CN109780886A - 一种适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于发电技术领域，特别涉及一种适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置，包括设置在主冷却水回路上的中温换热段、低温换热段、冷却塔、调节阀和循环水泵；所述中温换热段、低温换热段分别布置于冷却塔的上游与下游，所述调节阀调整冷却塔的进口冷却水量；所述中温换热段和低温换热段包括水平流通管道，所述水平流通管道中间水平分隔断布置绝热层，绝热层上方为空气通道，绝热层下方为冷却水通道；管道中错列布置脉动热管，所述脉动热管垂直于冷却水流动方向以及水平面布置，上端为热端，下端为冷端；所述空气通道的出入口分别设置风机；还可通过优化控制回路调整冷却塔水流量；该装置可有效降低水资源的需求，保持核电厂运行安全。

Description

一种适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置

技术领域

本发明属于发电技术领域，特别涉及一种适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置。

背景技术

从世界范围来看，核电已经在能源结构中占有重要的地位。目前我国已投产的核电装机容量不到电力总装机容量的5％，比例远低于其它国家，仍有很大的发展潜力。众所周知，我国已投产和在建的核电机组中，均建设在沿海地带，利用大量海水对三回路进行冷却来保证核电厂安全需求。但核电厂靠近人群居住地、饮用水源或养殖水域，存在较大的社会压力和安全隐患。随着核电机组的不断增加和内地日益增长的电力需求，核电厂建设在西部沙漠地区将成为一种发展趋势。

在西部沙漠地区建设核电厂，能够提高安全性、规避政治风险，保障居民安全，有利于目前我国的经济发展及地球生态资源的保护。但在沙漠地区建设核电厂也存在着诸多技术难题，西部地区环境复杂多变，昼夜温差变化范围大，水源多数为内流河，地区分布不均衡，水量随季节变化呈现夏多冬少，这对于三回路冷却水系统的稳定运行提出了挑战。三回路冷却水系统对于二回路循环水系统的运行有着直接影响，对于一回路反应堆的安全运行及满负荷运行也有着重要意义。

目前，针对于缺水地区，我国相继发展出了空冷系统以及干湿联合冷却系统等技术。空冷系统现广泛应用于三北地区的火电机组，但空冷机组在不同时段及不同季节运行背压变化幅度较大，影响实际运行工况的偏离，不能满足核电厂的安全要求。干湿联合冷却系统最早运用于工业，它是以一定比例配置干式冷却和湿式冷却方式，综合发挥两种技术的优点，从而达到合理利用水资源、稳定机组运行工况的目的。干湿联合冷却的发展对于沙漠地区核电厂的建设有着重要意义，这种技术既能够适应当地的环境特点，也能够满足核电厂满负荷的稳定运行。由于核电厂通常采用低参数蒸汽，对冷却塔设计参数要求高，往往核电厂冷却塔体型较大、数量较多，导致成本较高。因此低温差下提高三回路冷却水系统的换热效率至关重要。

发明内容

本发明解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置，包括设置在主冷却水回路上的中温换热段、低温换热段、冷却塔、调节阀和循环水泵；所述中温换热段、低温换热段分别布置于冷却塔的上游与下游，所述调节阀调整冷却塔的进口冷却水量；

所述中温换热段包括水平流通管道，所述水平流通管道中间水平分隔断布置绝热层，绝热层上方为空气通道，绝热层下方为冷却水通道；管道中错列布置脉动热管，所述脉动热管垂直于冷却水流动方向以及水平面布置，上端为热端，下端为冷端；所述空气通道的出入口分别设置风机；

所述低温换热段与中温换热段结构相同。

优选地，所述水平流通管道的空气通道出入口风机的外侧设置百叶窗挡板和沙尘过滤模块，百叶窗挡板调整开度，有效控制了通道内的固体颗粒物含量，可显著增加装置的运行寿命并有效防止管道堵塞以及换热器损坏。

优选地，所述水平流通管道的出入口设置测温器。

优选地，所述下方水平流通管道内布置折流板，增加了流体的流动行程，有利于冷却水与脉动热管冷端的接触，增加在相同体积空间下的换热强度。

优选地，所述低温换热段与中温换热段的脉动热管中分别填充满足本段温度范围的介质，从而适应不同温度下冷却水的换热能力。

优选地，所述空气通道的出入口两侧布置冗余风机支路，以防止风机设备损坏，导致冷却装置工作异常。

优选地，所述热管式干湿联合冷却装置还包括优化控制回路，所述优化控制回路根据水平流通管道出入口的温度，利用调节阀动态调节冷却塔的进水量。

优选地，所述优化控制回路包括温度变送器和优化控制器；

所述温度变送器监测装置进出口冷却水温度值；

所述优化控制器的输入变量为冷却水进出口温差的偏差以及偏差的变化率，输出变量为调节阀的开度。

优选地，所述优化控制器由神经模糊控制器和PID控制器两部分组成；可以均衡模糊控制的瞬态性能和PID控制的稳态性能；根据冷却水进出口温差的偏差，通过模糊控制器进行模糊化及解模糊化的处理，得到比例、积分、微分三个参数的值；然后冷却水进出口温差的偏差以及偏差的变化率进入PID控制器得到调节阀的控制量。

