反应堆非对称倒U型管束蒸汽发生器

摘要

本发明提供了反应堆非对称倒U型管束蒸汽发生器，包括进口腔室和出口腔室，进口腔室的顶部设置有进口腔室接管，出口腔室的一侧设置有出口腔室接管，进口腔室接管和出口腔室接管通过非对称倒U型管束连通，非对称倒U型管束的外部设置有冷却装置，冷却装置用于冷却非对称倒U型管束内热流体，非对称倒U型管束由内外径、材质、进出口阻力一致的管路一和管路二组成，管路一与管路二的长度不相同，管路一与管路二的形状契合，且处于同一垂直面，管路一与管路二的两端分别位于同一水平面，采用非对称倒U型管束后，可以增大回路冷热源高度差，且采用非对称倒U型管束后，减少流量‑压降曲线负斜率区域的范围，缓减倒流现象的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及反应堆蒸汽发生器技术领域，具体而言，涉及反应堆非对称倒U型管束蒸汽发生器。

背景技术

核动力装置可以依靠自然循环在正常运行或事故条件下带走反应堆产生的热量，这是保持反应堆安全的关键。但是由于与强迫循环相比自然循环驱动力相对较小、系统参数耦合性较强，所以现有反应堆立式U型管蒸汽发生器在自然循环工况下很容易出现流动不稳定现象，特别是倒流现象。在自然循环工况中，蒸汽发生器部分U型管内会发生倒流现象，使得其出口腔室内温度较低的一回路冷却剂倒流至进口腔室。倒流的出现使得蒸汽发生器有效传热面积减少，倒流流体在进口腔室内与热段来流进行复杂的混合、耗散，使得自然循环条件下蒸汽发生器的流动阻力系数较强迫循环工况增大数倍，从而导致系统自然循环流量低于设计值，使得反应堆运行安全存在较大风险，极大地挑战了反应堆的安全性。对于船用核动力装置，运行环境复杂多变，工况变动频繁，特别是强迫循环向自然循环转换过程中U型管内流体的运行参数会发生改变。倒流现象不仅会大幅降低一回路系统自然循环能力，还会与蒸汽发生器二次侧流体流动传热相互耦合相互影响，对反应堆安全带来极大的挑战。现有解决蒸汽发生器倒流的方法主要有从运行参数角度入手，可以有效的减少倒流临界流量和临界压降，从而使蒸汽发生器并联U型管束避开倒流区间运行，但是不能够从根本上解决倒流问题的发生。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供了反应堆非对称倒U型管束蒸汽发生器，具有增大回路冷热源高度差，减少流量-压降曲线负斜率区域的范围，缓减倒流现象的发生的作用。

本发明是这样实现的：

反应堆非对称倒U型管束蒸汽发生器，包括进口腔室和出口腔室，所述进口腔室的顶部设置有进口腔室接管，所述出口腔室的一侧设置有出口腔室接管，所述进口腔室接管和所述出口腔室接管通过非对称倒U型管束连通，所述非对称倒U型管束的外部设置有冷却装置，所述冷却装置用于冷却所述非对称倒U型管束内热流体，所述非对称倒U型管束由内外径、材质、进出口阻力一致的管路一和管路二组成，所述管路一与所述管路二的长度不相同。

进一步的，所述管路一与所述管路二的形状契合，且处于同一垂直面，所述管路一与所述管路二的两端分别位于同一水平面。

进一步的，所述进口腔室的顶部设置有进口管板，所述进口管板为半圆形板，所述进口管板用于安装进口腔室接管。

进一步的，所述出口腔室的一侧设置有出口管板，所述出口管板为矩形板，所述出口管板用于安装出口腔室接管。

进一步的，所述出口腔室位于进口腔室的底部位置处。

进一步的，所述冷却装置为二次侧流体管，所述二次侧流体用于通过二次侧流体冷却所述非对称倒U型管束内的热流体。

本发明的有益效果是：

采用非对称倒U型管束后，可以增大回路冷热源高度差，且采用非对称倒U型管束后，减少流量-压降曲线负斜率区域的范围，缓减倒流现象的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明非对称倒U型管束结结构示意图；

