CN112951457A - 一种具有并联槽道的pcs长期换热水箱 - Google Patents

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彭翔
李龚霖
丁铭
曹夏昕
孙中宁
邢继
张楠
孟兆明
王辉
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Abstract

本发明提供一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，槽道的进出口分别位于外层混凝土壳体的底面和顶面，槽道两侧壁面将双层水箱间的空气夹层分隔为多个纵向流动通道，各槽道的内侧表面即为钢制换热水箱外表面，外侧表面为混凝土水箱壳体内表面，两侧壁面对双层水箱起到固定和支撑作用。工作时，钢制换热水箱本体内部的热量将通过壁面导热传递至槽道并加热空气。空气受热后密度减小，同时在槽道内外侧形成重位差和驱动力，进而在各通道内建立起非能动自然循环。常温空气将从水箱底部下总管入口进入各槽道，以对流传热的方式非能动的带走水箱传递的热量，这一过程可以通过降低换热水箱的温度或减少水箱内部冷却水的蒸发损失以实现PCS系统的长期运行。

Description

一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱
技术领域
本发明涉及是核电厂的非能动安全设施，具体指双层混凝土安全壳的非能动热量导出系统，尤其涉及一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱。
背景技术
当核电厂发生反应堆失水事故或主蒸汽管道破口事故时，将有大量高温高压蒸汽喷方进入安全壳气体空间，导致壳内压力的不断升高。作为隔离放射性物质和外界环境的最后一道安全屏障，安全壳的完整性一旦遭到破坏，很可能对外部环境和公众健康造成威胁。为在全厂断电事故条件下仍能有效缓解安全壳内压力的上升，我国第三代核电厂“华龙一号”中应用了安全壳非能动热量导出系统(PCS)。该系统由位于安全壳内部集管式换热器，位于安全壳外侧并与换热器形成一定高度差的换热水箱，以及连接这两个设备的冷热管段和阀门组成。事故条件下，PCS换热器通过吸收安全壳气空间蒸汽冷凝所释放的汽化潜热，并在冷热管段建立自然循环来非能动的带走安全壳内热量，进而实现降温降压的功能。随着系统的运行，PCS管路和换热水箱中的水温将被加热至饱和状态，自然循环运行模式转变为气-液两相流动(包括闪蒸流动)。由于PCS系统为开式自然循环，热管段所产生的蒸汽将进入换热水箱气空间，进而通过排气口排入外界环境。这一过程将不可避免的造成PCS系统中冷却水的损失，因而不利于系统的长期运行。
在当前的设计应用实例中，有若干专利考虑了PCS系统的长期运行能力。如，专利CN201610297284.4利用高压注射将水洒到安全壳外表面对安全壳进行冷却，并通过空气冷凝器实现自然循环，保证安全壳不超压，维持安全壳的完整性。该设计在电厂外部电源供应良好的条件下可以起到很好的作用。不过在全厂断掉事故条件下，难以实现水箱热量的导出。专利201410353537.6在换热水箱布置了管束换热器，并以通过系统中空气的自然循环带走换热水箱中的热量。这些设计在尚存在一些不足：一方面通过管束式换热器将对空气的自然循环引入较大阻力，这不利于系统自然循环流量的提升；另一方面这些设计仅考虑了换热水箱本体，在非能动方案中并没有考虑外层混凝土壳的影响，而后者在抵御外部物体(如，飞机等)撞击上起到不可或缺的作用。
综上所述，有必要设计一种换热水箱，一方面充分利用钢制换热水箱本体较大的换热表面并借助外界空气的自然循环流动，非能动的导出换热水箱中的热量。该过程可通过降低换热水箱的温度或冷凝水箱气空间的蒸汽(减少冷却水的蒸发损失)以促进PCS系统的长期运行。另一方面在系统结构设计过程中，充分考虑PCS换热水箱混凝土壳的作用，在不影响水箱混凝土壳安全功能的基础上，通过设计合理的布置方案实现水箱热量的非能动导出，最终促进PCS系统的长期运行。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，以在反应堆失水或主蒸汽管道破口事故条件下促进PCS系统的长期运行。
