CN113035387B - 一种高效运行的pcs长期冷却水箱 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高效运行的PCS长期冷却水箱，其主要由外层混凝土外壳，内层钢制水箱，以及两者之间的高效换热并联流道组成。所述流道由安装于钢制水箱外表面的S型立式折板分隔形成，其以混凝土外壳底部为入口、顶部为出口。且出口总管向外延伸形成烟囱结构。钢制水箱内部具有多个贯穿水箱上下表面的大管径波节管。本发明应用于反应堆失水事故条件下在PCS的启动和长期运行过程，其利用钢制水箱外表面较高的温度以及烟囱效应使并联流道内形成流速可观的非能动空气自然循环，并借助S型立式折板，波节管等强化传热手段实现水箱外表面的高效传热。这一过程通过降低PCS冷却水箱水温或减少水箱水蒸发以促进PCS系统的长期运行。

Description

一种高效运行的PCS长期冷却水箱
技术领域
本发明涉及一种核电站的非能动安全保护设施，是指安全壳非能动热量导出系统的冷却水箱，具体是一种高效运行的PCS长期冷却水箱。
背景技术
自上世纪末以来，非能动安全措施在核电系统中的比重逐渐增大，以AP1000为例，其非能动安全系统包括非能动堆芯冷却系统(PXS)、非能动安全壳冷却系统(PCS)、非能动余热排除系统(PRHRS)、主控室应急可居留性系统(MCRHS)、安全壳隔离系统(CIS),这些系统的存在使得反应堆在发生事故后，能够减轻对外部工作人员的操作及外部能源供给的依赖，从而简化工程安全措施，降低制造成本，使得核电设施的安全性与经济性达到一个较好的平衡。
在核电站发生LOCA或主蒸汽管线破裂事故时，大量高温高压的蒸汽进入安全壳内，使安全壳不断的升温升压。为了维持安全壳内压力在允许范围内，防止其因超温超压导致安全壳的完整性遭到破坏，需要一定的安全保护措施。在第三代反应堆中，如AP1000和“华龙一号”，都设置有非能动安全壳冷却系统(PCS)，其中我国拥有完整自主知识产权的“华龙一号”采用的是低压开式自然循环回路的非能动安全壳冷却系统，其由位于高位的换热水箱、位于低位的集管式换热器以及连接两者的管道阀门组成。在事故工况下，安全壳内积聚大量高温蒸汽，PCS换热器内冷却水吸收蒸汽的汽化潜热而升温，向上流动至冷却水箱，而后从冷管段重新进入PCS换热器吸收热量，形成循环，实现对安全壳的冷却。随着系统的运行，换热水箱内的常温差压水不断被加热至常压饱和状态，主循环回路的上升管段(热管段)，流动状态也从单相流动转变为气-液两相流动，换热水箱内气空间内蒸汽不断增多，通过排气管线向大气中排放蒸汽，而引起换热水箱内冷却水的损失，这并不利于PCS的长期运行。
在现有的设计应用中，有若干专利也考虑了PCS的长期运行能力。如，专利CN20120090809.9通过增设换热结构，利用空气对换热水箱中的工质进行降温，从而降低系统下降段入口工质温度。但传统的换热通道，其换热能力与效率有限，实际对水箱工质的降温效果也存在限制。专利CN201410353537.6在换热水箱内部布置管束换热器，通过水箱内部的空气循环带走水箱内的热量。但其在水箱内部安置换热器会增大空气流动的阻力，不利于系统循环流量的提升；此外，安全壳外裸露的水箱忽略了太阳对水箱加热的作用，以及大气空间内风速对水箱冷却的影响变化，混凝土外壳对外部袭击的抵御作用。
