CN111785400B - 一种自激振荡非能动余热排出设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自激振荡非能动余热排出设备及方法，涉及第三代核电技术领域，包括非能动余热排出装置和自激振荡喷射器，其中蓄能喷射段与第二液相管线相连通，脉冲喷射段与冷凝罐相连通，脉冲喷射段与汽相管线相连通。本发明利用非能动余热排出装置中的液相管线和汽相管线间的压力差驱动自激振荡喷射器，在脉冲喷射段不断抽吸冷凝罐中的不凝气体，将其束缚在蒸发‑冷凝过程之外并绕开蒸汽发生器，不仅降低了不凝气体对冷凝罐内冷凝过程的不利影响，还提高了蒸汽发生器的蒸发沸腾侧换热能力。

Description

一种自激振荡非能动余热排出设备及方法

技术领域

本发明涉及第三代核电技术领域，具体涉及一种自激振荡非能动余热排出设备及方法。

背景技术

当压水堆核电厂或核动力装置发生全厂断电事故或能动余热排除系统失效时，可通过非能动余热排出系统导出堆芯热量来解决，其无需外接驱动力，直接通过回路工质的密度差产生自然驱动力实现蒸发-冷凝循环，将反应堆停堆后的余热输送到最终热阱，以防止燃料包壳烧毁，极大地提高了压水堆的固有安全性，非能动余热排出系统已成为第三代核电技术的必备装置。

非能动余热排出装置的启动平衡和传热可靠，是确保核反应堆安全的关键技术。从热力学上看，产生于余热排出装置封闭空间且在系统工作温度范围内无法凝结为液相的不凝气体，是影响非能动余热排出装置可靠性的主要因素之一；本质上，不凝气体对非能动余热排出装置的性能的影响在于其破坏了系统原有的热力平衡，不凝气体对热力平衡的破坏与重构对应着蒸发-冷凝过程中压力-温度-能量平衡的变化，并伴随着内部工质(蒸馏水)在非能动余热排出装置内部的重新分配。

其中，不凝气体的主要来源包括：非能动余热排出装置生产环节引入的污染物质(通过与管体材料及工质间发生化学反应产生不凝气体)，以及阀门连接处不可避免的泄漏。不凝气体的存在会造成非能动余热排出装置启动运行温度高、启动过程困难、冷凝器传热性能恶化以及蒸发沸腾性能下降等多种不利影响，且随着不凝气体不断的积累，甚至会出现热转移能力退化、反应堆事故等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种自激振荡非能动余热排出设备及方法，可抽吸冷凝罐内的不凝气体，降低不凝气体对冷凝罐内冷凝过程的不利影响，同时提高蒸汽发生器的蒸发沸腾侧换热能力。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种自激振荡非能动余热排出设备，包括非能动余热排出装置，所述非能动余热排出装置由依次首尾相连的蒸汽发生器、汽相管线、散热器、第一液相管线、冷凝罐和第二液相管线组成；

自激振荡喷射器，所述自激振荡喷射器由依次连通的液体进口管线、蓄能喷射段、激振腔、脉冲喷射段和气体出口管线组成；其中，所述第二液相管线与液体进口管线连通，所述汽相管线与气体出口管线连通；所述自激振荡喷射器还包括抽气管线，所述抽气管线一端与所述脉冲喷射段靠近蓄能喷射段的一侧连接，另一端与冷凝罐连接。

在上述技术方案的基础上，所述脉冲喷射段与第二液相管线位于同一水平位置。

在上述技术方案的基础上，所述液体进口管线位于靠近所述蒸汽发生器的冷凝水入口处。

在上述技术方案的基础上，所述气体出口管线位于靠近所述散热器的蒸汽入口处。

在上述技术方案的基础上，所述散热器设于冷水中。

在上述技术方案的基础上，所述散热器为水冷换热器。

在上述技术方案的基础上，所述脉冲喷射段靠近蓄能喷射段一侧的内径小于所述脉冲喷射段靠近气体出口管线一侧的内径。

在上述技术方案的基础上，一种自激振荡非能动余热排出设备的余热排出方法，包括以下步骤：

使高压液体通过第二液相管线、液体进口管线通入蓄能喷射段；

通过蓄能喷射段将该高压液体降速增压后通入激振腔；

通过激振腔将该高压液体进行往复振荡运动，使该高压液体产生高压力脉冲流并通入脉冲喷射段，使脉冲喷射段内形成低真空，使冷凝罐中的不凝气体通过抽气管线被吸入至脉冲喷射段；

通过脉冲喷射段使不凝气体依次通过气体出口管线、汽相管线通入散热器中。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的一种自激振荡非能动余热排出设备及方法，包括非能动余热排出装置和自激振荡喷射器，其中蓄能喷射段与第二液相管线相连通，脉冲喷射段与汽相管线相连通，脉冲喷射段与冷凝罐相连通，利用非能动余热排出装置中的液相管线和汽相管线间的压力差驱动自激振荡喷射器，在脉冲喷射段不断抽吸冷凝罐中的不凝气体，将其束缚在蒸发-冷凝过程之外并绕开蒸汽发生器，不仅降低了不凝气体对冷凝罐内冷凝过程的不利影响，还提高了蒸汽发生器的蒸发沸腾侧换热能力。

