CN106531244A - 一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，包括安全壳、安全壳非能动换热器、入口管线、出口管线，设置于浮动核电站船体里的安全壳为封闭结构，安全壳非能动换热器设置在安全壳内部，安全壳非能动换热器侧面设置引流板，入口管线通过安全壳入口贯穿件伸入至安全壳内部并连通安全壳非能动换热器入口，出口管线通过安全壳出口贯穿件伸入至安全壳内部并连通安全壳非能动换热器出口，出口管线的端部安装汽水分离排气器。本发明在安全壳内发生破口事故时可以长期有效的带走安全壳内部热量，防止安全壳内部超温超压。

Description

一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统

技术领域

本发明涉及的是一种核电站换热装置，具体地说是安全壳冷却系统。

背景技术

自核能首次为人类提供电力至今已有半个多世纪的时间，随着核能技术的不断成熟，其应用范围也在日益扩大。从早期的核电站、核动力商船到今天的浮动式核电站以及核动力破冰船。期间，如何增强核电站的安全性一直是相关研究人员关注的重点。在常规核电站中，为了提高核电厂的安全性并在事故条件下有效的缓解事故严重性，在第三代核电技术中广泛应用了非能动安全壳冷却系统。

上述系统的一种典型结构由安全壳外置换热水箱，安全壳非能动换热器，以及连接水箱和换热器的管道阀门等组成，其中换热水箱在布置上高于换热器。这样，在安全壳内主冷却剂回路发生破口事故时，大量高温蒸汽喷放进入安全壳气空间。期间，安全壳非能动换热器不断吸收壳内的蒸汽冷凝释放的汽化潜热，致使换热器及上升管段水温不断升高，密度不断减小。在非能动安全壳冷却系统冷热管段重位差的驱动下形成自然循环流动，进而持续导出安全壳内余热，防止超温超压。

上述系统多用于陆用核电站的安全壳非能动余热导出。考虑到浮动式核电站所处得海洋环境和陆地有较大差异。因而，有必要针对浮动式核电站及其所处海洋条件发明一种合理可行的非能动安全壳冷却系统。

浮动式核电站运行过程中位于海洋这一自然界最终热阱。如果能设计一套结构简单的非能动安全壳冷却系统，可直接引用海水对安全壳进行冷却，则可以长期有效的保证安全壳内余热的导出，提高浮动核电站的安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供防止事故条件下安全壳内超温超压的一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，其特征是：包括安全壳、安全壳非能动换热器、入口管线、出口管线，设置于浮动核电站船体里的安全壳为封闭结构，安全壳非能动换热器设置在安全壳内部，安全壳非能动换热器侧面设置引流板，入口管线通过安全壳入口贯穿件伸入至安全壳内部并连通安全壳非能动换热器入口，出口管线通过安全壳出口贯穿件伸入至安全壳内部并连通安全壳非能动换热器出口，出口管线的端部安装汽水分离排气器，入口管线位于浮动核电站船体与安全壳之间的部分依次安装入口管线隔离阀、低阻力过滤器组件、安全壳外入口隔离阀，入口管线位于安全壳里的部分安装安全壳内入口隔离阀，出口管线位于汽水分离排气器和浮动核电站船体之间的部分依次安装出口管线隔离阀、安全壳外出口管线隔离阀，出口管线位于安全壳里的部分安装安全壳内出口隔离阀。

本发明还可以包括：

1、所述安全壳非能动换热器包括换热器入口联箱、换热管、换热器出口联箱，换热管分别连通换热器入口联箱和换热器出口联箱，换热器入口联箱上设置安全壳非能动换热器入口，换热器出口联箱上设置安全壳非能动换热器出口。

2、所述的换热管为小盘管光管或C型光管，换热管采用单排或双排布置，当换热管为C型管时，换热管相对于换热器入口联箱单侧或两侧布置。

3、入口管线位于浮动核电站船体外部的部分设置入口段，入口段包括依次相连的大管径段、渐缩段、小管径段，大管径段的端部安装大孔径生物隔离网，在入口段外设置小孔径生物隔离网。

4、所述低阻力过滤器组件包括低阻力过滤器，在低阻力过滤器前后均设置有过滤器隔离阀，低阻力过滤器包括结构相同、对称安装的左半部分和右半部分，右半部分包括依次连接的圆筒形结构、渐缩管段、细管段，左半部分的圆筒形结构与右半部分的圆筒形结构通过过滤网相连；低阻力过滤器组件包括两组，以并联的方式安装在入口管线上；所述入口管线隔离阀包括两个，以并联的方式安装在入口管线上，所述出口管线隔离阀包括两个，以并联的方式安装在出口管线上。

