CN113035393B - 一种自驱动抽气式非能动安全壳排热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自驱动抽气式非能动安全壳排热系统，低压水池布置于双层混凝土安全壳环形夹层中下部。自驱动抽气结构布置在安全壳内置换热器附近。安全壳内置换热器入口管线一端连通安全壳外置换热水箱底部出口管线，另一端伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器入口联箱，安全壳内置换热器出口管线一端连通安全壳外置换热水箱底部入口管线，另一端伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器出口联箱，形成非能动安全壳冷却系统。本发明在安全壳内发生破口事故时可高效带走安全壳内部热量，其利用自驱动抽气结构，可在事故过程中不断抽走安全壳内置换热器附近的高浓度空气，增强安全壳内置换热器的换热能力，实现高效传热。

Description

一种自驱动抽气式非能动安全壳排热系统

技术领域

本发明涉及的是先进核动力电厂中的非能动安全系统，具体是指一种自驱动抽气式安全壳内置高效换热器。

背景技术

21世纪是人类发展的重要阶段，同时也是常规能源短缺的阶段，核能因其清洁高效的特点，自发现以来，一直备受人们的关注。随着核能技术的不断发展与成熟，核能已逐步成为新的主要能源，其能量密度大、清洁高效的特点使得应用越来越广泛。

核能在给人类带来清洁高效的能源的同时，也带来了诸多风险。随着核电技术的发展，核电站的安全问题也越来越受重视。因此，为了缓解事故发生的严重后果和有效保障核电厂的安全性，在第三代核电技术中引入了非能动安全壳冷却系统。

上述的非能动安全壳冷却系统通常由安全壳内置换热器、安全壳外置换热水箱以及连接换热水箱和换热器的管线及阀门组成。当反应堆发生事故时，安全壳内会喷放大量高温蒸汽，其会与内置换热器的换热管接触冷凝换热，从而上管段的冷却水会不断吸热从而温度升高，由于上管段和下管段的密度差使得换热器和换热水箱形成自然循环，持续地导出安全壳内热量，防止安全壳超温超压，确保安全壳的完整性。

在发生事故时，为了防止安全壳内大量热量不能及时导出的问题，因此需考虑安全壳非能动换热器的强化换热措施。在现有的专利中，公开号为CN108122622A、CN106782698A的专利提供了新型的非能动安全壳外置换热水箱结构，使得换热水箱具有长期高效的运行能力。公开号为CN202614053U、CN108206064A、CN206907494U的专利分别提供了新型的非能动换热系统结构，有利于系统的集成，节省空间。这些专利的特点都在于主要关注PCCS中除内置换热器的其他设备，通过改动提升PCCS的自然循环能力以及长期运行能力，但提升PCCS的换热能力关键在于安全壳内置换热器换热能力的提升。

在事故的发展过程中，PCCS将长期运行逐渐导出安全壳内热量，在PCCS运行期间，蒸汽会在安全壳内置换热器表面大量冷凝，同时安全壳内置换热器外表面会聚集大量不凝性气体，使得每根换热管外表面都会形成气膜抑制蒸汽冷凝传热，已公开的专利未能针对这一问题形成有效的方案。

因此，有必要发明一种自驱动抽气式安全壳内置高效换热器，以增强安全壳内置换热器的换热能力，高效的带走安全壳内部热量，确保事故条件下安全壳内部可以高效的降温降压，最终为先进核动力电厂的经济性和非能动安全性提供可行方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自驱动抽气式安全壳内置高效换热器，用以增强安全壳内置换热器换热能力、高效带走安全壳内部热量、确保事故条件下安全壳的高效降温降压，最终为提高先进核动力电厂的经济性和非能动安全性提供可行方案。

本发明的目的是这样实现的：包括安全壳、安全壳内置换热器、安全壳外置换热水箱、用于连接换热器和换热水箱的下管段和上管段，还包括低压水池、自驱动抽气结构、外置自然通风式空冷结构，低压水池为设置在安全壳内壁和外壁中下部之间的环形水池，所述自驱动抽气结构包括与换热器连接的抽气管线、通过管线联箱与抽气管线连接的螺旋换热管，螺旋换热管位于低压水池内，抽气管线上设置有单向阀和阀门，所述外置自然通风式空冷结构包括设置在低压水池内的热交换器、排气口、进气口，排气口的一端与热交换器连接、另一端穿过安全壳外壁后与大气连通，进气口的一端与热交换器连接、另一端穿过安全壳外壁后与大气相通。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.安全壳内置换热器管束优选采用直管光管或螺旋光管，换热管束分别连通换热器入口联箱和换热器出口联箱。

