CN112466485A - 一种非能动余热排出系统缓冲水箱 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非能动余热排出系统缓冲水箱，其特征在于，包括冷凝换热器、海水换热器、折流隔板和箱体，所述冷凝换热器和海水换热器浸没于所述箱体中；所述折流隔板位于所述箱体中部、将冷凝换热器和海水换热器隔离，海水换热器侧形成下降通道，冷凝换热器侧形成上升通道，上升通道和下降通道在折流隔板顶部和底部相通形成循环通道。本发明设计的余热排出水箱具有高效的自然循环能力，合理设置折流隔板，将水箱内的热源和冷源隔离从而形成自然循环通道，有效的提高了水箱的自然循环流速从而显著增强了对流换热能力，相同工况下，换热能力增强。采用本发明的非能动余热排出缓冲水箱能够减少所需的换热面积和水箱容积从而降低设备的尺寸和重量。
Description
技术领域
本发明涉及一种非能动余热排出系统缓冲水箱，属于核反应堆工程专设安全系统研究设计领域。
背景技术
余热排出系统又叫停堆冷却系统，一座以一定功率水平运行了一段时间的反应堆，在它停闭后，由裂变碎片和中子俘获产物的衰变所产生的衰变功率将缓慢下降，并长时间地持续下去。因而，核动力装置必须设置一个用来排出堆芯余热的系统。该系统必须能以一定的速率从一回路或二回路系统排出堆芯的剩余发热量以及一回路及余热排出系统流体和设备的嫌热和主泵运行施加给一回路的热量。且在全船断电时，余热排出系统只能通过自然循环带走上述热量，也就是所谓的非能动余热排出系统。在国际上，公认非能动余热排出系统是作为二代堆和三代堆得主要区别之一，极大提高了反应堆的安全性。
现有三代反应堆非能动余热排出系统所使用的缓冲水箱传热过程主要靠导热，换热效率低，从而达到相同的换热效果需要更大的传热面积，这增加了设备尺寸和重量，不利于在尺寸重量有限制的领域使用。本发明所述的高效自然循环的非能动余热排出系统缓冲水箱利用自然循环原理，在外界不输入能量的情况下改善缓冲水箱内流场，以对流代替导热，可大幅提高换热效率，并减小设备的尺寸重量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够高效自然循环的船用核动力装置非能动余热排出系统缓冲水箱设计方案，能够在全船失电停堆的情况下安全高效的导出反应堆的剩余衰变热。
为了达到上述目的，本发明提供了一种非能动余热排出系统缓冲水箱，为提高余热排出效率，避免传热管破裂导致泄露的风险，同时兼顾系统设备尺寸重量，本发明采用从二次测主蒸汽管道导出热量的缓冲水箱冷却方案，包括冷凝换热器、海水换热器、折流隔板和箱体，所述冷凝换热器和海水换热器浸没于所述箱体中；所述折流隔板位于所述箱体中部、将冷凝换热器和海水换热器隔离，海水换热器侧形成下降通道，冷凝换热器侧形成上升通道，上升通道和下降通道在折流隔板顶部和底部相通形成循环通道。
所述冷凝换热器结构为C型传热管束，由于冷凝换热器管侧为来自蒸汽发生器二次侧的蒸汽，C形传热管水平段更利于蒸汽的冷凝换热。
所述C型传热管束水平段需沿船长方向布置，由于船舶在海洋条件下横摇或横倾角度远大于纵倾或纵摇，因而传热管水平段沿船长方向布置能够控制摇摆条件对自然循环的影响。
所述海水换热器为三角形排布的直管换热器，由于海水侧为单相自然循环驱动压头有限，且海水腐蚀性较强，海水换热器传热管采用镍黄铜直管，为增加换热面积将海水换热器倾斜45°布置。
