CN105336381A - 一种用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，其特征在于，包括：安全壳底板；钢安全壳；预应力混凝土安全壳；压力释放阀；带叶片的转轮；带连杆的转轮；空气平衡容器；导管；所述导管的一端与所述空气平衡容器连通，另一端与所述第二容腔连通；所述导管设有两个单向阀门；两个所述单向阀门分别为进气阀和排气阀；所述活塞头在所述空气平衡容器内移动时，进气阀开启、排气阀关闭，或者进气阀关闭、排气阀开启。本发明提供的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，可确保不出现长期的持续高额超压，使得严重事故下钢安全壳内的空气不会因预应力混凝土安全壳内高温气体长时间释放而造成压力过高，从而提高钢安全壳的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种核电领域的安全相关设备的设计，特别涉及一种用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置。
背景技术
安全壳是核电厂最重要的构筑物，其主要功能是在假想的设计基准事故后，承受内压，包容气载放射性释放物，并在正常运行期间为反应堆堆芯和冷却剂系统提供屏障。同时，安全壳也是反应堆冷却剂系统的热力边界，可以将事故后产生的热量排入大气、河海水体等最终热阱，具有防止超压的功能。
目前较为普遍的安全壳的类型主要包括带钢衬里的预应力混凝土安全壳、由预应力混凝土安全壳和普通混凝土安全壳组成的双层安全壳、由钢安全壳与钢筋混凝土/钢板混凝土屏蔽厂房共同组成的双层安全壳。这些安全壳一般都是面对假想的设计基准事故，即只考虑反应堆一回路/二回路热传输系统管道破裂喷发的失水事故所引发的瞬发内压及相应的热量。该工况下主安全壳所承担的设计内压通常在0.3-0.4MPa，而反应堆事故一旦不可控而演变成如日本福岛核电厂那样堆芯熔毁导致反应堆压力容器破损的严重熔塌事故，核电厂的延期超压会达到原设计的3倍左右，此时的高额超压主要依赖安全壳的内压承载力裕量来应对，因而放射性物质向环境的泄漏的风险依然很大。
中国发明专利“应对严重事故的新型三重安全壳”(申请号：2014100889912.9)根据目前的单层或双层安全壳结构设计技术对严重事故考虑的不足，提出一种新型的非能动冷却的三重安全壳结构。为了确保不出现长期的持续高额超压，在预应力混凝土安全壳的顶部设置了一组压力释放阀，它们可以有效地排出预应力混凝土安全壳内的部分高压蒸汽到钢安全壳中，钢安全壳既可以包容这些放射性高压蒸汽，又能把高压蒸汽的热量迅速传递到钢安全壳表面，经过喷淋和常规气冷可把热量传入大气中。钢安全壳一旦冷却，其内压力便会降低，又能接收从预应力混凝土安全壳中排出的新的高压蒸汽，如此循环，可带出大量热量，有效降低预应力混凝土安全壳中的压力。
虽然该专利能有效降低预应力混凝土内的持续高额超压，但在严重事故下，预应力混凝土安全壳内部的高温蒸汽通过压力释放阀不断向外释放，必然会造成外部钢安全壳内部的压力持续升高，给钢安全壳结构安全性带来一定的隐患；另外，单向的排气系统也无法长时间给蒸汽冷却提供持续循环，不利于预应力混凝土安全壳中热量的有效降低，存在一定改进空间。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置。
用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置包括：
安全壳底板；所述安全壳底板为钢筋混凝土结构，坐落在地基上。
钢安全壳；所述钢安全壳设置在所述安全壳底板上，与所述安全壳底板围成第一容腔；
预应力混凝土安全壳；所述预应力混凝土安全壳设置在所述安全壳底板上，并位于所述第一容腔内；所述预应力混凝土安全壳与所述安全壳底板围成第二容腔；所述预应力混凝土安全壳与所述钢安全壳之间设有空隙；
压力释放阀；所述压力释放阀设置在所述预应力混凝土安全壳上，将所述第二容腔和所述预应力混凝土安全壳和钢安全壳之间的空隙连通；所述压力释放阀在压力超过限制时自动开启，能在严重事故延期超压期间把预应力混凝土安全壳内的高压蒸汽逐步循环排放至钢安全壳内，以减轻预应力混凝土安全壳的长期压力负担；
带叶片的转轮；所述带叶片的转轮设置在所述预应力混凝土安全壳和所述钢安全壳之间的空隙内，并位于所述压力释放阀的上方；所述带叶片的转轮能够将压力释放阀排出的高速气体的动能转换为带叶片的转轮的动能，同时带叶片的转轮还能避免高温气体直接冲击钢安全壳，起到保护作用。
带连杆的转轮；所述带连杆的转轮设置在所述预应力混凝土安全壳和所述钢安全壳之间的空隙内，并与所述带叶片的转轮传动连接；所述带连杆的转轮上的连杆偏心设置；所述带叶片的转轮转动时，带动所述带连杆的转轮转动，从而使所述带连杆的转轮上的连杆移动；
