[发明专利]液态金属钠高功率加热系统及加热方法

说明书

液态金属钠高功率加热系统及加热方法，包括四个高功率加热器，每个加热单元包括电加热器，进口阀、出口阀、旁通阀，每个加热单元之间串联连接；每个加热器中液态金属钠在立式螺旋形盘管中流动，盘管内部和外部分别布置有镍络合金制成的加热丝，对盘管中流体进行内外辐射加热；液态金属钠管道全程没有贯穿件和焊缝，同时电加热系统引入了氮气保护，隔绝了空气及其他气体与液态钠的反应，最大程度上减小了钠泄漏的风险和少量钠泄漏的后果；整个加热系统功率调节采用通断式、高功率粗调、低功率细调的“三步走”方案，并引入了自动反馈调节，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。整个加热系统经济高效、安全可靠，可操作性强。

技术领域

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

背景技术

钠冷快堆通常采用钠-钠-水的回路设计，钠-水蒸汽发生器是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，一旦传热管破裂将会引起严重的钠水反应，严重影响核电站运行的可用性、经济性及可靠性。大量的文献调研发现，在蒸汽发生器试验中，很多国家利用燃气加热的方式代替反应堆输出的热量。日本SGTF(Steam GeneratorTest Facility)台架功率为50MW，按文殊堆1/5功率设计，采用燃气加热，锅炉进口钠温390℃，出口钠温540℃。印度SGTF(Steam Generator Test Facility)台架功率为5.5MW，采用燃气加热，将钠从355℃加热至525℃。美国SGTR(Steam Generator Test Rig)试验台架功率为2MW，同样采用火焰加热器。燃气锅炉进出口钠温分别约为308℃和505℃，流量524t/h。荷兰SCTF(Sodium Component Test Facility for testing of steam generator)试验台架功率为50MW，其火焰加热器功率58MW，钠温从343.5℃升至650℃，流量1800m³/h。火焰加热方式主要存在锅炉的匹配和加工问题，同时引入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。

目前国内常规压水堆的蒸汽发生器研发采用燃油或高温蒸汽加热，由于钠介质化学性质活泼，在蒸汽加热器内发生钠泄漏会形成剧烈的钠水反应引起氢气爆炸，造成严重后果。

根据现有试验运行经验，钠工质的电加热方式主要有两种，直接式加热和辐射式加热。直接式加热是指直接将加热棒插入钠工质中，通过钠与加热器表面的对流换热传递热量，这种加热方式原理简单，效率略高，热量损失小，但是由于钠是直接与加热棒接触的，并且加热棒与钠容器筒体连接处需要的焊缝数量很大，一旦加热棒与筒体焊接处出现泄漏将会直接导致液态金属钠泄漏到外界环境中，产生巨大安全隐患。辐射式加热器设计中液态金属钠是与加热棒分开的，钠在独立的钠通道中流动，加热棒在钠通道外部通过辐射换热为钠提供热量，这种加热方式由于辐射换热热效率相比对流换热较小，而且热量泄漏比例也太高于直接式加热，因此加热效率要比直接式低。另外，直接式加热器设计比较紧凑，因此整个加热器总体积相比辐射式加热器要小很多。辐射式加热器最重要的优点在于液态金属钠不与加热棒直接接触，钠通道筒体上贯穿焊缝很少，因此泄漏概率要小很多，甚至就算发生泄漏也还有最外层的保温筒体作为保护，安全性相比直接式加热器要高很多。

发明内容

本发明的目的是克服上述燃气或蒸汽加热的缺点，提供了一种辐射式液态金属钠高功率加热系统及加热方法，本发明通过合理布置液态金属钠管道和加热棒，选取合适的加热及其调节方式，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：