阅读说明：本技术 反应堆蒸汽发生器c型管束 (C-shaped tube bundle of reactor steam generator ) 是由 郝建立 李明芮 马俊杰 陈文振 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种反应堆蒸汽发生器C型管束,保持原有蒸汽发生器并联U型管束总的传热面积和管束的高度基本不变,包括顶部联箱、底部联箱、左C型管、右C型管以及一回路热流体接管；所述左C型管和右C型管的结构相同,均为C型管状结构,二者左右对称布置；所述顶部联箱和底部联箱分别位于蒸汽发生器的顶部和底部,二者的左右两侧分别通过左C型管和右C型管连接；所述一回路热流体接管从外部接入顶部联箱。本发明从根本上解决了蒸汽发生器倒流的问题,有效降低了系统一回路流动阻力,总压降随流量的变化曲线不存在负的斜率区,流量分配较U型管更加均匀,对反应堆自然循环能力有较大提高。(The invention discloses a C-shaped tube bundle of a reactor steam generator, which keeps the total heat transfer area and the height of the tube bundle of an original parallel U-shaped tube bundle of the steam generator unchanged basically and comprises a top header, a bottom header, a left C-shaped tube, a right C-shaped tube and a loop thermal fluid connecting pipe; the left C-shaped pipe and the right C-shaped pipe have the same structure and are both C-shaped tubular structures, and the left C-shaped pipe and the right C-shaped pipe are arranged in a left-right symmetrical mode; the top header and the bottom header are respectively positioned at the top and the bottom of the steam generator, and the left side and the right side of the top header and the bottom header are respectively connected through a left C-shaped pipe and a right C-shaped pipe; and the primary loop hot fluid connecting pipe is connected into the top header from the outside. The invention fundamentally solves the problem of backflow of the steam generator, effectively reduces the flow resistance of a loop of the system, has no negative slope region on the change curve of the total pressure drop along with the flow, has more uniform flow distribution than a U-shaped pipe, and greatly improves the natural circulation capacity of the reactor.)

反应堆蒸汽发生器C型管束

技术领域

本发明属于核动力技术领域，涉及到核动力装置，具体涉及一种反应堆蒸汽发生器C型管束。

背景技术

核动力装置(Nuclear Power Plant)是以核燃料代替普通燃料、利用核反应堆内核燃料的裂变反应产生热能并转变为动力的装置。它可以作为船舶的一种主动力装置。核动力装置主要包括核反应堆、产生动力的系统和设备，如核蒸汽供应系统和核电站汽轮机等，以及为保证设备正常运行、人员健康和安全所需要的系统和设备等。核燃料在核动力装置的反应堆中产生裂变反应，释放巨大能量，被不断循环的冷却水吸收，后者又通过蒸汽发生器将热量传给第二个回路中的水，使之变为蒸汽后到汽轮机中作功。核动力装置功率大，一次装填核燃料可以用上好几年。装备核动力装置的舰船，几乎有无限的续航力，所以核动力装置主要用于大型军舰和潜艇。

现有技术中存在的主要问题和缺陷包括：

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，而且在部分自然循环试验中，曾发生一回路系统无法建立自然循环的情况，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非对称U型管设计和设置上升非换热段，这两项技术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

针对现有技术中存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种反应堆蒸汽发生器C型管束，从根本上解决了蒸汽发生器倒流的问题，有效降低了系统一回路流动阻力，总压降随流量的变化曲线不存在负的斜率区，流量分配较U型管更加均匀，对反应堆自然循环能力有较大提高。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种反应堆蒸汽发生器C型管束，保持原有蒸汽发生器并联U型管束总的传热面积和管束的高度基本不变，包括顶部联箱、底部联箱、左C型管、右C型管以及一回路热流体接管；所述左C型管和右C型管的结构相同，均为C型管状结构，二者左右对称布置；所述顶部联箱和底部联箱分别位于蒸汽发生器的顶部和底部，二者的左右两侧分别通过左C型管和右C型管连接；所述一回路热流体接管从外部接入顶部联箱。

进一步地，反应堆正常运行时，堆芯流出的热流体从一回路热流体接管进入顶部联箱，然后分别流经左C型管和右C型管，与二次侧流体进行传热后，冷流体向下流入底部联箱，进而从底部联箱流出，经过管道流入堆芯，吸收堆芯产生的热量，形成循环流动。

优选地，所述C型管状结构的上下段为弯管，中间为直管段。

优选地，所述左C型管和右C型管的内径和外径与原U型管相同，其直管段的高度与原U型管直管段高度相同，其弯管的半径为原U型管弯管半径的一半。

优选地，所述顶部联箱和底部联箱均采用圆柱形结构。

进一步地，所述顶部联箱和底部联箱采用分层布置。

进一步地，所述左C型管和右C型管均采用并联方式布置，按照管长对并联C型管进行分组，每组C型管分别连接顶部联箱和底部联箱对应的分层。

优选地，所述顶部联箱和底部联箱的体积分别与原型蒸汽发生器的进出口腔室的体积相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)从装置布置上，采用水箱与传热管连接代替原先的管板，可以减小对传热管直径的要求，可以布置更多更细的传热管。

