CN107578828A - 一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，属于核电厂安全领域。该系统系统包括喷射子系统、换热器入口管段、水空间换热器、气空间换热器、换热器出口管段、烟囱以及相关的管道阀门。当乏燃料水池温度高于警戒值时，系统自动投入运行，通过喷射子系统中高压储气罐喷射的高压气体引射燃料厂房外的空气或同时引射储水罐中的水和燃料厂房外的空气，增加了冷却流体总量的同时为冷却回路提供了强大的驱动力。当喷射子系统中的水或气体用尽时，系统还能依靠的冷热段空气的密度差形成非能动的自然循环，对乏燃料水池进行长期冷却，确保事故工况下并失去外部电源时，乏燃料水池在3‑6天甚至更长的时间内能得到快速有效地非能动冷却。

Description

一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统

技术领域

本发明公开了一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，属于核电厂安全领域。

背景技术

随着核电技术不断发展，核电站的安全问题也得到越来越多的重视。现有技术中的乏燃料水池冷却系统一般依靠能动设备运转，而这些能动设备的运转则需要依赖于核电厂的主电源或应急电源。当核电厂出现事故而导致全部断电时，能动设备面临失去电源供应而无法启动冷却系统。在这样的情况下，乏燃料产生的热量就会得不到释放，从而导致乏燃料水池内的温度持续升高。更严重的是乏燃料池内的水沸腾并蒸发，在燃料厂房内充斥高温气体，对事故处理造成阻碍。同时，由于蒸发(或其他原因失水)导致液位下降，乏燃料组件因裸露出冷却剂之外而失去冷却，甚至发生破损，增加了放射性物质释放的危险。为了提高核电站的安全性，在事故条件下，需要对核电站的乏燃料水池进行有效地冷却，因此需要有效、可靠的冷却系统，以供在事故工况下对乏燃料水池进行冷却。公开号为CN205177415U的专利文件中，公开的“一种核电厂乏燃料水池非能动热管冷却系统”主要特征在于由蒸发器、气体上升管、冷凝器、液体下降管依次连接而形成闭式冷却回路。冷却介质收容在闭式冷却回路中并存在气液两种状态，由液态和气态的密度差驱动而在闭式冷却回路中进行非能动循环，通过蒸发和冷凝对乏燃料水池进行持续冷却。公开号为CN204029398U的专利文件中，公开的“非能动乏燃料水池冷却系统”主要特征在于包括空冷塔及至少一组冷却装置，空冷塔的两端连通大气空间，冷却装置的上端设于所述空冷塔内，冷却装置的下端容置于乏燃料水池内，且冷却装置内形成冷却循环通道，实现乏燃料水池的非能动冷却。

上述专利中的非能动乏燃料水池冷却系统仅依靠自然循环所能提供的驱动压头较小，且上述专利中需要利用空气对冷却介质蒸汽进行冷凝，由于空气侧换热系数较小，难以取得较好的冷凝效果。若能在冷却循环回路中采用喷射技术，不仅可以为循环提供强有效的驱动力，从而明显的提高系统的排热能力。同时，利用高压气体同时引射水和空气，依靠冷却水在传热管表面上的蒸发利用水的汽化潜热带走大量热量，而空气则可以有效地带走蒸发的水蒸气。从而发明一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，将会使事故条件下乏燃料水池的非能动冷却更加安全可靠。

发明内容

本发明提供了一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，本发明的目的在于对于核电站乏燃料水池，确保事故工况下并失去外部电源时，乏燃料水池在3-6天甚至更长的时间内能得到快速有效地非能动冷却。

本发明的目的是这样实现的:本发明提供的一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统包括喷射子系统、换热器入口管段、水空间换热器、气空间换热器、换热器出口管段、烟囱以及相关的管道阀门。其中所述的喷射子系统有两种结构，一种结构为高压储气罐的出口与气-(气、水)喷射器的渐缩喷嘴相连接，储水罐出口与气-(气、水)喷射器的接受室相连接，厂房外空气进口与气-(气、水)喷射器接受室相连接，气-(气、水)喷射器出口与换热器入口相连。高压储气罐喷出的高压气体，流经喷嘴加速后形成高速射流，导致被引射的水在高速气流的重用下被雾化成小液滴，有助于水的蒸发，增强系统的换热能力。在引射水的同时引射燃料厂房外的空气，不仅可以大大提高冷却流量总量，同时可以有效的减少所需要的高压气体，从而可以减小高压储气罐的体积；喷射子系统的另一种结构为高压储气罐的出口与气-气喷射器的渐缩喷嘴相连接，厂房外空气入口与气-气喷射器接受室相连接，气-气喷射出口与换热器入口相连。高压储气罐喷出的高压气体引射厂房外空气，利用空气进行冷却，可通过优化气-气喷射器结构提高引射量来增强冷却效果。

