CN103956194A - 一种非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及反应堆安全系统设计技术，具体涉及一种非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置。其结构包括风力强化装置、液态水收集和蒸发过滤装置以及风道，所述的风力强化装置设置在风道的顶端，液态水收集和蒸发过滤装置设置在风道内部，在风道的底部设置引风口，所述的液态水收集和蒸发过滤装置位于安全壳热量导出系统的热水排出口和水箱注水口之间。本发明采用非能动的方案强化了高温水回收过程中的蒸发冷却效果，提高了非能动安全壳热量导出系统的排热能力；能够最大限度的回收液态水，确保冷却水源的长期维持和充分利用，从而保证了在设计基准和超设计基准事故情况下安全壳的长期排热，保证了核电厂的安全性。

Description

一种非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置

技术领域

本发明涉及反应堆安全系统设计技术，具体涉及一种非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置。

背景技术

从上世纪八十年代开始，美国、日本、法国、德国、俄罗斯等国家开展了非能动技术的研究，非能动安全壳热量导出系统的研发成为重要的研究热点领域。

一种非能动安全壳热量导出系统可以采用非能动方式把安全壳内的热量散发到最终热阱——大气，申请人同期递交了一份名称为“一种非能动安全壳热量导出系统”的专利申请，该安全壳热量导出系统的结构如图1所示，包括设置在安全壳8内部的换热器9和设置在安全壳8外部的水箱5，所述水箱5的布置位置高于所述换热器9，换热器9设有上升管段7和下降管段17，所述水箱5底部通过所述下降管段17与换热器9入口相连接，所述上升管段7向上穿过所述水箱5，上升管段的最上端出口3与水箱5上方的液态水回收和冷却装置10相连接，在所述上升管段7位于水箱5内的管体上不同液面高度处设有若干个上升段出口13、14、15和阀门装置。在运行工况下，非能动安全壳热量导出系统设置在安全壳内部的换热器9，可以通过壁面冷凝和对流传热，将安全壳内高温湿空气的热量带出，借助自然循环驱动力（下降管段17与上升管段7之间的密度差），将被加热的管内冷却水排向安全壳外。产生的高温冷却水，一部分以蒸汽形式排往大气，另一部分以液态水的形式被重新收集，汇入水箱。

为确保非能动安全壳热量导出系统可维持较长时间的安全功能，需要确保冷却水的充分利用和回收，为了最大程度的提高非能动安全壳热量导出系统的排热能力，显著降低安全壳失效的安全风险，需要尽量强化冷却水在收集过程中的冷却效果。

发明内容

本发明的目的在于针对核电站安全设计的需要，提供一种非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，在核电站发生存在安全壳内升温升压现象的事故工况（包括设计基准事故和严重事故）时，为非能动安全壳热量导出系统提供尽量多且温度低的回水，确保其安全功能的长期维持和高效表现，进而将安全壳压力和温度降低至可接受的水平，以保持安全壳的完整性。

本发明的技术方案如下：一种非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，设置在安全壳外冷却水箱的上方，包括风力强化装置、液态水收集和蒸发过滤装置以及风道，所述的风力强化装置设置在风道的顶端，液态水收集和蒸发过滤装置设置在风道内部，在风道的底部设置引风口，所述的液态水收集和蒸发过滤装置位于安全壳热量导出系统的热水排出口和水箱注水口之间。

进一步，如上所述的非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，其中，所述的风力强化装置包括安装于风道外壁面的太阳能电池板以及安装在风道内的风机。

进一步，如上所述的非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，其中，所述的风道为呈圆锥形的引流罩，引流罩内壁面上设有若干个用以引发风道内横向流动的二次流搅混翼。

更进一步，如上所述的非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，其中，所述引流罩与其内部的液态水收集和蒸发过滤装置之间形成环形空间，环形空间的厚度为10-50cm；所述的若干个二次流搅混翼与引流罩的轴截面成一定角度向顺时针方向偏离，偏角的值为30-60度。

进一步，如上所述的非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，其中，所述的液态水收集和蒸发过滤装置包括液态水收集板和螺旋式液膜蒸发冷凝板，所述螺旋式液膜蒸发冷凝板呈螺旋式下降结构，螺旋式液膜蒸发冷凝板的底端与多孔过滤集水板连接，所述多孔过滤集水板连接水箱注水口。