空气平衡容器；所述空气平衡容器一端采用活塞密封；所述活塞包括活塞头和活塞杆；所述活塞杆的上端与所述带连杆的转轮上的连杆铰接，下端与所述活塞头连接；所述带连杆的转轮上的连杆移动时，带动所述活塞头在所述空气平衡容器内移动；空气平衡容器为钢制容器，直径100-500mm，厚度10-60mm。
导管；所述导管的一端与所述空气平衡容器连通，另一端与所述第二容腔连通；所述导管设有两个单向阀门；两个所述单向阀门分别为进气阀和排气阀；所述活塞头在所述空气平衡容器内移动时，所述进气阀开启，同时所述排气阀关闭，或者所述进气阀关闭，同时所述排气阀开启。导管由直径10mm-150mm的碳钢管制成。
优选地，所述预应力混凝土安全壳包括第一穹顶和第一筒壁；所述压力释放阀位于所述第一穹顶的中心位置。
优选地，所述带叶片的转轮单向转动。
优选地，所述带叶片的转轮和所述带连杆的转轮通过传动装置传动连接；所述传动装置为传动带，可根据结构尺寸和空间限制调整平衡装置的位置。
优选地，所述活塞头由两层5-15mm厚的钢板包夹10-200mm厚的橡胶制成。
优选地，所述活塞杆的截面为十字形。
优选地，所述活塞杆由合金钢制成，厚度为10-40mm。
优选地，所述导管通过贯穿件与所述第二容腔连通。
优选地，所述预应力混凝土安全壳包括第一穹顶和第一筒壁；所述贯穿件贯穿所述预应力混凝土安全壳的第一筒壁。
第一筒壁的内壁以及安全壳底板的上表面均设置防泄漏的钢衬里。圆筒型的第一筒壁及半椭球的第一穹顶的下半部设有双层环向预应力钢束，预应力混凝土安全壳承受内压的能力提升为现有设计的2-3倍，足以承担严重熔塌事故工况下的延期超压。
钢安全壳，包括圆筒型的第二筒壁和半椭球型的第二穹顶，罩在预应力混凝土安全壳四周，形成密闭的散热器。它接受从预应力混凝土安全壳压力释放阀排出的高压蒸汽，经过钢安全壳外部的水冷和风冷，把热量传输给大气，同时钢安全壳内冷却后的气体继续与预应力混凝土安全壳内的高压蒸汽进行热交换。
所述预应力混凝土安全壳，内半径24米，第一筒壁的壁厚2.4m，第一穹顶厚1.5m，高度约70m。筒身上有两个间隔180°的扶壁柱，用于环向预应力钢束的锚固。
所述钢安全壳，其第二筒壁与预应力混凝土安全壳的间距约为2m。其第二穹顶与预应力混凝土安全壳的间距约为4m，材料为锅炉钢，厚度约25mm。
所述安全壳底板，为钢筋混凝土结构，厚约5m。
在发生严重事故时，为了避免预应力混凝土安全壳长期处于持续的高温超压状态，顶部的压力释放阀超过一定压力会自动开启，并向预应力混凝土安全壳和钢安全壳之间的空隙内排放高压蒸汽。此时带叶片的转轮会在高压蒸汽的强力冲击下快速运转，并通过传动带带动带连杆的转轮发生转动，连杆的起始位置处于带连杆的转轮的最左侧，此时活塞头在空气平衡容器内处于运动轨迹最低点。带连杆的转轮转动时，通过连杆先驱使活塞头向上运动，单向进气阀打开，钢安全壳内部低温空气被吸入平衡容器，此时单向排气阀82处于关闭状态；待连杆转过半圈时，活塞从空气平衡容器内的最高点向下运动，单向进气阀关闭，钢安全壳内低温空气停止进入空气平衡容器，单向排气阀82打开，低温空气通过导管被压入预应力混凝土安全壳内，至此完成了一次将低温空气从钢安全壳内至预应力混凝土安全壳内的输送，即一个冲程。随压力释放阀高压蒸汽的继续排出，转轮不停运转，低温空气不断输送至预应力混凝土安全壳中，如此循环往复。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，可确保不出现长期的持续高额超压，使得严重事故下钢安全壳内的空气不会因预应力混凝土安全壳内高温气体长时间释放而造成压力过高，从而提高钢安全壳的安全性。
2、符合本发明的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置采用非能动排热的理念，整个运转过程中仅使用了事故下的预应力混凝土安全壳内部高压气体动能，不需任何外接能源支持，从而避免核电厂遭遇类似日本福岛核电那样极端的全厂长期断电的情况发生。
3、符合本发明的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置中的采用压力释放阀和单向阀均设计为压力气动开启型，能确保阀门在严重事故下不依赖外力而执行其功能。
4、符合本发明的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置可实现预应力混凝土安全壳的高压高温气体和钢安全壳内的低压低温气体的连续交换，能更有效降低预应力混凝土安全壳内部的温度和压力。
5、符合本发明的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置可将压力释放阀排放的高温蒸汽动能转换为活塞的动能，不仅可以避免高温蒸汽直接喷射在钢安全壳局部而造成的不利影响，还可为非能动空气平衡装置提供持续的动力。