5、汽水分离排气器包括大管径套筒，出口管线伸入至大管径套筒里，出口管线的端部设置渐扩管，渐扩管之前的出口管线上设置通孔，大管径套筒的端部设置生物屏蔽网，大管径套筒沿水平方向向下倾斜θ角，θ不大于30度。

本发明的优势在于：

(1)考虑到了非能动安全壳冷却系统的具体应用环境，并针对所处海洋条件的浮动式核电站发明了针对性的非能动安全壳冷却系统。

(2)相对于现有的非能动安全壳热量导出系统的一些应用实例，本发明在结构设计上更简单有效，尽可能的减少了不必要的管线、水箱、阀门的等。这在增强系统安全性和可靠性上是有利的。

(3)系统运行时，直接采用海水这一最终热阱作为冷却剂。由于海水具有温度低且蓄热量大的特点，在安全壳内发生破口事故时可以长期有效的带走安全壳内部热量，防止安全壳内部超温超压。

(4)在安全壳非能动换热器中采用螺旋盘管并在换热器侧面安装引流板以增强换热器管内与管外的换热量，提高非能动安全壳冷却系统的换热性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为入口管段生物隔离网示意图；

图3为低阻力过滤器示意图；

图4a为小盘管光管单排换热器正视图，图4b为小盘管光管单排换热器侧视图；

图5a为小盘管光管双排换热器正视图，图5b为小盘管光管双排换热器侧视图；

图6a为C型管换热器单排管单侧布置正视图，图6b为C型管换热器单排管单侧布置侧视图；

图7a为C型管换热器多排管单侧布置正视图，图7b为C型管换热器多排管单侧布置侧视图；

图8a为C型管换热器单排管双侧布置正视图，图8b为C型管换热器单排管双侧布置侧视图；

图9a为C型管换热器多排管双侧布置正视图，图9b为C型管换热器多排管双侧布置侧视图；

图10a为多排管束换热器管束矩形布置的示意图，图10b为多排管束换热器管束交叉布置的示意图；

图11为汽水分离排气器示意图。

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1-11，由于浮动式核电站多用于海洋环境或岛礁附近，在发生事故时很难引用场外电源给能动系统提供电力，这样加大了其对非能动安全系统的依赖。本发明考虑到在冷却剂回路或蒸汽管线发生破口事故时不需操作人员的操作，通过采用非能动自然循环的原理，引用海水作为冷却剂长期有效的带走安全壳内的热量。

本发明应用于浮动式核电站的非能动安全壳冷却系统(PCS)包括入口管线1、入口管线隔离阀2、低阻力过滤器3、过滤器隔离阀4、安全壳外入口隔离阀5、安全壳入口贯穿件6、安全壳内入口隔离阀7、安全壳非能动换热器8、安全壳内出口隔离阀9、安全壳出口贯穿件10、安全壳外出口管线隔离阀11、出口管线12、出口管线隔离阀13和汽水分离排气器14。进出口管线1、12通过安全壳贯穿件6、10进入安全壳气空间15与换热器8相连。

本发明主要应用于反应堆主冷却剂系统或主蒸汽管线发生破口事故条件下。上述过程中，大量高温高压蒸汽喷放进入安全壳气空间15，导致其温度和压力不断升高。与此同时，在连锁信号的响应下，非能动安全壳冷却系统的进出口隔离阀2、13中各有一组自动打开。在初始阶段，堆坑16、安全壳壁面17以及安全壳内部构件可以吸收一部分热量。安全壳内部热量的长期导出需要本发明中的非能动安全壳热量导出系统来完成。

在事故长期发展过程中，高温蒸汽在喷放产生的动能以及浮力的作用下沿安全壳主流区向上流动，在穹顶区沿安全壳内壁面18折返向下流动。当蒸汽流经安全壳非能动安全壳换热器8时，在其换热管外表面凝结放热将热量传递到换热器冷却剂中。冷凝后的气体温度较低且空气质量份额增长，气体相对密度增加。在重力作用下，气体沿换热器8外壁面向下流动。经上述过程，安全壳内可形成大空间气体循环。为稳定上述循环过程并在增加气体在换热器附近流速以达到强化冷凝换热的作用，在换热器侧面安装引流板19。

上述换热过程中，非能动安全壳换热器8及与之相连接的上升管段被加热，导致换热器内部冷却剂的温度升高、密度减小，而安全壳外海水20温度低、密度大，在两侧重位差的驱动下，非能动安全壳系统内形成自然循环。

结合图2，低温海水流经入口管段周围小孔径生物隔离网21，并通过大孔径生物隔离网22流进入口管线1。为减小自然循环系统入口阻力，在入口段采用低阻力大管径结构，具体包括：大管径段23、渐缩段24以及小管径段25。

