CN104299658B - 一种可防冷却水流失的长期水封非能动蒸汽排放装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种可防冷却水流失的长期水封非能动蒸汽排放装置，由水封槽、U形蒸汽排放管、回流疏水管及两管间的连接桥管等组成，水封在U形蒸汽排放管内形成，回流疏水管用于将水封槽内的冷凝水回流至系统，桥管连接U形蒸汽排放管和回流疏水管。桥管上的电磁阀在备用时连通冷却水箱和U形蒸汽排放管，形成长期水封；在事故工况时可防止冷却水直接从U形蒸汽排放管流失。本发明能够避免水箱内冷却水的丧失，且能够多次形成水封隔离，保证系统水质纯净，并且系统运行的可靠性高，易于检修的蒸汽排放装置。

Description

一种可防冷却水流失的长期水封非能动蒸汽排放装置

技术领域

本发明涉及的是一种蒸汽排放装置，具体地说是关于核安全的蒸汽排放装置。

背景技术

随着经济的不断发展和世界能源的不断消耗，核能作为一种低碳环保的新能源越来越多地应用于解决人类社会的能源问题，核安全问题因此逐渐受到人们的广泛关注。安全壳作为核电站防止放射性产物释放到环境中的最后一道安全屏障，它的完整性是环境保护与人身健康保障的关键。

在发生堆芯熔毁或冷却剂管道大破口等严重事故时，大量高温高压蒸汽进入安全壳，可能会导致安全壳超压，非能动安全壳冷却系统(PCS系统)可以将安全壳内的温度和压力控制在一定的范围内，保证安全壳的完整性，防止放射性物质泄漏造成严重后果。

为了对安全壳的温度和压力进行控制，PCS系统需要在高处设置一个装有冷却水的外置水箱作为热阱。当反应堆事故工况时，PCS系统投入运行，冷却水箱内的冷却水依靠自然循环作用将安全壳内的热量带出，使安全壳内的蒸汽冷凝，从而达到降低压力和温度的目的，而PCS系统内的冷却水在吸收热量后将转变为蒸汽，经水箱排出到环境中；当反应堆正常运行时，PCS系统要长期处于备用状态，为防止环境中的污染物影响冷却水的水质，系统与外界环境间应采用有效的方式进行隔离。该隔离要具有非能动的特点，从而保证发生严重事故时PCS系统能够自动、可靠开启而不依赖于外部能源，保证系统内产生的蒸汽能顺畅、稳定、可靠地排放。因此，PCS系统需要配套一个能满足蒸汽非能动排放和实现系统与外界长期隔离的装置。现有的阀门虽然能够满足长期隔离需求，但不具有非能动的特性，需要人工辅助才能实现上述功能。

公开号为CN103137222A的专利文件中，公开了一种“带长期水封功能的自启动气体排放装置”，该装置能够实现水封隔离和气体排放的功能，但是该装置中补水管的设计存在缺陷，无法防止事故工况下水箱内的水通过该管路排出水箱，造成冷却能力的丧失及蒸汽排放装置无法开启；同时在事故工况解除后， 恢复水封的能力有所欠缺，难以再次将系统与外界环境隔离；另外该装置仅给出了原理性设计，在应用和日常维护方面都有些缺陷，比如：该装置与冷却水箱间没有隔离和疏水装置，导致检修困难；该装置不能阻止外界杂质进入冷却水中，可能会导致冷却水在循环过程中将整个系统水质污染。专利CN103474109A中也公开了一种蒸汽排放装置，该装置也可实现有效的隔离，但由于补水管与水封槽始终保持连通状态，在事故后水箱内压力升高时可能会造成水箱内的水通过补水管而流失，进而导致冷却能力下降。福岛核电事故的发生给我们以警示，使我们认识到超设计基准事故发生的可能性。因此，保证安全壳得到长期冷却对缓解严重事故危害是非常重要的。冷却水作为安全壳排热的最终热阱也是非常重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供能满足蒸汽非能动排放和实现系统与外界长期隔离功能的一种可防冷却水流失的长期水封非能动蒸汽排放装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种可防冷却水流失的长期水封非能动蒸汽排放装置，其特征是：包括冷却水箱、水封槽、U形蒸汽排放管、回流疏水管，U形蒸汽排放管包括依次相连的下降段、水平段、上升段，下降段与冷却水箱相连通，上升段从水封槽的底部进入至水封槽内部，回流疏水管的第一端与冷却水箱的侧面下部相连通，回流疏水管的第二端伸入至水封槽，回流疏水管上依次设置第一电磁阀、疏水阀、止回阀，回流疏水管上疏水阀和止回阀的两端并联有并联注水管路，并联注水管路的第一端连接于第一电磁阀和疏水阀之间，并联注水管路的第二端连接于止回阀和回流疏水管第二端之间，U形蒸汽排放管和回流疏水管之间安装连接桥管，连接桥管与回流疏水管的连接处位于第一电磁阀和疏水阀之间，连接桥管上设置第二电磁阀，并联注水管路上设置常闭电磁阀。