气-气喷射器存在两种引射方式，一种引射方式为高压储气罐出口的高压气体通过渐缩喷嘴沿轴线方向通入气-气喷射器，燃料厂房外的空气从周向被引射进气-气喷射器的接受室。另一种引射方式为高压储气罐出口的高压气体通过多个渐缩喷嘴沿周向进入气-气喷射器，厂房外空气沿轴线方向被引射进气-气喷射器的接受室，通过多个渐缩喷嘴从周向引射，可提高引射效果。

气-气喷射装置或气-(气、水)喷射装置的优点在于，高压的气体通过引射燃料厂房外的空气或同时引射储水罐中的水和燃料厂房外的空气，大大增加了冷却流体的总量，有效的增强了换热能力。同时，高压的气体通过喷射装置引射厂房外空气或同时引射储水罐中的水和燃料厂房外的空气，可以为冷却回路提供较大的驱动力，能够快速有效的导出乏燃料产生的热量。

气-(气、水)喷射器和气-气喷射器在结构上均包括渐缩喷嘴、接受室、混合室和扩散器四个部分，结构相对简单，没有运动部件，运行安全可靠。其工作原理为：高压储气罐喷出的高压气体在通过喷射器渐缩喷嘴加速后，形成了高速射流，同时在喷嘴出口区域形成负压，从而卷吸引射流体至混合室，并在混合室进行混合，在扩散器进行升压，最终形成一股压力较高的混合流体。

高压储气罐和储水罐采用不锈钢材料，可布置在燃料厂房内或燃料厂房外。高压储气罐内储存有高压的空气或氮气或二氧化碳或氦气等，储水罐内储存有常压的水，其中的气体和储水罐中的水均可以满足事故条件下持续释放至少3-6天。高压储气罐和储水罐均可采用地下或半地下的方式安装，这样不仅可以节省燃料厂房内的空间，而且地下或半地下安装可以确保高压储存罐内的气体和储水罐中的水始终处于一个较低的温度，可以增强换热。高压储气罐和储水罐，其出口管段上均设置有并联的常闭隔离阀，其中一个常闭隔离阀为备用。在乏燃料水池温度高于警戒值时，隔离阀自动开启，当乏燃料水池温度低于警戒值时，隔离阀自动关闭，无需操纵员干预，具有很好的非能动性。

水空间换热器，通过一台或多台串联的方式分散布置在乏燃料水池中，可通过分层布置在水池的四周或者布置在乏燃料水池储存格架周围，采用竖直方式布置。采用分层布置在水池四周时可以布置更多的换热器，布置在乏燃料水池四周可以让换热器不占用乏燃料组件所需的空间。而布置在让燃料水池储存格架周围时，由于乏燃组件周围水温相对较高，有助于换热。水空间换热器采用间壁式换热器，如管壳式换热器。乏燃料水池中的水走壳程时，喷射装置出口的混合流体走管程；乏燃料水池中的水走管程时，喷射装置出口的混合流体走壳程。此时可在壳程布置适量的折流板，可增强壳程的换热能力。换热管可采用光管或强化换热管，如翅片管等，可通过强化换热技术来提高换热器的换热能力。

在事故条件下，乏燃料水池内的水受热蒸发，蒸汽气体首先向上流动，气体流经气空间换热器冷却后向下流动，这样形成了大空间气体循环，可以增强换热能力。

气空间换热器采用光管或者强化换热管作为换热元件，采用一台或多台串联的方式分散布置在燃料厂房气空间。根据实际情况布置，如采用水平略向下倾斜或者竖直方式布置，可以减小管内流体的流动阻力。在事故条件下，乏燃料水池中的水随着温度升高，有部分水会蒸发，向上流动的水蒸汽接触到气空间换热器时，会在其表面冷凝后重新落入乏燃料水池中，可以让乏燃料水池的水能够循环利用，有助于带走乏燃料水池中的热量。

烟囱优点在于，将气体从烟囱排出，不仅可以对混合气体进行净化处理，而且大大提高了系统上升段的高度，增加了系统的驱动压头，有效的增强了系统的排热能力。烟囱入口管段上设有常开隔离阀，在燃料厂房内设备发生破损时，隔离阀自动关闭，从而阻止放射性物质外泄，保证周围人员及环境安全。

本发明的优势在于：

(1)当燃料厂房发生事故并失去外部电源时，本系统可以快速有效地带走燃料厂房内的热量，保证乏燃料水池的水位和温度以及燃料厂房内的温度和压力处于安全限值以内，整个运行过程不需要操纵员干预，无需外部动力，具有很好的非能动性。

