CN112992391A - 一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，其主要由上段槽，上段引流管，下段槽，下段引流管和水斗式储能系统组成，所述的水斗式储能系统包括收集结构、管道结构、叶轮结构、齿轮啮合结构、储能结构和排水结构，用于具有非能动钢制安全壳冷却系统的反应堆中。经过上段引流管引入收集结构的液体，一方面可以减少侧壁的液膜厚度，提高侧壁的换热效率；另一方面则经过管道结构流经叶轮结构，推动叶轮转动，进而推动齿轮啮合结构转动，使得发电储能结构得以收集流体的重力势能，完成能量的回收利用。做功完成后的液体，同样经过排水结构排入地坑，用于堆芯的低压循环冷却。

Description

一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统

技术领域

本发明涉及的是非能动安全壳冷却系统的能量回收利用设备，具体是指一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统。

背景技术

长期以来，能源问题一直是困扰人类能否可持续发展的核心问题之一。自从核能步入商用以来，由于其较好的经济性和运行期间零排放的特性，使得核能在许多国家中已经成为了主要能源。而其他的许多国家也在不遗余力的发展核电技术，这也必将使得核电的使用范围越来越广泛。

与此同时，影响核电推广的最关键的因素，就是核电自身的安全性是否能得到保障。在一般的核电站中，都设计有相应的能动安全设置，保证在事故工况下的堆芯安全。为了进一步提高核电厂的固有安全性，在第三代以及最新的第四代核电技术中设置有相应的非能动安全设施。

在目前已经修建投入运行的核电站中，AP1000是最具有代表性的采用了非能动设计的电站之一。其采用了双层钢制安全壳的形式，配合空气的自然循环和高位水箱依靠重力形成的水膜，导出在事故工况下被喷放到安全壳内的蒸汽产生的热量，确保安全壳内的温度和压力在规定限值以内。

为了优化这一形式下的非能动安全壳导热系统的设计，有许多的专利提出了优化方案。例如在专利CN201710437433.7和CN201621002143.7中，作者使用回流设计提高了安全壳夹层中的冷却水的利用率以及翅片设计提高了换热效率。而在专利CN201520330100.0则采用了一种热管导液装置，也用于提高夹层中液膜的换热效率。在专利CN201910195647.7中，则使用了收集夹层中尚未完全蒸发的液膜，并将其收集作为堆坑中的循环水加以利用。些专利优化非能动安全壳设计的方向主要集中双层安全壳的夹层之中，而在内层安全壳内部的优化设计则较少。反应堆发生事故时喷放的大量蒸汽会在内层的安全壳内部冷凝，并产生大量液体，其具有的重力势能和液体本身同样具有较高的利用价值。

因此，有必要发明一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，以充分利用安全壳内部冷凝产生液体的重力势能，并将这些液体收集到地坑当中，并作为核电厂在事故条件下的应急能源和循环散热的水源，增强安全壳的安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，以实现安全壳内冷凝水重力势能的回收利用，确保安全壳内的压力和温度在规定限值以内，并为事故条件下的能动缓解措施提供额外的能量。

本发明的目的是这样实现的：包括设置在安全壳内壁面的上段槽和下段槽、设置在上段槽底部的上段引流管、设置在下段槽底部的下段引流管、水斗式储能系统，上段槽和下段槽均为环形直角结构且设置在安全壳内壁的周向上，环形直角结构与安全壳壁面共同组成槽形结构，下段引流管的端部伸至地坑处，水斗式储能系统包括收集结构、管道结构、叶轮结构、齿轮啮合结构、储能结构和排水结构，收集结构与管道结构相连，管道结构与叶轮结构和排水结构相连，叶轮结构通过齿轮啮合结构与储能结构相连，上段引流管的端部伸至收集结构内。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述收集结构为一个渐缩管，且渐缩管上部为环形、下部为方形，管道结构包括一个与渐缩管下部连通的方形直管、设置在方形直管侧面的盘形管，叶轮结构包括通过叶轮主轴设置在盘形管内的叶轮，储能结构包括磁励发电装置和电池，叶轮将运动通过齿轮啮合结构传递至磁励发电装置。