(2)该装置中的液体进口管线位于靠近蒸汽发生器的冷凝水入口处以及气体出口管线位于靠近所述散热器的蒸汽入口处，使自激振荡喷射器获得更大驱动压力差，进一步增强自激振荡喷射器抽吸不凝气体的能力。

附图说明

图1为本发明实施例中自激振荡非能动余热排出设备的结构示意图；

图2为本发明实施例中自激振荡非能动余热排出的方法的流程示意图。

图中：1-非能动余热排出装置，11-蒸汽发生器，12-汽相管线，13-散热器，14-第一液相管线，15-冷凝罐，16-第二液相管线，2-自激振荡喷射器，20-液体进口管线，21-蓄能喷射段，22-激振腔，23-脉冲喷射段，24-气体出口管线，25-抽气管线。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种自激振荡非能动余热排出设备，包括非能动余热排出装置1和自激振荡喷射器2。

非能动余热排出装置1由蒸汽发生器11、汽相管线12、散热器13、第一液相管线14、冷凝罐15和第二液相管线16依次首尾相连形成的蒸发-冷凝循环闭合系统，其中，第二液相管线16上设有液体出口，液体出口用于供液体排出；冷凝罐15上设有第一不凝气体出口，第一不凝气体出口用于供不凝气体排出；汽相管线12上设有第二不凝气体入口，第二不凝气体入口用于供不凝气体通入。

自激振荡喷射器2由依次连通的液体进口管线20、蓄能喷射段21、激振腔22、脉冲喷射段23和气体出口管线24组成；蓄能喷射段21远离激振腔22的一侧设有液体进口，液体进口用于供液体流入，液体进口通过液体进口管线20与第二液相管线16的液体出口相连通；脉冲喷射段23远离激振腔22的一侧设有第二不凝气体出口，第二不凝气体出口用于供不凝气体排出，第二不凝气体出口通过气体出口管线24与汽相管线12的第二不凝气体入口相连通；脉冲喷射段23靠近激振腔22的一侧(即为脉冲喷射段23的喉口处)设有第一不凝气体入口，第一不凝气体入口用于供不凝气体通入，第一不凝气体入口通过抽气管线25与冷凝罐15的第一不凝气体出口相联通，脉冲喷射段23与第二液相管线16的底部位于同一水平位置；其中脉冲喷射段23为扩压管，内径由小变大，靠近气体出口管线24侧的内径最大并等于汽相管线12的直径。

优选的，自激振荡喷射器2与蒸汽发生器11布置在同一水平高度，液体进口管线20位于靠近蒸汽发生器11的冷凝水入口处，气体出口管线24位于靠近散热器13的蒸汽入口处，使自激振荡喷射器获得更大驱动压力差，进一步增强自激振荡喷射器2抽吸不凝气体的能力；该装置的驱动力来源于自激振荡喷射器2进出口的压差，其中进口设置在第二液相管线16上，出口设置在汽相管线12上，由于散热器13与蒸汽发生器11在空间上为上下布置，使得液体在第二液相管线16中越靠下(即靠近蒸汽发生器11冷凝水入口处)压力越大；同样的，汽相管线12中存在沿程阻力，靠近汽相管线12远侧压力越低(即靠近散热器13蒸汽入口处)，而自激振荡喷射器2获得的驱动压力差就越大；自激振荡喷射器2应充分利用液相管线与汽相管线间的密度差，应使进口尽可能设置在第二液相管线16的底部。

优选的，散热器13可以浸泡在冷水中或者设置成水冷换热器，也可根据需要直接置于空气中或者设置成空冷散热器。

参见图2所示，本发明实施例还提供了一种自激振荡非能动余热排出设备的余热排出方法，其步骤如下：

S1：使高压液体通过第二液相管线16、液体进口管线20通入蓄能喷射段21，转到S2。

S2：通过蓄能喷射段21将该高压液体降速增压后通入激振腔22，转到S3。

S3：通过激振腔22将该高压液体进行往复振荡运动，使该高压液体产生高压力脉冲流并通入脉冲喷射段23，使脉冲喷射段23内形成低真空，使冷凝罐15中的不凝气体通过抽气管线25被吸入至脉冲喷射段23，转到S4。

由于液体在脉冲喷射段非连续的脉冲喷射作用，在脉冲喷射段23靠近激振腔22的一侧间断形成冲击射流，冲击射流具有的惯性力提高了脉冲喷射段23的吸气能力，可很好的抽离冷凝罐内不凝气体，提高散热器的工作性能。

