CN108877965A - 一种应用于pccs换热水箱的非能动空气冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电站换热装置研究领域，具体涉及一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统。一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统，由安全壳、外置换热水箱、水箱四周的空气冷却设备、位于水箱中心区的空气冷却设备、PCCS换热器、集气器、烟囱几部分组成，其特征在于：安全壳内部包括反应堆压力容器、堆坑、安全壳壁面、PCCS换热器，其中反应堆压力容器放置在堆坑中，外置换热水箱从内到外依次为，位于水箱中心区的空气冷却设备、水箱四周的空气冷却设备、外置换热水箱，集气器通过支架固定在外置换热水箱上表面，集气器出口法兰与烟囱相连，且烟囱采用竖直大口径圆管，出口与大气联通，在出口处设置有挡雨板。

Description

一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统

技术领域

本发明属于核电站换热装置研究领域，具体涉及一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统。

背景技术

当今世界核能应用与发展主要围绕两大趋势：一方面通过发展相关技术来提高核电厂发电效率；另一方面通过增强核电厂的安全性尤其是非能动安全性来抵御潜在的安全威胁。与后者相关的非能动安全壳冷却系统(PCCS)在日本福岛核事故后越来越多的受到了研究人员的关注。现有的多数核电厂的能动安全设施在严重事故下投入运行时需要借助于场外电力或应急柴油发电机所提供的能量，并且还需要相关操作人员的运行和控制。当核电站发生全厂断电且柴油发电机失效事故时，安全壳内的热量将无法有效导出，最终导致安全壳内温度和压力不断升高，这会直接威胁到安全壳结构上的完整性。即使事故条件下电力系统工作正常，操作人员在事故条件下运行操作的失误也有可能导致类似于三里岛的核事故。

在已经有的专利中，专利号为CN105741888和CN104167230的发明专利分别针对钢制安全壳和混凝土安全壳设计了非能动安全壳冷却系统，这些系统在安全壳外部设置有水箱，并通过水箱水的喷淋/开式自然循环来非能动的导出安全壳内部热量。不过，在目前的PCCS设计标准中，要求非能动安全壳系统需满足的运行时间为72小时。如果没有及时的补水，更长时间的运行会将上述系统中换热水箱里的蒸干，导致非能动系统将无法继续工作。随着核电站安全标准的不断升高，人们越来越期望能设计一种长期运行的PCCS系统。

针对上述问题，目前已有相关研究。比如，专利号为CN103578584的专利在安全壳外置换热水箱中加入换热器并通过设备冷却水对水箱进行冷却，但上述设备在需要布置较长的管路且需要泵等能动设备提供冷却水循环，这在全厂断电事故中是不期望的。因此，有必要设计一种简单有效的非能设备，可以非能动的对安全壳冷却系统的换热水箱进行冷却，从而保证安全壳冷却系统可以在失水/主蒸汽管道破口事故下长期运行。

综上所述，现有技术中存在安全壳冷却必须要采用能动设备、设备换热量太小、水蒸发过快、系统工作时间过短等问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却装置，它可以非能动的对安全壳外置换热水箱进行冷却，从而保证PCCS系统的长期运行。

一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统，由安全壳、外置换热水箱4、水箱四周的空气冷却设备、位于水箱中心区的空气冷却设备、PCCS换热器6、集气器13、烟囱14几部分组成，其特征在于：安全壳内部包括反应堆压力容器1、堆坑2、安全壳壁面3、PCCS 换热器6，其中反应堆压力容器1放置在堆坑2中，外置换热水箱从内到外依次为，位于水箱中心区的空气冷却设备、水箱四周的空气冷却设备、外置换热水箱4；集气器13通过支架固定在外置换热水箱4上表面，集气器13出口法兰与烟囱14相连，且烟囱14采用竖直大口径圆管，出口与大气联通，在出口处设置有挡雨板23。

