CN103106934A - 一种非能动安全壳外部冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种非能动安全壳外部冷却系统,包括:水箱;出水管,出水管的两端分别与水箱和水量控制分配装置相连接;以及,水量控制分配装置,水量控制分配装置设于安全壳的上方,冷却水经过水量控制分配装置喷洒到安全壳表面上,其中水量控制分配装置进一步包括:热工参数传感器,热工参数传感器用于实时探测安全壳内的压力以及安全壳表面的温度分布;智能处理单元,智能处理单元与热工参数传感器相连,其中内置可编程控制器,用于根据输入的热工参数,计算输出对应的流量控制指令给流量分配器;以及流量分配器用于实现对冷却剂的流量调控。本发明能够提高水膜的携热率,减小水箱体积,增加系统的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及压水堆核电站技术领域,具体涉及一种非能动安全壳外部冷却系统。
背景技术
大型先进压水堆是我国反应堆技术发展的重要堆型,采用和AP1000技术中类似的“非能动”安全壳外部冷却技术,即以钢安全壳作为传热界面,将空气从外层屏蔽壳入口引入,在折流板作用下空气转向180度,如图1所示沿安全壳内壁向上流动。如果仅凭空气对流换热,则事故工况(例如LOCA,Loss of Coolant Accident,反应堆失水事故)发生后,如图2所示安全壳内部压力会随时间发生变化,温度也会有类似的变化趋势。温度和压力先后出现两个峰值。为了保证安全壳的可靠性,降低峰值的大小,可以向安全壳表面喷淋水膜进行冷却。此时,安全壳顶部的冷却水贮存箱喷淋系统自动打开,水依靠重力向下流动,在钢安全壳弧顶和壳壁外侧形成一层水膜,水膜不断受热蒸发。水膜的蒸发和湿空气的自然循环将安全壳内的热量带出安全壳系统。水膜完全蒸发后将由空气通过自然循环的方式,单独对安全壳进行冷却。依靠非能动安全壳冷却技术,可以维持AP1000安全壳在72小时内保持完整,有效防止反射物质泄漏。
AP1000反应堆安全壳外部冷却技术中,流量是通过放置在水箱中的进水管进行调节的:四个不同高度的进水管放置在水箱底部。随着水箱液面高度的变化对流量进行调节,在安全壳表面,将水尽可能均匀地分配到每个分水堰中。这种水膜分配方式显然没有将水膜充分利用起来。和AP1000堆型相比,大型先进压水堆功率大大提升(为1400或者1700MW),安全壳的高度也会相应增加。为了提高安全壳的可靠性,需要尽可能减小水箱体积。如果像AP1000那样对水膜进行分配,则大型先进压水堆需要大大增加水箱的体积,这将降低安全壳本身的稳定性。大型先进压水堆中,必须尽可能减小水箱体积,对水的流量和水膜分布进行优化控制,以提高单位水量的携热率,增加系统的安全性。
现有技术中,郑明光、韩旭的专利“大容量完全非能动安全壳冷却系统”中使用了多种低沸点冷却剂,不仅使系统变得复杂,同时加增加了建造和维护成本。其中虽然涉及到了根据实际工况调节冷却剂流量,但冷却剂经过分流堰后,完全均匀覆盖整个安全壳,由于实际情况中,核岛破口泄露的工质对于安全壳的加热不是均匀对称的,所以该设计会造成对于冷却剂不必要的浪费,冷却效率不高,对于大功率先进压水堆,要达到好冷却效果,就需要有巨大的储水容量,但这将严重影响安全壳的可靠性。对于张延祥,唐宇的“非能动安全壳冷却系统水分配装置设计”中的设计,同样是为了追求水膜在钢安全壳上的均匀覆盖,而且不能够实时监控和调节冷却剂流量,不适合于大功率先进压水堆。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此,本发明的目的在于提出一种能提高水膜的携热率,减小水箱体积,增加系统的安全性的非能动安全壳外部冷却系统。
根据本发明实施例的非能动安全壳外部冷却系统,包括:水箱;出水管,所述出水管的两端分别与所述水箱和所述水量控制分配装置相连接;以及,所述水量控制分配装置,所述水量控制分配装置设于安全壳的上方,冷却水经过水量控制分配装置喷洒到安全壳表面上,其中所述水量控制分配装置进一步包括:热工参数传感器,所述热工参数传感器用于实时探测安全壳内的压力以及安全壳表面的温度分布;智能处理单元,所述智能处理单元与所述热工参数传感器相连,其中内置可编程控制器,用于根据输入的热工参数,计算输出对应的流量控制指令给流量分配器;以及所述流量分配器用于实现对冷却剂的流量调控。