2.所述的齿轮啮合结构包括与设置在主轴上的叶轮齿轮、设置在磁励发电装置输入轴上的电机齿轮和外壳。

3.上段引流管和下段引流管为直管光管，上段槽和下段槽与水平面呈5°倾斜，且上、下段引流管的顶部放置在对应槽形结构的最低点，且通过支撑柱与安全壳内壁面相连。

4.在事故发生时，蒸汽会在安全壳内壁面冷凝，上段槽会收集上半部分安全壳内壁面冷凝产生的液体，在利用其势能的同时减小下半部分安全壳内壁面冷凝产生的液膜热阻，增加整体安全壳壁面的换热效率；经过上段槽收集的冷凝水经过收集结构并推动在管道结构中的叶轮结构旋转，产生的动能经过齿轮啮合结构传递到储能结构中储存并用于安全壳的相关能动设备；做功后的冷凝液体以及经过下段槽收集的冷凝液体分别经过排水结构和下段引流管导向地坑当中，用于低压自然循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明在安全壳内置换热器中引入了水斗式储能系统。其利用蒸汽冷凝后产生的水流势能，将其转化为的动能进一步经过传动转化为电能进行储存，可有效利用蒸汽被冷凝后所具有的重力势能，为其他能动设备提供额外的应急能源。

2)本发明在安全壳内中引入了冷凝水收集装置，其绕安全壳一周的结构，使得在安全壳壁面冷凝的大部分流体都能经过收集流向地坑，一方面为反应堆在事故条件下的低压自然循环提供了更多的冷却剂，提高了反应堆冷却剂的利用率；另一方面防止了安全壳中段壁面产生液膜，提高了安全壳冷凝换热系统的换热效率。

3)本发明在反应堆发生严重事故时，可以提供额外的电能，协同安全壳内的其他能动安全设施，使安全壳内部尽快的降温降压，保证安全壳内的压力、温度在规定限值以内，确保安全壳的结构完整性不遭破坏。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是叶轮结构示意图；

图3a是齿轮啮合结构仰视图，图3b是齿轮啮合结构侧视图；

图4是叶轮的单叶片的剖视图。

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1-4，本发明提供一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统。主要有上段槽1、上段引流管2、渐缩管3、方管4，叶轮5、排水管6、下段槽7、下段引流管8、支撑台9、储能电机10、安全壳气空间11、安全壳内壁面12、支撑柱13和水斗式储能系统，适用于具有非能动钢制安全壳冷却系统的反应堆中。上段槽通过上段引流管与水斗式储能系统相连，水斗式储能系统将完成做功后的冷凝产生的液体收集到地坑当中，可以用于低压循环导出堆芯热量。下段槽收集的壁面冷凝水则通过下段引流管直接送到地坑当中，可以避免液体储存在安全壳内的其他局部位置，降低地坑中的可用冷凝水量。

所述的上段槽和下段槽采用环形布置，自身为直角结构，直角结构与安全壳壁面共同组成槽形结构，整体结构优选5°的倾角。其中，上段槽负责收集在安全壳顶部冷凝的大量水蒸气，用以做功储能，下段槽负责收集在安全壳一周冷凝的部分水蒸气，用以集中送往地坑；上段槽本体为一个具有5°倾角直角刚制沟槽结构，以焊接的方式固定在安全壳一周的壁面上，且表面经过了喷漆处理，保证在长期的待命状态下不会发生腐蚀；下段槽本体为一个具有5°倾角直角刚制沟槽结构，以焊接的方式固定在安全壳一周的壁面上，且表面经过了喷漆处理，保证在长期的待命的状态下不会发生腐蚀。

