CN107644693B - 船用反应堆及直流蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船用反应堆及直流蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统，包括：直流蒸汽发生器，设置在安全壳内，直流蒸汽发生器上设有第一入口和第一出口；补水箱，储存有冷却剂，设置在安全壳外，补水箱上设有第二出口和第二入口，第二出口位于补水箱的液面以下；输入管，连接在第一入口和第二出口之间；输出管，连接在第一出口和第二入口之间；补水箱的液面高度高于第一入口，供补水箱的冷却剂由第二出口、第一入口流入直流蒸汽发生器，在直流蒸汽发生器吸热雾化后的蒸汽由第一出口流出，冷凝后由第二入口进入补水箱。系统采用非能动余热排出技术，保证反应堆在丧失正常排热路径的事故工况下余热的排出。补水箱与直流蒸汽发生器联通，实现自动补水。

Description

船用反应堆及直流蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统

技术领域

本发明涉及船用反应堆专设安全系统，更具体地说，涉及一种船用反应堆及直流蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统。

背景技术

船用反应堆安全系统的主要目的是确保在发生事故以后，保证反应堆紧急停闭、堆芯余热的排出和安全壳的完整，以便限制事故的发展和减轻事故的后果。其中事故工况下反应堆余热排出问题尤为重要，它直接关系到反应堆安全，处理不好将导致一回路冷却剂沸腾甚至是堆芯的融化，因此反应堆应急余热排系统的设计一直是反应堆设计的关键技术之一。

船用反应堆与陆上反应堆相比有明显不同，例如船上空间有限，要求反应堆及其系统尽量小型化；海上船舶远离陆地，淡水有限，难于补充；相比于陆上普遍应用的U型管蒸汽发生器，船用蒸汽发生器以直流蒸汽发生器为主，其具有体积小、效率高及水容积小的特点等。

目前国内的船用反应堆主要是军事用途，尚未民用，应急余热排出技术相对封闭。陆上反应堆应急余热排出系统主要有采用的能动应急余热排出技术的二代反应堆和采用非能动应急余热排出技术的三代反应堆。

二代能动的应急余热排出系统，以典型的M310型反应堆为例，其应急余热排出功能利用能动的辅助给水系统实现，系统主要由辅助给水箱、辅助给水泵及相应的管路阀门组成。通过将辅助给水箱中的冷却水泵送入U形管蒸汽发生器二次侧进行换热，并将产生的蒸汽排往最终热阱—大气，形成开式循环，达到带走反应堆余热的目的。能动的应急余热排出系统特点是排热效率高，但在发生全场断电等超设计基准事故时，系统无法运行，应急余热排出功能将丧失。因此，能动的应急余热排出系统应对的事故工况有限，存在安全隐患。

三代反应堆因为采用了非能动技术而具有更高的固有安全性。典型的AP1000型反应堆采用一次侧非能动余热排出系统，系统由非能动余热排出热交换器、安全壳内置换料水箱以及相应的管路阀门组成。其设置在安全壳内，采用一回路非能动余热排出方案，利用一回路冷却剂的密度差产生驱动力，形成闭式循环，将反应堆余热传至最终热阱—换料水箱中的冷却水。非能动系统由于取消了能动部件，不依赖外部电源等特点，使系统设计简化，提高了电厂安全性。但一次侧非能动余热排除系统也存在一些不足：

1、一次侧非能动余热排出系统由于将冷却水箱设置在安全壳内，占用了安全壳可用空间，不利于安全壳尺寸的减小；

2、安全壳内置换料水箱中的非能动热交换器由于管内是一回路工质，一旦传热管束发生裂纹和破坏，一回路工质的放射性产物会进入换料水箱和安全壳大气，不利于放射性的包容。

鉴于能动余热排出系统的局限性和一次侧非能动余热排出系统的不足，有必要提供一种满足事故工况下反应堆余热排出要求、降低放射性泄露风险及建造成本的二次侧非能动余热排出系统，以解决上述现有技术的不足。