流经入口管线1的冷却剂首先通过低阻力过滤器3(如图3)。该装置为横向布置的圆筒形结构26、其通过两端渐缩管段27连接于入口管线1。过滤网28位于过滤器筒体中部且通过两侧法兰29夹紧。上述过滤器采用两组并联于入口管线，正常工作时开启其中一组，当该过滤器失效时可以快速切换到另一组并对失效过滤器进行维修。

经过滤的冷却剂流入安全壳非能动换热器8导出安全壳内余热。为增加系统排热能力，换热器传热管采用强化传热结构。具体的，一种采用小盘管光管结构(如图4)，包括水平布置的换热器入口联箱30、竖直/倾斜布置的小盘管换热管31及水平布置的换热器出口联箱32。根据系统排热功率的不同需求，在安全壳气空间布置一组或多组串联/并联的非能动换热器，传热管可以为单排或多排(如图5)。换热器另一种形式采用C型光管换热管33(如图6)，其在组成上与上述换热器相同。换热管可采用单排/多排布置于进出口联箱单侧或两侧(如图6-9)。其中，上述多排传热管在进出口联箱截面上的排布形式可以为矩形布置34也可以为三角形布置35(如图10)。

在换热器中被加热后的高温冷却剂流入汽水分离排气器14(如图11)。该设备具有横向布置的大管径套筒36嵌套于安全壳出口管线12。为降低自然循环系统阻力，在出口管线直管段37末端安装渐扩管38。在两相自然循环过程中，通过出口管线12向大管径套筒36的扩容以及在直管段末端周向钻通孔39，以降低排气噪音。出口管线及汽水分离排气器沿水平方向按一定夹角向下倾斜布置以促进气-液两相分离并提高自然循环能力。汽水分离排气器出口与外界大气40相连并在出口处布置外密内疏的两层生物屏蔽网41、42。

与一些反应堆安全壳冷却系统应用实例相比，本发明在投入运行过程中冷却剂来自海水20，其具有温度低储量大的特点，这保证了系统运行的持续性和有效性。

入口管线1位于海水水面以下，其相对于安全壳位于较低位置，以保证在系统运行过程中在入口能提供足够的压头。

入口管线1采用低阻力结构。具体地，包括入口大管径段23，渐缩段24以及小管径管段25。系统引用此结构可以降低入口段阻力，进而增强系统自然循环能力。

入口管线1周围安装有小口径生物屏蔽网21以防止海洋生物或杂质通过入口管进入自然循环回路。由于屏蔽网总面积较大，小口径屏蔽网21在有效防止外界生物/物质进入系统回路的基础上不会明显增加系统阻力。此外，在入口管口处安装较大孔径生物屏蔽网22。

入口管线隔离阀2采用两组并联的方式靠近浮动核电站船体内侧壁面布置。这两组隔离阀2互为备用以提高系统可靠性。在电站正常运行时，隔离阀2处于常闭状态，当发生LOCA事故时通过相关信号自动开启其中一个阀门。

低阻力过滤器3采用横向圆筒形结构26。圆筒两端26通过渐缩段27安装于系统入口管线1以降低自然循环回路阻力。过滤网28位于过滤器中部并通过两侧法兰29加紧，以便于维修和更换。

低阻力过滤器3及与之相连的两侧阀门4采用两组并联形式，互为备用。非能动安全壳冷却系统投入运行时启动其中的一组。当该组过滤器失效的时可以进行快速切换并及时维修。

入口管线1和出口管线12在安全壳内外侧均安装有隔离阀，这些隔离阀在非能动安全壳冷却系统维修过程中可以实现内外侧的隔离。

非能动安全壳换热器具有水平布置的进出口联箱30、32以及竖直布置的换热管31，并根据系统换热需求选用一组或多组串联/并联布置于安全壳气空间。

非能动安全壳换热器8采用小盘管光管或C型光管以到达强化换热的效果。换热管根据功率需求和空间结构可采用单排/多排管。其中C型管可以布置于联箱的一侧/两侧。

非能动安全壳换热器8，在靠近气空间主流的一侧设置引流板19，促使混合气体在安全壳内形成大空间循环。此外，它还可以提高换热器8附近气体循环流速以增强冷凝换热量。

换热器出口管线12及与之相连的汽水分离排气器14与水平方向成一定角度θ向下倾斜布置。这样一方面有利于提高系统自然循环驱动力，另一方面可以减小促使汽水分离有助于降低两相流动阻力。

出口管线隔离阀13安装于汽水分离排气器14前端，采用双组并联方式互为备用。在电站正常运行时，隔离阀13处于常闭状态，当发生LOCA事故时通过相关信号自动开启其中一个阀门。

汽水分离排气器14采用大管径结构，其始端嵌套于安全壳外出口管线12，末端穿过浮动核电站船体侧壁面与外界大气相通。嵌套于汽水分离排气器14内部的出口管段末端安装渐扩管38以降低系统阻力，并在直管段37末端周向钻入通孔39以起到消声作用。汽水分离排气器14与大气相通可以防止高功率时，换热器出口管线12产生的气液两相冷却剂直接进入低温海水中产生水锤而危害换热系统的结构完整性。此外，在汽水分离排气器14末端安装有外密内疏的两层生物屏蔽网41、42以防止外界物质进入自然循环回路。