附图说明
图1为符合本发明优选实施例的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置包括：
安全壳底板1；所述安全壳底板1为钢筋混凝土结构，坐落在地基上。
钢安全壳2；所述钢安全壳2设置在所述安全壳底板1上，与所述安全壳底板1围成第一容腔；
预应力混凝土安全壳3；所述预应力混凝土安全壳3设置在所述安全壳底板1上，并位于所述第一容腔内；所述预应力混凝土安全壳3与所述安全壳底板1围成第二容腔31；所述预应力混凝土安全壳3与所述钢安全壳2之间设有空隙32；
压力释放阀4；所述压力释放阀4设置在所述预应力混凝土安全壳3上，将所述第二容腔31和所述预应力混凝土安全壳3和钢安全壳2之间的空隙32连通；所述压力释放阀4在压力超过限制时自动开启，能在严重事故延期超压期间把预应力混凝土安全壳3内的高压蒸汽逐步循环排放至钢安全壳2内，以减轻预应力混凝土安全壳3的长期压力负担；
带叶片51的转轮5；所述带叶片51的转轮5设置在所述预应力混凝土安全壳3和所述钢安全壳2之间的空隙32内，并位于所述压力释放阀4的上方；所述带叶片51的转轮5能够将压力释放阀4排出的高速气体的动能转换为带叶片51的转轮5的动能，同时带叶片51的转轮5还能避免高温气体直接冲击钢安全壳2，起到保护作用。
带连杆61的转轮6；所述带连杆61的转轮6设置在所述预应力混凝土安全壳3和所述钢安全壳2之间的空隙32内，并与所述带叶片51的转轮5传动连接；所述带连杆61的转轮6上的连杆61偏心设置；所述带叶片51的转轮5转动时，带动所述带连杆61的转轮6转动，从而使所述带连杆61的转轮6上的连杆61移动；
空气平衡容器7；所述空气平衡容器7一端采用活塞密封；所述活塞包括活塞头71和活塞杆72；所述活塞杆72的上端与所述带连杆61的转轮6上的连杆61铰接，下端与所述活塞头71连接；所述带连杆61的转轮6上的连杆61移动时，带动所述活塞头71在所述空气平衡容器7内移动；空气平衡容器7为钢制容器，直径100-500mm，厚度10-60mm。
导管8；所述导管8的一端与所述空气平衡容器7连通，另一端与所述第二容腔31连通；所述导管8设有两个单向阀门；两个所述单向阀门分别为进气阀81和排气阀82；所述活塞头71在所述空气平衡容器7内移动时，所述进气阀81开启，同时所述排气阀82关闭，或者所述进气阀81关闭，同时所述排气阀82开启。导管8由直径10mm-150mm的碳钢管制成。
优选地，所述预应力混凝土安全壳包括第一穹顶33和第一筒壁34；所述压力释放阀4位于所述第一穹顶33的中心位置。
优选地，所述带叶片51的转轮5单向转动。
优选地，所述带叶片51的转轮5和所述带连杆61的转轮6通过传动装置传动连接；所述传动装置为传动带9，可根据结构尺寸和空间限制调整平衡装置的位置。
优选地，所述活塞头71由两层5-15mm厚的钢板包夹10-200mm厚的橡胶制成。
优选地，所述活塞杆72的截面为十字形。
优选地，所述活塞杆72由合金钢制成，厚度为10-40mm。
优选地，所述导管8通过贯穿件83与所述第二容腔31连通。
优选地，所述预应力混凝土安全壳包括第一穹顶33和第一筒壁34；所述贯穿件83贯穿所述预应力混凝土安全壳3的第一筒壁34。
第一筒壁34的内壁以及安全壳底板1的上表面均设置防泄漏的钢衬里。圆筒型的第一筒壁34及半椭球的第一穹顶33的下半部设有双层环向预应力钢束，预应力混凝土安全壳3承受内压的能力提升为现有设计的2-3倍，足以承担严重熔塌事故工况下的延期超压。
钢安全壳2，包括圆筒型的第二筒壁21和半椭球型的第二穹顶22，罩在预应力混凝土安全壳3四周，形成密闭的散热器。它接受从预应力混凝土安全壳3压力释放阀4排出的高压蒸汽，经过钢安全壳2外部的水冷和风冷，把热量传输给大气，同时钢安全壳2内冷却后的气体继续与预应力混凝土安全壳3内的高压蒸汽进行热交换。
所述预应力混凝土安全壳3，内半径24米，第一筒壁34的壁厚2.4m，第一穹顶33厚1.5m，高度约70m。筒身上有两个间隔180°的扶壁柱，用于环向预应力钢束的锚固。
所述钢安全壳2，其第二筒壁21与预应力混凝土安全壳3的间距约为2m。其第二穹顶22与预应力混凝土安全壳3的间距约为4m，材料为锅炉钢，厚度约25mm。
所述安全壳底板1，为钢筋混凝土结构，厚约5m。