所述水箱出水口管线5和水箱入水口管线7上均设置有隔离阀8。

所述安全壳壁面3上有贯穿件9，PCCS换热器6由水箱出水口管线5和水箱入水口管线 7穿过贯穿件9和外置换热水箱4相连接。

所述水箱四周的空气冷却设备包括水箱四周入口管线12、下联箱15、传热管束16、上联箱17、水箱四周出口管线18，其中上联箱17与下联箱15通过传热管束16相连接，传热管束16选用光管或者强化传热热管，水箱四周入口管线12与下联箱15相连接，水箱四周出口管线18通过贯穿件连接上联箱17和集气器13，水箱四周出口管线18与水箱四周入口管线12上均设置有有隔离阀。

所述水箱四周入口管线12周围设置有隔水室19，且位于水箱外部的水箱四周入口管线 12在高度上高于水箱水位，水箱四周入口管线12通过贯穿件伸入水箱。

所述位于水箱中心区的空气冷却设备包括水箱中心入口管线20、螺旋盘管21、水箱中心出口管线22，其中水箱中心入口管线20伸入水箱中与螺旋盘管21底部相连接，水箱中心出口管线22连接集气器13和螺旋盘管21，水箱中心入口管线20与外界大气联通。

本发明的有益效果在于：

通过非能动空气冷却装置对水箱水进行降温，从而避免了采用能动设备。设备运行过程主要通过空气的非能动自然循环持续的将换热水箱内的热量导入外界环境中，在换热器布置过程中通过增加换热面积以及布置强化传热管来增大水箱换热量。

在水箱上部布置集气装置以及烟囱装置，通过增加排气口高度来增加气体流速以达到强化换热的目的。

非能动空气冷却换热设备的布置可以有效减少水箱水的蒸发量，从而达到PCCS长期工作的目的。

非能动空气冷却设备在设计过程中考虑到了换热器进出口位置对水箱安全运行的作用，将换热器进出口均布置在水箱水面以上。

附图说明

图1是一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统的结构示意图；

图2是非能动空气冷却设备侧视图；

图3是非能动空气冷却设备俯视图；

图4是集气器和烟囱的侧视图；

图5是集气器和烟囱的俯视图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图1中：1-反应堆压力容器；2-堆坑；3-安全壳壁面；4-外置换热水箱；5-水箱出水口管线；6-PCCS换热器；7-水箱入水口管线；8-隔离阀；9-贯穿件；10-水空间；11-气空间；12-水箱四周入口管线；13-集气器；14-烟囱；15-下联箱；16-传热管束；17-上联箱；18- 水箱四周出口管线；19-隔水室；20-水箱中心入口管线；21-螺旋盘管；22-水箱中心出口管线；23-挡雨板。

图2中：4-外置换热水箱；12-水箱四周入口管线；15-下联箱；16-传热管束；17-上联箱；18-水箱四周出口管线；19-隔水室；20-水箱中心入口管线；21-螺旋盘管；22-水箱中心出口管线。

图3中：4-外置换热水箱；16-传热管束；17-上联箱；18-水箱四周出口管线；19-隔水室；20-水箱中心入口管线；21-螺旋盘管；22-水箱中心出口管线。

图4中：13-集气器；14-烟囱；18-水箱四周出口管线；22-水箱中心出口管线；23-挡雨板。

图5中：13-集气器；14-烟囱；18-水箱四周出口管线；22-水箱中心出口管线；23-挡雨板。

此发明涉及的是一种核电站换热装置，具体的说是非能动安全壳冷却系统。

当今世界核能应用与发展主要围绕两大趋势：一方面通过发展相关技术来提高核电厂发电效率；另一方面通过增强核电厂的安全性尤其是非能动安全性来抵御潜在的安全威胁。与后者相关的非能动安全壳冷却系统(PCCS)在日本福岛核事故后越来越多的受到了研究人员的关注。现有的多数核电厂的能动安全设施在严重事故下投入运行时需要借助于场外电力或应急柴油发电机所提供的能量，并且还需要相关操作人员的运行和控制。当核电站发生全厂断电且柴油发电机失效事故时，安全壳内的热量将无法有效导出，最终导致安全壳内温度和压力不断升高，这会直接威胁到安全壳结构上的完整性。即使事故条件下电力系统工作正常，操作人员在事故条件下运行操作的失误也有可能导致类似于三里岛的核事故。