本发明的目的是这样实现的：包括内层钢制换热的水箱本体、外层混凝土的水箱壳体以及两者间的并联槽道，所述水箱本体包括下部水空间段、上部气空间段、PCS系统进口管线、PCS出口管线、排气管线，所述水箱壳体位于水箱本体外侧并与水箱本体外表面存在间隔距离，使水箱本体和壳体之间形成设置并联槽道的间隙，所述并联槽道包括槽道入口、槽道出口、相对于水箱本体外表面的内壁面、外壁面和侧壁面，所述槽道入口位于外层混凝土水箱壳体的底面，所述槽道出口位于外层混凝土水箱壳体的顶面。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.槽道内壁面即为换热水箱本体的外表面，且在内壁面上设置有导热性能高的符合材料；槽道外壁面为钢制平板，内衬于水箱壳体的内侧表面；槽道侧壁面为钢制平板，且在槽道侧壁面内嵌有支撑柱。
2.所述PCS系统进口管线的始端位于换热水箱下部水空间，向下穿过水箱本体和水箱壳体后连接于PCS换热器入口管线。
3.所述PCS系统出口管线的末端位于换热水箱上部气空间，向下穿过水箱本体和水箱壳体后连接于PCS换热器出口管线。
4.所述排气管位于水箱气空间顶部，通过水箱本体和水箱壳体的侧壁面与外界大气联通。
5.在PCS系统运行时，水箱本体中的热量通过水箱本体内壁面导入外侧壁面并加热槽道内的空气，空气受热膨胀后密度减小，在外界空气与槽道内空气重位差的驱动下，空气从底部槽道入口进入槽道，并通过对流传热带走槽道内侧表面的热量；升温后空气通过水箱顶部的槽道出口排入大气；槽道的侧壁面沿水箱纵向布置，起到对空气的导流作用；槽道的外侧壁面与水箱壳体一同起到结构安全的功能，以抵御外界潜在的飞机撞击的威胁。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：所设计PCS长期换热水箱充分利用了钢制换热水箱本体较大的换热表面和大通径槽道较小的流动阻力，通过借助外界空气的自然循环流动，非能动的导出换热换热水箱中的热量。该过程可通过降低换热水箱的温度或冷凝水箱气空间的蒸汽(减少冷却水的蒸发损失)以促进PCS系统的长期运行。系统结构设计过程中，充分考虑了PCS换热水箱混凝土壳的作用，在不影响水箱混凝土壳抵御外界物体撞击的安全功能的基础上，通过合理的设计槽道结构促进PCS系统的长期运行。
附图说明
图1为长期换热水箱结构图；
图2为长期换热水箱沿水箱水面的剖视图；
图3为长期换热水箱系统工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图3，本发明的一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，包括内层钢制换热水箱本体1、外层混凝土水箱壳体2、以及两者间的并联槽道3。
所述的换热水箱本体1包括下部水空间段4、上部气空间段5、PCS系统进口管线6、PCS出口管线7、排气管线8。
所述的换热水箱本体下部水空间段，初始条件为常温常压冷却水，PCS系统长期运行过程中为饱和状态冷却水，初始水装量可以满足PCS系统运行72h；
所述的PCS系统进口管线6的始端位于换热水箱下部水空间4，向下穿过水箱本体1和水箱壳体2，连接于PCS换热器入口管线9。
所述的PCS系统出口管线7的末端位于换热水箱上部气空间5，向下穿过水箱本体1和水箱壳体2，连接于PCS换热器出口管线10。
所述的排气管线8位于水箱气空间5顶部，通过水箱本体1和水箱壳体2的侧壁面与外界大气联通。
所述的外层混凝土水箱壳体2优选钢筋混凝土材料，位于水箱本体1外侧并与水箱本体1外表面间隔一定距离，使水箱本体1和壳体2之间形成间隙。
所述并联槽道3由槽道入口11、槽道出口12、相对于水箱本体外表面的内壁面13、外壁面14和侧壁面15组成。
所述槽道入口11位于外层混凝土水箱壳体2的底面，并与外界大气联通，各槽道入口11可以单独分散布置于水箱壳体2底面，也可以在底部间隙内汇总后通过下总管16穿出水箱壳体2底面。
所述槽道出口12位于外层混凝土水箱壳体2的顶面，并与外界大气联通，各槽道出口12可以单独分散布置于水箱壳体2顶面，也可以在顶部间隙内汇总后通过上总管17穿出水箱壳体2顶面。
