CN103325427A - 一种非能动安全壳冷却系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非能动安全壳冷却系统，包括安全壳，安全壳外部设置有敞口的用于存储冷凝水的冷凝水箱，冷凝水箱底部设置有冷凝换热器；所述冷凝换热器的管侧入口高于冷凝换热器的管侧出口；管侧入口通过进口管道与所述安全壳内的大气连通；管侧出口通过出口管道与所述安全壳内的换料水池或地坑连通；冷凝换热器上方设置有过滤排放器，过滤排放器设置有进气口和出气口，过滤排放器还设置有进气管道和出气管道，进气管道一端连接进气口，另一端与所述进口管道连通；出气管道一端连接出气口，另一端连接外界大气。本发明还公开了一种用于通过该系统实施的非能动安全壳冷却方法。本发明的非能动安全壳冷却系统中冷凝换热器布置方便、换热效率高。

Description

一种非能动安全壳冷却系统及方法

技术领域

本发明涉及核电站的安全系统，更具体地说，涉及一种非能动安全壳冷却系统及方法。

背景技术

随着技术的成熟核电站的安全性的不断提高，核电站的建设逐渐的成为国家发展的重要能源保障。

目前的核电站中，核反应堆的结构是：在安全壳中形成反应堆堆腔，在堆腔中设置压力容器。压力容器连接有冷管段和热管段，蒸汽发生器连接在热管段和冷管段直接，通过冷管段注入冷却剂，对压力容器(反应堆堆芯)进行常规的冷却，然后通过热管段排出。

为了实现冷却系统的热量导出功能，传统的冷却系统主要采用以下技术手段：安全壳内设置存储有冷凝水的冷凝换热器，冷凝换热器吸收压力容器(安全壳内的大气)的热量后，蒸发成水蒸气上升至外部的冷凝水箱冷凝后回流至冷凝换热器中以上两种方法均可以实现安全壳内热量的导出，但冷凝换热器设置在安全壳中，导致安全壳内的布置困难，非常不方便；而第二种方法中将冷凝换热器置于安全壳外，但混合气体中的不可凝气体无法排出又会回到安全壳内将会降低其换热效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中冷凝换热器难以设置、换热效率低等缺陷，提供一种冷凝换热器布置方便、换热效率高的非能动安全壳冷却系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种非能动安全壳冷却系统，包括安全壳，所述安全壳外部设置有敞口的用于存储冷凝水的冷凝水箱，所述冷凝水箱底部设置有冷凝换热器；所述冷凝换热器设置有管侧入口和管侧出口，所述冷凝换热器的管侧入口高于所述冷凝换热器的管侧出口；

所述管侧入口连接有进口管道，所述管侧入口通过所述进口管道与所述安全壳内的大气连通；所述管侧出口连接有出口管道，所述管侧出口通过所述出口管道与所述安全壳内的换料水池或地坑连通；

所述冷凝换热器上方设置有过滤排放器，所述过滤排放器设置有进气口和出气口，所述过滤排放器还设置有进气管道和出气管道，所述进气管道一端连接所述进气口，另一端与所述进口管道连通；所述出气管道一端连接所述出气口，另一端连接外界大气。

在本发明所述的非能动安全壳冷却系统中，所述冷凝水箱中竖直设置有空气导流板，所述空气导流板将所述冷凝水箱分隔成底部连通的第一箱体和第二箱体，所述冷凝换热器设置在所述第一箱体内。

在本发明所述的非能动安全壳冷却系统中，所述空气导流板上端高出所述冷凝水箱初始状态时的水面。

在本发明所述的非能动安全壳冷却系统中，所述出气管道上设置有排气控制阀。

在本发明所述的非能动安全壳冷却系统中，所述冷凝换热器上设置有三通阀，所述三通阀的三个口分别连接所述进口管道、所述进气管道和所述管侧入口。

在本发明所述的非能动安全壳冷却系统中，所述进气口的位置低于所述出气口的位置。

在本发明所述的非能动安全壳冷却系统中，所述冷凝换热器位于上端低于所述冷凝水箱初始状态时的水面。

在本发明所述的非能动安全壳冷却系统中，所述进口管道上设置有进口控制阀，所述出口管道上设置有出口控制阀。

在本发明所述的非能动安全壳冷却系统中，所述安全壳设置在安全厂房内，所述冷凝水箱设置在所述安全厂房顶部。

本发明还提供一种非能动安全壳冷却方法，包括以下步骤：将进口控制阀、出口控制阀和排气控制阀同时全部打开，安全壳内带有大量水蒸汽的混合气体经由进口控制阀从管侧入口进入冷凝换热器中，冷凝换热器设置在存储有冷凝水的冷凝水箱内，混合气体中水蒸气经由冷凝水冷凝，所述水蒸气冷凝后在重力作用下从管侧出口经由所述出口控制阀流回到安全壳内的换料水池或者地坑中，混合气体中剩余的不可凝气体在所述冷凝换热器入口处聚集后，向上流经过滤排放器进行过滤处理后，经由排气控制阀排向外界大气；