为了避免上述问题，在新一代核电站中引入了非能动安全壳冷却装置(PCCS)。该装置在事故条件下不需要人为的干预，仅通过重力差引起的自然循环即可带走失水事故后期安全壳内的热量，保证壳内温度压力处于安全限值以内。目前研究人员针对安全壳的非能动冷系统已开展了一些的实验与数值计算研究，该系统的应用性已经得到充分证实。在已经有的专利中，专利号为CN105741888和CN104167230的发明专利分别针对钢制安全壳和混凝土安全壳设计了非能动安全壳冷却系统，这些系统在安全壳外部设置有水箱，并通过水箱水的喷淋/开式自然循环来非能动的导出安全壳内部热量。不过，在目前的PCCS设计标准中，要求非能动安全壳系统需满足的运行时间为72小时。如果没有及时的补水，更长时间的运行会将上述系统中换热水箱里的蒸干，导致非能动系统将无法继续工作。随着核电站安全标准的不断升高，人们越来越期望能设计一种长期运行的PCCS系统。

针对上述问题，目前已有相关研究。比如，专利号为CN103578584的专利在安全壳外置换热水箱中加入换热器并通过设备冷却水对水箱进行冷却，但上述设备在需要布置较长的管路且需要泵等能动设备提供冷却水循环，这在全厂断电事故中是不期望的。因此，有必要设计一种简单有效的非能设备，可以非能动的对安全壳冷却系统的换热水箱进行冷却，从而保证安全壳冷却系统可以在失水/主蒸汽管道破口事故下长期运行。

本发明目的在于提供一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却装置，它可以非能动的对安全壳外置换热水箱进行冷却，从而保证PCCS系统的长期运行。本发明的目的是这样实现的：

本发明提供了一种应用于核电厂PCCS外置换热水箱的非能动空气冷却系统，其特征是包括：非能动空气冷却设备、集气器、烟囱，设置于非能动安全壳冷却系统的外置换热水箱，非能动空气冷却器安装于换热水箱内部，它的入口管线通过贯穿件伸出换热水箱与外界大气相连，非能动空气冷却器的传热管布置于换热水箱内的水空间和气空间，出口管线穿出换热水箱连接集气器，集气器安装于安全壳外置换热水箱顶部，在集气器的顶部安装烟囱，并通过烟囱出口与外界大气相连。

本发明还可以包括：

1、所述的非能动空气冷却器位于换热水箱内部，在水箱内部的空间布置形式上分为两类：一类靠近水箱四周壁面布置，另一类在换热水箱中心主流区域布置。

2、所述的布置于水箱四周的非能动空气冷却装置，包括入口管线、下联箱、传热管束、上联箱、出口管线，其特征是：位于水箱外部的入口管线在高度上高于水箱水位，通过贯穿件伸入水箱，在位于水箱壁面与下联箱之间的入口管线周围设置隔水室，穿出隔水室的入口管线与下联箱相连，传热管束选用竖直/倾斜布置的光管/强化传热热管，两端分别与上下联箱相连，出口管线的一端连接上联箱，另一端通过贯穿件伸出水箱与集气器相连。

所述的布置于水箱中心主流区域的非能动空气冷却装置包括入口管线、传热管和出口管线，其特征是：位于水箱外部的入口管线与外界大气联通，它通过贯穿件伸入水箱与传热管相连，传热管采用螺旋盘管结构，在水箱的水空间和气空间均有传热面，传热管末端连接出口管线，水箱内部的出口管线通过贯穿件穿出水箱连接集气器，位于水箱内部的进出口管线周围均包有保温材料。