可选地,所述流量分配器包括可变截面的差压式流量计和分配流量喷头,其中,所述差压式流量计的节流件为多孔板。
可选地,所述差压式流量计的流量为:其中:qv为流体的体积流量/m3·h-1,C为工作状态下的实际流出系数,ε为流体膨胀系数,A0为多孔板小孔流通面积总和/㎡,ρ为多孔板上游侧状态下的流体密度/kg·m-3,Δp为多孔板上、下游侧压力差(Δp=p1-p2)/Pa,β为多孔板的孔径比,其中,对于多孔板孔径比A1为管道截面积,A0为小孔流通面积的总和。
可选地,利用蓄电池供能,事故工况下不需要外部供能。
本发明的优点至少体现在以下几个方面:
1)水箱出水流量能够根据安全壳内部压力进行在线监控,安全壳表面水膜流量的分布可以根据安全壳局部温度进行调节;2)总体水的流量和局部的流量可以根据多孔板两侧的压降及时求出,能够实现在线测量水膜流量;3)多孔板比标准孔板具有很稳定的流出系数,在适当的孔径比下具有更好的抗旋流特性,使得流量的测量更加准确;4)水的使用率得到加强,提升了单位质量水的携热率,有助于减小水箱尺寸,提高系统的可靠性和安全性;5)系统不依赖外部电力供应,能够在较长的时间里正常运作,提高系统的可靠性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是本发明实施例的非能动安全壳外部冷却系统的结构示意图。
图2是空气自然对流作用下安全壳内部压力变化曲线图。
图3是差压式变截面流量计原理图及节流件多孔板示意图。
图4是安全壳表面温度分配图及流量分配器。
图5是多孔板与标准孔板流出系数对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
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装置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。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
根据本发明实施例的非能动安全壳外部冷却系统,包括:水箱;出水管,出水管的两端分别与水箱和水量控制分配装置相连接;以及,水量控制分配装置,水量控制分配装置设于安全壳的上方,冷却水经过水量控制分配装置喷洒到安全壳表面上,其中水量控制分配装置进一步包括:热工参数传感器,热工参数传感器用于实时探测安全壳内的压力以及安全壳表面的温度分布;智能处理单元,智能处理单元与热工参数传感器相连,其中内置可编程控制器,用于根据输入的热工参数,计算输出对应的流量控制指令给流量分配器;以及流量分配器用于实现对冷却剂的流量调控。
可选地,流量分配器包括可变截面的差压式流量计和分配流量喷头,其中,差压式流量计的节流件为多孔板。
可选地,差压式流量计的流量为:其中:qv为流体的体积流量/m3·h-1,C为工作状态下的实际流出系数,ε为流体膨胀系数,A0为多孔板小孔流通面积总和/㎡,ρ为多孔板上游侧状态下的流体密度/kg·m-3,Δp为多孔板上、下游侧压力差(Δp=p1-p2)/Pa,β为多孔板的孔径比,其中,对于多孔板孔径比A1为管道截面积,A0为小孔流通面积的总和。
可选地,利用蓄电池供能,事故工况下不需要外部供能。
本发明的优点至少体现在以下几个方面:
1)水箱出水流量能够根据安全壳内部压力进行在线监控,安全壳表面水膜流量的分布可以根据安全壳局部温度进行调节;2)总体水的流量和局部的流量可以根据多孔板两侧的压降及时求出,能够实现在线测量水膜流量;3)多孔板比标准孔板具有很稳定的流出系数,在适当的孔径比下具有更好的抗旋流特性,使得流量的测量更加准确;4)水的使用率得到加强,提升了单位质量水的携热率,有助于减小水箱尺寸,提高系统的可靠性和安全性;5)系统不依赖外部电力供应,能够在较长的时间里正常运作,提高系统的可靠性。
为使本领域技术人员更好地理解本发明,结合图1-图5进一步阐述如下。