2.所述抽气管线有27根，均穿过安全壳内壁，且抽气管线沿着换热管束轴向分为三个高度布置，每个高度9根抽气管线，分别延伸到对应换热管处。

3.在进气口处设置有过滤器，在排气口上方设置有伞状挡板。

4.当反应堆发生大破口失水事故时，将有大量高温蒸汽喷放进入安全壳气空间，安全壳内部气空间形成2个压力峰值，一是破口喷放初期的几十秒内在安全壳内形成的幅值较高的第一个压力峰值，二是堆芯再淹没后进行长期冷却过程中所形成的第二个压力峰值；在第一个压力峰值时不开启抽气管线的阀门，等待安全壳内置换热器稳定投入工作后，开启阀门，利用安全壳主流气空间与安全壳夹层气空间的压差抽走安全壳内置换热器附近的高浓度不凝性气体膜，并且设置有单向阀，使得不凝性气体只能单向流入安全壳夹层里的低压水池，随着安全壳内置换热器的运行，安全壳主流气空间的蒸汽份额越来越高，自然通风式空冷结构长期带走低压水池的热量，保证抽气管线的长期运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明在安全壳内置换热器附近设置了自驱动抽气结构，其利用安全壳内部气空间与安全壳夹层气空间的压差，使得安全壳内置换热器运行时周围累积的高浓度不凝性气体膜可被抽气管线直接抽走，可有效减薄管束轴向方向的气膜厚度，增强蒸汽与换热管之间的接触，强化安全壳内置换热器的冷凝换热能力。

2)本发明在安全壳夹层气空间的抽气管线出口端外接了螺旋换热管浸没在低压水池里，可有效冷却主流气空间抽来的高温高压不凝性气体。

3)本发明在抽气管线设置了单向阀，其使得气体只能从安全壳内部气空间通往安全壳夹层气空间，由于抽走的大部分都是高浓度不凝性气体，从而使得安全壳内部气空间的蒸汽质量份额不断增加，有利于增强安全壳内置换热器的换热能力。

4)位于安全壳外部的自然通风式空冷结构可有效带走双层混凝土安全壳夹层区域的低压水池的热量，保持低压水池的低水温。此外，采用自然通风式空冷结构，能够在保障核电厂安全性的基础上提高核电厂的经济性。

5)本发明在反应堆发生严重事故时，可以高效的带走安全壳内热量，确保安全壳内部快速的降温降压，维持安全壳内的压力、温度在安全限值内，并且都采用了非能动安全结构，确保了安全壳结构上的完整性并为降低安全壳的建造成本提供可行方案。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提供一种自驱动抽气式安全壳内置高效换热器。主要有安全壳内置换热器1、下管段3、上管段4，抽气管线5、管线联箱6、螺旋换热管7、低压水池8、安全壳内壁11、安全壳外壁10。

本发明提供一种自驱动抽气式安全壳内置高效换热器，包括低压水池、自驱动抽气结构、外置自然通风式空冷结构以及安全壳内置换热器。低压水池布置于双层混凝土安全壳环形夹层中下部，四周采用不锈钢板围成大尺度环形水池。自驱动抽气结构布置在安全壳内置换热器附近。安全壳内置换热器管束优选采用直管光管或螺旋光管。上管段一端连通安全壳外置换热水箱底部入口，另一端伸入安全壳内部并连通换热器出口联箱；下管段一端连通安全壳外置换热水箱底部出口，另一端伸入安全壳内部并连通换热器入口联箱。

所述的安全壳内置换热器入口联箱设置为安全壳内置换热器入口，换热器出口联箱设置为安全壳内置换热器出口；安全壳内置换热器优选采用3×3直管管束，其换热管分别连通安全壳内置换热器入口联箱和安全壳内置换热器出口联箱。

所述的自驱动抽气结构一端管线穿过内层安全壳壁面11，伸入安全壳夹层上部气空间，为27根抽气管线，沿着换热管周向分为三个高度布置，每个高度9根抽气管线，分别延伸到对应换热管附近；另一端连接到位于安全壳夹层空间的低压水池的螺旋换热管。