所述的上段引流管和下段引流管为直管光管，分别布置在上段槽和下段槽的底部，其位置取决于核电厂内的整体布置方式，但引流管的顶部必须放置在各自相接的沟槽结构的最低点，且通过支撑柱与安全壳内壁面相连；上段引流管使用优选的钢制国标光滑圆管，以斜布的形式连接上段槽的底部和水斗式储能系统的顶部；下段引流管使用优选的钢制国标光滑圆管，以先倾斜，再转角为竖直方向，进而连接下段槽的底部和堆坑的底部。

所述的水斗式储能系统包括收集结构、管道结构、叶轮结构、齿轮啮合结构、储能结构和排水结构，从上到下的位置进行布置。收集结构与管道结构相连，管道结构与叶轮结构和排水结构相连，叶轮结构通过齿轮啮合结构与储能结构相连；

所述的收集结构包括一个渐缩管，其上部为环形，下部为方形，设置于管道结构的顶部；渐缩管的上部为开口环形，上段引流管以插入开口的形式将冷凝液体送入水斗式储能系统；渐缩管的下部为方形且与管道结构相连，使用优选无缝不锈钢一体成型。整个收集结构的内外表面均以油漆包裹，保证在长期的待命的状态下不会发生腐蚀。

所述的管道结构包括一个方形直管和一个盘形管，方形直管的侧面的中部有开口，用于焊接盘形管，盘形管完全封闭用于焊接的开口；也可以这样描述：管道结构整体为一体成型的方管，并在其叶轮安装位置进行切割，并焊接上与方管相接的圆盘管，用于安装承载叶轮，并封闭被切割的流道。管道结构的顶部与收集结构焊接相连，底部与排水结构相连，中部将叶轮结构包含在内。

所述的叶轮结构包括叶轮，叶轮主轴和轴封。叶轮结构上包括一个圆环状的优选钢制圈和多个附加在钢圈上的叶片。该结构的设计也可采用优选钢制圆环和优选钢制叶片分体铸造的形式，利用焊接的形式将其结合在一起，也可以采用一体铸造成型；叶轮与管道的直边侧相切，可以防止流体在流过方管时不做功直接流失。叶轮的中心通过叶轮主轴连接到管道外部，并使用轴封封闭两侧，防止液体从轴的两端泄露。叶轮，叶轮主轴和轴封均使用优选材料，且保证在堆芯寿期内不发生影响结构强度的腐蚀。管道外部的轴与齿轮啮合结构相咬合，负责将液体击打叶轮产生的动能转换为叶轮齿轮的动能。

所述的齿轮啮合结构包括叶轮齿轮，电机齿轮和外壳。其作用是将叶轮的动能传递给电机用于发电；叶轮齿轮通过叶轮主轴导出叶轮所具有的动能，并将其传递到电机齿轮上，电机齿轮与电机主轴相连，使得最终能量用于发电储能。两齿轮均采用优选的的合金钢铸造，其间的传动比根据流量确定，在一般情况下叶轮的齿数应大于电机，使转速加快，足够用于发电储能。

所述的储能结构包括磁励发电装置和电池。其作用是将电机齿轮旋转的动能经由电机主轴转化为电能，并加以储存。磁励发电装置与电机齿轮同步旋转，并进行磁励发电，将产生的电能存储于电机内部的电池。电机内部电池的输出可根据核电站设计的具体需要，接通相应的能动设备，协助确保安全壳安全。

所述的排水结构包括多重圆管，圆管间通过转角管焊接的形式相连，将失去大部分势能的冷凝液体排向地坑。也即排水结构与管道结构最下方直接相连，形式为圆管结构，并且可以根据堆内具体布置需要，以多重管道焊接的形式，经过一定次数的弯折，将失去主要势能的冷凝液体导向堆坑当中，用于堆芯在应急条件下的低压安注系统。

