直接式液态金属钠高功率加热系统及加热方法与流程

本发明涉及液态金属加热技术领域，具体涉及一种直接式液态金属钠高功率加热系统及加热方法。

背景技术：

钠-水蒸汽发生器是钠冷快堆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，传热管的破裂将会引起严重的钠水反应，造成严重安全事故，影响核电站运行的安全性、稳定性。在钠冷快堆的研究与蒸汽发生器的试验中，通过大量的文献调研发现，较早发展快堆的几个国家利用燃气加热的方式代替反应堆输出的热量。其中，5.5mw功率的印度sgtf(steamgeneratortestfacility)台架和50mw功率的日本sgtf(steamgeneratortestfacility)台架均采用燃气加热，2mw功率的美国sgtr(steamgeneratortestrig)试验台架同样采用火焰加热器。火焰加热方式存在固有的锅炉匹配和加工问题，同时该加热方式使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。

根据现有实验运行经验，钠工质的电加热方式可分为三种：电加热丝加热、管内多级加热和加热棒加热。其中，电加热丝加热是通过缠绕在容器或管道上的电加热丝由径向导热将流体温度增加至额定工况，这种辐射式加热方式的热损失较大，加热丝单根加热功率较小，容器的表面容积有限，适用于小功率低温加热；管内多级加热，是通过内管中钠流动换热、外管通电加热，内管与外管之间填充氧化镁粉末，起到绝缘和导热作用的加热方式，这种加热方式同样存在辐射换热损失较大的影响，同时若加热段的加工出现问题，导致管内的钠带电，则整个回路可能会出现电击等安全事故，即任何一段加热段出现问题都会影响整个加热段的安全；加热棒加热是将加热棒直接插入加热容器，通过钠与加热棒表面的对流换热传递热量，这种加热方式设计直接，热量损失小。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种直接式液态金属钠高功率加热系统及加热方法，通过合理的加热棒布置和选取合适的加热及其调节方式，通过加热棒的对流换热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，本发明采用如下技术方案：

一种直接式液态金属钠高功率加热系统，包括六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201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401；第一高功率加热器1出口端连接第一出口阀301，第一出口阀301后端管线与第一旁通阀401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下，其一为在线检修工作时，使液态金属钠不流经高功率加热器，方便检修与在线工作同时进行；其二为在低功率加热工况时，液体金属钠只流经部分加热器，从而达到减小流动阻力和控制出口温度的目的；所述六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、第四高功率加热器4、第五高功率加热器5和第六高功率加热器6；以上第一高功率加热器1、第一入口阀201、第一出口阀301以及第一旁通阀401构成第一加热单元；第二高功率加热器2、第二入口阀202、第二出口阀302以及第二旁通阀402构成第二加热单元，以此类推，构成六个加热单元，每个加热单元的结构均相同；每个加热单元均在外层包裹加热丝和保温棉，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7，以及与plc控制柜7连接的控制系统8；

六个所述高功率加热器的结构均相同，其中第一高功率加热器1包括加热器筒体107，位于加热器筒体107一端的设备法兰104，设置在设备法兰104外端并通过全螺纹螺柱105与设备法兰104连接的入口平盖103；加热器筒体107另一端为截面为半圆形的出口端，出口端中部设置出口管道113；径向设置在加热器筒体107内临近设备法兰104的分布板106，径向设置在加热器筒体107内临近出口端的支撑板108；位于入口平盖103中部的入口管道101，入口管道101内部设置有入口盲管115，且入口管道101和入口盲管115间留有液态金属钠流出的间隙，入口盲管115两端分别固定在分布板106和支撑板108上；从入口平盖103轴向插入的多个电加热棒102内端固定在支撑板108上，多个电加热棒102在入口平盖103上均匀分布，分布方式为正三角分布；入口管道101和出口管道113分别布置有入口测温热电偶111和出口测温热电偶112；加热器筒体107底部布置有排污口110；液态金属钠从入口管道101进入第一高功率加热器1后分流至第一高功率加热器上下，后随分布板106整流后与均匀分布的电加热棒102发生对流换热，然后从出口管道113流出，多个电加热棒102与第一高功率加热器内液态金属钠进行对流换热。

所述加热器筒体107底部设置有鞍式支座109。

所述加热器筒体107和入口平盖103的材料均为不锈钢，入口平盖103上电加热棒102均匀排布146根，单根电加热棒功率为13.7kw。

所述第一高功率加热器1、第二高功率加热器2、第三高功率加热器3、第四高功率加热器4、第五高功率加热器5和第六高功率加热器6的功率为2mw,共12mw。

所有加热单元采用plc控制柜7调节加热功率，每个高功率加热器的功率均能够单独调节，以满足不同试验工况下对钠温度的要求；同时所有入口阀、出口阀和旁通阀均采用电动控制阀门。

所述的一种直接式液态金属钠高功率加热系统的加热方法，首先开启六个液态金属加热器的入口阀和出口阀，并将液态金属钠打入加热系统；随后六个高功率加热器，控制加热功率缓慢升高，使加热系统内的液态金属钠温度稳定上升；同时根据各级加热单元出口温度、加热系统出口温度与工况所需温度的温度差，调节各级高功率加热器的功率，使液态金属钠被加热至所需温度；当高功率加热系统需要关闭时，依次缓慢关闭第一高功率加热器1至第四高功率加热器4，同时缓慢降低第五高功率加热器5和第六高功率加热器6的功率，待所有液态金属钠排空后，关闭第五高功率加热器5和第六高功率加热器6。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、液态金属钠与电加热棒进行直接式的对流换热，同时电加热棒从加热器入口平盖处单端插入，充分利用加热器内部空间，在保证加热效率的同时，最大程度降低了高功率加热器的空间成本和经济成本；