如图1所示,11为管道破口,高温高压蒸汽从该管道破口泄露,图中用黑色部分表示。混凝土外墙5顶部置有水箱1,出水管9的两端分别与流量控制器2和水箱1相连接,流量控制器2通过喷淋管线与位于钢安全壳上方的流量分配器7连接。安全壳内部及表面设有热工参数传感器3,将监测的到的热工参数发送给流量控制器2的智能处理单元,经可编程控制器处理后给出流量控制指令,由变截面差压式流量控制流量值,如图3所示,再由分流量喷头对安全壳需要冷却部分进行喷淋,如图4所示。在刚安全壳外侧有混凝土外墙5,混凝土外墙5与钢安全壳10之间有折流板6,混凝土外墙上方有空气进口4,混凝土安全上顶部有空气出口8。空气进口4、混凝土外墙5、折流板6、钢安全壳10和空气出口8共同构成了空气循环通道。
如图2所示,为空气自然对流作用下安全壳内部压力变化。当安全壳中某根管道发生破口时,高温高压蒸汽会发生泄漏,按照图1所示的方式上升到安全壳的顶部。整个曲线有两个峰值:第一个峰值为泄漏工质对安全壳内部设备直接加热导致的压力上升,由于该过程非常短,人们无法进行控制。好在这个压力升高幅度较小;第二个峰值是由于衰变热的缘故导致整个安全区内部压力上升,衰变余热需要不断通过安全壳外部冷却装置将热量导出来,提高整个系统的可靠性和安全性。
如图3所示,为变截面差压式流量计控制原理图及多孔板示意图。根据智能控制单元输出的流量控制指令,通过改变闸门高度,改变流通截面,控制流出流量,并通过多孔板差压式流量计可以实时监控流量大小,其中流量计节流件为多孔板,多孔板相比于常用标准孔板具有流出系数更加稳定的特点,如图5所示,在平稳区其流出系数相当稳定,可以很好地提高流量计的测量精度,同时,多孔板在适当的孔径比下也具有很好地抗旋流特性。
如图4所示,为安全壳表面温度分配图。由于不同情况下,安全壳内部破口位置可能发生变化,泄漏的工质对安全壳的加热肯定不是均匀对称的。假设安全壳顶部A区被加热,其余区域温度没有明显变化。此时,只有A区安全壳顶部需要冷却,如果在整个安全壳顶部全部喷淋均匀的水膜,对于其他区域来说是一种水资源浪费行为。为了延长水膜的使用时间,需要根据安全壳表面温度进行调节所在区域的水膜流量大小。
本发明工作原理:当安全壳内部某一根管道发生破口11,大量的水蒸汽将会泄漏出来,受到浮升力作用,水蒸汽将会聚集到安全壳顶部对钢制安全壳内部进行加热。以钢安全壳10作为传热界面,将热量传向外部。当安全壳内压力达到一定阈值,安全壳内传感器将高压信号传给智能控制单元,启动安全壳自动喷淋系统。安全壳顶部的冷却水箱阀门自动打开,水依靠重力向下流动,经流量控制器和流量分配器后,在钢安全壳弧顶和壳壁外侧形成一层水膜,水膜不断受热蒸发。由于水蒸汽的密度小于空气,所以湿蒸汽能够自动上升,构成非能动的运动系统。空气自动从外层屏蔽壳,即空气入口4引入,在折流板6作用下空气转向180度,沿安全壳内壁向上流动。水膜的蒸发和湿空气的自然循环将安全壳内的热量带出安全壳系统。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种非能动安全壳外部冷却系统,其特征在于,包括:
水箱;
出水管,所述出水管的两端分别与所述水箱和所述水量控制分配装置相连接;以及,
所述水量控制分配装置,所述水量控制分配装置设于安全壳的上方,冷却水经过水量控制分配装置喷洒到安全壳表面上,
其中,所述水量控制分配装置进一步包括:
热工参数传感器,所述热工参数传感器用于实时探测安全壳内的压力以及安全壳表面的温度分布;
智能处理单元,所述智能处理单元与所述热工参数传感器相连,其中内置可编程控制器,用于根据输入的热工参数,计算输出对应的流量控制指令给流量分配器;以及
所述流量分配器用于实现对冷却剂的流量调控。
2.如权利要求1所述的非能动安全壳外部冷却系统,其特征在于:所述流量分配器包括可变截面的差压式流量计和分配流量喷头,其中,所述差压式流量计的节流件为多孔板。
4.如权利要求1-3任一项所述的非能动安全壳外部冷却系统,其特征在于:利用蓄电池供能,事故工况下不需要外部供能。
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