(2)在本系统中引入喷射子系统，不仅大大提高了冷却流体总量，而且通过喷射系统为循环提供强了大的驱动力，有效地增强系统了排热能力，有利于减小换热器体积。

(3)本系统中的气-(气、水)喷射器，通过高压储气罐内喷出的高压气体在喷管内加速流动同时引射储水罐内水和燃料厂房外空气，依靠冷却水在传热管表面上的蒸发，利用水的汽化潜热带走大量热量，而快速流动的空气不仅有助于水的蒸发，而且能够有效地带走蒸发的水蒸气，不需要考虑对蒸汽进行冷凝，保证冷却回路能持续高效运行。

(4)在本系统中水空间换热器和气空间换热器均可采用强化换热管作为换热元件，可以有效地增强系统的换热能力，减小换热设备的体积。同时，本系统仅依靠一级排热装置对乏燃料水池进行冷却，传热环节少，换热效率高，能有效的减少换热设备的体积。

(5)本系统不仅可以在事故初期的3-6天内，通过喷射技术保证事故条件下的乏燃料水池得到高效可靠的非能动冷却。当喷射子系统中的水或气体用尽时，系统还能依靠的冷热段空气的密度差形成非能动的自然循环，对乏燃料水池进行长期冷却。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明喷射子系统的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于下面例子中所描述的具体实施方式。

结合图1，本发明提供的一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统包括：喷射子系统、换热器入口管段104、水空间换热器12、气空间换热器13、换热器出口管段105、烟囱16以及相关的管道与阀门。其中，喷射子系统有两种结构：喷射子系统1包括高压储气罐3、储水罐4、气-(气、水)喷射器11、高压储气罐出口管段101、储水罐出口管道102、空气入口管段103以及相关的管道与阀门；喷射子系统2包括高压储气罐20、气-气喷射器23、高压储气罐出口管段107、空气入口管段108以及相关的管道与阀门。在本系统中，喷射子系统出口与换热器入口管段104相连接，水空间换热器12与气空间换热器13采取并联方式与换热器出口管段105相连接，换热器出口管段105与烟囱16相连接。本系统通过引入喷射子系统，利用喷射技术对事故条件下的乏燃料水池进行高效可靠的非能动冷却。

本发明的工作原理如下：以喷射子系统1为例，当乏燃料水池18温度低于警戒值时，常闭隔离阀5(常闭隔离阀7备用)、常闭隔离阀6(常闭隔离阀8备用)、常闭隔离阀9以及常闭隔离阀10均处于关闭状态，系统未工作。当乏燃料水池18温度高于警戒值时，常闭隔离阀5、常闭隔离阀6、常闭隔离阀9以及常闭隔离阀10均自动打开。高压储气罐3内的气体在压力的作用下高速喷出，通过高压储气罐出口管段101后进入气-(气、水)喷射器11的渐缩喷嘴。高压气体在流经喷嘴时会加速形成高速射流，并在喷嘴出口形成负压，同时引射储水罐4中的水和燃料厂房19外面的空气。储水罐4中的水在压力的作用下通过储水罐出口管段102被引射进气-(气、水)喷射器11的接受室。燃料厂房19外的空气在压力的作用下通过空气入口管段103被引射进气-(气、水)喷射器11的接受室。被引射的水在接受室内在高速气体的冲击下会被雾化，形成雾状小液滴，并与高速的气体、空气在混合室进行混合。混合流体在流经扩散器时，压力会升高，最终在扩散器出口形成一股压力较高的混合流体。气-(气、水)喷射器11出口的混合流体很快进入换热器入口管段104。混合流体分流进入水空间换热器12和气空间换热器13，水空间换热器12和气空间换热器13以并联方式同时运行，有效地增加了了系统的排热量。混合流体流经水空间换热器12与乏燃料水池18进行换热时，由于水空间换热器12采用竖直方式布置，可保证乏燃料水池18中的水流入水空间换热器12后，能依靠上升段与下降段的水的密度差形成非能动的自然循环。将水空间换热器12水侧换热由自然对流变为强迫流动，从而提高水侧的换热能力。混合流体流经气空间换热器13既可以与燃料厂房19内空气进行换热，又能与乏燃料水池18中蒸发的水蒸气进行冷凝换热，凝结后的水又重新又落入乏燃料水池18中，可以循环利用。混合流体在流经水空间换热器12和气空间换热器13后，在出口汇合，经过热交换后的混合流体温度升高，密度减小，然后流入换热器出口管段105。最终，混合流体通过烟囱16排入大气(最终热阱)。将混合流体从烟囱16排出，不仅可以对混合气体进行净化处理，而且大大提高了系统上升段的高度，为冷却回路提供了较大的附加驱动力，有效的增强了系统的排热能力。同时，根据相关要求在烟囱入口管段106上，在燃料厂房19的墙内外分别设置常开隔离阀14和常开隔离阀15，在燃料厂房19内设备发生破损等情况时，常开隔离阀14和常开隔离阀15均自动关闭，阻止放射性物质外泄，保证周围人员及环境安全。当乏燃料水池温度低与警戒值时，常闭隔离阀5和常闭隔离阀6均自动关闭，防止高压储气罐3中的气体和储水罐4中的水一次性用完。高压储气罐3和储水罐4中的气体和水均可以满足事故条件下持续释放至少3-6天，当高压储气罐3中的气体或储水罐4中的水用尽时，系统进入自然循环模式，利用冷热段空气的密度差形成非能动的自然循环，持续对乏燃料水池进行冷却，保证乏燃料水池事故的中后期排出系统余热，实现对乏燃料水池的长期冷却。