随着所述冷凝水箱中的冷凝水的温度不断上升并不断蒸发，所述冷凝换热器露出水面，外界冷空气进入第一箱体中，对所述冷凝换热器进行风冷；所述冷凝水箱中的冷凝水被蒸干后，所述第一箱体内的空气被冷凝换热器加热后变为热空气，第二箱体内的冷空气从空气导流板下端进入所述第一箱体，所述第一箱体内的热空气进入外界大气中，外界大气中的冷空气又向所述第二箱体内持续补充，形成循环。

本发明的非能动安全壳冷却系统及方法具有以下有益效果：冷凝水箱设置在安全壳以外，解决了传统的安全壳内由于换热温差小而导致所需的换热面积大的问题，进而避免了冷凝换热器布置困难的问题；同时，换出的热量直接随水蒸气或热空气排入外界大气中，增强了换热效率；而且，本发明设置过滤排放器将混合气体中的不可凝气体净化后排向外界大气，在导出余热的同时解决了安全壳内大量不可凝气体对整个冷却系统换热相率的影响。

另外，在空气冷却阶段，冷凝水箱中的空气导流板将其分隔成下端连通的第一箱体和第二箱体，第二箱体内的冷空气从空气导流板下端进入第一箱体，第一箱体内的热空气进入外界大气中，外界大气中的冷空气又向第二箱体内持续补充，从而增强了空气的流动，有利于热量传出。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一个实施例的非能动安全壳冷却系统的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的非能动安全壳冷却方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的是本发明一个实施例的非能动安全壳冷却系统的结构示意图，本实施例的非能动安全壳冷却系统包括安全壳1，为了方便冷凝换热器3的布置，在安全壳1的外部设置用于存储冷凝水的冷凝水箱2，并在冷凝水箱2的底部设置冷凝换热器3，本实施例中的冷凝水箱2为敞开的冷凝水箱2。冷凝换热器3设置有管侧入口和管侧出口，一般而言，冷凝换热器3的管侧入口高于所述冷凝换热器3的管侧出口。管侧入口连接有进口管道31，管侧入口通过进口管道31与安全壳1内的大气连通；管侧出口连接有出口管道32，管侧出口通过出口管道32与安全壳1内的换料水池或地坑连通。带有水蒸气的混合气体经管侧入口进入冷凝换热管后导出热量，水蒸气冷凝从管侧出口回流进入安全壳1内的换料水池或者地坑中。

由于除了水蒸气之外，冷凝换热器3中还剩余大量的不可凝气体，为了排出这些不可凝气体以避免对整个系统的换热效率的影响，在冷凝换热器3上方设置过滤排放器4，过滤排放器4设置有进气口和出气口，一般来说，进气口的位置低于出气口的位置。过滤排放器4还设置有进气管道41和出气管道42，进气管道41一端连接进气口，另一端与进口管道31连通；所述出气管道42一端连接出气口，另一端连接外界大气。本实施例中，进口管道31、进气管道41和管侧入口通过三通阀连接，此外并不排除本实施例中未提及的实施方式，如将进口管道31和进气管道41一体化设置。

本实施例中的冷凝水箱2最初时盛放有冷凝水，但随着热量的导出，冷凝水的温度不断升高甚至沸腾，冷凝水蒸发为水蒸气进入外界大气中，冷凝换热器3逐渐露出水面，此时利用空气对冷凝换热器3进行冷却。进一步的，为了增加空气的对流能力，冷凝水箱2中竖直设置有空气导流板5，空气导流板5将冷凝水箱2分隔成底部连通的第一箱体21和第二箱体22，冷凝换热器3设置在第一箱体21内；从而当水面低于空气导流板5底部的开口，特别是冷凝水蒸干后，第一箱体21与第二箱体22内部气体的温差变大，空气导流板5对空气起到导流作用，增强空气对流能力，提高换热效率。当然，空气导流板5的高度、两端的位置(及从相应的第一箱体21与第二箱体22的大小)可以根据实际要求进行设计修改。可以理解的是，空气导流板5上端高于水面的高度，而开始时冷凝换热器3没于水面以下。进一步地，为了增加风冷的有效冷却面积，可以将冷凝换热器2倾斜设置，以达到更好的冷却效果。