本发明专利的优势在于：

(1)通过非能动空气冷却装置对水箱水进行降温，从而避免了采用能动设备。设备运行过程主要通过空气的非能动自然循环持续的将换热水箱内的热量导入外界环境中，在换热器布置过程中通过增加换热面积以及布置强化传热管来增大水箱换热量。

(2)在水箱上部布置集气装置以及烟囱装置，通过增加排气口高度来增加气体流速以达到强化换热的目的。

(3)非能动空气冷却换热设备的布置可以有效减少水箱水的蒸发量，从而达到PCCS长期工作的目的。

(4)非能动空气冷却设备在设计过程中考虑到了换热器进出口位置对水箱安全运行的作用，将换热器进出口均布置在水箱水面以上。

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3，由于现有非能动安全壳冷却系统(PCCS)外置换热水箱的蓄水量有限，系统长期运行过程中换热水箱的水会用尽，无法实现安全壳内热量的长期导出。本发明基于混凝土安全壳的开式非能动安全壳冷却系统，在它的外置换热水箱中设置了非能动空气冷却系统。该系统通过减少水箱水的蒸发量来实现PCCS系统的长期运行。

本发明主要应用于混凝土安全壳的非能动安全壳冷却系统。其中，混凝土安全壳及其内部主要包括反应堆压力容器1、堆坑2和安全壳壁面3(如图1)。非能动安全壳冷却系统(PCCS) 包括外置换热水箱4、换热水箱出口/PCCS换热器入口管线5、PCCS换热器6、PCCS出口/ 换热水箱入口管管线7。换热水箱进出口管路上设置有隔离阀8以方便维修，PCCS换热器的进出口管线通过贯穿件9伸出安全壳壁面与外置换热水箱相连。水箱内部分为水空间10和气空间11两部分，水箱中的冷却水10用来带走严重事故下安全壳内的热量，气空间11用来缓冲PCCS换热器6运行时引起的压力波动。

本发明所涉及的非能动空气冷却系统设置于PCCS系统的外置换热水箱4，主要包括：非能动空气冷却设备12和13、集气器14和烟囱15。所述的非能动空气冷却器具体包括位于水箱四周的空气冷却设备12和位于水箱中心区空气冷却设备13(如图2)。其中，水箱四周的非能动空气冷却设备主要包括入口管线15，下联箱16、传热管束17、上联箱18、出口管线19，位于水箱内部的入口管线周围设置有隔水室20；水箱中心区域非能动空气冷却设备主要包括入口管线21、螺旋盘管22和出口管线23。集气器19通过支架固定在换热水箱上表面，其四周表面和底面与各空气冷却设备的出口管19和22相连，其顶面出口与烟囱15相连，烟囱出口处设置有挡雨板24。

本发明主要用于反应堆冷却剂回路或主蒸汽管线发生破口事故条件下。上述过程，会有大量高温高压水蒸气喷放进入安全壳内气体空间，导致安全壳内部的温度和压力的不断上升。在事故初期，气体空间的热量主要由堆坑2和安全壳3的钢衬及混凝土的蓄热来导出。后期，安全壳内的热量主要通过非能动安全壳冷却系统来完成。这一过程中，安全壳内的蒸汽在 PCCS系统换热器6外表面冷凝释放汽化潜热，被加热的换热器内冷却水温度不断上升，从而导致换热器6和出口管线7内冷却水密度的不断减小。在进出口管线密度差产生的重位差的驱动下，PCCS系统形成自然循环。上述过程，换热水箱中的冷却水10不断通过入口管线 5进入PCCS换热器6并带走安全壳气体空间热量，被加热的高温冷却水通过出口管线7返回换热水箱4。通过这一过程可以不断的将安全壳内的热量导入安全壳外置换热水箱。

