора и позволяет предусмотреть газовую полость над уровнем промежуточной среды.
В частных случаях выполнения парогенератора предлагается:
- в качестве промежуточной среды использовать натрий или сплав свинец-висмут, что повышает коррозионную стойкость конструкционных материалов;
- внутренние и наружные трубки выполнить в виде цилиндров, что существенно упрощает изготовление.
Технический результат изобретения состоит в упрощении конструкции, увеличении ресурса парогенератора и уменьшении его себестоимости, обеспечении контроля за состоянием парогенератора и упрощении его обслуживания.
Сущность изобретения поясняется фиг.3, 4 и 5, на которых представлены соответственно продольные осевые сечения парогенератора и двух его отдельных узлов.
На фиг.3, 4 и 5 приняты следующие обозначения: 1 - внутренняя трубка; 2 - входная камера по воде; 3 - натриевая камера на входе в парогенератор; 4 - входной патрубок по воде; 5 - входной патрубок по натрию; 6 - выходная камера по натрию; 7 - выходная камера по пару; 8 - выходной патрубок по натрию; 9 - выходной патрубок по пару; 10 - газовая полость; 11 - корпус парогенератора; 12 - наружная трубка; 13 - патрубок подачи и сброса газа; 14 - патрубок подачи и сброса промежуточной среды; 15 - промежуточная среда; 18 - трубная доска входной камеры по воде; 19 - трубная доска входной камеры по натрию; 20 - трубная доска выходной камеры по натрию; 21 - трубная доска выходной камеры по пару.
Парогенератор натрий-вода-пар с потоками теплоносителей, физически разделенными двумя твердыми стенками, состоит из корпуса 11 с укрепленными на нем входным 5 и выходным 8 патрубками по натрию, входным патрубком по воде 4 и выходным патрубком по пару 9, входной камеры по натрию 3, выходной камеры по натрию 6, входной камеры по воде 2, выходной камеры по пару 7, трубных досок 19, 20 входной 3 и выходной камер 6 по натрию, трубных досок 18, 21 входной камеры по воде 2 и выходной камеры по пару 7 и промежуточной среды 15 в виде жидкого металла.
Выходная камера по натрию 3 и входная камера по воде 2 расположены в нижней части парогенератора, а выходная камера по пару 7 и входная камера по натрию 3 - в верхней части парогенератора.
Трубные доски 19, 20 входной 3 и выходной 6 камер по натрию соединены наружными трубками 12, а трубные доски 18, 21 входной камеры 2 по воде и выходной камеры по пару 7 соединены внутренними трубками 1.
В верхней части корпуса 11 между трубной доской 21 выходной камеры по пару 7 и промежуточной средой 15 расположена газовая полость 10 и патрубок для подачи и сброса газа 13.
Промежуточная среда 15 расположена в зазоре между наружной 12 и внутренней 1 трубками, в пространстве между трубными досками 18, 20 входной камеры по воде 2 и выходной камеры по натрию 6 и в части пространства над трубной доской 19 входной камеры по натрию 3. В частном случае исполнения парогенератора в качестве промежуточной среды 15 используют натрий или сплав свинец-висмут. Промежуточная среда 15 предназначена для интенсификации теплопередачи в парогенераторе и в качестве дополнительного барьера между теплоносителями при разуплотнении любой из трубок.
Внутренние 1 и наружные 12 трубки и корпус 11 ориентированы вертикально. В частном случае исполнения парогенератора внутренние 1 и наружные 12 трубки выполнены в виде цилиндров.
Парогенератор работает следующим образом.
Вода подается в парогенератор через входной патрубок по воде 4, попадает во входную камеру по воде 2, движется вверх по пароводяным внутренним трубкам 1, испаряется, пар перегревается, попадает в выходную камеру по пару 7 и покидает парогенератор через выходной патрубок по пару 9.
Натрий попадает в парогенератор через входной патрубок по натрию 5, поступает во входную камеру по натрию 3, движется, охлаждаясь в межтрубном пространстве, к выходной камере по натрию 6 и через выходной патрубок по натрию 8 покидает парогенератор.
Эффективная теплопередача между натрием и водой-паром осуществляется через стенки внутренней 1 и наружной 12 трубок и промежуточную среду 15 в зазоре между ними.
Появление неплотности в теплопередающих поверхностях внутренней 1 и наружной 12 трубок фиксируется по проникновению протечек через промежуточную среду 15 в газовую полость 10.
Пример конкретного исполнения парогенератора
Разрабатываемый парогенератор имеет следующие характеристики:
- мощность парогенератора, МВт
70
- сечение прохода циркулирующего натрия в парогенераторе, м<sup>2</sup>
0,187
- температура натрия на входе в парогенератор,°С
550
- температура натрия на выходе из парогенератора,°С
350
- температура воды на входе в парогенератор,°С
200
- температура острого пара на выходе из парогенератора,°С
495
- число пароводяных трубок (1)
349
- диаметр пароводяных трубок, мм
16×2,5
- промежуточная среда (15)
Pb-Bi
- число наружных трубок (12)
349
- диаметр наружных трубок, мм
24×2
- длина парогенератора вместе со входной камерой по воде 2 и выходной камерой по пару 7, м
25
- вес сухого парогенератора, т
28
- вес парогенератора, заполненного всеми средами, т
47
- диаметр корпуса (11) на теплопередающей части, мм
710