安全壳1一般设置在安全厂房内，进一步的，为了增加空气的流动，本实施例中将冷凝水箱2设置在安全厂房顶部，使其直接与外界大气相连。

此外，进口管道31上设置有进口控制阀33，出口管道32上设置有出口控制阀34。出气管道42上设置有排气控制阀43。反应堆在正常工况下运行时，冷却系统是不启动的，进口控制阀33、出口控制阀34和排气控制阀43都处于关闭状态，整个冷却系统不影响核电站原有的系统功能。

如图2所示的是本发明的一个实施例的非能动安全壳冷却方法的流程图，当需要该冷却系统启动时，操作员手动启动或者发出其他信号触发该冷却系统启动。将进口控制阀33、出口控制阀34和排气控制阀43同时全部打开，建立自然循环回路。安全壳1内发生强烈的质能释放，导致安全壳1内压升高，带有大量水蒸汽的混合气体经由进口控制阀33从管侧入口进入冷凝换热器3中，混合气体中水蒸气在冷凝换热器3中冷凝，冷凝后的水在重力作用下从管侧出口经由出口控制阀34流回到安全壳1内的换料水池或者地坑中，混合气体中剩余的不可凝气体在冷凝换热器3入口处聚集后，向上流经过滤排放器4进行过滤处理后，经由排气控制阀43排向外界大气。这些不可凝气体在过滤排放器4中经过净化，避免了对外界大气的污染。

由于冷凝换热器3的加热作用，冷凝水箱2中的冷凝水的温度不断上升，直到沸腾。水沸腾后变成水蒸气将热量传给外界大气，冷凝水箱2中的冷凝水会逐渐减少。在冷凝水从初始温度被加热到沸腾，再慢慢被蒸干这个初期水冷的过程中，冷却系统对安全壳1的冷却和降压功能是很强的，也正好跟堆芯产生余热较多的初始阶段相匹配，这是冷凝换热器3的第一种工作状态。

随着冷凝水箱2内的冷凝水逐渐变少，冷凝换热器3的换热效率逐渐降低。当水面下降，冷凝换热器3露出水面，外界冷空气进入第一箱体21中，对冷凝换热器3进行风冷，而蒸发的水蒸气和第一箱体21中的热空气向外流动排出至外界大气中，此时水冷和空气冷却同时进行，空气冷却的形成增加了冷凝换热器3的冷却能力，同时也充分利用了设备的冷却能力。这是冷凝换热器3的第二种工作状态。另外，在第二种工作状态下，当冷凝水箱2里的水面低于空气导流板5下端后，第二箱体22内的冷空气可以从空气导流板5下端进入第一箱体21，增强了冷热空气的对流。

冷凝水箱2中的水被蒸干后，系统进入空气冷却阶段。第一箱体21内的空气被冷凝换热器3加热后变为热空气，第二箱体22内的空气为与外界大气的空气温度相同的冷空气，第二箱体22内的冷空气从空气导流板5下端进入第一箱体21，第一箱体21内的热空气进入外界大气中，外界大气中的冷空气又向第二箱体22内持续补充。此时的冷却能力较之前小，但正好与堆芯排出的余热变小相匹配，这是冷凝换热器3的第三种工作状态。

本系统及方法与现有的冷却系统及方法相比至少具有以下的优点：

1、非能动的冷却系统，提高了系统的可靠性和安全性。该系统不用动力驱动，依靠自然循环，将热量传递到外界大气中。固有安全性保证不存在因为驱动机构的失效而影响系统功能的问题，减少了系统失效的概率，提高了核电站的安全性。

2、冷凝水箱2设置在安全壳1以外，特别是安放在安全厂房顶部，解决了传统的安全壳1内由于换热温差小而导致所需的换热面积大的问题，进而避免了冷凝换热器3布置困难的问题；同时，换出的热量直接随水蒸气或热空气排入外界大气中，增强了换热效率。