相对于现有技术，本发明的优点如下，

1.利用西部沙漠地区的自然资源以及环境特点，通过优化控制回路调节空冷部分与水冷部分的比例，减少了用水负荷，节约了当地水资源，同时节省了沙漠核电厂冷却塔的设计与结构费用。

2.通过空冷与水冷的联合冷却方式，有效改善空冷机组因环境温度变化导致的背压改变、机组满负荷运行受限的问题，保证了机组满负荷运行稳定性，有助于提高核电厂的热经济性和安全性。

3.由于脉动热管可以在温差很小的情况下传递相当大的热流量，其传热效率远高于常规的换热器。脉动热管加热段工质的供应具有自适应机制，随着热负荷的增大，热流密度不断增大，增强了系统鲁棒性。

4.与普通热管相比，结构简单、成本低、可靠性高，脉动热管一般不采用吸液芯，制造工艺简单。

5.在装置的下部通道布置折流板，增加了流体的流动行程，有利于冷却水与热管换热器的接触，增加在相同体积空间下的换热强度。

6.在装置的进出口加装沙尘过滤模块和引风风道，最大限度地减少了进入装置内部的沙石量，可显著增加装置的运行寿命并有效防止管道堵塞以及换热器损坏。

7.在管道进出口侧布置冗余风机局部管道，有利于在部分设备损坏的特殊情况下，维持冷却装置的正常运行，提高了系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的热管式干湿联合冷却装置构成的核电厂三回路热管式干湿联合冷却系统示意图；

图2为本发明的热管式干湿联合冷却装置的优化控制回路示意图；

图3为本发明的热管式干湿联合冷却装置横切面截图示意图；

图4为本发明的热管式干湿联合冷却装置俯视部分界面剖视图；

其中，1.热管式干湿联合冷却装置；2.绝热层；3.风机；4.主冷却水回路；5.冷却塔；6.调节阀；7.循环水泵；8.凝汽器；9.凝结水泵；10.低压加热器；11.除氧器；12.给水泵；13.高压加热器；14.蒸汽发生器；15.汽轮机；16.发电机；17.脉动热管；18.百叶窗挡板；19.过滤模块；20.测温器；21.折流板；22.冷却水通道；23.空气通道。

具体实施方式

实施例1：

图1示出的为由本发明的热管式干湿联合冷却装置1构成的核电厂三回路热管式干湿联合冷却系统。冷却水从凝汽器8中吸收热量，通过循环水泵7的作用进入主冷却水回路4，在主冷却水回路4上，通过调节阀6的调节，使得主回路4上的冷却水进入热管式干湿联合冷却装置1中，流经高温换热段后，进入冷却塔5中进行冷却，流出冷却塔5后继续进入低温换热段，最后流入主冷却水回路4并进入凝汽器8；凝结水在凝结水泵9的作用下通过低压加热器10，经过除氧器11的处理后，在给水泵12的作用下进入高压加热器13，然后进入到蒸汽发生器14中，蒸汽发生器中的过热蒸汽排入汽轮机15中带动转子转动使发电机16运作。

图2为本发明的热管式干湿联合冷却装置1的优化控制回路。所述优化控制回路包括温度变送器和优化控制器。

优化控制器由神经模糊控制器和PID控制器两部分组成，可以均衡模糊控制的瞬态性能和PID控制的稳态性能。通过在装置1的水平流通管道的进出口分别设置测温器20的方式，获得冷却水出入口温差；温度变送器监测装置进出口冷却水温度值，并将温度变量转换为标准电信号输出；优化控制器的输入变量为冷却水进出口温差的偏差e以及偏差的变化率ec，输出变量为调节阀6的开度。根据冷却水进出口温差的偏差e，通过模糊控制器进行模糊化及解模糊化的处理，得到比例、积分、微分三个参数的值；然后冷却水进出口温差的偏差e以及偏差的变化率ec进入PID控制器得到调节阀的控制量。调节方式通过改变调节阀6的开度动态调整冷却塔的进口冷却水量，从而平衡风冷与水冷部分的比例，进而使冷却水达到稳定的出口温度，完成热管式干湿联合冷却装置的动态平衡作用。因此，本装置所在核电厂的冷却塔设计参数可以缩小为普通核电厂冷却塔的80％，且可直接采用常规冷却塔的设计。在白天或者高温时段，可调整空冷与水冷比例为4:6；在夜晚或者低温时段，可调整空冷与水冷比例为8:2。并且根据环境变化，通过优化控制器梯级改变冷却塔喷淋量或者关闭冷却塔。