所述的低压水池布置于双层混凝土安全壳环形夹层中下部，四周采用不锈钢板围成大尺度环形水池。

所述的外置自然通风式空冷结构包括进气口、排气口、渐缩管、过滤器、伞装挡板以及热交换器。

本发明主要应用于反应堆运行时发生的一回路或主蒸汽管道发生破裂事故。在反应堆发生事故期间，安全壳气空间12内会有大量高温高压的蒸汽喷放，安全壳内压力和温度会不断上升。在喷放初期，蒸汽产生的温度和压力上升主要由安全壳内壁面、堆坑和安全壳其他内部构件吸收；在喷放后期，安全壳内的热量主要由安全壳内置换热器1导出。

在反应堆事故期间，破口处释放的大量高温高压气体具有密度小和一定的初始动能，从而使得气体沿着安全壳内的气流向上流动。当蒸汽与安全壳内置换热器1接触时，蒸汽会大量冷凝，同时换热管外表面会聚集大量不凝性气体，从而每根换热管外表面都会形成气膜抑制蒸汽冷凝传热。为了减小气膜的抑制影响，促进蒸汽的冷凝换热，设计了一种自驱动抽气结构，该结构主要分为三部分：抽气管线、低压水池以及空冷结构。其抽气管线布置在安全壳内置换热器1附近，由于事故工况下，安全壳内部气空间12与安全壳夹层气空间9存在压差，安全壳内置换热器1附近的高浓度不凝性气体会由于压差直接挤压到抽气管线里，从而减薄了换热管附近的不凝性气体膜，使得蒸汽更好的在换热管外表面冷凝换热。通过设计的自驱动抽气结构，蒸汽在安全壳内置换热器1间高效冷凝换热，冲刷安全壳内置换热器1外壁面。当安全壳内置换热器1和上管段4被加热后，换热管内冷却水温度升高，密度下降，上管段4与下管段3之间会由于密度差形成驱动力，使得安全壳内置换热器1和安全壳外置换热水箱2之间形成自然循环，持续的带走安全壳内的热量。

所述的安全壳内置换热器1入口联箱设置为安全壳内置换热器入口，换热器出口联箱设置为安全壳内置换热器出口；安全壳内置换热器1优选采用3×3直管管束，其换热管分别连通安全壳内置换热器入口联箱和安全壳内置换热器出口联箱。

所述的自驱动抽气结构主要分为三部分：抽气管线5、低压水池8以及空冷结构；抽气管线5一端穿过内层安全壳壁面，伸入安全壳夹层上部气空间9，为27根抽气管线，沿着换热管周向分为三个高度布置，每个高度9根抽气管线，分别延伸到对应换热管附近；另一端通过管线联箱6连接到位于安全壳夹层空间的低压水池的螺旋换热管7。

所述的低压水池8布置于双层混凝土安全壳环形夹层气空间9的中下部，四周采用不锈钢板围成大尺度环形水池。

所述的外置自然通风式空冷结构包括进气口15、排气口18、渐缩管、过滤器16、伞装挡板19以及热交换器17。伞装挡板19在雨雪天气可有效保护空冷结构，过滤器16可用于防止外界生物、杂质进入空冷结构。

当反应堆发生大破口失水事故时，将有大量高温蒸汽喷放进入安全壳气空间12，导致安全壳内压力的升高。根据事故发展的进程，安全壳内部气空间将形成2个压力峰值，一是破口喷放初期的几十秒内在安全壳内形成的幅值较高的第一个压力峰值，二是堆芯再淹没后进行长期冷却过程中所形成的第二个压力峰值。

本发明在第一个压力峰值时不开启抽气管线5的阀门20，等待安全壳内置换热器1稳定投入工作后，开启阀门20，利用安全壳主流气空间12与安全壳夹层气空间9的压差抽走安全壳内置换热器1附近的高浓度不凝性气体膜，并且设置有单向阀13，使得不凝性气体只能单向流入安全壳夹层里的低压水池8，从而随着安全壳内置换热器1的运行，安全壳主流气空间12的蒸汽份额越来越高，为保证安全壳内置换热器1长期的高效运行，在低压水池8里安置了自然通风式空冷结构，长期带走低压水池8的热量，保证抽气管线的长期运行。由于安全壳内置换热器1附近的不凝性气体膜被抽走，并且主流气空间12的蒸汽份额不断增高，安全壳内置换热器1的换热效率会大大加强，可高效的带走安全壳内热量。