Claims (10)

1.一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，其特征在于：所述的冷却系统包括喷射子系统、换热器入口管段(104)、水空间换热器(12)、气空间换热器(13)、换热器入口管段(104)、换热器出口管段(105)、烟囱(16)以及相关的管道阀门，喷射子系统出口与换热器入口管段相连接，水空间换热器与气空间换热器采取并联方式与换热器出口管段相连接，换热器出口管段与烟囱相连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，其特征在于：所述的喷射子系统具有两种结构，喷射子系统(1)结构为高压储气罐(3)的出口管段(101)上并联安装常闭隔离阀(6)、常闭隔离阀(8)，然后与气-(气、水)喷射器(11)的渐缩喷嘴相连接，储水罐(4)的出口管道(102)上并联安装常闭隔离阀(5)、常闭隔离阀(7)，然后与气-(气、水)喷射器(11)的接受室相连接，厂房外空气进口管段(103)上串联相隔一定距离安装常闭隔离阀(9)、常闭隔离阀(10)，然后与气-(气、水)喷射器(11)的接受室相连接，气-(气、水)喷射器(11)出口与换热器入口管段相连接。

3.根据权利要求1所述的一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，其特征在于：所述的喷射子系统具有两种结构，喷射子系统(2)结构为高压储气罐(20)的出口管道(107)上并联安装常闭隔离阀(21)、常闭隔离阀(22)，然后与气-气喷射器的渐缩喷嘴(23)相连接，厂房外空气入口管道(108)上相隔一定距离串联安装常闭隔离阀(24)、常闭隔离阀(25)，然后与气-气喷射器接受室相连接，气-气喷射出口与换热器入口管段相连接。

4.根据权利要求1所述的一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，其特征在于：所述的高压储气罐和储水罐采用不锈钢材料，可布置在燃料厂房内或燃料厂房外，均可采用地下或半地下的方式安装。

5.根据权利要求1所述的一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，其特征在于：所述的高压储气罐内储存有高压的空气或氮气或二氧化碳或氦气等，储水罐内储存有常压的水，高压储气罐中的气体和储水罐中的水均需要满足事故条件下持续释放至少3-6天。

6.根据权利要求1所述的一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，其特征在于：所述的高压储气罐和储水罐，其出口管段上均设置有并联的常闭隔离阀，其中一个常闭隔离阀为备用。

7.根据权利要求1所述的一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，其特征在于：所述的水空间换热器，通过一台或多台串联的方式分散布置在乏燃料水池(18)中，可通过分层布置在水池的四周或者布置在乏燃料水池储存格架周围，采用竖直方式布置。

8.根据权利要求1所述的一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，其特征在于：所述的水空间换热器采用间壁式换热器，如管壳式换热器，乏燃料水池中的水走壳程时，喷射装置出口的混合流体走管程；乏燃料水池中的水走管程时，喷射装置出口的混合流体走壳程，此时可在壳程布置适量的折流板，换热管可采用光管或强化换热管，如翅片管等。

9.根据权利要求1所述的一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，其特征在于：所述的气空间换热器采用光管或者强化换热管作为换热元件，采用一台或多台串联的方式分散布置在燃料厂房气空间，根据实际情况布置，如采用水平略向下倾斜或者竖直方式布置。

10.根据权利要求1所述的一种采用喷射技术的高效非能动乏燃料水池冷却系统，其特征在于：所述的烟囱入口管段(106)上串联设有常开隔离阀(14)、常开隔离阀(15)，在燃料厂房(19)内设备发生破损时，常开隔离阀自动关闭。