因此，有必要设计一种高效运行的换热水箱，其一方面能够通过较为稳定的自然循环实现对水箱内部空间的冷却，减少水蒸气的排放，满足PCS的长期运行的要求，同时不可忽略混凝土外壳在发生外部事件(飞机撞击、龙卷风等)的安全保护作用，在水箱外部也应布置有混凝土保护外壳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于并联流道内空气自然循环流动及其强化传热原理的PCS的长期换热水箱，以实现在LOCA或主蒸汽管道破裂事故下，将水箱内的热量能够更加高效的排放至大气中，进而减少水箱内冷却水的蒸发损失，满足PCS长期运行的要求。
本发明的目的是这样实现的：包括钢筋混凝土的外壳、通过钢筋混凝土柱设置在外壳内的钢制的水箱本体、水箱本体与外壳间的并联空气流道、安装于水箱本体外表面的S型立式折板、贯穿水箱内部的大管径波节管，水箱本体内气空间通过排气管与外界大气相通，水箱内存有冷却水并存在气空间，在外壳和水箱本体上设置有与PCS换热器连接的进口管路和出口管路，混凝土外壳与钢制水箱本体外表面间隔距离形成的空气流道，且空气流道是由S型立式折板分隔形成S型流道，流道的进入位于外壳下端面，流道出口位于外壳上端面，水箱本体上端面焊接有肋片，流道出口向外延伸形成“烟囱”结构，大管径波节管至少3个。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述水箱内部的强化传热管优选不锈钢材料制成的大管径波节管，连接水箱本体的底部与顶部形成内部低阻力流动通道。
2.所述肋片为不锈钢材料制成的矩形翅片，并在其表面均匀开设气孔。
3.水箱内水空间，初始状态下保持为常温常压水，在PCS运行过程中逐渐被加热，最终状态为常压下的饱和水；水箱内气空间，初始状态为常温常压空气，气空间通过水箱排气管与大气相通，随着PCS的运行气空间成分变为空气与水蒸气的混合气体，甚至为纯蒸汽。
4.空气流道外壁面为优质不锈钢且内衬于混凝土外壳内壁面。
5.水箱本体为不锈钢材料或铜，水箱底部由钢筋混凝土柱支撑。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在发生LOCA或主蒸汽管道破裂事故时，能够通过自然循环，非能动的带出安全壳内的热量，防止安全壳因超温超压而丧失其完整性。该装置可实现：(1)保留了混凝土外壳对防范外部袭击的保护作用，降低了换热水箱的外部风险。(2)避免了太阳直接对钢制水箱的加热作用以及风速对自然传热的不稳定影响。(3)借助空气在流道内的自然循环流动，非能动的带出水箱内的热量，降低水箱内水空气及水蒸气的温度，从而减少冷却水的挥发，满足PCS长期运行的要求。(4)通过流道出口的“烟囱”结构、合理规划空气流道的截面尺寸、竖直段流道通过波形板分隔、水箱内部的空气流道，极大地提高了空气与换热水箱的换热效率，增大了换热量，进一步降低了冷却水损失。
附图说明
图1为换热水箱结构图；
图2为换热水箱工作原理图；
图3为a-a截面(水箱侧面)图；
图4为S型折板三视图；
图5为带孔肋片结构图；
图6为大管径波节管示意图；
图7为出口挡板结构图。
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7，本发明的一种基于并联流道内空气自然循环流动及其强化传热原理的PCS的长期换热水箱，包括钢筋混凝土外壳、钢制水箱本体、本体与外壳的间距及S型立式折板分割形成的并行空气流道、贯穿水箱的强化换热管。具体的说主要结构包括钢筋混凝土外壳、钢制水箱本体、水箱本体与混凝土外壳间的并联空气流道、安装于水箱本体外表面的S型立式折板、贯穿水箱内部的大管径波节管，水箱本体内气空间通过排气管与外界大气相通，水箱内存有一定液位的冷却水并存在气空间、PCS系统回路包括进口管路、出口管路和PCS换热器、混凝土外壳与钢制水箱本体外表面间隔一定距离以形成空气流道，各并联流道为S型空气流道，流道的进口位于混凝土外壳下表面，流道出口位于混凝的外壳上表面，水箱本体上表面焊接有特殊肋片，流道出口向外延伸形成“烟囱”结构、水箱内部有多条贯穿水箱的大管径波节管等强化传热管。所述的特殊肋片，优选不锈钢材料制成的矩形翅片，并在其表面开设多个气孔，焊接在水箱本体上表面。