本发明主要应用于带有安全壳非能动冷却系统的新型反应堆，当这种反应堆在运行时发生一回路管道或主蒸汽管道发生破裂事故时，安全壳气空间11以内会包容大量高温高压的蒸气，使得安全壳内的温度和压力不断上升。这些由于管道破裂释放出的高温高压蒸汽的热量，首先被安全壳内的结构吸收，尤其是安全壳内壁面12。随着事故的发展，钢制安全壳式的非能动安全壳冷却系统投入运行，安全壳内壁面12的温度随即下降，进而实现安全壳内的热量的持续导出。

在上述破口事故发生时，大量高温高压气体以一定的初始速度被喷放到安全壳大空间当中，在温差和密度差的作用下，这些气体在安全壳内向上流动。当蒸汽与顶部的安全壳壁面12接触时，蒸汽会大量冷凝，同时大量的冷凝产生的液体会沿着安全壳壁面向下流动，从而环绕安全壳一周均会有冷凝液体。为了减小环绕安全壳一周的液膜的换热抑制影响，同时利用起安全壳内液体冷凝产生的重力势能，设计了一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，该系统的整体形式如图1所示。该系统的主要组件包括上段槽1，上段引流管2，下段槽7，下段引流管8和水斗式储能系统，水斗式储能系统又包括收集结构3、管道结构4、叶轮结构5(如图2所示)、齿轮啮合结构14(如图3所示)、储能结构10和排水结构6。

在事故发生时，蒸汽会在安全壳内壁面12冷凝，上段槽1会收集上半部分安全壳内壁面12冷凝产生的液体，在利用其势能的同时减小下半部分安全壳内壁面12冷凝产生的液膜热阻，增加整体安全壳壁面的换热效率。经过上段槽1收集的冷凝水经过收集结构3并推动在管道结构4中的叶轮结构5旋转，产生的动能经过齿轮啮合结构14传递到储能结构10中储存并用于安全壳的相关能动设备。做功后的冷凝液体以及经过下段槽13收集的冷凝液体分别经过排水结构6和下段引流管8导向地坑当中，用于低压自然循环。

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明主要应用于带有以刚制安全壳为换热主体的非能动安全壳冷却系统，当反应堆中发生一回路破口事故或者主蒸汽管道破裂事故时，大量的蒸汽会被释放到安全壳气空间11当中，使得安全壳内的压力和温度不断上升。喷放初期，蒸汽产生的温度和压力上升主要由安全壳内壁面12、堆坑和安全壳其他内部构件吸收；随着事故的发展，以刚制安全壳为换热主体的非能动安全壳冷却系统会使得安全壳内壁面12的温度趋于常温，并进而实现安全壳内蒸汽热量的持续导出。

在上述反应堆事故期间，破口处释放的大量高温高压气体密度较小，速度较快，从而使得这些高温的蒸汽会裹挟安全壳中的空气向上流动。当蒸汽与安全壳内壁面12接触时，蒸汽会大量冷凝，同时在壁面上会产生液膜，从而蒸汽的冷凝传热产生一定的抑制作用，尤其是在安全壳内壁面12的下半段，液膜从顶部往下积累汇集的时候。为了减小液膜的抑制作用，同时将安全壳高处冷凝的液体势能利用起来，该发明设计了一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统(如图1)。该系统的主要组件包括上段槽1，上段引流管2，下段槽7，下段引流管8和水斗式储能系统。上段槽1可以将安全壳内壁面12的上半段冷凝产生的液体进行收集，并通过上段引流管2导向水斗式储能系统。上述冷凝液体在水斗式储能系统中将势能转化为了电能并储存了起来，并最终通过排水结构6送往地坑。储存的电能可以用于安全壳内的能动设备，缓解事故下安全壳内的状态。在安全壳内壁面12的下半段冷凝产生的液体主要通过下段槽7进行了收集，并经过下段引流管直接送往地坑，用于事故工况下，堆芯的自然循环。且由于安全壳内壁面12的上半段冷凝产生的液体被收集，使得安全壳内壁面12的下半段受到液膜的影响变小，进而提升了这一区域的冷凝换热能力。上段引流管2和下段引流管均通过支撑柱13与安全壳内壁面12相连。