此外，直流蒸汽发生器与上述二代和三代反应堆常用的U形管蒸汽发生器相比具有体积小、效率高、直接产生过热蒸汽不需要汽水分离装置等优点，主要应用于船用反应堆、先进的一体化反应堆等堆型。但直流蒸汽发生器二次侧的非能动余热排出系统仍存在一些问题亟待解决：

1、直流蒸汽发生器二次侧空间有限，在事故条件下容易造成二次侧缺水甚至烧干，需要对其进行补水以建立自然循环，而温度较低的补水将会对直流蒸汽发生器造成热冲击；

2、事故状态下直流蒸汽发生器二次侧存水量不确定造成补水量难以确定，补水过少将导致二次侧非能动余热排出难以形成稳定的自然循环，补水过多发生二次侧满溢将直接影响蒸汽的产生和余热的排出。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的船用反应堆及直流蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种船用反应堆及直流蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统，包括：

直流蒸汽发生器，设置在安全壳内，所述直流蒸汽发生器上设有第一入口和第一出口；

补水箱，储存有冷却剂，设置在所述安全壳外，所述补水箱上设有第二出口和第二入口，所述第二出口位于所述补水箱的液面以下；

输入管，连接在所述第一入口和所述第二出口之间；

输出管，连接在所述第一出口和所述第二入口之间；

所述补水箱的液面高度高于所述第一入口，供所述补水箱的冷却剂由所述第二出口、第一入口流入所述直流蒸汽发生器，在所述直流蒸汽发生器吸热雾化后的蒸汽由所述第一出口流出，冷凝后由所述第二入口进入所述补水箱。

优选地，所述直流蒸汽发生器的传热管包括直管和/或螺旋管。

优选地，所述第一出口设置在所述直流蒸汽发生器的上端，所述第一入口设置在所述直流蒸汽发生器的下端。

优选地，所述输出管上还设有用于将从所述第一出口流出的蒸汽冷凝的冷凝装置。

优选地，所述冷凝装置位于所述安全壳外，所述冷凝装置包括存储有冷却剂的冷却箱以及设置在所述冷却箱的冷却剂内的冷凝器；

所述冷凝器包括冷凝腔和与所述冷凝腔连通的第三入口、第三出口，所述第三入口通过所述输入管与所述第一出口连接，所述第三出口通过所述输入管与所述第二入口连接，供蒸汽进入所述冷凝器后冷凝，并流入到所述补水箱。

优选地，所述第三出口的高度位置低于所述第三入口，所述冷凝器的高度位置高于所述补水箱的液面。

优选地，所述输入管上设有控制从所述第二出口流出到所述第一入口的冷却剂的流量的限流装置。

优选地，所述限流装置包括限流板，所述限流板上设有至少一个限流孔，所述限流孔的总的流通面积小于所述输入管的内孔面积。

优选地，所述补水箱的液面高度低于所述第一出口。

优选地，所述输入管上设有控制管道的开关的第一控制阀，以控制所述补水箱内的冷却剂向所述直流蒸汽发生器流动；

所述输出管上设有控制管道的开关的第二控制阀，以控制所述直流蒸汽发生器内的蒸汽向所述补水箱流动；

所述第一控制阀、第二控制阀位于所述安全壳外。

优选地，所述输入管上还设有防止所述直流蒸汽发生器内的冷却剂从所述第一入口向所述第二出口流动的逆止阀。

本发明还构造一种船用反应堆，包括所述的直流蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统。

实施本发明的船用反应堆及直流蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统，具有以下有益效果：本发明的非能动预热排出系统整个循环为非能动自然循环，主要依靠蒸汽和水的密度差以及安全壳外补水箱和直流蒸汽发生器的位差提供驱动力。余热排出系统采用非能动余热排出技术，不依赖外部电源，满足包括全厂断电在内的反应堆丧失正常排热路径事故条件下余热排出的需求，保证反应堆在丧失正常排热路径的事故工况下余热的长期排出。

相比于一次侧非能动余热排出技术，减少了直接和反应堆冷却剂系统连接的管路，降低了管路破裂的概率，提高了核电厂安全性。直流蒸汽发生器流阻小、效率高，整个系统自然循环能力强。