本发明还可以包括：

1、水封槽的顶部设置倒钩形排气孔，回流疏水管的第二端设置倒钩形入口。

2、水封槽下端设置水封槽疏水阀。

本发明的优势在于：

1、采用非能动的设计方案，仅依靠冷却水箱内的压力变化，保证反应堆发 生事故时，PCS系统能够自动将水封开启进行排气，事故结束后能够快速地重新建立水封，并保证反应堆正常运行时PCS系统与外界的长期隔离；

2、在PCS系统投入运行时，通过本装置冷却水回收的设计以及在补水桥管上设置电磁阀，避免了补水桥管中冷却水被携带，减少了冷却水的大量流失，提高了排热能力；同时避免了蒸汽排放管中的两相流动状态，保证排放过程具有更高的稳定性。

3、拥有回流疏水系统，能够进一步防止冷却水的流失，保证系统长期有效的冷却能力；

4、排气与回流口的设计考虑了与外界的隔绝，保证了系统的水质；

5、系统的定期检修与维护简单方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的水封槽结构示意图；

图3为本发明的U形蒸汽排放管结构示意图；

图4为本发明回流疏水管和连接桥管结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，本发明由水封槽2、U形蒸汽排放管9、回流疏水管4及两管间的连接桥管10等组成。水封槽可以为方形也可以为圆形，其横截面积要保证排放蒸汽具有足够低的流速。水封槽2顶部通过法兰连接倒钩形排气孔1，用于系统事故工况下产生的蒸汽的对外排放和防止外界杂质的进入，底部设有一个疏水阀3，用于疏水和系统备用时的检验，在水封槽2的底部还设有两个开孔2.1，分别用于连接U形蒸汽排放管9和回流疏水管4。U形蒸汽排放管9一端通过法兰连接在冷却水箱8侧壁面，置于冷却水液面以上，另一端穿过水封槽2底部的开孔深入水封槽2内，在事故工况下，随着冷却水箱内温度的增加和蒸汽量的积累，水箱内的压力也随之上升。当箱内压力达到U形蒸汽排放装置的开启压力时，管内的水将被排出，蒸汽排放管路开启，使蒸汽能够比较顺畅地排放到环境中去。连接桥管10一端连接U形蒸汽排放管9，另一端连接在回流疏水管4的止回阀12与电磁阀之间，系统通过连接桥管10和部分回流疏水管4使冷却水箱8和U形蒸汽排放管9相连通，在系统备用时，冷却水箱8 内的水进入U形蒸汽排放管9建立水封，将系统与外界环境隔离。桥管10上设置的电磁阀11可以在事故工况下阻止冷却水箱8内的冷却水直接通过U形蒸汽排放管9流出，防止冷却水的流失。回流疏水管4一端连接在冷却水箱8壁面靠近底部处，冷却水液面之下，另一端通过水封槽2底部开孔深入水封槽2内液面之下，其入口为倒钩形结构4.1，一旦水封槽2内进入杂质，此倒钩形结构可以防止杂质进入系统冷却水。在系统投入运行和刚刚运行结束时，水封槽2内由于蒸汽的部分冷却和液滴的回流，液位可能高于冷却水箱8，此时冷却水可通过回流疏水管4回到冷却水箱8内，保证系统的长期冷却能力。回流疏水管4上设置的止回阀12可防止冷却水箱8内的水通过回流疏水管4直接流出。与止回阀12并联，设有一个常闭电磁阀的管路5方便从冷却水箱8内向水封槽2内注水。