所述缓冲水箱内采用淡水作为传热介质，由于非能动余热排出系统缓冲水箱采用闭式循环，为避免海水腐蚀传热管造成泄漏，水箱内采用淡水进行循环传热。
所述上升通道中的水被冷凝换热器加热后密度降低开始上升，绕过折流板顶部后被海水换热器冷却，冷却后的流体密度升高开始下降，再由折流隔板底部返回上升通道，形成自然循环。
所述缓冲水箱设于水线以下船的两舷，可利用舷侧外板与舷外海水的导热排出部分热量。
本发明所提出的缓冲水箱应用于非能动余热排出系统，余热排出过程包括一回路冷却剂自然循环、余热排出系统的蒸汽侧自然循环、余热排出缓冲水箱内冷却水自然循环和余热排出系统海水侧自然循环。
所述一回路冷却剂自然循环，参与设备包括压力容器、主冷却剂热管段、蒸汽发生器一次侧、主冷却剂冷管段和主泵；当发生失电事故停堆时，主泵电机停止工作，但可依靠惰转在停堆后初期维持一定的主冷却剂流量；停堆中后期则靠压力容器和蒸汽发生器内冷却剂的高度差和密度差形成自然循环，持续将反应堆的剩余衰变热传递至蒸汽发生器二次测。
所述蒸汽侧自然循环参与设备包括蒸汽发生器二次测、主蒸汽管道、冷凝换热器和蒸汽发生器给水管道；冷凝换热器入口通过断电自动开启的隔离阀与主蒸汽管道连接，冷凝换热器出口通过断电自动开启的隔离阀与蒸汽发生器给水管连接；为避免余热排出系统在正常工况下对二回路蒸汽循环的影响，冷凝换热器进出口阀门均处于常闭状态；当发生全船失电事故停堆时，主蒸汽管道上的隔离阀关闭，与余热排出系统连接的隔离阀按投入策略以一定的速度开启，非能动余热排出系统投入运行；蒸汽发生器二次测的饱和蒸汽密度较低，上升进入缓冲水箱中的冷凝换热器，通过传热管将热量传递给缓冲水箱中的冷却水，二次测饱和蒸汽则在传热管内冷凝，冷凝水密度较高，下降至蒸汽发生器给水管道返回蒸汽发生器，再被蒸汽发生器内一次侧冷却剂加热至饱和蒸汽从而形成自然循环。
所述余热排出缓冲水箱内冷却水自然循环，指断电停堆工况下，缓冲水箱内上升通道内的冷却水被冷凝换热器加热后密度降低，受浮力作用开始上升；下降通道内的冷却水被海水换热器冷却后密度升高开始下降；上升通道内的流体升高到缓冲水箱顶部后，绕过折流隔板顶部进入下降通道，下降通道内的流体降至缓冲水箱底部后，绕过折流隔板底部进入上升通道形成自然循环。
所述余热排出系统海水侧自然循环参与设备为海水换热器及其进出口通海管路和附件；海水换热器入口通过隔离阀与舷外海水连通，通海口位于船底部以确保在倾斜和摇摆条件下不会露出水面；海水换热器出口通过隔离阀和止回阀与舷外连通，通海口位于舷侧，并高于海水换热器入口通海口一定高度；海水换热器进出口隔离阀为断电自动开启的遥控阀，为避免杂质和海生物堵塞海水换热器及管路附件，海水换热器进出口隔离阀处于常闭状态；当发生断电停堆事故时，海水换热器进出口隔离阀断电自动开启，余热排出系统蒸汽侧通过自然循环将热量传递至缓冲水箱，缓冲水箱冷却水温度上升并开始加热海水换热器传热管，海水换热器管内海水被加热后密度降低并受浮力作用向上流动，通过上部通海出口排出舷外，舷外低温海水密度较高，受压差作用从海水换热器底部通海口进入海水换热器形成自然循环。
海水换热器排出管通海口设在水线以下一定距离，保证船体在横倾一定角度时通海口仍在水线以下；此外，海水换热器排出管上设有止回阀，在高海况大角度横摇时，即使排出管通海口短时间露出水面，海水侧自然循环也不会倒流，待船体回正通海口浸没于水线以下时海水侧自然循环仍将继续进行。
