CN105280250A - 用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统及方法 - Google Patents

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李晨曦
叶鑫
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Abstract

本发明公开了一种用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统及方法，包括热交换器、气轮机、第二空冷热交换器、压气机及第一空冷热交换器；所述热交换器的超临界CO2出口与气轮机的入口相连通，气轮机的出口与第一空冷热交换器的入口相连通，第一空冷热交换器的出口与压气机的入口相连通，压气机的出口与第二空冷热交换器的入口相连通，第二空冷热交换器的出口与热交换器的入口相连通。本发明能够在无外部能源持续驱动的情况下对热源进行冷却，所涉及的系统结构简单、紧凑，并且能够在温差较小的情况下实现循环，适用于各种类型的核电厂。

Description

用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统及方法
技术领域
本发明属于核工程技术领域，涉及一种用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统及方法。
背景技术
福岛核电厂事故证明，核电厂全厂断电情况下依然能够保障完好的冷却链是确保堆芯完整性的重要措施。目前的多数二代(二代加)核电厂采用的是能动安全系统，这种系统将在全厂断电工况下因柴油机无法启动而失效。很多非能动安全系统的工作时间取决于最终热阱(水箱)的大小，且安全系统的换热能力受限于空冷器的空气自然对流换热能力。因此，安全系统有必要在采用非能动冷却的同时能够发电，为风机提供电力，使空气冷却器的冷却能力因空气的强迫对流换热而提高，从而确保在无外部能源持续驱动的情况下对热源进行有效冷却。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统及方法，该系统及方法能够在无外部能源持续驱动的情况下对热源进行有效冷却。
为达到上述目的，本发明所述的超临界CO2非能动冷却系统包括热交换器、气轮机、第二空冷热交换器、压气机及第一空冷热交换器；
所述热交换器的超临界CO2出口与气轮机的入口相连通，气轮机的出口与第一空冷热交换器的入口相连通，第一空冷热交换器的出口与压气机的入口相连通，压气机的出口与第二空冷热交换器的入口相连通，第二空冷热交换器的出口与热交换器的入口相连通。
所述热交换器为乏燃料水池热交换器或蒸汽发生器二次侧热交换器。
该系统还包括第一风机及第二风机，第一风机正对第一空冷热交换器，第二风机正对第二空冷热交换器，通过两台风机，提高了空冷热交换器的换热能力。
该系统还包括用于为第一风机及第二风机提供电能的发电机，气轮机的输出轴与发电机的驱动轴相连接，发电机与第一风机及第二风机相连接。
本发明所述的超临界CO2非能动冷却方法包括以下步骤：
热交换器出口的超临界CO2进入到气轮机中，并经气轮机做功使所述超临界CO2的温度及焓值下降，气轮机出口的超临界CO2进入第二空冷热交换器中进行降温，温度下降后的超临界CO2进入到压气机中进行增压，超临界CO2的压力增加，然后再进入到第二空冷热交换器中进行冷却，经第二空冷热交换器冷却后的超临界CO2回流到热交换器中吸热升温。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统及方法在使用时，利用热源的热量来驱动整个系统，实现对热源的冷却。具体而言，通过热交换器将热源中的热量换热到超临界CO2中，然后以换热后的超临界CO2为工质，带动气轮机做功，超临界CO2的温度和焓值下降，再经第一空冷热交换器及第二空冷热交换器进一步冷却，冷却过程中，通过压气机对超临界CO2进行加压，冷却后的超临界CO2进入到热交换器继续与热源进行换热。该系统除了具有能在无外部能源持续驱动的情况下实现对热源的有效冷却的特点外，，还具有结构简单、紧凑的优点，并且能够在温差较小的情况下实现循环，适用于各种类型的核电厂。
附图说明
图1为本发明的一结构示意图；
图2为本发明的又一结构示意图。
其中，1为压气机、2为第二空冷热交换器、3为热交换器、4为气轮机、5为第一空冷热交换器、6为第一风机、7为第二风机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统包括热交换器3、气轮机4、第二空冷热交换器2、压气机1及第一空冷热交换器5；所述热交换器3的超临界CO2出口与气轮机4的入口相连通，气轮机4的出口与第一空冷热交换器5的入口相连通，第一空冷热交换器5的出口与压气机1的入口相连通，压气机1的出口与第二空冷热交换器2的入口相连通，第二空冷热交换器2的出口与热交换器3的入口相连通。
需要说明的是，本发明还包括第一风机6、第二风机7以及用于为第一风机6及第二风机7提供电能的发电机，第一风机6正对第一空冷热交换器5，第二风机7正对第二空冷热交换器2，气轮机4的输出轴与发电机的驱动轴相连接，发电机与第一风机6及第二风机7相连接，热交换器为乏燃料水池热交换器或蒸汽发生器二次侧热交换器。
本发明所述的用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却方法包括以下步骤：
热交换器(3)出口的超临界CO2进入到气轮机(4)中，并经气轮机(4)做功使所述超临界CO2的温度及焓值下降，气轮机(4)出口的超临界CO2进入第二空冷热交换器(2)中进行降温，温度下降后的超临界CO2进入到压气机(1)中进行增压，超临界CO2的压力增加，然后再进入到第二空冷热交换器(2)中进行冷却，经第二空冷热交换器(2)冷却后的超临界CO2回流到热交换器(3)中吸热升温。
实施例一
参考图1，应用于乏燃料水池中时，来自热交换器3的工质，在乏燃料水池中吸收热量，出口压力为12MPa，温度为70.15℃，焓值为421.29kJ/kg，再经气轮机4做功后，温度下降至41.29℃，焓值下降至408.25kJ/kg，压力下降至8MPa，随后流入第一空冷热交换器5进行冷却，温度下降至35.15℃，焓值下降至352.37kJ/kg，然后经过压气机1压缩后压力提高至12MPa，温度提高至55.14℃，焓值提高至362.97kJ/kg，再流过第二空冷热交换器2进一步预冷，使其温度下降至51.30℃，焓值下降至341.99kJ/kg，然后流回至热交换器3，形成一个完整的循环。在整个循环中气轮机4所产生的功为1.644MW，压气机1所耗功为1.084MW，第一风机6及第二风机7总的耗功预估为27.9～50kW，超临界CO2的质量流量为126.10kg/s。
该实例采用非能动冷却设计理念，能在无外部能源持续驱动的情况下，利用乏燃料水池产生的热量对工质进行加热，利用工质在气轮机4中做功，并将这部分能量用于驱动压气机1和第一风机6及第二风机7，从而驱动整个冷却系统，实现对乏燃料水池的冷却。
实施例二
参考图2，来自蒸汽发生器二次侧的主蒸汽流经热交换器3，超临界CO2工质与蒸汽发生器二次侧中的主蒸汽发生热量交换，其出口温度为128℃，压力为12.46MPa，焓值为528.75kJ/kg；在气轮机4中做功后温度和压力分别下降到88.34℃和8MPa，焓值为503.98kJ/kg；随后经过第一空冷热交换器5并被冷却，温度进一步降低到35℃，同时焓值降低到352.37kJ/kg，但压力保持不变；之后在压气机1中被压缩，体积减小，温度和压力有所提升，分别到达57.20℃和12.60MPa，此时焓值为362.07kJ/kg；最后工质流回蒸汽发生器二次侧热交换器3，完成整个循环。在循环过程中，工质在气轮机4中所做的功为6.32MW，压气机1消耗的功为2.45MW，第一风机6消耗的功预估为107.44～201kW，系统工质的流量为251.97kg/s。
该实例采用非能动冷却设计理念，能在无外部能源持续驱动的情况下，利用蒸汽发生器二次侧的主蒸汽的热量加热工质，并让其在气轮机4中做功，将其所做的用来驱动压气机1和第一风机6运转。从而实现了对蒸汽发生器二次侧产生的主蒸汽的冷却。
本发明采用超临界CO2作为工质，由于其本身的特性使得整个系统能在空间紧凑、温差较小的情况下实现，相对与一般的冷却系统更为方便、实用。

