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冷却器在CARR中的应用

    核动力工程板式冷却器在CARR中的应用韩海芬,张金山,姜百华,庄毅(中B*子能科学研究院反应堆工程研究设计所,北京,102413)摘*:着重介绍了CARR工程中重水冷却器、主冷却器的选型及设计过程。通过安全性和经济性等方面的对比,可以看出板式冷却器比套管式冷却器更具有优越性。板式冷却器在系统中的应用对今后的设计具有中围分类号:TL353+.丨3 1述中国先进研究堆(CARR)的反应堆冷却剂系统、重水冷却系统、应急堆芯冷却系统是CARR的重要系统。
  反应堆冷却剂系统是通过冷却剂将堆芯热ft载出,利用主冷却器将热量传至二次冷却水系统。该系统的堆外部分由并联的4组主循环栗、主冷却器以及有关阀门和管线组成。
  重水冷却系统利用2台重水栗将重水贮存罐内的重水通过重水冷却器输送到重水箱,通过重水箱的出口溢流入重水贮存罐,形成重水循环回路,将重水箱的热ft传给二次冷却水系统。
  应急堆芯冷却系统的功能是在反应堆事故工况下能确保堆芯得到充分冷却,使堆芯的温度保持在安全限值内,防止燃料元件损坏。
  以上3个重要系统都需要冷却器来进行热量传递,因而冷却器是系统的关键设备,它的好坏对执行系统功能起着举足轻重的作用。
  2冷却器的设计由于重水热器里的介质为重水和二次冷却水,主冷却器和池水冷却器里的介质为去离子水和二次冷却水,针对介质的不同,对密封的要求也不同,所以,本文对冷却器的设计将根据介质的不同分重水冷却器的设计、主冷却器和池水冷却器的设计来阐述。
  2.1重水换热播的设计由于重水价格昂贵,受中子辐照后具有放射性。为了避免重水的泄漏及防止放射性对环境的污染,所以重水冷却器的设计必须具有密封可霏、放射性防护及容积小的特点。
  2.1.1放射性防护设计主要有2个方面:①防止内漏。要保证轻水侧压力大于重水侧压力,这样,一旦泄漏轻水便漏入重水中,环境不受污染;②防止外漏。要在冷却器的结构设计中体现。2.1.2材料选用在确定材质时主要考虑了流体的水化学特性、与接触材料的电化学及热相容性、抗冲刷及抗腐蚀性能、耐辐照性能、加工性能(包括可焊性)、延展性等。综合以上各项要求,确定冷却器的主要材料为0Crl8Nil0Ti,二次水管箱的材料为20钢,与回路系统管道材料一致。2.1.3冷却器的结构及材质确定2.1.3.丨初步设计阶段的结构设计初步设计时重水冷却器采用的是卧式、逆流、单程的套管式冷却器。该冷却器具有丰富的运行经验,同时二次冷却水流经内管,重水逆向流经内管与外管间的环隙,这样可以在重水充装量尽量少的情况下得到篼的传热效率。
  2.1.3.2板式冷却器的确定进行施工设计时,了解到璀典AFLAF公司对制造应用于重水方面的板式冷却器有很长的历史,有丰富可靠的设计、加工、制造经验。
  与套管式冷却器相比,板式冷却器便于组装和拆卸,有利于清洗与除垢,清洗频率低,清洗时间少,不需定期检,故障率很低。当板的结构材料为金属时,单位传热面的价格比管材便宜。由于流道中流体的高度湍动,冷却器中结垢的可能性大为减少,且传热系数比较高。其结构见图丨。2种冷却器的参数比较如表1所示。
  表12种冷却器各种参数的比较Table参数套管式冷却器财换晷重水1二次水重水侧二次水*热功*/MW流量/m3人口度/*c出口瀑度/T阻力l*/m(水柱)液料占地面积(长X宽y冷却器台数/台从表i可见可以发现板式冷却器比套管式冷却器具有以下优点:⑴体积小,占地面积小,减少了资金投人。
  运行费用少。由于重水冷却器采取的是逆流的型式,为了减少放射性外泄,必须保证轻水侧压力大于重水侧压力,即二次水出口压力大于重水入口压力。从表1不难看出,使用板式冷却器比使用套管式冷却器减少重水泵及二次水泵的扬程分别为25.7m和19.86m,同时减少二次冷却水的流量674m3/h,降低了运行费用。
  重水冷却器由套管式改为板式,并且由原来的2台变为1台,节省了大大小小共21个阀门、数十条管线,将部分管道的规格由原来的<>219x8改为4>159x6,简化了管路布置,检修更简单、方便,减少了重水外漏的隐患,同时节省重水1.8m3(价值人民币396万元)。
  维修、清洗更容易、方便。
  价格低。板式冷却器的制造、加工及设计总价约为7.5万欧元(合75万人民币),而套管式冷却器的加工制造价格约为150万元/台,2台套管式冷却器总造价要达到300万元。
  通过上述分析,在施工设计阶段以板式冷却器代替了原套管式冷却器设计。
  2.1.3.3板式冷却器材质的选择设计中板片材质和垫片材质的选择也很重要。根据流体水质指标,确定板片仍然选择0Crl8Nil0Ti,垫片选择NBR(丙烯腈丁二炔橡胶)。典AFLAF专家认为:在重水系统的应用中,常规片的板式冷却器已经足以保证其不泄霈,这是因为重水不对垫片造成任何腐蚀,通常情况下,在重水中应用的垫片5年左右才需更换一次。考虑到重水外泄会造成对环境的影响及一定的经济损失,所以选择了半焊接式板式冷却器,即流通重水的两个板片用激光法密封焊,流通二次冷却水的两个板片采用常规垫片连接,使得设计更加安全、经济、合理和先进。密封焊的结构如所示。
  2.2主冷却器和池水冷却器的设计由于主冷却器和池水冷却器内的流体介质均为去离子水和二次冷却水,主冷却器为安全二级,池水冷却器为安全相关级,所以,此处的设计推述只针对主冷却器。
  主冷却器选用的型号是M30*FD.此冷却器与韩国使用的HANARO的主冷却器是同一厂家同一型号,该冷却器至今已使用了丨年,其使用经验值得借鉴。在字10年期间,更换了2次垫片。

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