随着上述换热过程的持续进行，换热水箱4中水温会不断升高，在常规PCCS系统设计中，水箱中的冷却水在饱和条件下会发生闪蒸，这一过程产生水蒸气会从水箱排气口排到外界大气中。在系统长期运行过程中，水箱水会逐渐被蒸干，该过程一般只能维持在72小时左右。为了持续将水箱水中蓄热导出，减少水蒸发量，本发明在安全壳外置换热水箱中布置了非能动空气冷却系统。

非能动空气冷却系统运行时，大气中的常温空气会通过空气冷却设备的入口管线15和 21分别进入水箱内壁面四周换热器12和水箱中心螺旋管换热器13以冷却换热水箱水空间的高温水和气空间的水蒸汽，被加热的高温空气从换热器出口19和21进入集气箱22(如图3a 和图3b)。高温气流在该装置进行混合后向上流动进入烟囱23，最终通过烟囱23排向大气。为了防止雨水或外界杂物落入设备中，在烟囱顶部设有挡雨板。非能动空气冷却系统运行的驱动力主要有两部分组成：一部分来自于空气冷却设备冷热管段的密度差；另一方面来自于烟囱的抽吸作用。这两部分的驱动力均为非能动，两者的共同作用消除了系统对外部能动设备的依赖，使系统可以长期有效的导出换热水箱中的热量，从而保证了PCCS系统的长期运行。

本发明并不局限于上面例子中所描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统，由安全壳、外置换热水箱(4)、水箱四周的空气冷却设备、位于水箱中心区的空气冷却设备、PCCS换热器(6)、集气器(13)、烟囱(14)几部分组成，其特征在于：安全壳内部包括反应堆压力容器(1)、堆坑(2)、安全壳壁面(3)、PCCS换热器(6)，其中反应堆压力容器(1)放置在堆坑(2)中，外置换热水箱从内到外依次为，位于水箱中心区的空气冷却设备、水箱四周的空气冷却设备、外置换热水箱(4)；集气器(13)通过支架固定在外置换热水箱(4)上表面，集气器(13)出口法兰与烟囱(14)相连，且烟囱(14)采用竖直大口径圆管，出口与大气联通，在出口处设置有挡雨板(23)。

2.根据权利要求1所述的一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统，其特征在于：所述水箱出水口管线(5)和水箱入水口管线(7)上均设置有隔离阀(8)。

3.根据权利要求1所述的一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统，其特征在于：所述安全壳壁面(3)上有贯穿件(9)，PCCS换热器(6)由水箱出水口管线(5)和水箱入水口管线(7)穿过贯穿件(9)和外置换热水箱(4)相连接。

4.根据权利要求1所述的一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统，其特征在于：所述水箱四周的空气冷却设备包括水箱四周入口管线(12)、下联箱(15)、传热管束(16)、上联箱(17)、水箱四周出口管线(18)，其中上联箱(17)与下联箱(15)通过传热管束(16)相连接，传热管束(16)选用光管或者强化传热热管，水箱四周入口管线(12)与下联箱(15)相连接，水箱四周出口管线(18)通过贯穿件连接上联箱(17)和集气器(13)，水箱四周出口管线(18)与水箱四周入口管线(12)上均设置有有隔离阀。

5.根据权利要求4所述的一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统，其特征在于：所述水箱四周入口管线(12)周围设置有隔水室(19)，且位于水箱外部的水箱四周入口管线(12)在高度上高于水箱水位，水箱四周入口管线(12)通过贯穿件伸入水箱。

6.根据权利要求1所述的一种应用于PCCS换热水箱的非能动空气冷却系统，其特征在于：所述位于水箱中心区的空气冷却设备包括水箱中心入口管线(20)、螺旋盘管(21)、水箱中心出口管线(22)，其中水箱中心入口管线(20)伸入水箱中与螺旋盘管(21)底部相连接，水箱中心出口管线(22)连接集气器(13)和螺旋盘管(21)，水箱中心入口管线(20)与外界大气联通。