S4：通过脉冲喷射段23使不凝气体依次通过气体出口管线24、汽相管线12通入散热器13中。

具体地，本发明的详细工作原理如下：

蒸汽发生器11因吸收反应堆冷却剂热量产生饱和蒸汽，蒸汽沿回路汽相管线12流入散热器13进行冷却，冷却后的气体沿回路第一液相管线14流入冷凝罐15进行冷凝并形成冷凝水，而部分未形成冷凝水的不凝气体会与冷凝水同时沿着第二液相管线16流回蒸汽发生器11，然后在蒸汽发生器11二次侧再次吸收热量而蒸发，完成一个循环；在非能动余热排出回路中液体重位压差和冷凝抽吸力的共同驱动下，系统逐渐建立起稳定的自然循环流动，带走蒸汽发生器11中的热量，从而间接地将反应堆内余热导出。

而在非能动余热排出装置中启动的同时，由于第二液相管线16与汽相管线12之间存在压力差，第二液相管线16中的部分高压液体会通过液体进口管线20流入蓄能喷射段21中，高压液体在蓄能喷射段21中降速增压后进入激振腔22中，并在腔室内往复振荡；当振荡频率与激振腔22的固有频率相同或相近时，射流将产生强烈的压力脉冲，而高压力的脉冲流喷射进入脉冲喷射段23后，脉冲喷射段23内会形成低真空，使得脉冲喷射段23的气压远低于冷凝罐15中的气压，进而抽吸冷凝罐15中的不凝气体，因此，在脉冲喷射段23内会形成包含不凝气体和液体的混合物，而该不凝气体和液体又会在液体密度差的驱动下通过气体出口管线24进入汽相管线12，并沿着汽相管线12流入散热器13。因此，在无外加动力作用下，自激振荡喷射器2可正常运行，且冷凝过程中未凝结的不凝气体会被即时抽离，解决了不凝气体造成的非能动余热排出装置1启动运行温度高、启动过程困难、散热器冷凝能力传热恶化等问题；另外，由于不凝气体被束缚在蒸发-冷凝过程之外，其避开了蒸汽发生器11，可进一步提高蒸汽发生器11的蒸发沸腾侧换热能力，减少不凝气体对蒸汽发生器性能恶化的影响。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种自激振荡非能动余热排出设备，其特征在于，包括：

非能动余热排出装置(1)，所述非能动余热排出装置(1)由依次首尾相连的蒸汽发生器(11)、汽相管线(12)、散热器(13)、第一液相管线(14)、冷凝罐(15)和第二液相管线(16)组成；

自激振荡喷射器(2)，所述自激振荡喷射器(2)由依次连通的液体进口管线(20)、蓄能喷射段(21)、激振腔(22)、脉冲喷射段(23)和气体出口管线(24)组成，所述蓄能喷射段(21)用于对从液体进口管线(20)进入到蓄能喷射段(21)内的高压液体进行降速增压，所述脉冲喷射段(23)为扩压管，所述脉冲喷射段(23)靠近蓄能喷射段(21)一侧的内径小于所述脉冲喷射段(23)靠近气体出口管线(24)一侧的内径；其中，所述第二液相管线(16)与液体进口管线(20)连通，所述汽相管线(12)与气体出口管线(24)连通；所述自激振荡喷射器(2)还包括抽气管线(25)，所述抽气管线(25)一端与所述脉冲喷射段(23)靠近蓄能喷射段(21)的一侧连接，另一端与冷凝罐(15)连接。

2.如权利要求1所述的一种自激振荡非能动余热排出设备，其特征在于：所述脉冲喷射段(23)与第二液相管线(16)位于同一水平位置。

3.如权利要求1所述的一种自激振荡非能动余热排出设备，其特征在于：所述液体进口管线(20)位于靠近所述蒸汽发生器(11)的冷凝水入口处。

4.如权利要求1所述的一种自激振荡非能动余热排出设备，其特征在于：所述气体出口管线(24)位于靠近所述散热器(13)的蒸汽入口处。

5.如权利要求1所述的一种自激振荡非能动余热排出设备，其特征在于：所述散热器(13)设于冷水中。

6.如权利要求1所述的一种自激振荡非能动余热排出设备，其特征在于：所述散热器(13)为水冷换热器。

7.一种采用如权利要求1～6任意一项所述的自激振荡非能动余热排出设备的余热排出方法，其特征在于，包括以下步骤：

使高压液体通过第二液相管线(16)、液体进口管线(20)通入蓄能喷射段(21)；

通过蓄能喷射段(21)将该高压液体降速增压后通入激振腔(22)；

通过激振腔(22)将该高压液体进行往复振荡运动，使该高压液体产生高压力脉冲流并通入脉冲喷射段(23)，使脉冲喷射段(23)内形成低真空，使冷凝罐(15)中的不凝气体通过抽气管线(25)被吸入至脉冲喷射段(23)；

通过脉冲喷射段(23)使不凝气体依次通过气体出口管线(24)、汽相管线(12)通入散热器(13)中。

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