补水箱与直流蒸汽发生器联通布置，实现非能动自动补水，解决了直流蒸汽发生器内部存水量不确定导致的补水箱容积不确定问题，同时避免了直流蒸汽发生器因补水过多导致的补水侧满溢影响传热效率和余热排出问题。

二次侧非能动余热排出系统投入运行初期，稳定的自然循环尚未建立，系统内存在压力波动，补水箱采用气液两相设置，气空间有利于吸收系统启动阶段的压力波动，防止系统超压。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中的船用反应堆的直流蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统的安装示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明一个优选实施例中的船用反应堆包括直流蒸汽发生器1、安全壳5以及直流蒸汽发生器1二次侧非能动余热排出系统，直流蒸汽发生器1二次侧非能动余热排出系统包括直流蒸汽发生器1、补水箱2以及输入管3、输出管4。

直流蒸汽发生器1设置在安全壳5内，直流蒸汽发生器1上设有第一入口11和第一出口12，补水箱2内的冷却剂从第一入口11进入直流蒸汽发生器1后吸热雾化，变成蒸汽从第一出口12流出。

补水箱2储存有冷却水或其他的液体冷却剂，补水箱2布置在安全壳5外，降低了对安全壳5内布置空间的要求，有利于减小安全壳5尺寸，节约投资成本，适宜船用。

补水箱2上设有第二出口21和第二入口22，第二出口21位于补水箱2的液面以下，让冷却剂能依靠重力从补水箱2流入到直流蒸汽发生器1。通常，第二出口21设置在补水箱2的下端，第二入口22设置在补水箱2的上端，在其他实施例中，第二出口21、第二入口22的位置也可在其他位置，能让冷却剂能正常的流出、流进即可。

输入管3连接在第一入口11和第二出口21之间，输出管4连接在第一出口12和第二入口22之间，使直流蒸汽发生器1、补水箱2之间形成一个循环回路。

补水箱2的液面高度高于第一入口11，供补水箱2的冷却剂利用连通器的原理由第二出口21、第一入口11流入直流蒸汽发生器1，在直流蒸汽发生器1吸热雾化后的蒸汽由第一出口12流出，冷凝后由第二入口22进入补水箱2。余热排出系统依靠冷却剂在回路中的循环带走安全壳5内的热量，将热量排出。整个循环为非能动自然循环，主要依靠蒸汽和水的密度差以及安全壳5外补水箱2和直流蒸汽发生器1的位差提供驱动力。

余热排出系统采用非能动余热排出技术，不依赖外部电源，满足包括全厂断电在内的反应堆丧失正常排热路径事故条件下余热排出的需求，保证反应堆在丧失正常排热路径的事故工况下余热的长期排出。

相比于一次侧非能动余热排出技术，减少了直接和反应堆冷却剂系统连接的管路，降低了管路破裂的概率，提高了核电厂安全性。直流蒸汽发生器1流阻小、效率高，整个系统自然循环能力强。

在一些实施例中，直流蒸汽发生器1的传热管包括直管，也可包括螺旋管，当然，也可同时包括直管和螺旋管。其壳侧为一回路介质，管侧为二回路介质。通常，直流蒸汽发生器1的第一出口12和第二入口22两端还分别与主给水管线6、主蒸汽管线7连接，主给水管线6和主蒸汽管线7上分别设有主给水隔离阀61和主蒸汽隔离阀71。

反应堆丧失正常排热路径事故工况下，反应堆紧急停堆，主给水隔离阀61和主蒸汽隔离阀71先后关闭，主蒸汽管线7和主给水管线6下游系统被隔离，满足二次侧非能动余热排出系统接入条件。

由于管侧空间很小，在全厂停电后需要用非能动余热排出系统时，主给水隔离阀61和主蒸汽隔离阀71先后关闭导致管侧水量部分或全部丧失，因此设置的补水箱2可以对直流蒸汽发生器1进行补水。

优选地，主给水管线6与第一入口11连接，输入管3经主给水管线6与第一入口11连接，主给水隔离阀61设置在输入管3和主给水管线6连接位置的上游。主蒸汽管线7与第一出口12连接，输出管4经主蒸汽管线7与第一出口12连接，主蒸汽隔离阀71设置在在输出管4与主蒸汽隔离阀71连接位置的下游。