水箱本体包括下层一定液位的水空间、上层气空间、气空间连通大气的排气管、低压自然循环系统的冷管段入口及热管段出口。所述的水箱内水空间，其特征为：初始状态下保持为常温常压水，在PCS运行过程中逐渐被加热，最终状态为常压下的饱和水，初始水装量可以满足PCS正常运行72h以上；所述的水箱内气空间，其特征为：初始状态为常温常压空气，气空间通过水箱排气管与大气相通，随着PCS的运行气空间成分变为空气与水蒸气的混合气体，甚至为纯蒸汽。
低压自然循环系统的冷管段入口起始于水箱本体下层水空间底部，依次穿过钢制水箱本体、空气流道、钢筋混凝土外壳。
低压自然循环系统的热管段出口位于水箱本体下层水空间底部，依次穿过钢制水箱本体、空气流道、混凝土外壳。
排气管位于水箱气空间顶部，依次穿过水箱本体、空气流道、混凝土外壳连通大气。
混凝土外壳选用优质钢筋混凝土，侧面开有排气管道口，底部开有空气流道入口，在底部筑有多根混凝土柱用于支撑水箱本体，顶部开有空气流道出口，流道出口继续向上延伸4-5m形成“烟囱”结构。
并联空气流道位于钢制水箱本体与混凝土外壳间的夹层，并通过纵向安装于钢制水箱外壁面的S型立式折板分隔形成。
上述空气流道入口位于水箱本体下方，各流道入口在水箱底部汇总后通过总管道穿出混凝土外壳底部。
空气流道出口位于水箱本体上方，由各流道出口在水箱上方汇总为出口总管，总管向上延伸4～5m形成烟囱结构，经“烟囱”流出混凝土外壳进入大气，在烟囱出口顶部有专设的滤网与伞状结构挡板，用于阻挡异物进入空气流道内。
水箱内部的强化换热管，入口为水箱本体底部钢板，出口为水箱本体顶部钢板，中段大管径波节管经过水箱下层水空间及上层气空间。
各流道的内壁面为钢制水箱本体的外壁面，流道内壁面设有强化传热措施，主要为带孔洞的肋片。空气流道的外壁面为优质不锈钢板，内衬于混凝土外壳内壁。
为了减少PCS运行时，换热水箱内冷却水的损失，本发明通过强化钢制水箱本体与空气的换热，促进水箱气空间内水蒸汽的凝结来实现PCS长期运行的目的。本发明主要包括混凝土水箱外壳1、不锈钢制水箱本体2、内衬钢板3、空气流道4、带孔肋片5、烟囱6、空气流道入口7、支撑混凝土柱8、水箱下层水空间9、水箱上层气空间10、排气管道11、低压自然循环入口段(冷管段)12、低压自然循环出口段(热管段)13、PCS集管式换热器14、贯穿水箱的大管径波节管15、S型立式折板16、出口滤网17、出口挡板18组成。
本发明主要应用于反应堆发生LOCA或主蒸汽管道破裂时，大量高温高压的蒸汽释放到安全壳内，使安全壳内压力和温度不断升高。此时，PCS集管式换热器14投入运行，冷管段12内的冷却水流经换热器14后被加热，密度降低向上流动回到换热水箱下层水空间9内，随着系统的运行，换热水箱下层水空间9被不断加热到饱和状态，气空间10内水蒸气含量也逐渐增大，并不断通过排气管道11向大气排放蒸汽。此时，若不对换热水箱本体2采取一定的冷却措施，水空间9内的水液位会不断降低，不利于PCS的长期运行。