3、本发明设置过滤排放器4将混合气体中的不可凝气体净化后排向外界大气，在导出余热的同时解决了安全壳1内大量不可凝气体对整个冷却系统换热相率的影响。

4、本发明的冷却系统适用于目前广大在役或在建的混凝土式安全壳1，无需对安全壳1做任何改动即可实现应用。

5、空气冷却阶段，冷凝水箱2中的空气导流板5将其分隔成下端连通的第一箱体21和第二箱体22，第二箱体22内的冷空气从空气导流板5下端进入第一箱体21，第一箱体21内的热空气进入外界大气中，外界大气中的冷空气又向第二箱体22内持续补充，从而增强了空气的流动，有利于热量传出。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种非能动安全壳冷却系统，包括安全壳（1），其特征在于，在所述安全壳（1）外部设置存储有冷凝水的冷凝水箱（2），所述冷凝水箱（2）内设置有冷凝换热器（3）；所述冷凝换热器（3）设置有管侧入口和管侧出口，所述冷凝换热器（3）的管侧入口高于所述冷凝换热器（3）的管侧出口；

所述管侧入口连接有进口管道（31），所述管侧入口通过所述进口管道（31）与所述安全壳（1）内大气连通；所述管侧出口连接有出口管道（32），所述管侧出口通过所述出口管道（32）与所述安全壳（1）内的换料水池或地坑连通；

所述冷凝换热器（3）上方设置有过滤排放器（4），所述过滤排放器（4）设置有进气口和出气口，所述过滤排放器（4）还设置有进气管道（41）和出气管道（42），所述进气管道（41）一端连接所述进气口，另一端与所述进口管道（31）连通；所述出气管道（42）一端连接所述出气口，另一端连通外界大气。

2.根据权利要求1所述的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述冷凝水箱（2）中竖直设置有空气导流板（5），所述空气导流板（5）将所述冷凝水箱（2）分隔成底部连通的第一箱体（21）和第二箱体（22），所述冷凝换热器（3）设置在所述第一箱体（21）内。 

3.根据权利要求2所述的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述空气导流板（5）上端高出所述冷凝水箱（2）存储的冷凝水水面。

4.根据权利要求2所述的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述岭南水箱（2）敞开。 

5.根据权利要求1所述的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述冷凝换热器（3）上设置有三通阀，所述三通阀的三个接口分别连接所述进口管道（31）、所述进气管道（41）和所述管侧入口。

6.根据权利要求1所述的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述进气口的位置低于所述出气口的位置。

7.根据权利要求1所述的非能动安全壳冷却系统，其特征在于， 所述冷凝换热器（3）倾斜设置在所述冷凝水箱（2）内，并由所述冷凝水箱（2）内的冷凝水浸没。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述进口管道（31）上设置有进口控制阀（33），所述出口管道（32）上设置有出口控制阀（34），所述出气管道（42）上设置有排气控制阀（43）。

9.根据权利要求8所述的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述安全壳（1）设置在安全厂房内，所述冷凝水箱（2）设置在所述安全厂房顶部。

10.一种非能动安全壳冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：

将进口控制阀（33）、出口控制阀（34）和排气控制阀（43）同时全部打开，安全壳内带有大量水蒸汽的混合气体经由进口控制阀（33）从管侧入口进入冷凝换热器（3）中，冷凝换热器（3）设置在存储有冷凝水的冷凝水箱（2）内，混合气体中水蒸气经由冷凝水冷凝，所述水蒸气冷凝后在重力作用下从管侧出口经由所述出口控制阀（34）流回到安全壳（1）内的换料水池或者地坑中，混合气体中剩余的不可凝气体在所述冷凝换热器（3）入口处聚集后，向上流经过滤排放器（4）进行过滤处理后，经由排气控制阀（43）排向外界大气；

随着所述冷凝水箱（2）中的冷凝水的温度不断上升并不断蒸发，所述冷凝换热器（3）露出水面，外界冷空气进入第一箱体（21）中，在冷凝水冷凝的同时对所述冷凝换热器（3）中的水蒸气进行风冷；所述冷凝水箱（2）中的冷凝水被蒸干后，所述第一箱体（21）内的空气被冷凝换热器（3）加热后变为热空气，第二箱体（22）内的冷空气从空气导流板（5）下端进入所述第一箱体（21），所述第一箱体（21）内的热空气进入外界大气中，外界大气中的冷空气又向所述第二箱体（22）内持续补充，形成循环。

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