在发生严重事故时，为了避免预应力混凝土安全壳3长期处于持续的高温超压状态，顶部的压力释放阀4超过一定压力会自动开启，并向预应力混凝土安全壳3和钢安全壳2之间的空隙32内排放高压蒸汽。此时带叶片51的转轮5会在高压蒸汽的强力冲击下快速运转，并通过传动带9带动带连杆61的转轮6发生转动，连杆61的起始位置处于带连杆61的转轮6的最左侧，此时活塞头71在空气平衡容器7内处于运动轨迹最低点。带连杆61的转轮6转动时，通过连杆61先驱使活塞头71向上运动，单向进气阀81打开，钢安全壳2内部低温空气被吸入平衡容器，此时单向排气阀82处于关闭状态；待连杆61转过半圈时，活塞从空气平衡容器7内的最高点向下运动，单向进气阀81关闭，钢安全壳2内低温空气停止进入空气平衡容器7，单向排气阀82打开，低温空气通过导管8被压入预应力混凝土安全壳3内，至此完成了一次将低温空气从钢安全壳2内至预应力混凝土安全壳3内的输送，即一个冲程。随压力释放阀4高压蒸汽的继续排出，转轮不停运转，低温空气不断输送至预应力混凝土安全壳3中，如此循环往复。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，可确保不出现长期的持续高额超压，使得严重事故下钢安全壳2内的空气不会因预应力混凝土安全壳3内高温气体长时间释放而造成压力过高，从而提高钢安全壳2的安全性。
2、符合本发明的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置采用非能动排热的理念，整个运转过程中仅使用了事故下的预应力混凝土安全壳3内部高压气体动能，不需任何外接能源支持，从而避免核电厂遭遇类似日本福岛核电那样极端的全厂长期断电的情况发生。
3、符合本发明的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置中的采用压力释放阀4和单向阀均设计为压力气动开启型，能确保阀门在严重事故下不依赖外力而执行其功能。
4、符合本发明的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置可实现预应力混凝土安全壳3的高压高温气体和钢安全壳2内的低压低温气体的连续交换，能更有效降低预应力混凝土安全壳3内部的温度和压力。
5、符合本发明的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置可将压力释放阀4排放的高温蒸汽动能转换为活塞的动能，不仅可以避免高温蒸汽直接喷射在钢安全壳2局部而造成的不利影响，还可为非能动空气平衡装置提供持续的动力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对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，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，其特征在于，包括：
安全壳底板；
钢安全壳；所述钢安全壳设置在所述安全壳底板上，与所述安全壳底板围成第一容腔；
预应力混凝土安全壳；所述预应力混凝土安全壳设置在所述安全壳底板上，并位于所述第一容腔内；所述预应力混凝土安全壳与所述安全壳底板围成第二容腔；所述预应力混凝土安全壳与所述钢安全壳之间设有空隙；
压力释放阀；所述压力释放阀设置在所述预应力混凝土安全壳上，将所述第二容腔和所述预应力混凝土安全壳和钢安全壳之间的空隙连通；
带叶片的转轮；所述带叶片的转轮设置在所述预应力混凝土安全壳和所述钢安全壳之间的空隙内，并位于所述压力释放阀的上方；
带连杆的转轮；所述带连杆的转轮设置在所述预应力混凝土安全壳和所述钢安全壳之间的空隙内，并与所述带叶片的转轮传动连接；所述带叶片的转轮转动时，带动所述带连杆的转轮转动，从而使所述带连杆的转轮上的连杆移动；
空气平衡容器；所述空气平衡容器一端采用活塞密封；所述活塞包括活塞头和活塞杆；所述活塞杆的上端与所述带连杆的转轮上的连杆铰接，下端与所述活塞头连接；所述带连杆的转轮上的连杆移动时，带动所述活塞头在所述空气平衡容器内移动；
导管；所述导管的一端与所述空气平衡容器连通，另一端与所述第二容腔连通；所述导管设有两个单向阀门；两个所述单向阀门分别为进气阀和排气阀；所述活塞头在所述空气平衡容器内移动时，所述进气阀开启，同时所述排气阀关闭，或者所述进气阀关闭，同时所述排气阀开启。
2.如权利要求1所述的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，其特征在于，所述预应力混凝土安全壳包括第一穹顶和第一筒壁；所述压力释放阀位于所述第一穹顶的中心位置。
3.如权利要求1所述的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，其特征在于，所述带叶片的转轮单向转动。
4.如权利要求1所述的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，其特征在于，所述带叶片的转轮和所述带连杆的转轮通过传动装置传动连接；所述传动装置为传动带。