水斗式储能系统包括收集结构3、管道结构4、叶轮结构5(如图2所示)、齿轮啮合结构14(如图3所示)、储能结构10和排水结构6。其中收集结构3和管道结构4通过支撑柱13与壁面相连，储能结构10则放置于支撑台9上，排水结构6和齿轮啮合结构14为通过管道结构4支撑。

收集结构3的整体为一个渐缩管，其上部为环形，下部为方形，设置于管道结构的顶部，其作用是收集来自上段引流管2的液体，并以渐缩结构防止液体飞溅到管道外；叶轮结构5为多个与管道结构4的右壁面相切的弧形叶片结构，其叶轮主轴17的右侧与管道结构4的左直壁面相切，结合叶片本身的水斗结构19使液体的重力势能充分的被叶轮结构5吸收转化为动能。叶轮主轴17穿过管道处会使用轴封加以密封，防止液体渗漏到管道外部。

通过叶轮结构5所吸收的动能经过叶轮主轴17转移到了齿轮啮合结构当中，齿轮啮合结构包括叶轮齿轮15，电机齿轮16和外壳。其中，外壳为普通的壳状遮蔽结构，主要负责包裹叶轮齿轮15和电机齿轮16，与传动无关，因此未在图中画出。齿轮啮合结构的主要功能在于将叶轮主轴17所具有的旋转动能传递到电机齿轮16中。

电机齿轮16会将动能进一步传递到电机主轴18上，并进一步输送到储能结构当中。储能结构内部包含磁励发电装置和电池。其可以将电机主轴旋转的动能转化为电能，并加以储存，用于缓解安全壳内事故的严重程度。

失去势能的冷凝液体和由下段槽7所收集的壁面冷凝液体，分别经由排水结构6和下段引流管8导向地坑当中，用于低压循环。这样的集中收集也使得更多的冷凝液体可以导向地坑当中，提高了参与堆芯低压自然循环的液体总量和安全壳内被喷放液体的使用率。

综上，本发明的目的在于提供一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，其主要由上段槽，上段引流管，下段槽，下段引流管和水斗式储能系统组成，所述的水斗式储能系统包括收集结构、管道结构、叶轮结构、齿轮啮合结构、储能结构和排水结构，用于具有非能动钢制安全壳冷却系统的反应堆中。上段槽采用优选钢材料制成的直角结构绕安全壳一周形成沟槽结构。在上段槽某个位置中设置有上段引流管，负责将沟槽结构收集的安全壳体冷凝产生的液体导向水斗式储能系统。为了能够顺利的完成液体收集，与上段引流管相连的上段槽位置正对的另一侧的上段槽位置的连线，与水平方向的夹角为5°。下段槽同样采用5°的倾斜布置，保证侧壁收集的冷凝液体也能完整的收集，并输运到堆坑当中，用于堆芯的低压循环冷却。经过上段引流管引入收集结构的液体，一方面可以减少侧壁的液膜厚度，提高侧壁的换热效率；另一方面则经过管道结构流经叶轮结构，推动叶轮转动，进而推动齿轮啮合结构转动，使得发电储能结构得以收集流体的重力势能，完成能量的回收利用。做功完成后的液体，同样经过排水结构排入地坑，用于堆芯的低压循环冷却。

Claims (9)

1.一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，其特征在于：包括设置在安全壳内壁面的上段槽和下段槽、设置在上段槽底部的上段引流管、设置在下段槽底部的下段引流管、水斗式储能系统，上段槽和下段槽均为环形直角结构且设置在安全壳内壁的周向上，环形直角结构与安全壳壁面共同组成槽形结构，下段引流管的端部伸至地坑处，水斗式储能系统包括收集结构、管道结构、叶轮结构、齿轮啮合结构、储能结构和排水结构，收集结构与管道结构相连，管道结构与叶轮结构和排水结构相连，叶轮结构通过齿轮啮合结构与储能结构相连，上段引流管的端部伸至收集结构内。