所述的各槽道内壁面13即为换热水箱本体1的外表面，在内壁面上13设置有导热性能高的符合材料18。
所述的各槽道外壁面14优选钢制平板，内衬于水箱壳体2的内侧表面。
所述的槽道侧壁面15优选钢制平板，对底部槽道的侧壁面做加厚处理并内嵌支撑柱19以对水箱本体起到支撑作用。
由于混凝土安全壳PCS系统长期运行过程中，热管段的冷却水会持续蒸发或闪蒸，并通过水箱气空间排入外界气体环境。这一过程将不可避免的造成系统冷却水的损失，不利于系统的长期运行。本发明利用换热水箱本体较大的换热面积，并基于工程应用中换热水箱的主要特征，在不影响其结构和安全功能的基础上，设计了一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，以期促进PCS系统的长期运行。
本发明所提供的一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，包括内层钢制换热水箱本体1、外层混凝土水箱壳体2、以及两者间的并联槽道3，所述的换热水箱本体包括下部水空间段4、上部气空间段5、PCS系统进口管线6、PCS系统出口管线7、排气管线8，所述的外层混凝土水箱壳体2优选钢筋混凝土材料，位于水箱本体1外侧并与水箱本体1外表面间隔一定距离，使水箱本体2和水箱壳体2之间形成空气间隙，所述并联槽道3由槽道入口、槽道出口、相对于水箱本体1外表面的内壁面13、外壁面14和侧壁面15组成。
本发明主要应用于反应堆主冷却水回路失水或主蒸汽管道破口事故条件下，期间全厂断电且失去厂外供应电源。上述事故条件下，破口20处会有大量高温高压蒸汽喷放进入安全壳气体空间21，导致安全壳内温度和压力不断升高。安全壳内部形成高温空气-蒸汽混合气体环境。这时，由PCS换热器22、安全壳外置换热水箱1以及相应管道阀门组成的PCS系统启动运行。安全壳气空间21的蒸汽在PCS换热器22外表面凝结，所释放的气化潜热通过传热管壁面传递到管内冷却侧水。冷却水受热后密度减小，并在进口管9和出口管10间形成密度差。在重位差引起的驱动力的作用下，PCS回路建立起自然循环，非能动的带走安全壳内热量。在系统启动时，PCS系统回路内为常温冷却水。随着系统的运行，回路中的冷却水逐渐被加热至饱和状态，进而PCS系统的运行由单相自然循环转入汽-液两相自然循环。期间产生的蒸汽通过PCS换热器出口管线10进入水箱气空间，进而由排气管线8排入外界大气环境。若不采取相应的冷却措施，水箱本体1内的水会不断减少进而影响系统的长期运行。
基于本发明所设计的PCS长期换热水箱，在PCS系统运行时，水箱本体1中的热量通过水箱本体1内壁面导入外侧壁面并加热槽道3内的空气。空气受热膨胀后密度减小，在外界空气与槽道3内空气重位差的驱动下，空气从底部槽道入口11进入各槽道3，并通过对流传热带走槽道内侧表面12的热量。槽道的内侧表面13选用导热性能好的复合材料18以促进传热。升温后空气通过水箱顶部的槽道出口12排入大气。槽道的进/出口11/12可以单独分散布置于水箱壳体2底面/顶面，也可以在底部间隙内汇总后通过总管12/17穿出壳体底面/顶面。对于槽道出口12，可以与水箱壳体2顶面平齐，也可以伸出水箱壳体2顶面一段距离，通过形成烟囱效应提升槽道3内空气的对流传热能力。槽道的侧壁面15沿水箱纵向布置，主要起到对空气的导流作用。对水箱底部槽道的侧壁面15进行加厚处理并内嵌支撑柱19，以对换热水箱本体起到支撑的作用。各槽道的外侧壁面14优选钢制平板，内衬于水箱壳体2内表面。槽道3的外侧壁面14与水箱壳体2一同起到结构安全的功能，以抵御外界潜在的飞机撞击等威胁。
综上，本发明提供一种促进非能动热量导出系统(PCS)长期运行的双层非能动换热水箱，具体包括内层钢制换热水箱本体，外层混凝土水箱壳体、以及两者间的并联槽道。所述槽道的进出口分别位于外层混凝土壳体的底面和顶面，槽道两侧壁面将双层水箱间的空气夹层分隔为多个纵向流动通道，各槽道的内侧表面即为钢制换热水箱外表面，外侧表面即为混凝土水箱壳体内表面，两侧壁面对双层水箱起到固定和支撑作用。在PCS启动和长期运行过程中，钢制换热水箱本体内部的热量将通过壁面导热传递至槽道并加热空气。空气受热后密度减小，同时在槽道内外侧形成重位差和驱动力，进而在各通道内建立起非能动自然循环。上述条件下，常温空气将从水箱底部下总管入口进入各槽道，以对流传热的方式非能动的带走水箱传递的热量，这一过程可以通过降低换热水箱的温度或减少水箱内部冷却水的蒸发损失以实现PCS系统的长期运行。