由于直流蒸汽发生器1管侧存水量具有不确定性，因此补水量也存在不确定性。补水量过少，将导致整个自然循环工质不足，难以形成稳定自然循环；补水量过多，将导致直流蒸汽发生器1管侧发生满溢，影响蒸汽的产生和余热的排出。

补水箱2与直流蒸汽发生器1联通布置，实现非能动自动补水，解决了直流蒸汽发生器1内部存水量不确定导致的补水箱2容积不确定问题，同时避免了直流蒸汽发生器1因补水过多导致的补水侧满溢影响传热效率和余热排出问题。保证了补水满足直流蒸汽发生器1需求的同时，不会超量引发直流蒸汽发生器1二次侧满溢，进而影响传热效率和余热排出。

二次侧非能动余热排出系统投入运行初期，稳定的自然循环尚未建立，系统内存在压力波动，补水箱2采用气液两相设置，气空间有利于吸收系统启动阶段的压力波动，防止系统超压。

优选地，第一出口12设置在直流蒸汽发生器1的上端，第一入口11设置在直流蒸汽发生器1的下端，在冷却剂吸收热量雾化后，直接向上由第一出口12流出。

进一步地，输入管3上设有控制管道的开关的第一控制阀31，以控制补水箱2内的冷却剂向直流蒸汽发生器1流动。输出管4上设有控制管道的开关的第二控制阀41，以控制直流蒸汽发生器1内的蒸汽向补水箱2流动。在全厂停电等情况下，第一控制阀31、第二控制阀41打开，启动非能动预热排出系统。

优选地，第一控制阀31、第二控制阀41位于安全壳5外，减小占用的空间，也方便工作人员操作和维护。

在一些实施例中，补水箱2的液面高度低于第一出口12，避免补水箱2内的冷却剂过量流进直流蒸汽发生器1后把直流蒸汽发生器1充满，影响蒸汽的产生和余热的排出。

进一步地，输入管3上设有控制从第二出口21流出到第一入口11的冷却剂的流量的限流装置32。通过限流装置32，可控制输入管3的流量，缓解补水对直流蒸汽发生器1造成的热冲击。

限流装置32包括限流板，限流板上设有至少一个限流孔，限流孔的限流孔的总的流通面积小于所述输入管3的内孔面积。限流板可对直流蒸汽发生器1的补水流量进行限制，减小补水在系统启动阶段对直流蒸汽发生造成热冲击。限流装置32也可为调节阀等，根据实际情况控制流量。

进一步地，输入管3上还设有防止直流蒸汽发生器1内的冷却剂从第一入口11向第二出口21流动的逆止阀33，让直流蒸汽发生器1内的冷却剂不会由第一入口11向补水箱2流动。

在一些实施例中，输出管4上还设有用于将从第一出口12流出的蒸汽冷凝的冷凝装置8。冷凝装置8位于安全壳5外，冷凝装置8包括存储有冷却剂的冷却箱81以及设置在冷却箱81的冷却剂内的冷凝器82。

冷凝器82包括冷凝腔和与冷凝腔连通的第三入口821、第三出口822，第三入口821通过输入管3与第一出口12连接，第三出口822通过输入管3与第二入口22连接，供蒸汽进入冷凝器82后冷凝，并流入到补水箱2。

优选地，第三出口822的高度位置低于第三入口821，冷凝器82的高度位置高于补水箱2的液面，让在冷凝器82内冷凝的冷却剂在重力作用下流入到补水箱2。在其他实施例中，冷凝器82的高度位置也可与补水箱2的液面高度相当。

补水箱2内的存水靠重力，经过限流板、第一控制阀31、逆止阀33和主给水管线6流往直流蒸汽发生器1，为直流蒸汽发生器1发生器补水。

直流蒸汽发生器1中的水受反应堆余热加热产生蒸汽，蒸汽通过主蒸汽管线7和第二控制阀41进入冷凝器82，在冷凝器82中冷凝为水，冷凝水靠重力汇入蒸汽发生器补水箱2，形成闭式非能动自然循环循环。整个循环不需要外部动力，将反应堆余热带给最终热阱—安全壳5外冷却箱81中的冷却水。