图2为工况一进出口总压降随流量的变化关系曲线图；

图3为工况二进出口总压降随流量的变化关系曲线图。

图4为工况三进出口总压降随流量的变化关系曲线图。

图5为工况四进出口总压降随流量的变化关系曲线图。

图中：100、非对称倒U型管束；101、管路一；102、管路二；200、进口腔室；201、进口管板；202、进口腔室接管；300、出口腔室；301、出口管板；302、出口腔室接管；400、冷却装置。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1-5，本发明提供技术方案：反应堆非对称倒U型管束蒸汽发生器，包括进口腔室200和出口腔室300，进口腔室200的顶部设置有进口腔室接管202，出口腔室300的一侧设置有出口腔室接管302，进口腔室接管202和出口腔室接管302通过非对称倒U型管束连通，非对称倒U型管束的外部设置有冷却装置400，冷却装置400用于冷却非对称倒U型管束内热流体，非对称倒U型管束由内外径、材质、进出口阻力一致的管路一101和管路二102组成，管路一101与管路二102的长度不相同。

由于船用核动力装置的反应堆所在舱室空间有限，比较难以增大蒸汽发生器的高度，非对称U型管的这种结构设计可以在蒸汽发生器高度不变的条件下，显著增大其下降段与上升段的高度差，从而增大其重力压降，减缓倒流现象的发生。

对于非对称倒U型管束，设上升直管段为H

总重力压降为：

上升段重力压降减去下降段重力压降表达式为：

弯管段重力压降表达式：

于是，将式(2)、式(3)代入式(1)可得：

则总压降为

用上述非对称U型管100的数学物理模型，以某型核动力装置蒸汽发生器内倒U型管的运行与结构参数为计算对象，增大下降段与上升段高度差，从倒流临界质量流量和倒流临界压降两个方面计算分析非对称U型管的改进效果，本文选取长度为L的U型管，保持总管长不变，提出增大下降段与上升段高度差分别为0.08L、0.12L、0.16L的三种改进方案，并将其在设定的工况1、2、3、4下进行计算。工况1和2为自然循环功率运行工况，工况3和4为二次侧非能动余热排出工况。表1、表2和图2-5中所有数据均做了归一化处理。

表1稳态计算工况列表

计算上述优化方案在不同工况下的运行情况，得到进出口总压降随流量的变化关系曲线，做出图2至图5，并将不同优化方案在不同工况下倒流临界质量流量进行对比如表2所示。

表2不同优化方案在不同工况下的倒流临界流量

自然循环工况下，流量-压降曲线存在负斜率区,当倒U型管内流体工作于负斜率区时将会发生倒流现象，缩小负斜率区的流量范围能明显减弱倒流现象。从图1-4以及表2中可以看出，在相同工况下倒流临界流量随着下降段与上升段的高度差的增大，倒流临界流量逐渐减小，意味着流量-压降曲线的负斜率区的范围明显缩小，倒流临界压降绝对值逐渐增大，说明在自然循环功率运行工况和二次侧非能动余热排出工况下非对称U型管相比对称U型管均更难发生倒流，且下降段与上升段的高度差的增大会明显缓减倒流现象。

非对称U型管束100的内外径、材质、进出口阻力与原倒U型管完全一致，其上升直管段长度为H

为了满足蒸汽发生器内流体装量，保证进口腔室200、出口腔室300的体积与原型蒸汽发生器进口腔室200、出口腔室300的体积相同。

管路一101与管路二102的形状契合，且处于同一垂直面，管路一101与管路二102的两端分别位于同一水平面。

进口腔室200的顶部设置有进口管板201，进口管板201为半圆形板，进口管板201用于安装进口腔室接管202。

出口腔室300的一侧设置有出口管板301，出口管板301为矩形板，出口管板301用于安装出口腔室接管302。

出口腔室300位于进口腔室200的底部位置处。

冷却装置400为二次侧流体管，二次侧流体用于通过二次侧流体冷却非对称倒U型管束内的热流体。

该反应堆非对称倒U型管束蒸汽发生器正常运行时，反应堆堆芯流出的热流体从进口腔室接管202进入进口腔室，然后流经非对称倒U型管束100，与管外二次侧流体进行传热冷却后，冷却后的流体向下流入出口腔室300，进而从出口腔室300流出，经过管道流入堆芯，吸收堆芯产生的热量，形成循环流动。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。