CN109256223B - 一种余热排出系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种余热排出系统，包括反应堆压力容器、反应堆冷却剂泵和余热排出冷却器，反应堆压力容器内的热水流入反应堆冷却剂泵经冷却后再流回反应堆压力容器，反应堆冷却剂泵的冷段管道还同时和余热排出冷却器的流入管道连接，余热排出冷却器的流出管道和反应堆压力容器的热段管道相连。还公开了一种余热排出方法。本发明解决了传统的热段流向冷段的余热排出系统中余热排出冷却器海水侧的过冷沸腾以及事故过程中蒸汽发生器二次侧的超压风险等问题。

Description

一种余热排出系统和方法

技术领域

本发明属于核反应堆安全系统设计领域，具体是冷却余热排出系统，属于核电厂专设安全系统，适用于浮动式核电站。

背景技术

浮动式核电站可用在没有电网供应、人烟稀少又近海的区域，也可用于深海或者远海区域的石油开采与海洋勘探任务中。它可为不需要建造大型供电网络的偏远地区提供电力来源，也可用于能源密集型的海水淡化领域。

浮动式核电站不同于陆上核电厂，有限的空间与平台(船体或海洋浮动式平台)载荷对核电厂设计的小型化提出了更高的要求。作为核电厂设计中的重中之重，核反应堆设计的小型化也是尤为重要。核反应堆设计小型化中的一个重要工作是专设安全系统的小型化与集成化。非能动余热排出系统作为一个非常重要的专设安全系统，因其固有安全特性与不依赖人员操作等成为了第三代核反应堆设计中的必要系统。此外，浮动式核电站修建于海上，其设施与设备处于相对孤立状态，外围辅助设施有限，因此需要在设计时保证自身具有足够的固有安全特性，有必要设置非能动余热排出系统。非能动余热排出系统利用非能动余热排出冷却器与热源的冷热芯位差形成的自然循环驱动力带动流体流动，把反应堆余热持续的排向最终热阱，保证反应堆安全。俄罗斯的浮动式核电站KLT-40S设置有能动与非能动的余热排出系统，但是该系统的最终热阱采用的是冷却水池，该水池布置在反应堆上部隔间内，由于船体空间的限制，该水池的储水量有限导致事故下水池仅可维持24小时内的非能动余热导出。

为解决最终热阱的持续导热问题，有必要设计符合小型化、集成化特点的新型余热排出系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于浮动式核电站的余热排出系统，该系统通过创新性的流动方向设计，解决了传统的热段流向冷段的余热排出系统中余热排出冷却器海水侧的过冷沸腾以及事故过程中蒸汽发生器二次侧的超压风险等问题。还公开了一种余热排出方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种余热排出系统，包括反应堆压力容器、反应堆冷却剂泵和余热排出冷却器，反应堆压力容器内的热水流入反应堆冷却剂泵经冷却后再流回反应堆压力容器，反应堆冷却剂泵的冷段管道还同时和余热排出冷却器的流入管道连接，余热排出冷却器的流出管道和反应堆压力容器的热段管道相连。

余热排出冷却器还包括均和海水相连通的侧出管道和侧入管道，侧出管道上设置有海水侧出口电动阀，侧入管道上设置有海水侧入口电动阀。

侧入管道上还并联有用于将海水泵入的海水泵。

余热排出冷却器的流出管道和反应堆压力容器的热段管道之间设置有侧出口隔离阀。

反应堆冷却剂泵的冷段流管和余热排出冷却器的流入管道之间设置有侧入口电动阀。本发明可同时兼顾正常余热排出功能和全厂断电工况下反应堆余热导出功能，解决最终热阱的持续导热问题。

当处于备用状态时，整个余热排出系统内充满反应堆冷却剂并处于和反应堆冷却剂泵相同的压力状态。余热排出系统一次侧入口电动阀处于开启状态，一次侧出口隔离阀处于关闭状态，避免反应堆压力容器正常运行期间发生余热冷却器排出系统误投入。

还包括海洋浮动式平台，反应堆压力容器、反应堆冷却剂泵、余热排出冷却器均设置在海洋浮动式平台内。

一种余热排出方法，将反应堆冷却剂在泵或自然循环驱动下，从反应堆压力容器的冷段管道内取水，途经余热排出冷却器冷却后流向反应堆压力容器的热段管道，与热段管道内热水混合后，再经蒸汽发生器流向反应堆冷却剂泵与反应堆压力容器的冷段管道。