更进一步，如上所述的非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，其中，所述的液态水收集和蒸发过滤装置的整体高度在0.2-0.8m之间，所述的螺旋式液膜蒸发冷凝板的下降倾角在2-10度之间。

本发明的有益效果如下：（1）本发明采用非能动的方案强化了高温水回收过程中的蒸发冷却效果，明显降低了回水温度，提高了非能动安全壳热量导出系统的排热能力；（2）能够最大限度的回收液态水，使之回流至非能动安全壳热量导出系统的水箱，确保冷却水源的长期维持，从而保证了在设计基准和超设计基准事故情况下安全壳的长期排热，保证了核电厂的安全性；（3）可以实现水箱内冷却剂的充分利用，为赢得更长的事故后不干预时间提供了装备基础。

附图说明

图1为非能动安全壳热量导出系统结构示意图；

图2为本发明液态水回收和冷却装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，安全壳热量导出系统（PCS）设计采用非能动设计理念，包括设置在安全壳8内部的换热器9和设置在安全壳8外部的水箱5，换热器9和水箱5通过上升管段7和下降管段17连接，上升管段7和下降管段17上分别设置了常开的安全壳隔离阀16、18。利用布置于安全壳8内的换热器9，通过换热器9的换热管外壁面的冷凝和对流传热，将安全壳8内高温湿空气的热量带出，借助自然循环驱动力（下降管段17与上升管段7间的密度差），将被加热的管内冷却水排向安全壳8外，产生的高温冷却水，一部分以蒸汽形式散往大气，另一部分以液态水的形式被重新收集。

所述上升管段7向上穿过所述水箱5，在所述的上升管段7上设置了多个出口，其中，上升管段7的最上端热水排出口--上升段出口A3高于水箱5，其位置布置于本发明的液态水回收和冷却装置10内。在上升管段7位于水箱5内的管体上不同液面高度处分别设有若干个上升段出口，如图1中的上升段出口B13，上升段出口C14和上升段出口D15，且高度方向上顺次排列，每个出口处对应设置阀门装置。所述的阀门装置为常闭阀门装置，常闭阀门装置与液位传感器相连接，且以低水位信号触发打开。随着水的蒸发，水箱5内的水位12逐渐下降，于是逐级触发上升段出口B13，上升段出口C14和上升段出口D15的阀门打开。一方面，逐级打开的阀门保证了系统循环能力的维持（自然循环系统的出入口高度差过大可能导致循环无法建立），另一方面，逐级开启较低位置的上升段出口阀门后，蒸汽仍由上升段出口A3排出，液态水则由较低位置的上升段出口直接汇入水箱5。

在所述的水箱5内部，分别在上升段出口B13，上升段出口C14和上升段出口D15的两两之间，安装了用于削弱水箱内部水流搅混，但不妨碍不同高度的水层之间连通的多孔织物6。

在液态水回收和冷却装置的收集过程中，高温冷却水会得到明显的冷却（降温20-40度），从而以较低温度的汇入水箱5。水箱5的布置位置高于换热器9，水箱5底部通过下降管段17与换热器9入口相连，可在重力作用下将冷却剂源源不断的注入换热器，以完成持续的系统带热循环。由于系统是由自然循环驱动的，安全壳8内温度越高，换热器9表面的换热强度越大，传热管内的水将得到更高的温度，也即意味着上升管段7具有更小的密度，从而引起上升管段7与下降管段17之间更大的密度差，于是系统获得更大的驱动压头，带来更强烈的循环流速。反之亦然。即系统的排热能力可以实现与排热需求的自动匹配和平衡。

本发明在水箱上方设计了液态水回收和冷却装置，其结构如图2所示。液态水回收和冷却装置包括风力强化装置1、液态水收集和蒸发过滤装置以及风道。风道为呈圆锥形的引流罩2，所述的风力强化装置1设置在引流罩2的顶端，液态水收集和蒸发过滤装置设置在引流罩2内部，在引流罩2的底部设置引风口4、11。