2.根据权利要求1所述的一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，其特征在于：所述收集结构为一个渐缩管，且渐缩管上部为环形、下部为方形，管道结构包括一个与渐缩管下部连通的方形直管、设置在方形直管侧面的盘形管，叶轮结构包括通过叶轮主轴设置在盘形管内的叶轮，储能结构包括磁励发电装置和电池，叶轮将运动通过齿轮啮合结构传递至磁励发电装置。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，其特征在于：所述的齿轮啮合结构包括与设置在主轴上的叶轮齿轮、设置在磁励发电装置输入轴上的电机齿轮和外壳。

4.根据权利要求1或2所述的一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，其特征在于：上段引流管和下段引流管为直管光管，且上、下段引流管的顶部放置在对应槽形结构的最低点，且通过支撑柱与安全壳内壁面相连。

5.根据权利要求3所述的一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，其特征在于：上段引流管和下段引流管为直管光管，上段槽和下段槽与水平面呈5°倾斜，且上、下段引流管的顶部放置在对应槽形结构的最低点，且通过支撑柱与安全壳内壁面相连。

6.根据权利要求2所述的一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，其特征在于：在事故发生时，蒸汽会在安全壳内壁面冷凝，上段槽会收集上半部分安全壳内壁面冷凝产生的液体，在利用其势能的同时减小下半部分安全壳内壁面冷凝产生的液膜热阻，增加整体安全壳壁面的换热效率；经过上段槽收集的冷凝水经过收集结构并推动在管道结构中的叶轮结构旋转，产生的动能经过齿轮啮合结构传递到储能结构中储存并用于安全壳的相关能动设备；做功后的冷凝液体以及经过下段槽收集的冷凝液体分别经过排水结构和下段引流管导向地坑当中，用于低压自然循环。

7.根据权利要求3所述的一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，其特征在于：在事故发生时，蒸汽会在安全壳内壁面冷凝，上段槽会收集上半部分安全壳内壁面冷凝产生的液体，在利用其势能的同时减小下半部分安全壳内壁面冷凝产生的液膜热阻，增加整体安全壳壁面的换热效率；经过上段槽收集的冷凝水经过收集结构并推动在管道结构中的叶轮结构旋转，产生的动能经过齿轮啮合结构传递到储能结构中储存并用于安全壳的相关能动设备；做功后的冷凝液体以及经过下段槽收集的冷凝液体分别经过排水结构和下段引流管导向地坑当中，用于低压自然循环。

8.根据权利要求4所述的一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，其特征在于：在事故发生时，蒸汽会在安全壳内壁面冷凝，上段槽会收集上半部分安全壳内壁面冷凝产生的液体，在利用其势能的同时减小下半部分安全壳内壁面冷凝产生的液膜热阻，增加整体安全壳壁面的换热效率；经过上段槽收集的冷凝水经过收集结构并推动在管道结构中的叶轮结构旋转，产生的动能经过齿轮啮合结构传递到储能结构中储存并用于安全壳的相关能动设备；做功后的冷凝液体以及经过下段槽收集的冷凝液体分别经过排水结构和下段引流管导向地坑当中，用于低压自然循环。

9.根据权利要求5所述的一种采用冷凝水收集装置的能量回收利用系统，其特征在于：在事故发生时，蒸汽会在安全壳内壁面冷凝，上段槽会收集上半部分安全壳内壁面冷凝产生的液体，在利用其势能的同时减小下半部分安全壳内壁面冷凝产生的液膜热阻，增加整体安全壳壁面的换热效率；经过上段槽收集的冷凝水经过收集结构并推动在管道结构中的叶轮结构旋转，产生的动能经过齿轮啮合结构传递到储能结构中储存并用于安全壳的相关能动设备；做功后的冷凝液体以及经过下段槽收集的冷凝液体分别经过排水结构和下段引流管导向地坑当中，用于低压自然循环。

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