在靠近冷却水箱8处安装的电磁阀7，可以将整个蒸汽排放装置隔离，方便对系统和各阀门的可靠性进行检验和维护。回流疏水管4上的疏水阀6一方面可以疏水，另一方面可以配合其它阀门对系统进行定期检修。在系统处于备用状态时，关闭桥管和回流疏水管上的电磁阀，打开疏水阀6，若水封槽和回流疏水管内的水能够很快被疏干，则表明电磁阀11关闭和止回阀12开启正常；开启桥管上的电磁阀11，将U形排放管内的水疏干。然后，以一定流量向冷却水箱内通入空气。若排气口出现连续排气且水箱内压力接近零，则表明排气管通畅。若排气管不能排气或虽有排气，但水箱内压力持续上升，则表明排气管有堵塞；关闭桥管上的电磁阀11及疏水阀6，开启回流疏水管上的电磁阀7，若水封槽内的水位增长缓慢，则表明止回阀关闭性能正常。

本发明主要由水封槽2、U形蒸汽排放管9、回流疏水管4及两管间的连接桥管10等组成。

水封槽2为一种顶部带有排气孔的水槽，底部连接U形蒸汽排放管9出口端和回流疏水管4，水封槽内有一定量的水用于冷却事故工况下U形蒸汽排放管9排放的部分蒸汽。水槽的横截面积要能够保证其内气体的流动速度足够小，从而使气体中夹带的液滴依靠重力的作用被分离，返回水封槽，进而减少水箱内冷却水的损失。返回水封槽内的水可以通过回流输水管返回水箱中，为保证水封槽内水质的纯净，防止杂质进入冷却水箱，引起放射性污染，采用双级倒钩型结构设计，一方面将顶部的排气孔1设计为倒钩形的结构，这样既能够保 证事故工况下蒸汽向外界环境的顺利排放，又能有效的阻止外界污染物的进入。另一方面，与水封槽内底端相接的回流疏水管要伸入水封槽内一定高度，且入口也采用倒钩型结构设计，一旦外界杂质通过排气口进入水封槽，可以在水封槽内沉积，而不会进入回流疏水管中。在水封槽2的底面，还设有一个疏水阀3，用于疏水和对系统的定期检修与维护。

U形蒸汽排放管9一端通过冷却水箱8壁面开孔与冷却水箱8的气空间相连通，另一端从底面深入水封槽2内一定深度。在U形蒸汽排放管9水平段的中间部分设有开孔，开孔处与桥管10连接。在反应堆正常运行时，U形蒸汽排放管9通过桥管10、部分回流疏水管4与冷却水箱8相连通，水箱内的水可以通过部分回流输水管和桥管进入U形蒸汽排放管中。根据连通器原理，U形蒸汽排放管9内将有一定的液位，形成水封，将系统与外界环境隔离；当U形蒸汽排放管内的水蒸发减少时，水箱内的水可以通过桥管补充进来，保证水封隔离的长期有效性。在反应堆发生严重事故时，冷却水箱8内的水依靠自然循环的作用进入安全壳内的换热器，在吸收安全壳内的热量后逐渐变成蒸汽。蒸汽积聚在冷却水箱内，使箱内压力逐渐上升。随着水箱压力的升高，U形蒸汽排放管下降段9.1内液位开始降低，上升段9.3内液位开始升高，当下降段内液位降低至U形排放管水平段9.2时，水封将被开启，水箱内的蒸汽将通过U形排放管进入水封槽，并排放至环境中。