(2)采用C型管后，可以有效降低系统一回路流动阻力。

(3)采用C型管后，总压降随流量的变化曲线不存在负的斜率区。

(4)蒸汽发生器采用C型管的功率与U型管基本一致，强迫循环工况，并联C型管束流量分配较U型管更加均匀。

(5)从根本上解决了蒸汽发生器倒流的问题。

(6)蒸汽发生器采用C型管对反应堆自然循环能力有较大提高。

附图说明

图1是本发明所提供的一种反应堆蒸汽发生器C型管束的结构组成示意图。

图2是原U型管示意图。

图3是本发明实施例中C型管和U型管二次侧沸腾段对应的一、二次侧传热系数。

图4是本发明实施例中C型管和U型管一、二次侧的温度分布图。

图5是本发明实施例中一回路热流体接管重力压降随流量的变化图。

图6是本发明实施例中C型管重力压降随流量的变化图。

图7是本发明实施例中一回路热流体接管阻力压降随流量的变化图。

图8是本发明实施例中C型管阻力压降随流量的变化图。

图9是本发明实施例中U型管和C型管进出口压降随进口流量的变化曲线图。

附图标记说明：1、顶部联箱；2、底部联箱；3、左C型管；4、右C型管；5、一回路热流体接管。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

为了从根本上解决蒸汽发生器倒流的问题，本发明提出了一种新的传热管结构设计方案，即C型管。在保持蒸汽发生器并联U型管束总的传热面积和管束的高度基本不变的情况下，设计如图1所示，包括：顶部联箱1、底部联箱2、左C型管3、右C型/4以及一回路热流体接管5。原U型管如图2所示，C型管内径和外径与原U型管相同，其直管段高度与原U型管直管段高度相同，均为Hu；其管长为原U型管管长的一半，即0.5Lu；其弯管半径为原U型管弯管半径的一半，即0.5Ru。正常运行时，堆芯流出的热流体从一回路热流体接管5进入顶部联箱1，然后分别流经左C型管3和右C型管4，与二次侧流体进行传热后，冷流体向下流入底部联箱2，进而从联箱流出，经过管道流入堆芯，吸收堆芯产生的热量，形成循环流动。顶部联箱1和底部联箱2采用圆柱形设计，为了降低联箱内流体重力作用对流量分配的影响，对顶部联箱1和底部联箱2均进行分层设计，按照管长对并联C型管进行分组，每组C型管连接联箱对应的分层。为了满足蒸汽发生器内流体装量，保证联箱体积与原型蒸汽发生器进出口腔室体积相同。

实施例

以蒸汽发生器作为计算对象，由于单侧C型管换热面积为U型管的一半，因此C型管一次侧和二次侧流量为U型管的一半，C型管一次侧和二次侧进出口温度与U型管保持一致，设计的C型管运行基准参数如表1所示。

表1蒸汽发生器C型管运行基准参数

图3所示为C型管和U型管二次侧沸腾段对应的一、二次侧传热系数，图中对横纵坐标进行了归一化处理，由于预热段相比于沸腾段较短不着重分析，从图3中可得，两种管型传热系数呈指数降低；保持进口温度和二次侧运行工况相同，U型管的传热系数要高于C型管，这主要由于单侧C型管内的流速为U型管的一半，因而雷诺数较U型管低。图4所示为C型管和U型管一、二次侧的温度分布，从图4中可以看出，C型管一、二次侧温度呈指数分布；自然循环条件下，C型管进出口温差略低于U型管进出口温差，因此左右两侧C型管与二次侧之间的总换热量与U型管基本相同；单侧C型管一次侧温度下降速度明显高于U型管上升段，这主要是由于单侧C型管流量为U型管流量的一半，结合根据图4计算结果以及可以得出C型管温度下降更快。通过对两种管型的预热段高度计算，可以得出：U型管上升段对应的预热段高度、U型管下降段对应的预热段高度和C型管对应的预热段高度分别为：x_u、4.8x_u、3.0x_u，C型管预热段高度介于U型管上升段和下降段对应的预热段高度之间。

在研究U型管管内流体的驱动力和流动阻力时，通常从U型管进口至出口的整个管程进行计算，由于U型管进出口在同一水平高度，因此，在对C型管压降计算时，需考虑一回路热流体接管内的重力压降和阻力压降，如图5-图8所示，从图中可以得出：与U型管阻力压降和重力压降计算结果不同，随着流量的降低，一回路接管的重力压降不变，C型管重力压降和阻力压降、一回路接管的阻力压降逐渐降低。由倒流发生关键因素的研究可知，采用C型管会对SG的倒流特性产生重要影响。

图9所示为U型管和C型管进出口压降随进口流量的变化，从图中可以看出，随着SG一次侧进口流量的降低，C型管进出口压降逐渐下降(绝对值增大)，流量越低，下降速率越大，计算结果与C型管实验结论一致；相同流量工况下，U型管进出口压降要大于C型管；随着进口流量的降低，U型管进出口压降曲线存在拐点和负的斜率区，而C型管进出口压降曲线不存在拐点，根据倒流理论可以得出结论：C型管结构可以避免倒流的发生。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。