冷凝换热器通过常闭隔离阀与蒸汽发生器相连，正常工况下不会影响二回路运行，断电时隔离阀自动开启使冷凝换热器投入运行；海水换热器通过常闭隔离阀与舷外海水相连，正常工况下不会受舷外海水影响，事故工况下隔离阀自动开启使海水换热器投入运行；断电事故工况下，整个系统均能在外界不输入能量的条件下自动开启投入运行，并自发高效地将反应堆剩余衰变热排出舷外保证堆芯安全。
与现有核动力装置非能动余热排出系统换热水箱相比，本发明的技术方案具有如下优点：
1、折流隔板将整个水箱分成了上升通道和下降通道2个部分，避免了冷凝换热器和海水换热器附近流体直接接触导热，在上升通道和下降通道内产生密度差从而形成自然循环，以对流传热代替导热，从而大幅提高了传热效率。
2、本发明所述非能动余热排出系统缓冲水箱布置于船的两舷，可通过船体外板与舷外海水进行换热。此外，船体为板架结构，外板内侧设有较密的纵骨、强框和扶强材等加强结构，有效的增加了传热面积，在相同工况下可减少所需的冷凝换热器和海水换热器传热面积，可一定程度上减轻设备重量，节省总体资源。
3、由于换热能力的显著提升，在相同换热面积和相同工况下，采用本发明所述的非能动余热排出水箱自然循环能力更强，因而所需冷热芯高度差较小，无需将缓冲水箱布置在很高的位置，非常适用于空间紧张的船用动力系统布置条件。
附图说明
图1为本发明一种高效自然循环的非能动余热排出系统缓冲水箱的结构示意图，其中1a、1b、1c是结构的三个立体视图；
图2为本发明一种高效自然循环的非能动余热排出系统缓冲水箱中冷凝换热器的结构示意图，其中2a为整体结构示意图、2b为2a中A-A剖视图；
图3为本发明一种高效自然循环的非能动余热排出系统缓冲水箱中海水换热器的结构示意图，其中3a为整体结构示意图、3b为3a中A-A剖视图；
图4为本发明一种高效自然循环的非能动余热排出系统缓冲水箱内部箱体和折流隔板结构示意图，其中4a是正试图、4b为俯视图；
图5为本发明所述的缓冲水箱和相同工况下现有缓冲水箱内的流线对比图；
图6为本发明所述的缓冲水箱和相同工况下现有缓冲水箱内的流动矢量对比图；
图7为本发明所述的缓冲水箱和相同工况下现有缓冲水箱内的温度分布对比图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，是本发明一种高效自然循环的非能动余热排出系统缓冲水箱的结构示意图，整个非能动余热排出缓冲水箱包括箱体、折流隔板、冷凝换热器、海水换热器和管路。海水换热器布置于缓冲水箱靠近舷侧，冷凝换热器位于另一侧。海水换热器进出口经通海阀与舷外海水连通，冷凝换热器入口接自蒸汽发生器主蒸汽管路，出口接至蒸汽发生器给水管路。
结合图2，是冷凝换热器的结构示意图。由于冷凝换热器管内外均为清洁淡水，因而传热管采用C形不锈钢管。根据计算，在布置高度有限的船舱内，为满足蒸汽侧自然循环条件，冷凝换热器的有效传热面积需高于15.7m2，据此设计的C形冷凝换热器传热管束直径为630mm，管束长为5000mm，管束宽为3130mm，传热管共109根，传热管沿程长度11214mm，通径为DN32，壁厚为3mm。具体管束排布见图2，规格参数见表1。