可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种船用反应堆直流蒸汽发生器(1)二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，包括：

直流蒸汽发生器(1)，设置在安全壳(5)内，所述直流蒸汽发生器(1)上设有第一入口(11)和第一出口(12)，所述第一出口(12)设置在所述直流蒸汽发生器(1)的上端，所述第一入口(11)设置在所述直流蒸汽发生器(1)的下端；

补水箱(2)，储存有冷却剂，设置在所述安全壳(5)外，所述补水箱(2)上设有第二出口(21)和第二入口(22)，所述第二出口(21)位于所述补水箱(2)的液面以下；

输入管(3)，连接在所述第一入口(11)和所述第二出口(21)之间；输出管(4)，连接在所述第一出口(12)和所述第二入口(22)之间；

所述补水箱(2)的液面高度高于所述第一入口(11)、液面高度低于所述第一出口(12)，供所述补水箱(2)的冷却剂由所述第二出口(21)、第一入口(11)流入所述直流蒸汽发生器(1)，在所述直流蒸汽发生器(1)吸热雾化后的蒸汽由所述第一出口(12)流出，冷凝后由所述第二入口(22)进入所述补水箱(2)。

2.根据权利要求1所述的船用反应堆直流蒸汽发生器(1)二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述直流蒸汽发生器(1)的传热管包括直管和/或螺旋管。

3.根据权利要求1至2任一项所述的船用反应堆直流蒸汽发生器(1)二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述输出管(4)上还设有用于将从所述第一出口(12)流出的蒸汽冷凝的冷凝装置(8)。

4.根据权利要求3所述的船用反应堆直流蒸汽发生器(1)二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述冷凝装置(8)位于所述安全壳(5)外，所述冷凝装置(8)包括存储有冷却剂的冷却箱(81)以及设置在所述冷却箱(81)的冷却剂内的冷凝器(82)；

所述冷凝器(82)包括冷凝腔和与所述冷凝腔连通的第三入口(821)、第三出口(822)，所述第三入口(821)通过所述输入管(3)与所述第一出口(12)连接，所述第三出口(822)通过所述输入管(3)与所述第二入口(22)连接，供蒸汽进入所述冷凝器(82)后冷凝，并流入到所述补水箱(2)。

5.根据权利要求4所述的船用反应堆直流蒸汽发生器(1)二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述第三出口(822)的高度位置低于所述第三入口(821)，所述冷凝器(82)的高度位置高于所述补水箱(2)的液面。

6.根据权利要求1至2任一项所述的船用反应堆直流蒸汽发生器(1)二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述输入管(3)上设有控制从所述第二出口(21)流出到所述第一入口(11)的冷却剂的流量的限流装置(32)。

7.根据权利要求6所述的船用反应堆直流蒸汽发生器(1)二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述限流装置(32)包括限流板，所述限流板上设有至少一个限流孔，所述限流孔的总的流通面积小于所述输入管(3)的内孔面积。

8.根据权利要求1至2任一项所述的船用反应堆直流蒸汽发生器(1)二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述输入管(3)上设有控制管道的开关的第一控制阀(31)，以控制所述补水箱(2)内的冷却剂向所述直流蒸汽发生器(1)流动；

所述输出管(4)上设有控制管道的开关的第二控制阀(41)，以控制所述直流蒸汽发生器(1)内的蒸汽向所述补水箱(2)流动；

所述第一控制阀(31)、第二控制阀(41)位于所述安全壳(5)外。

9.根据权利要求1至2任一项所述的船用反应堆直流蒸汽发生器(1)二次侧非能动余热排出系统，其特征在于，所述输入管(3)上还设有防止所述直流蒸汽发生器(1)内的冷却剂从所述第一入口(11)向所述第二出口(21)流动的逆止阀(33)。

10.一种船用反应堆，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的直流蒸汽发生器(1)二次侧非能动余热排出系统。