回流疏水管4连接水封槽2和冷却水箱8，其两端出口分别淹没在水封槽2和冷却水箱8的液位之下。在事故工况下，冷却水箱8内的水汽化后向水封槽2内排放，U形蒸汽排放管中初始所存冷却水被蒸汽带出，同时排放出的部分蒸汽在水封槽2内冷凝回收，这些冷却水都会回到水封槽内，回流疏水管4可将水封槽2内的水回流至冷却水箱8，防止水箱内冷却水的大量丧失，提高PCS系统的冷却能力。回流疏水管4在水封槽2内的入口端同水封槽排气孔1一样也采用倒钩形结构，由于水封槽2设有排气孔与外界环境相连通，在特殊情况下一旦污染物能够通过倒钩形排气孔进入水封槽2，此倒钩形结构能够防止污染物进入冷却水箱8，从而保证了冷却水的水质。为了防止水箱压力升高后，水箱内的冷却水通过回流疏水管进入水封槽，阻碍水封的开启并使系统流失大量冷却水，在回流疏水管4靠近水封槽2的一侧设有一个止回阀12，能够保证在系统排放过程及排放结束后水封槽2内冷却水顺利回到冷却水箱8，两者水位达到平衡，而不会使冷却水箱8内的水在高压作用下直接向水封槽2内流动。 同时为了方便检验和维护，在回流疏水管4上设置一个与止回阀12并联的管路5，管路5上装有常闭电磁阀，通过该管路可以在检验和维护的时候将水箱与水封槽连通，用于向水封槽2内注水。在靠近冷却水箱8的一侧也设有一个电磁阀7，用于检修蒸汽排放装置时与冷却水箱8隔离，在回流疏水管4中部设有疏水阀6，用于疏水和对系统的定期检修与维护。

连接桥管10一端连接U形蒸汽排放管9，另一端连接在回流疏水管4的止回阀12与电磁阀之间，在连接桥管10上设有一个电磁阀11。事故工况时，冷却水箱内压力不断升高，根据流体动力学原理，在U形排放管左侧液位下降后，水箱内液位基本保持不变，因此在两者之间存在液位差，这个液位差可以提供一定的驱动压头，使水箱内的水通过回流疏水管和补水桥管进入U型排放管，并最终进入水封槽中。该驱动力和补水桥管内水流速度满足下列关系式：

$\mathrm{\ρg}(H_1-H_2)=\frac{L}{d}\mathrm{\λ}\frac{{\mathrm{\ρu}}_B^2}{2}+\mathrm{\ξ}\frac{{\mathrm{\ρu}}_B^2}{2}---\left(1\right)$

由公式1可以看出，水箱与U形排放管下降段内的液位差产生的驱动压头来提供补水桥管内水流动的动力。当此液位差达到某一值后，仅通过桥管补水造成的液位变化便能平衡水箱内压力变化，因此，U形排放管下降段内液位将停止下降，从而导致U形蒸汽排放管无法开启，水箱内的蒸汽无法排出。反而，水箱内的冷却水通过补水桥管大量丧失，大大降低了PCS系统的排热能力。因此，为保证U形蒸汽排放管的可靠开启，防止冷却水的大量丧失，所述补水桥管要具有足够大的阻力。这可以采用增加补水桥管长度、减小补水桥管直径或在补水桥管上增加阻力件的方法来实现。但在排气过程中，由于驱动压差的作用，水箱内的水仍会不断地通过补水桥管进入U形排放管中，与蒸汽混合后形成两相流动。这样不但会造成排放气中出现流动不稳定，而且会造成水箱内的冷却水水被大量携带，降低PCS系统的排热能力。因此，在上述连接桥管10上设有一个常开电磁阀11，在反应堆正常运行时，此电磁阀处于开启状态，冷却水箱8能够与U形蒸汽排放管9连通，使U形蒸汽排放管9内形成水封，起到隔离系统的功能；在反应堆事故工况时冷却水箱8内压力信号触发使电磁阀11关闭，切断冷却水箱8内冷却水向U形蒸汽排放管的流动通道，防止冷却水直接通过U形蒸汽排放管9流失，保证水封的顺利开启和蒸汽的稳定排放。