Claims (10)

1.一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，其特征是：包括安全壳、安全壳非能动换热器、入口管线、出口管线，设置于浮动核电站船体里的安全壳为封闭结构，安全壳非能动换热器设置在安全壳内部，安全壳非能动换热器侧面设置引流板，入口管线通过安全壳入口贯穿件伸入至安全壳内部并连通安全壳非能动换热器入口，出口管线通过安全壳出口贯穿件伸入至安全壳内部并连通安全壳非能动换热器出口，出口管线的端部安装汽水分离排气器，入口管线位于浮动核电站船体与安全壳之间的部分依次安装入口管线隔离阀、低阻力过滤器组件、安全壳外入口隔离阀，入口管线位于安全壳里的部分安装安全壳内入口隔离阀，出口管线位于汽水分离排气器和浮动核电站船体之间的部分依次安装出口管线隔离阀、安全壳外出口管线隔离阀，出口管线位于安全壳里的部分安装安全壳内出口隔离阀。

2.根据权利要求1所述的一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，其特征是：所述安全壳非能动换热器包括换热器入口联箱、换热管、换热器出口联箱，换热管分别连通换热器入口联箱和换热器出口联箱，换热器入口联箱上设置安全壳非能动换热器入口，换热器出口联箱上设置安全壳非能动换热器出口。

3.根据权利要求2所述的一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，其特征是：所述的换热管为小盘管光管或C型光管，换热管采用单排或双排布置，当换热管为C型管时，换热管相对于换热器入口联箱单侧或两侧布置。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，其特征是：入口管线位于浮动核电站船体外部的部分设置入口段，入口段包括依次相连的大管径段、渐缩段、小管径段，大管径段的端部安装大孔径生物隔离网，在入口段外设置小孔径生物隔离网。

5.根据权利要求1-3任一所述的一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，其特征是：所述低阻力过滤器组件包括低阻力过滤器，在低阻力过滤器前后均设置有过滤器隔离阀，低阻力过滤器包括结构相同、对称安装的左半部分和右半部分，右半部分包括依次连接的圆筒形结构、渐缩管段、细管段，左半部分的圆筒形结构与右半部分的圆筒形结构通过过滤网相连；低阻力过滤器组件包括两组，以并联的方式安装在入口管线上；所述入口管线隔离阀包括两个，以并联的方式安装在入口管线上，所述出口管线隔离阀包括两个，以并联的方式安装在出口管线上。

6.根据权利要求4所述的一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，其特征是：所述低阻力过滤器组件包括低阻力过滤器，在低阻力过滤器前后均设置有过滤器隔离阀，低阻力过滤器包括结构相同、对称安装的左半部分和右半部分，右半部分包括依次连接的圆筒形结构、渐缩管段、细管段，左半部分的圆筒形结构与右半部分的圆筒形结构通过过滤网相连；低阻力过滤器组件包括两组，以并联的方式安装在入口管线上；所述入口管线隔离阀包括两个，以并联的方式安装在入口管线上，所述出口管线隔离阀包括两个，以并联的方式安装在出口管线上。

7.根据权利要求1-3任一所述的一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，其特征是：汽水分离排气器包括大管径套筒，出口管线伸入至大管径套筒里，出口管线的端部设置渐扩管，渐扩管之前的出口管线上设置通孔，大管径套筒的端部设置生物屏蔽网，大管径套筒沿水平方向向下倾斜θ角，θ不大于30度。

8.根据权利要求4所述的一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，其特征是：汽水分离排气器包括大管径套筒，出口管线伸入至大管径套筒里，出口管线的端部设置渐扩管，渐扩管之前的出口管线上设置通孔，大管径套筒的端部设置生物屏蔽网，大管径套筒沿水平方向向下倾斜θ角，θ不大于30度。

9.根据权利要求5所述的一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，其特征是：汽水分离排气器包括大管径套筒，出口管线伸入至大管径套筒里，出口管线的端部设置渐扩管，渐扩管之前的出口管线上设置通孔，大管径套筒的端部设置生物屏蔽网，大管径套筒沿水平方向向下倾斜θ角，θ不大于30度。

10.根据权利要求6所述的一种可用于浮动核电站的非能动安全壳冷却系统，其特征是：汽水分离排气器包括大管径套筒，出口管线伸入至大管径套筒里，出口管线的端部设置渐扩管，渐扩管之前的出口管线上设置通孔，大管径套筒的端部设置生物屏蔽网，大管径套筒沿水平方向向下倾斜θ角，θ不大于30度。