2、加热器系统每个高功率加热器均可独立调节功率，在事故工况下或低功率运行工况下，每个高功率加热器均可以通过开关进出口阀门进行完全隔离，而不影响其它高功率加热器的运行和使用；

3、加热系统每个加热单元成独立体系，在正常工况或事故工况下，均可使用旁路进行流量调节、事故隔离、在线维修，增强了全系统的灵活性和可操作性；

4、引入了自动反馈调节方案，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。

总之，此加热系统结构能够完成液态金属钠的温度控制，整个系统经济高效，安全可靠，使液态金属钠的高功率电加热成为可能。

附图说明

图1为直接式液态金属钠高功率加热系统图。

图2为高功率加热器主视图。

图3为高功率加热器侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：

如图1所示，一种直接式液态金属钠高功率加热系统，包括六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201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401；第一高功率加热器1出口端连接第一出口阀301，第一出口阀301后端管线与第一旁通阀401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下，其一为在线检修工作时，使液态金属钠不流经高功率加热器，方便检修与在线工作同时进行；其二为在低功率加热工况时，液体金属钠只流经部分加热器，从而达到减小流动阻力和控制出口温度的目的；六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、第四高功率加热器4、第五高功率加热器5和第六高功率加热器6，每个高功率加热器的功率为2mw,共12mw。以上第一高功率加热器1、第一入口阀201、第一出口阀301以及第一旁通阀401构成第一加热单元；第二高功率加热器2、第二入口阀202、第二出口阀302以及第二旁通阀402构成第二加热单元；第三高功率加热器3、第三入口阀203、第三出口阀303以及第三旁通阀403构成第三加热单元；第四高功率加热器4、第四入口阀204、第四出口阀304以及第四旁通阀404构成第四加热单元；第五高功率加热器5、第五入口阀205、第五出口阀305以及第五旁通阀405构成第五加热单元；第六高功率加热器6、第六入口阀206、第六出口阀306以及第六旁通阀406构成第六加热单元，每个加热单元的结构均相同；每个加热单元均在外层包裹加热丝和保温棉，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7，以及与plc控制柜7连接的控制系统8。

如图2和图3所示，所述六个高功率加热器的结构均相同，其中第一高功率加热器1包括加热器筒体107，位于加热器筒体107一端的设备法兰104，设置在设备法兰104外端并通过全螺纹螺柱105与设备法兰104连接的入口平盖103；加热器筒体107另一端为截面为半圆形的出口端，出口端中部设置出口管道113；径向设置在加热器筒体107内临近设备法兰104的分布板106，径向设置在加热器筒体107内临近出口端的支撑板108；位于入口平盖103中部的入口管道101，入口管道101内部设置有入口盲管115，且入口管道101和入口盲管115间留有液态金属钠流出的间隙，入口盲管115两端分别固定在分布板106和支撑板108上；从入口平盖103轴向插入的多个电加热棒102内端固定在支撑板108上，多个电加热棒102在入口平盖103上均匀分布，分布方式为正三角分布；入口管道101和出口管道113分别布置有入口测温热电偶111和出口测温热电偶112；加热器筒体107底部布置有排污口110；液态金属钠从入口管道101进入第一高功率加热器1后分流至第一高功率加热器上下，后随分布板106整流后与均匀分布的电加热棒102发生对流换热，然后从出口管道113流出，多个电加热棒102与第一高功率加热器内液态金属钠进行对流换热。

作为本发明的优选实施方式，所述加热器筒体107底部设置鞍式支座109。

作为本发明的优选实施方式，所述加热器筒体107和入口平盖103的材料均为不锈钢，入口平盖103电加热棒102均匀排布146根，单根电加热棒功率为13.7kw。

所述第一高功率加热器1、第二高功率加热器2、第三高功率加热器3、第四高功率加热器4、第五高功率加热器5和第六高功率加热器6的功率为2mw,共12mw。

所有加热系统采用plc控制柜7调节加热功率，每个高功率加热器的功率均可单独调节，以满足不同试验工况下对钠温度的要求；同时所有入口阀、出口阀和旁通阀均采用电动控制阀门，使整个加热系统更加高效和灵活。

所述的直接式液态金属钠高功率加热系统的加热方法，首先开启全部六个液态金属加热器的入口阀和出口阀，并将液态金属钠打入加热系统；随后开启全部六个高功率加热器，控制加热功率缓慢升高，使加热系统内的液态金属钠温度稳定上升；同时根据各级加热单元出口温度、加热系统出口温度与工况所需温度的温度差，调节各级高功率加热器的功率，使液态金属钠被加热至所需温度；当高功率加热系统需要关闭时，依次缓慢关闭第一高功率加热器1至第四高功率加热器4，同时缓慢降低第五高功率加热器5和第六高功率加热器6的功率，待所有液态金属钠排空后，关闭第五高功率加热器5和第六高功率加热器6。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。