Парогенератор для реактора с жидкометаллическим теплоносителем

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть наиболее эффективно применено в ядерных реакторах с жидкометаллическим теплоносителем. Парогенератор предназначен для генерации перегретого пара заданных параметров за счет отвода тепла от жидкометаллического (например, натриевого) теплоносителя, а также для расхолаживания реакторной установки в нормальных эксплуатационных режимах. Решаемая задача - повышение надежности работы парогенератора за счет исключения контакта жидкометаллического теплоносителя с питательными и паровыми коллекторами и участком отвода пара. Парогенератор для реактора с жидкометаллическим теплоносителем состоит из корпуса, труб подвода питательной воды и отвода пара, теплообменной поверхности, выполненной из отдельных трубных пучков, размещенных в кожухе, закрепленных в трубных досках питательного и парового коллекторов и сформированных вокруг центральной трубы, заполненной инертным газом, внутри которой расположена подводящая труба. Паровой и питательный коллекторы трубного пучка расположены в полости, заполненной инертным газом. Полость образована чехлами, которые закреплены на наружных поверхностях дополнительных трубных досок, соединенных с центральной трубой и расположенных между коллекторами с зазором относительно последних. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть наиболее эффективно применено в ядерных реакторах с жидкометаллическим теплоносителем. Парогенератор предназначен для генерации перегретого пара за счет отвода тепла от жидкометаллического (например, натриевого) теплоносителя, а также для расхолаживания реакторной установки в нормальных эксплуатационных режимах.

Известны парогенераторы, имеющие различные типы теплообменных поверхностей и использующиеся в АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (РБН), например БН-600 (Россия) (см.: Б.В.Кокорев, В.А.Фарафонов. Парогенераторы ядерных энергетических установок с жидкометаллическим теплоносителем. - М.: Энергоатомиздат, 1990).

Проблемой парогенератора данного типа является появление дефектов в виде разветвленной сетки трещин в металле трубных досок коллекторов, объединяющих трубный пучок, вследствие высоких температурных напряжений, возникающих в трубной доске, так как с одной стороны она соприкасается с жидкометаллическим теплоносителем, а с другой - с рабочей средой (вода-пар).

Также известны парогенератор "Супер-Феникс" (Франция) и парогенератор (см.: Патент США №4307685 по кл. F 22 B 1/06; F 28 F 9/02, опубл. 29.12.1981), состоящий из корпуса с буферной емкостью, заполненной инертным газом, по меньшей мере, одного трубного пучка, размещенного внутри корпуса. Верхние и нижние концы теплообменных труб снабжены термокомпенсационными втулками для их проходки через боковую стенку корпуса для снижения термических напряжений в месте контакта теплообменных труб с жидким металлом. Данные парогенераторы лишены вышеуказанного недостатка, так как коллектора пара и питательной воды вынесены за пределы корпуса парогенератора и отсутствует их контакт с жидкометаллическим теплоносителем. Однако при разгерметизации втулки в месте соединения с теплообменной трубой происходит истечение жидкого металла или продуктов его взаимодействия с водой за корпус парогенератора, что может привести к тяжелым последствиям.

Известен прямоточный парогенератор (см. Патент Великобритании №1514831 по кл. F 28 D 7/00, опубл. 22.04.1976) жидкий металл/вода, состоящий из корпуса с крышкой, к которой прикреплены один или более трубных пучков, сформированных из спиральных или прямолинейных труб и подводящей трубы, окруженной центральной трубой, заполненной газом. Паровые коллекторы расположены над крышкой парогенератора.

В известном парогенераторе отсутствует контакт с жидким металлом трубных досок паровых коллекторов. Трубы подвода воды находятся в полости, заполненной инертным газом, что позволяет защитить их поверхности от контакта с жидкометаллическим теплоносителем, однако трубные доски питательных коллекторов и выходные участки трубного пучка, заполненные паром, находятся в контакте с ним, что отрицательно влияет на безопасность работы парогенератора, что приводит к:

- возникновению высоких температурных напряжений на трубной доске, так как с одной стороны она соприкасается с жидкометаллическим теплоносителем, а с другой стороны - с рабочей средой (вода);

- возникновению пульсирующих температурных напряжений в месте прохода трубного пучка через границу жидкий металл - инертный газ из-за переменного уровня жидкого металла.

По наибольшему числу общих признаков и достигаемому эффекту патент Великобритании №1514831 принимаем за прототип.

Решаемая задача - исключение контакта жидкометаллического теплоносителя с питательными и паровыми коллекторами, что позволяет повысить надежность работы парогенератора.

Поставленная задача решается за счет того, что в парогенераторе для реактора с жидкометаллическим теплоносителем, содержащем корпус, трубы подвода питательной воды и отвода пара, теплообменную поверхность, выполненную из отдельных трубных пучков, размещенных в кожухе, закрепленных в трубных досках парового и питательного коллекторов и сформированных вокруг центральной трубы, заполненной инертным газом, внутри которой расположена подводящая труба, паровой и питательный коллекторы трубного пучка расположены в полости, заполненной инертным газом, которая образована чехлами, охватывающими коллектора, при этом чехлы закреплены на наружных поверхностях дополнительных трубных досок, соединенных с центральной трубой и расположенных между коллекторами с зазором относительно последних.