Claims (6)

1.一种用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统，其特征在于，包括热交换器(3)、气轮机(4)、压气机(1)及第一空冷热交换器(5)；
所述热交换器(3)的超临界CO2出口与气轮机(4)的入口相连，气轮机(4)的出口与第一空冷热交换器(5)的入口相连，第一空冷热交换器(5)的出口与压气机(1)的入口相连，压气机(1)的出口与热交换器(3)的入口相连。
2.根据权利要求1所述的用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统，其特征在于，还包括第二空冷热交换器(2)，压气机(1)的出口与热交换器(3)的入口通过第二空冷热交换器(2)相连。
3.根据权利要求2所述的用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统，其特征在于，还包括第一风机(6)及第二风机(7)，第一风机(6)对第一空冷热交换器(5)进行冷却，第二风机(7)对第二空冷热交换器(2)进行冷却。
4.根据权利要求3所述的用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统，其特征在于，还包括用于为第一风机(6)及第二风机(7)提供电能的发电机，气轮机(4)的输出轴与发电机的驱动轴相连接，发电机与第一风机(6)及第二风机(7)相连接。
5.根据权利要求1所述的用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却系统，其特征在于，所述热交换器(3)为乏燃料水池热交换器或蒸汽发生器二次侧热交换器。
6.一种用于蒸汽发生器和乏燃料水池的非能动冷却方法，其特征在于，基于权利要求2所述的超临界CO2非能动冷却系统，包括以下步骤：
热交换器(3)出口的超临界CO2进入到气轮机(4)中，并经气轮机(4)做功使所述超临界CO2的温度及焓值下降，气轮机(4)出口的超临界CO2进入第二空冷热交换器(2)中进行降温，温度下降后的超临界CO2进入到压气机(1)中进行增压，超临界CO2的压力增加，然后再进入到第二空冷热交换器(2)中进行冷却，经第二空冷热交换器(2)冷却后的超临界CO2回流到热交换器(3)中吸热升温。
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