如图1、图3、图4所示，本发明的热管式干湿联合冷却装置包括设置在主冷却水回路4上的中温换热段、低温换热段、冷却塔5、调节阀6和循环水泵7；所述中温换热段、低温换热段分别布置于冷却塔5的上游与下游，所述调节阀6调整冷却塔5的进口冷却水量；

所述中温换热段包括水平流通管道，所述水平流通管道中间水平分隔断布置绝热层2，绝热层2上方为空气通道23，绝热层2下方为冷却水通道22；管道中错列布置脉动热管17，所述脉动热管17垂直于冷却水流动方向以及水平面布置，上端为热端，下端为冷端；所述空气通道23的出入口分别设置风机3；

所述低温换热段与中温换热段结构相同。

图3和图4为本发明的热管式干湿联合冷却装置示意图，图3为横切面截图，图4为俯视部分界面剖视图。在空气通道23中，冷却风通过出入口两侧的风机3作用下，沿冷却水的逆流方向流动；冷却风在进入装置前，先通过百叶窗挡板18以及过滤模块19进入空气通道23中；在装置中与脉动热管17热端充分接触完成吸热过程，最终从出口处通过百叶窗挡板18排出空气通道23。在冷却水通道22中，冷却水由主冷却回路4进入冷却水通道22，由于折流板21的作用，冷却水沿折流板21布置的路线进行S型流动，完成与脉动热管17吸热端的换热过程。脉动热管17垂直于冷却液流动方向以及水平面布置，上端为热端，下端为冷端，中间布置绝热层2。热管式干湿联合冷却装置1分为中温换热段以及低温换热段两段，分别布置于冷却塔5的上游与下游，脉动热管17分别填充满足本段温度范围的介质，从而适应不同温度下冷却水的换热能力。除此以外，本装置还在空气通道23出入口两侧布置冗余风机支路，以防止风机3设备损坏，导致冷却装置1工作异常。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置，其特征在于，包括设置在主冷却水回路上的中温换热段、低温换热段、冷却塔、调节阀和循环水泵；所述中温换热段、低温换热段分别布置于冷却塔的上游与下游，所述调节阀调整冷却塔的进口冷却水量；

所述中温换热段包括水平流通管道，所述水平流通管道中间水平分隔断布置绝热层，绝热层上方为空气通道，绝热层下方为冷却水通道；管道中错列布置脉动热管，所述脉动热管垂直于冷却水流动方向以及水平面布置，上端为热端，下端为冷端；所述空气通道的出入口分别设置风机；

所述低温换热段与中温换热段结构相同。

2.如权利要求1所述的适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置，其特征在于，所述水平流通管道的空气通道出入口风机的外侧设置百叶窗挡板和沙尘过滤模块。

3.如权利要求1所述的适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置，其特征在于，所述水平流通管道的出入口设置测温器。

4.如权利要求1所述的适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置，其特征在于，所述下方水平流通管道内布置折流板。

5.如权利要求1所述的适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置，其特征在于，所述低温换热段与中温换热段的脉动热管中分别填充满足本段温度范围的介质。

6.如权利要求1所述的适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置，其特征在于，所述空气通道的出入口两侧布置冗余风机支路。

7.如权利要求3所述的适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置，其特征在于，所述热管式干湿联合冷却装置还包括优化控制回路，所述优化控制回路根据水平流通管道出入口的温度，利用调节阀动态调节冷却塔的进水量。

8.如权利要求7所述的适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置，其特征在于，所述优化控制回路包括温度变送器和优化控制器；

所述温度变送器监测装置进出口冷却水温度值；

所述优化控制器的输入变量为冷却水进出口温差的偏差以及偏差的变化率，输出变量为调节阀的开度。

9.如权利要求8所述的适用于沙漠地区核电厂的热管式干湿联合冷却装置，其特征在于，所述优化控制器由神经模糊控制器和PID控制器两部分组成；根据冷却水进出口温差的偏差，通过模糊控制器进行模糊化及解模糊化的处理，得到比例、积分、微分三个参数的值；然后冷却水进出口温差的偏差以及偏差的变化率进入PID控制器得到调节阀的控制量。