本发明中，余热排出冷却器的顶部入口管线连接到反应堆冷却剂系统的冷段管道上，余热排出冷却器的底部出口管线连接到反应堆冷却剂系统的热段管道上。连接最终热阱(海水)的余热排出系统海水侧管道应布置在浮动式平台的最低吃水线以下，以保证余热排出系统与最终热阱间持续的质量与能量交换。余热排出冷却器海水侧的海水在海水泵或自然循环驱动下，持续的将冷却器一次侧传来的热量排向最终热阱(海水)。

本发明是对现有技术做出的改进与创新，目前的浮动式核电站的非能动的余热导出是采用热交换的方式，将反应堆的热通过管道进入到热交换器，热交换器与驳船上水箱中的水进行热交换，但是这种热交换的方式受到水箱容量的限制，不能够完全实现非能动的换热。而本发明采取了不同的系统设计形式，将反应堆的热量直接传递给余热排出冷却器二次侧的海水，并通过二次侧管道内因泵或自然循环驱动的热交换循环源源不断的导出堆芯余热。此外，与已有能动与非能动相结合的余热排出系统相比，本发明采用新的管道连接形式，从冷段取水，热段出水，降低了此类采用中间循环的余热排出方式冷却器二次侧发生剧烈过冷沸腾的风险，并通过降低事故下(全厂断电或其余紧急停堆事故)蒸汽发生器入口温度，降低了蒸汽发生器事故下的超压风险。

本发明将能动余热排出功能与非能动余热排出功能集成在一个系统中，简化了设备、阀门和管路配置，实现了余热排出系统集成化和小型化，复合浮动式核电站小型化设计目标，提高了浮动式核电站的经济性，同时兼顾了浮动式核电站设计中的固有安全特性设计需求，提高了浮动式核电站的安全性。

本发明是能动与非能动相结合的安全系统，在电源未丧失时可由泵驱动运行，在丧失电源情况下亦可无需借助外力与泵驱动，在密度差驱动下以非能动方式运转。

本发明中实现如下热交换过程：反应堆冷却剂泵和反应堆压力容器之间的热量交换、反应堆冷却剂泵和余热排出冷却器之间的热量交换、余热排出冷却器和海水即最终热阱间的热量交换，即整个过程中具有三侧热交换，通过余热排出冷却器直接和海水相连通，可获得足够的水源支持余热长期的非能动导出，提高了余热导出的效率，彻底实现了余热的长期能动与非能动到处，解决了安全隐患。本发明中设置的反应堆冷却剂泵和反应堆压力容器之间的热量交换、反应堆冷却剂泵和余热排出冷却器之间的热量交换，即实现了新的冷却剂流向设计，将冷却剂从传统的流向增加了从冷段到热段的流向，使得系统能够实现从反应堆冷却剂泵的冷段管道取水，实现降低余热排出冷却器二次侧侧过冷沸腾特性与蒸汽发生器二次侧压力峰值的目标，降低了反应堆系统重要设备损坏风险。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明在余热排出系统设计中创新的采用了全新的冷却剂流向设计，通过由冷段向热段流动的余热排出方式，降低了余热排出冷却器一次侧与蒸汽发生器入口温度，实现了降低余热排出冷却器二次侧过冷沸腾特性与蒸汽发生器二次侧压力峰值的设计目标。

2、本发明通过余热排出冷却器与海水直接连接，解决了现有浮动式核电站水箱式热阱的长期有效性问题。

3、本发明通过能动与非能动结合的余热排出系统设计，实现了系统小型化与集成化，同时兼顾了浮动式核电站对固有安全特性设计的需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、反应堆压力容器，2、余热排出冷却器，3、海水，4、反应堆冷却剂泵，5、海水侧出口电动阀，6、海水侧入口电动阀，7、海水泵，8、入口电动阀，9、出口隔离阀，10、海洋浮动式平台。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，一种余热排出系统，包括反应堆压力容器1、反应堆冷却剂泵4和余热排出冷却器2，反应堆压力容器1内的热水流入反应堆冷却剂泵4经冷却后再流回反应堆压力容器1，反应堆冷却剂泵4的冷段管道还同时和余热排出冷却器2的流入管道连接，余热排出冷却器2的流出管道和反应堆压力容器1的热段管道相连。