本发明所提供的换热水箱，在PCS运行时，水箱本体2内温度不断升高，热量通过水箱本体壁面及其表面的肋片5传递至空气流道4中的空气中，空气流道4中的空气受热膨胀，密度降低，在重力场下与外界大气中的空气形成压力差驱动空气从流道入口7进入流道，而后分散至由S型折板16分隔形成的各空气流道，流经各流道与水箱本体2及壁面上的肋片5发生对流换热以吸收热量，最终汇总至出口总管；同时，入口的部分空气直接通过水箱本体底部的入口进入波节管15并通过管壁与水箱内水空间和气空间进行换热，后从水箱本体顶部的出口流出，最终空气从烟囱6流出流道，出口处的滤网17及挡板18可有效的防止外界的杂物进入空气流道内。流道内安装的肋片结构5可以极大的提高空气与壁面的换热面积从而提高换热量，烟囱结构6以及一定规格形状的空气流道4可以显著提高空气与壁面的对流传热系数h从而提高换热效率，大管径波节管15能够从水箱内部直接导出部分热量，且空气的流动阻力较低，极大地提高了水箱的冷却能力。水箱本体通过混凝土支撑柱8实现水箱本体2与混凝土外壳1的底部分离，各流道的外壁面为内衬与混凝土外壳2内壁的优质不锈钢板3，内衬钢板3与混凝土外壳1共同承担外部风险。
综上，本发明的目的在于提供一种高效运行的非能动安全壳冷却系统(PassiveContainment Cooling System,PCS)冷却水箱，其主要由外层混凝土外壳，内层钢制水箱，以及两者之间的高效换热并联流道组成。所述流道由安装于钢制水箱外表面的S型立式折板分隔形成，其以混凝土外壳底部为入口、顶部为出口。且出口总管向外延伸形成烟囱结构。钢制水箱内部具有多个贯穿水箱上下表面的大管径波节管。本发明应用于反应堆失水事故条件下在PCS的启动和长期运行过程，其利用钢制水箱外表面较高的温度以及烟囱效应使并联流道内形成流速可观的非能动空气自然循环，并借助S型立式折板，波节管等强化传热手段实现水箱外表面的高效传热。这一过程通过降低PCS冷却水箱水温或减少水箱水蒸发以促进PCS系统的长期运行。

Claims (7)

1.一种高效运行的PCS长期冷却水箱，其特征在于：包括钢筋混凝土的外壳、通过钢筋混凝土柱设置在外壳内的钢制的水箱本体、水箱本体与外壳间的并联空气流道、安装于水箱本体外表面的S型立式折板、贯穿水箱本体内部的大管径波节管，水箱本体内存有冷却水并存在气空间，水箱本体内气空间通过排气管与外界大气相通，在外壳和水箱本体上设置有与PCS换热器连接的进口管路和出口管路，混凝土外壳与钢制水箱本体外表面间隔距离形成空气流道，且空气流道由S型立式折板分隔形成S型流道，流道的入口位于外壳下端面，流道出口位于外壳上端面，水箱本体上端面焊接有肋片，流道出口向外延伸形成“烟囱”结构，大管径波节管为至少3个；大管径波节管由不锈钢材料制成，大管径波节管连接水箱本体的底部与顶部形成内部低阻力流动通道。
2.根据权利要求1所述的一种高效运行的PCS长期冷却水箱，其特征在于：所述肋片为不锈钢材料制成的矩形翅片，并在其表面均匀开设气孔。
3.根据权利要求1或2所述的一种高效运行的PCS长期冷却水箱，其特征在于：水箱本体内水空间，初始状态下保持为常温常压水，在PCS运行过程中逐渐被加热，最终状态为常压下的饱和水；水箱本体内气空间，初始状态为常温常压空气，气空间通过水箱排气管与大气相通，随着PCS的运行气空间成分变为空气与水蒸气的混合气体，甚至为纯蒸汽。
4.根据权利要求1或2所述的一种高效运行的PCS长期冷却水箱，其特征在于：空气流道外壁面为优质不锈钢且内衬于钢筋混凝土外壳内壁面。
5.根据权利要求3所述的一种高效运行的PCS长期冷却水箱，其特征在于：空气流道外壁面为优质不锈钢且内衬于钢筋混凝土外壳内壁面。
6.根据权利要求1或2所述的一种高效运行的PCS长期冷却水箱，其特征在于：水箱本体为不锈钢材料，水箱本体底部由钢筋混凝土柱支撑。
7.根据权利要求5所述的一种高效运行的PCS长期冷却水箱，其特征在于：水箱本体为不锈钢材料，水箱本体底部由钢筋混凝土柱支撑。
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