针对于安全壳外置换热水箱2，随着换热水箱入口管线通过上管段4带入的热量不断增多，换热水箱2水空间的水不断被加热到饱和状态，导致换热水箱2气空间的水蒸气不断增多，气空间的水蒸气通过排气口14排放到大气中。为防止雨水或外界生物不慎进入到安全壳外置换热水箱2中，将排气口14与换热水箱2壁面成一定角度倾斜向下设置。

本发明的目的在于提供一种自驱动抽气式安全壳内置高效换热器，其主要由低压水池、自驱动抽气结构、外置自然通风式空冷结构以及安全壳内置换热器组成。低压水池布置于双层混凝土安全壳环形夹层中下部，四周采用不锈钢板围成大尺度环形水池。自驱动抽气结构布置在安全壳内置换热器附近。安全壳内置换热器入口管线一端连通安全壳外置换热水箱底部出口管线，另一端伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器入口联箱，安全壳内置换热器出口管线一端连通安全壳外置换热水箱底部入口管线，另一端伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器出口联箱，形成非能动安全壳冷却系统。本发明在安全壳内发生破口事故时可高效带走安全壳内部热量，其利用自驱动抽气结构，可在事故过程中不断抽走安全壳内置换热器附近的高浓度空气，增强安全壳内置换热器的换热能力，实现高效传热，增强安全壳的安全性。

Claims (6)

1.一种自驱动抽气式非能动安全壳排热系统，包括安全壳、安全壳内置换热器、安全壳外置换热水箱、用于连接换热器和换热水箱的下管段和上管段，其特征在于：还包括低压水池、自驱动抽气结构、外置自然通风式空冷结构，低压水池为设置在安全壳内壁和外壁中下部之间的环形水池，所述自驱动抽气结构包括与换热器连接的抽气管线、通过管线联箱与抽气管线连接的螺旋换热管，螺旋换热管位于低压水池内，抽气管线上设置有单向阀和阀门，抽气管线利用安全壳主流气空间与安全壳夹层气空间的压差抽走安全壳内置换热器附近的高浓度不凝性气体膜，所述外置自然通风式空冷结构包括设置在低压水池内的热交换器、排气口、进气口，排气口的一端与热交换器连接、另一端穿过安全壳外壁后与大气连通，进气口的一端与热交换器连接、另一端穿过安全壳外壁后与大气相通。

2.根据权利要求1所述的一种自驱动抽气式非能动安全壳排热系统，其特征在于：安全壳内置换热器的换热管束采用直管光管或螺旋光管，换热管束分别连通换热器入口联箱和换热器出口联箱。

3.根据权利要求1或2所述的一种自驱动抽气式非能动安全壳排热系统，其特征在于：所述抽气管线有27根，均穿过安全壳内壁，且抽气管线沿着换热管束轴向分为三个高度布置，每个高度9根抽气管线，分别延伸到对应换热管处。

4.根据权利要求1或2所述的一种自驱动抽气式非能动安全壳排热系统，其特征在于：在进气口处设置有过滤器，在排气口上方设置有伞状挡板。

5.根据权利要求3所述的一种自驱动抽气式非能动安全壳排热系统，其特征在于：在进气口处设置有过滤器，在排气口上方设置有伞状挡板。

6.根据权利要求1或5所述的一种自驱动抽气式非能动安全壳排热系统，其特征在于：当反应堆发生大破口失水事故时，大量高温蒸汽喷放进入安全壳气空间，安全壳内部气空间形成2个压力峰值，一是破口喷放初期的几十秒内在安全壳内形成的幅值较高的第一个压力峰值，二是堆芯再淹没后进行长期冷却过程中所形成的第二个压力峰值；在第一个压力峰值时不开启抽气管线的阀门，等待安全壳内置换热器稳定投入工作后，开启阀门，利用安全壳主流气空间与安全壳夹层气空间的压差抽走安全壳内置换热器附近的高浓度不凝性气体膜，并且设置有单向阀，使得不凝性气体只能单向流入安全壳夹层里的低压水池，随着安全壳内置换热器的运行，安全壳主流气空间的蒸汽份额越来越高，外置自然通风式空冷结构长期带走低压水池的热量，保证抽气管线的长期运行。

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