余热排出冷却器2还包括均和海水3相连通的侧出管道和侧入管道，侧出管道上设置有海水侧出口电动阀5，侧入管道上设置有海水3侧入口电动阀6。

侧入管道上还并联有用于将海水泵入的海水泵7。

余热排出冷却器2的流出管道和反应堆压力容器1的热段管道之间设置有侧出口隔离阀9。

反应堆冷却剂泵4的冷段流管和余热排出冷却器2的流入管道之间设置有侧入口电动阀8。本发明可同时兼顾正常余热排出功能和全厂断电工况下反应堆余热导出功能，解决最终热阱的持续导热问题。

余热排出系统处于以下状态时的具体运行过程如下：

当处于备用状态时，整个余热排出系统内充满反应堆冷却剂并处于和反应堆冷却剂泵相同的压力状态。余热排出系统一次侧入口电动阀处于开启状态，一次侧出口隔离阀处于关闭状态，避免反应堆压力容器正常运行期间发生余热冷却器排出系统误投入。

余热排出冷却器2是一种立式双联箱冷却器，传热管竖直布置在冷却器中，海水侧出口电动阀和海水侧入口电动阀一直处于开启状态。

在未发生全厂断电但触发反应堆紧急停堆的事故工况下，相关保护信号触发本系统一次侧出口隔离阀9自动开启，同时海水侧入口电动阀6关闭，海水泵7投入运行，冷却剂在反应堆冷却剂泵4的驱动下部分流经余热排出冷却器2冷却后进入反应堆压力容器1的热段管道内，与反应堆压力容器出口出来的热水混合，进入蒸汽发生器，之后再经回到反应堆冷却剂泵4。海水在海水泵7的驱动下持续通过余热排出冷却器带走堆芯余热。在反应堆冷却剂泵4与海水泵7的共同作用下，本系统发挥能动余热排出功能，保护反应堆安全。

在发生全厂断电的事故工况下，电源丧失使得一次侧出口隔离阀9失电自动开启，反应堆冷却剂在冷却剂密度差引起的重力积分压降驱动下形成自然循环流动，反应堆压力容器1的冷段管道中的部分冷却剂进入余热排出冷却器2，部分冷却剂进入反应堆压力容器1内，随后经余热排出冷却器2冷却后的冷却剂与反应堆压力容器1出口出来的热水在热段管道混合，进入蒸汽发生器，之后再回到反应堆冷却剂泵，从而建立起反应堆冷却剂系统的热交换循环。海水在较冷的海水与余热排出冷却器2内热水的密度差驱动下形成自然循环流动，建立起余热排出冷却器2海水侧的热交换循环。在余热排出冷却器2一次侧与二次侧的热交换循环下，余热排出冷却器2可持续带重力驱动的自然循环作用下，本系统发挥非能动余热排出功能，保护反应堆安全。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种余热排出系统，包括反应堆压力容器(1)、反应堆冷却剂泵(4)和余热排出冷却器(2)，反应堆压力容器(1)内的热水流入反应堆冷却剂泵(4)经冷却后再流回反应堆压力容器(1)，其特征在于，反应堆冷却剂泵(4)的冷段管道还同时和余热排出冷却器(2)的流入管道连接，余热排出冷却器(2)的流出管道和反应堆压力容器(1)的热段管道相连。

2.根据权利要求1所述的余热排出系统，其特征在于，余热排出冷却器(2)还包括均和海水(3)相连通的侧出管道和侧入管道，侧出管道上设置有海水侧出口电动阀(5)，侧入管道上设置有海水(3)侧入口电动阀(6)。

3.根据权利要求2所述的余热排出系统，其特征在于，侧入管道上还并联有用于将海水泵入的海水泵(7)。

4.根据权利要求1所述的余热排出系统，其特征在于，余热排出冷却器(2)的流出管道和反应堆压力容器(1)的热段管道之间设置有侧出口隔离阀(9)。

5.根据权利要求1所述的余热排出系统，其特征在于，反应堆冷却剂泵(4)的冷段流管和余热排出冷却器(2)的流入管道之间设置有侧入口电动阀(8)。

6.根据权利要求1所述的余热排出系统，其特征在于，还包括海洋浮动式平台(10)，反应堆压力容器(1)、反应堆冷却剂泵(4)、余热排出冷却器(2)均设置在海洋浮动式平台(10)内。

7.一种余热排出方法，其特征在于，将反应堆冷却剂在泵或自然循环驱动下，从反应堆压力容器(1)的冷段管道内取水，途经余热排出冷却器(2)冷却后流向反应堆压力容器(1)的热段管道，与热段管道内热水混合后，再经蒸汽发生器流向反应堆冷却剂泵(4)与反应堆压力容器(1)的冷段管道。