5.如权利要求1所述的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，其特征在于，所述活塞头由两层钢板包夹橡胶制成。
6.如权利要求1所述的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，其特征在于，所述活塞杆的截面为十字形。
7.如权利要求1所述的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，其特征在于，所述活塞杆由合金钢制成。
8.如权利要求1所述的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，其特征在于，所述导管通过贯穿件与所述第二容腔连通。
9.如权利要求8所述的用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置，其特征在于，所述预应力混凝土安全壳包括第一穹顶和第一筒壁；所述贯穿件贯穿所述预应力混凝土安全壳的第一筒壁。
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| CN201510895864.9A CN105336381A (zh) | 2015-12-07 | 2015-12-07 | 一种用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置 |
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| CN201510895864.9A CN105336381A (zh) | 2015-12-07 | 2015-12-07 | 一种用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置 |
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| CN105336381A true CN105336381A (zh) | 2016-02-17 |
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| CN201510895864.9A Pending CN105336381A (zh) | 2015-12-07 | 2015-12-07 | 一种用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109738225A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-05-10 | 福建福清核电有限公司 | 一种核电厂安全壳混凝土留样方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2812300A1 (de) * | 1978-03-21 | 1979-10-04 | Hochtemperatur Reaktorbau Gmbh | Kernkraftwerksanlage |
| JPS6415695A (en) * | 1987-07-09 | 1989-01-19 | Toshiba Corp | Vacuum apparatus of high pressure gas for testing leakage of reactor container |
| CN102956275A (zh) * | 2011-08-25 | 2013-03-06 | 巴布科克和威尔科克斯核能股份有限公司 | 具有紧凑的非能动安全系统的压水反应堆 |
| US20130272475A1 (en) * | 2012-04-12 | 2013-10-17 | Westinghouse Electric Company Llc | Passive containment air cooling for nuclear power plants |
| CN103400609A (zh) * | 2013-08-12 | 2013-11-20 | 厦门大学 | 一种非能动安全壳冷却系统 |
| CN205230602U (zh) * | 2015-12-07 | 2016-05-11 | 上海核工程研究设计院 | 一种用于核电厂三重安全壳的空气平衡装置 |
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2015
- 2015-12-07 CN CN201510895864.9A patent/CN105336381A/zh active Pending
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