结合图3，是本发明一种高效自然循环的非能动余热排出系统缓冲水箱中海水换热器的结构示意图。由于海水换热器传热管内为腐蚀性较强且含有杂质的海水，为避免材料腐蚀和管道堵塞，本发明所述海水换热器传热管采用铜镍合金直管。根据计算，在布置高度有限的船舱内，为导出冷凝换热器排入缓冲水箱的热量，冷凝换热器的有效传热面积需高于22.1m2，据此设计的海水换热器传热管束直径为1308mm，传热管共2253根，管长为6500mm，通径为DN15，壁厚为2.5mm。为控制设备高度，海水换热器倾斜45度布置以在有限的高度内获得最大的传热面积，具体管束排布见图3，规格参数见表2。
结合图4，是箱体和折流隔板结构示意图。折流隔板位于缓冲水箱中部，两侧与水箱连接将海水换热器和冷凝换热器隔离，形成上升和下降两个通道。折流隔板上方和下方与缓冲水箱留出一定距离，将上升和下降通道连接形成自然循环。折流隔板布置见图4，箱体及折流隔板尺寸参数见表3。
结合图5，为本发明的非能动余热排出系统缓冲水箱和现有缓冲水箱内的流线对比，可以看出本发明的缓冲水箱内的流线明显增多，且流速明显升高，说明增加折流隔板后，缓冲水箱内的自然循环流动得到了显著增强。
结合图6，为本发明的非能动余热排出系统缓冲水箱和现有缓冲水箱内某横截面上的流动矢量图，对比可以看出，现有缓冲水箱内冷却水流速很低，仅靠近传热管的少部分流体存在流动，而采用本发明所述的非能动余热排出缓冲水箱，水箱内冷却水的流动情况得到了明显改善，在海水换热器侧形成了下降通道，在冷凝换热器侧形成了上升通道。冷却水以约0.05m/s的流速进行自然循环流动，通过对流传热持续将冷凝换热器的热量传递到海水换热器。
结合图7，为本发明的非能动余热排出系统缓冲水箱和现有缓冲水箱内某横截面上的温度分布云图。可以看出，现有缓冲水箱内温度较高的流体分布在冷凝换热器附近，温度较低的流体分布在海水换热器附近，温度梯度方向为由海水换热器向冷凝换热器，结合图6也可发现现有缓冲水箱内的冷却水流速很低，主要靠沿如图7所示的温度梯度方向导热传递热量。
表1冷凝换热器设计参数
表2海水换热器设计参数
表3箱体及折流隔板设计参数
Claims (7)
1.一种非能动余热排出系统缓冲水箱，其特征在于，包括冷凝换热器、海水换热器、折流隔板和箱体，所述冷凝换热器和海水换热器浸没于所述箱体中；所述折流隔板位于所述箱体中部、将冷凝换热器和海水换热器隔离，海水换热器侧形成下降通道，冷凝换热器侧形成上升通道，上升通道和下降通道在折流隔板顶部和底部相通形成循环通道。
2.根据权利要求1所述的一种非能动余热排出系统缓冲水箱，其特征在于：所述冷凝换热器结构为C型传热管束。
3.根据权利要求2所述的一种非能动余热排出系统缓冲水箱，其特征在于：所述C型传热管束水平段需沿船长方向布置。
4.根据权利要求1所述的一种非能动余热排出系统缓冲水箱，其特征在于：所述海水换热器为三角形排布的直管换热器，所述海水换热器的传热管采用镍黄铜直管；所述海水换热器与水平面倾斜45°布置。
5.根据权利要求1所述的一种非能动余热排出系统缓冲水箱，其特征在于：所述缓冲水箱内采用淡水作为传热介质。
6.根据权利要求1所述的一种非能动余热排出系统缓冲水箱，其特征在于：所述上升通道中的水被冷凝换热器加热后密度降低开始上升，绕过折流板顶部后被海水换热器冷却，冷却后的流体密度升高开始下降，再由折流隔板底部返回上升通道，形成自然循环。
7.根据权利要求1所述的一种非能动余热排出系统缓冲水箱，其特征在于：所述缓冲水箱设于水线以下船的两舷。
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