本发明一种具有水封功能的非能动蒸汽排放装置，由水封槽2、U形蒸汽排 放管9、回流疏水管4及两管间的连接桥管10等组成；水封槽为一种顶部带有排气孔的水槽，内部装有一定量的水，其顶部带有倒钩形排气孔，底部连接U形蒸汽排放管9出口端和回流疏水管4，能够保证系统与外界隔离并且能够在事故工况下顺利排放蒸汽；U形蒸汽排放管包括蒸汽下降段9.1、水平段9.2和蒸汽上升段9.3，蒸汽下降段与水箱连接，蒸汽上升段与水封槽2连接；用于将冷却水收回的回流疏水管4为回收冷却水的管路，并包括倒钩形入口4.1、止回阀12、疏水阀6、电磁阀7和并联注水管路5。连接桥管用于连接U形蒸汽排放管9和回流疏水管4，桥管10上设有电磁阀11，在系统备用状态下电磁阀开启，连接桥管10使冷却水箱8和U形蒸汽排放管9连通，形成水封；在系统投入运行时，电磁阀关闭，防止大量冷却水从连接桥管10和U形蒸汽排放管9直接流入水封槽2内，进而提高了排热能力。顶部带有倒钩形的排气孔1，底部带有疏水阀3，方便对水封槽2进行疏水和定期的检修；水槽横截面积要能够保证其内气体的流动速度足够小，从而使气体中夹带的液滴依靠重力的作用被分离，返回水封槽，进而减少系统内冷却水的损失；带有倒钩的排气孔1，其作用为在系统投入运行时，顺利地将产生的蒸汽向外界环境排放，而倒钩形的设计是为了防止外界杂质进入水封槽2内，保证系统水质的清洁。蒸汽下降段9.1连接冷却水箱8，将事故工况下产生的蒸汽顺利引入U形蒸汽排放管9；水平段9.2和蒸汽上升段9.3、蒸汽下降段9.1一起形成U形结构，在系统备用状态下形成水封，隔离外界。蒸汽上升段9.3从底部伸入水封槽2，可以将蒸汽排放至水封槽2内，并使携带的液滴回落。倒钩形入口4.1伸入水封槽2底部，淹没在液位以下，作用为防止水封槽2内的杂质进入冷却水回收管路内；所述的止回阀12安装在靠近疏水管4右侧弯管处，用于防止在事故工况下冷却水直接从回流冷却管进入水封槽2，导致水封无法开启，蒸汽排放受阻和冷却水流失的后果。疏水阀6安置在疏水管4的中间底部，用于对回流疏水管4的疏水和检修，所述的电磁阀7安装在靠近疏水管4与冷却水箱1连接处，作用为隔离蒸汽排放装置，便于例行检修与维护，所述的并联注水管路5作用为向水封槽2内注水。

Claims (3)

1.一种可防冷却水流失的长期水封非能动蒸汽排放装置，其特征是：包括冷却水箱、水封槽、U形蒸汽排放管、回流疏水管，U形蒸汽排放管包括依次相连的下降段、水平段、上升段，下降段与冷却水箱相连通，连通部位位于冷却水箱液面以上，上升段从水封槽的底部进入至水封槽内部，回流疏水管的第一端与冷却水箱的侧面下部相连通，回流疏水管的第二端伸入至水封槽，回流疏水管上依次设置靠近冷却水箱的第一电磁阀、疏水阀、防止冷却水箱的水在高压下直接向水封槽流动的止回阀，回流疏水管上疏水阀和止回阀的两端并联有并联注水管路，并联注水管路的第一端连接于第一电磁阀和疏水阀之间，并联注水管路的第二端连接于止回阀和回流疏水管第二端之间，U形蒸汽排放管和回流疏水管之间安装连接桥管，连接桥管与回流疏水管的连接处位于第一电磁阀和疏水阀之间，连接桥管上设置第二电磁阀，并联注水管路上设置常闭电磁阀。

2.根据权利要求1所述的一种可防冷却水流失的长期水封非能动蒸汽排放装置，其特征是：水封槽的顶部设置倒钩形排气孔，回流疏水管的第二端设置倒钩形入口。

3.根据权利要求1或2所述的一种可防冷却水流失的长期水封非能动蒸汽排放装置，其特征是：水封槽下端设置水封槽疏水阀。