Claims (8)

1.一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，其特征在于：包括内层钢制换热的水箱本体、外层混凝土的水箱壳体以及两者间的并联槽道，所述水箱本体包括下部水空间段、上部气空间段、PCS系统进口管线、PCS出口管线、排气管线，所述水箱壳体位于水箱本体外侧并与水箱本体外表面存在间隔距离，使水箱本体和壳体之间形成设置并联槽道的间隙，所述并联槽道包括槽道入口、槽道出口、相对于水箱本体外表面的内壁面、外壁面和侧壁面，所述槽道入口位于外层混凝土水箱壳体的底面，所述槽道出口位于外层混凝土水箱壳体的顶面。
2.根据权利要求1所述的一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，其特征在于：槽道内壁面即为换热水箱本体的外表面，且在内壁面上设置有导热性能高的符合材料；槽道外壁面为钢制平板，内衬于水箱壳体的内侧表面；槽道侧壁面为钢制平板，且在槽道侧壁面内嵌有支撑柱。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，其特征在于：所述PCS系统进口管线的始端位于换热水箱下部水空间，向下穿过水箱本体和水箱壳体后连接于PCS换热器入口管线。
4.根据权利要求3所述的一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，其特征在于：所述PCS系统出口管线的末端位于换热水箱上部气空间，向下穿过水箱本体和水箱壳体后连接于PCS换热器出口管线。
5.根据权利要求4所述的一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，其特征在于：所述排气管位于水箱气空间顶部，通过水箱本体和水箱壳体的侧壁面与外界大气联通。
6.根据权利要求1或2所述的一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，其特征在于：在PCS系统运行时，水箱本体中的热量通过水箱本体内壁面导入外侧壁面并加热槽道内的空气，空气受热膨胀后密度减小，在外界空气与槽道内空气重位差的驱动下，空气从底部槽道入口进入槽道，并通过对流传热带走槽道内侧表面的热量；升温后空气通过水箱顶部的槽道出口排入大气；槽道的侧壁面沿水箱纵向布置，起到对空气的导流作用；槽道的外侧壁面与水箱壳体一同起到结构安全的功能，以抵御外界潜在的飞机撞击的威胁。
7.根据权利要求3所述的一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，其特征在于：在PCS系统运行时，水箱本体中的热量通过水箱本体内壁面导入外侧壁面并加热槽道内的空气，空气受热膨胀后密度减小，在外界空气与槽道内空气重位差的驱动下，空气从底部槽道入口进入槽道，并通过对流传热带走槽道内侧表面的热量；升温后空气通过水箱顶部的槽道出口排入大气；槽道的侧壁面沿水箱纵向布置，起到对空气的导流作用；槽道的外侧壁面与水箱壳体一同起到结构安全的功能，以抵御外界潜在的飞机撞击的威胁。
8.根据权利要求4或5所述的一种具有并联槽道的PCS长期换热水箱，其特征在于：在PCS系统运行时，水箱本体中的热量通过水箱本体内壁面导入外侧壁面并加热槽道内的空气，空气受热膨胀后密度减小，在外界空气与槽道内空气重位差的驱动下，空气从底部槽道入口进入槽道，并通过对流传热带走槽道内侧表面的热量；升温后空气通过水箱顶部的槽道出口排入大气；槽道的侧壁面沿水箱纵向布置，起到对空气的导流作用；槽道的外侧壁面与水箱壳体一同起到结构安全的功能，以抵御外界潜在的飞机撞击的威胁。
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