风力强化装置1可采用太阳能风力强化装置，包括安装于引流罩2外壁面的太阳能电池板和风道内的风机。通过太阳能风力强化装置1、引流罩2和经由特殊设计的引风口4以及液态水收集和蒸发过滤装置的设计，增大了水面风力并扩展了水面蒸发面积，强化了高温冷却剂的蒸发强度，从而使得水箱5可以最终收集到更低温度的冷却剂，于是间接的促进系统的排热能力，并最终实现安全壳8内更大程度的降温降压。

所述的液态水收集和蒸发过滤装置布置于热水排出口与水箱注水口之间，包括液态水收集板19和螺旋式液膜蒸发冷凝板20，液态水收集板19的位置与热水排出口（上升段出口A3）的位置对应，所述螺旋式液膜蒸发冷凝板20呈螺旋式下降结构，螺旋式液膜蒸发冷凝板20的底端与多孔过滤集水板22连接，所述多孔过滤集水板22连接水箱注水口23。被加热的高温冷却水喷向液态水收集板19，液态水收集板19被设计成圆弧形，使得在实现有效的汽水分离功能的同时，液态水流向螺旋式液膜蒸发冷凝板20的顶部，随着冷凝板的斜面，水流螺旋下降，并展开成为液膜，在逆向流动且扰动强烈的风场中，蒸发作用明显，并同时得到明显的降温，低温的水流在螺旋式液膜蒸发冷凝板20的底部聚集，通过多孔过滤集水板22，最终进入水箱注水口23。液态水收集和蒸发过滤装置整体高度的典型值在0.2-0.8m之间，具体尺寸根据设计的需要确定，所述的螺旋式液膜蒸发冷却板呈螺旋式下降，形成类似螺旋桨的结构，其下降倾角的典型值在2-10度之间。

所述的引流罩2呈圆锥形，引流罩2与所述的液态水收集和蒸发过滤装置的外轮廓线之间形成的流道为宽度均匀圆滑的有锥度的圆环形流道，流道环形空间的典型厚度为10-50cm，具体尺寸根据设计的需要确定。引流罩2内侧沿圆周方向还可以布置若干个二次流搅混翼21，用以引发气流在引流罩风道内的横向流动。所述的二次流搅混翼21与引流罩轴截面成一定角度向顺时针方向偏离，用以引发风道内的横向流动，偏角的典型值为30-60度。借助圆锥形的引流罩设计，风道内沿圆周方向并列布置的若干二次流搅混翼，以及风道底部环形的引风口，形成了狭窄的环形通道，且使得内部风场呈现剧烈的三维搅混的特征。所有上述风场优化和强化设计，为螺旋式液膜蒸发冷凝板20的表面液膜提供了一个非常有利的蒸发条件。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，设置在安全壳外冷却水箱的上方，其特征在于：包括风力强化装置（1）、液态水收集和蒸发过滤装置以及风道（2），所述的风力强化装置（1）设置在风道（2）的顶端，液态水收集和蒸发过滤装置设置在风道（2）内部，在风道（2）的底部设置引风口（4、11），所述的液态水收集和蒸发过滤装置位于安全壳热量导出系统的热水排出口（3）和水箱注水口（23）之间。

2.如权利要求1所述的非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，其特征在于：所述的风力强化装置（1）包括安装于风道外壁面的太阳能电池板以及安装在风道内的风机。

3.如权利要求1或2所述的非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，其特征在于：所述的风道（2）为呈圆锥形的引流罩，引流罩内壁面上设有若干个用以引发风道内横向流动的二次流搅混翼（21）。

4.如权利要求3所述的非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，其特征在于：所述引流罩与其内部的液态水收集和蒸发过滤装置之间形成环形空间，环形空间的厚度为10-50cm；所述的若干个二次流搅混翼与引流罩的轴截面成一定角度向顺时针方向偏离，偏角的值为30-60度。

5.如权利要求1所述的非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，其特征在于：所述的液态水收集和蒸发过滤装置包括液态水收集板（19）和螺旋式液膜蒸发冷凝板（20），所述螺旋式液膜蒸发冷凝板（20）呈螺旋式下降结构，螺旋式液膜蒸发冷凝板（20）的底端与多孔过滤集水板（22）连接，所述多孔过滤集水板（22）连接水箱注水口（23）。

6.如权利要求5所述的非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置，其特征在于：所述的液态水收集和蒸发过滤装置的整体高度在0.2-0.8m之间，所述的螺旋式液膜蒸发冷凝板的下降倾角在2-10度之间。