Предлагаемая конструкция за счет того, что паровой и питательный коллекторы трубного пучка расположены в полости, заполненной инертным газом, выполняющей роль теплового барьера и защищающей их поверхности от контакта с жидкометаллическим теплоносителем, позволяет существенно уменьшить в данных силовых узлах и деталях температурные напряжения, производить контроль их герметичности по изменению давления в полости, заполненной инертным газом, тем самым повышая надежность парогенератора.

Сущность предложенного парогенератора поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен парогенератор;

на фиг.2 показан выносной элемент А фиг.1.

Парогенератор состоит из цилиндрического корпуса 1, разделительной перегородки 2, верхней крышки 3 с цилиндрическими патрубками 4 для установки требуемого количества однотипных, унифицированных теплообменник трубных пучков 5, патрубка подвода 6 и патрубка отвода 7 жидкометаллического теплоносителя и газовой полости 8 корпуса парогенератора. Теплообменный трубный пучок 5 представляет собой вертикальный цилиндрический теплообменник и состоит из теплообменных труб, сформированных спирально или прямолинейно и расположенных в кожухе 9, который крепится в верхней части к фланцу 10, предназначенному для крепления трубного пучка к патрубкам 4 крышки 3, питательного 11 и парового 12 коллекторов с трубными досками 13, в которых закреплены теплообменные трубы, труба подвода питательной воды 14 и кольцевой полости отвода пара 15, образованной трубами 16 и 17, расположенными между собой коаксиально по оси трубного пучка. С внешней (по отношению к фланцу 10) стороны трубного пучка расположен патрубок подвода питательной воды 18 и патрубок отвода перегретого пара 19 из кольцевой полости 15. Также теплообменный трубный пучок 5 включает разделительную газовую полость 20, заполненную инертным газом. Газовая полость образована чехлами 21 и 22, которые герметично соединены с дополнительными трубными досками 23, которые в свою очередь соединены с центральной трубой 24, вокруг которой формируется трубный пучок и внутри которой проходит труба подвода питательной воды 12. Чехол 21 в верхней части герметично соединен с фланцем 10. Верхняя часть газовой полости 20 заканчивается штуцером 25, к которому подсоединяется импульсная линия для фиксации изменения давления в разделительной газовой полости трубного пучка.

Парогенератор работает следующим образом. Жидкометаллический теплоноситель из входного патрубка 6 поступает в кольцевую полость между корпусом парогенератора 1 и разделительной перегородкой 2. Далее теплоноситель поднимается вверх под крышку корпуса 3 и распределяется по полости между трубными пучками и через отверстия в кожухах 9 поступает к теплообменной поверхности. Далее теплоноситель проходит по межтрубному пространству теплообменной поверхности трубных пучков 5, отдавая тепло рабочей среде (вода-пар), поступает на выход из них, разворачивается и поступает в кольцевую полость и из нее в патрубок отвода 7.

Питательная вода из патрубка 18 по трубе 14 опускается в нижнюю часть трубного пучка на вход в питательный коллектор 11. Из питательного коллектора вода поступает в теплообменные трубы, поднимается вверх, подогревается до температуры кипения, испаряется и в виде перегретого пара поступает в паровой коллектор 12. Из него поступает в кольцевую полость 15, поднимается вверх и далее через патрубок 19 - к потребителю.

За счет того, что трубы 14 и 16, коллектора 11 и 12 с трубными досками 13 и узлы приварки теплообменных труб к ним не контактируют с жидким металлом, так как находятся в разделительной газовой полости 20, играющей роль защитного и теплового экрана, образованной чехлами 21 и 22, дополнительными трубными досками 23, центральной трубой 24 и трубой 17, температурные напряжения в них существенно снижаются. Кроме того, возможен контроль их герметичности по изменению давления в разделительной газовой полости, давление в которой превышает давления в газовой полости корпуса парогенератора.

Как показал опыт эксплуатации парогенератора БН-600, трубные доски с узлами приварки теплообменных труб являются определяющими компонентами, влияющими на надежность и безопасность парогенератора.

Предлагаемая конструкция за счет расположения парового и питательного коллекторов трубного пучка и кольцевого участка отвода пара в полости, заполненной инертным газом, позволяет существенно уменьшить в данных силовых узлах и деталях температурные напряжения, тем самым, повышая надежность парогенератора. Кроме того, данная конструкция не допускает контакта рабочей среды (вода-пар) с жидким металлом, например натрием, при их разгерметизации, что повышает надежность всей установки в целом. Также возможно производство контроля герметичности парового и питательного коллекторов трубного пучка и кольцевого участка отвода пара по изменению давления в газовой полости, что уменьшает время обнаружения в них дефекта и соответственно время локализации течи и, следовательно, повышает коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), который является важнейшим экономическим показателем ядерной установки.

Парогенератор для реактора с жидкометаллическим теплоносителем, содержащий корпус, трубы подвода питательной воды и отвода пара, теплообменную поверхность, выполненную из отдельных трубных пучков, размещенных в кожухе, закрепленных в трубных досках парового и питательного коллекторов и сформированных вокруг центральной трубы, заполненной инертным газом, внутри которой расположена подводящая труба, отличающийся тем, что паровой и питательный коллекторы трубного пучка расположены в полости, заполненной инертным газом, образованной чехлами, охватывающими коллекторы и закрепленными на наружных поверхностях дополнительных трубных досок, соединенных с центральной трубой и расположенных между коллекторами с зазором относительно последних.