CN113035398B - 一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，发生破口事故时，换热装置是用于实现非能动安全壳冷却的核心部件，其通过上管段和下管段与外部的水箱相连，并使得喷放的高温蒸汽在换热管外表面冷凝。收集装置将安全壳内的冷凝的冷却剂进行收集，上段槽、上段引流管和渐缩管可以将安全壳上半部分和换热装置冷凝的液体进行收集，并配合水斗式传动装置工作。做功后的冷却剂和下段槽，下段引流管收集的冷却剂送往地坑参与堆芯冷却循环。水斗式传动装置则通过机械结构，将管道内冷却剂动能传递给叶轮，并输送到换热装置附近，配合扇叶吹/吸换热管，提高换热效率。

Description

一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统

技术领域

本发明涉及的是非能动安全壳冷却系统高效换热设备，具体是指一种采用传动装置的的高效非能动安全壳冷却系统。

背景技术

核能作为一种清洁高效，且具有战略价值的的能源，其发展一直以来都受到了世界各国的重视。其中，核电技术是核能发展的重中之重，也是当今世界核能利用的主体构成。

长期以来，核电发展所使用的大量资源都用于确保核电站本身的安全上。在当前世界上大多数在役运行的第二代核电站中，都设计有相应的能动安全设施，确保堆芯，一回路设备，安全壳等部件在发生事故时不会失效。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。

目前，中国自主研发的HPR000是最具有代表性的采用了非能动设计的第三代核电站之一。其采用了内置管束管热器，外置高位冷却水箱的形式，依赖由于液体密度差而产生的自然循环，持续导出在事故工况下被喷放到安全壳内的蒸汽的热量，确保安全壳内的热工水力参数在规定限值以内。

针对这一形式下的非能动安全壳换热系统的设计，有许多的专利提出了优化方案。例如在专利CN201810662023.7中，作者使用将导热系统和过滤排放系统相结合，简化了系统结构与布置形式。而在专利CN201611061901.7和专利CN201521037123.9中则分别采用了一种喷射装置和一种局部凹陷的水箱放置位置的设计，这些设计提高了非能动安全壳换热系统的换热效率。

需要注意的是，上述专利对换热效率的优化设计主要集中在安全壳外部的换热水箱上，而针对内部管束的设计较少。而当蒸汽在管束表面发生冷凝时，会形成相应的气体边界层，严重影响冷凝换热。因此，有必要发明采用收集装置的高效非能动安全壳冷却系统，以充分利用冷凝后冷却剂的的重力势能并收集冷凝后的冷却剂到地坑当中，进一步提高非能动系统的换热效率和堆芯循环散热的能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，以实现对管束表面和安全壳壁面冷凝的冷却剂的重力势能进行充分地回收利用，并经过传动装置提高内置换热器的换热效率，提高安全壳内置管束的换热效率，确保安全壳内的压力和温度在规定限值以内，并将大多数的冷凝的冷却剂完整的收集到地坑当中。

本发明的目的是这样实现的：安全壳内置的换热器包括换热器入口联箱、换热器出口联箱、换热管束、用于连接换热器和安全壳外置换热水箱的上管段和下管段，换热管束分别联通换热器入口联箱和换热器出口联箱，还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、设置在换热器下方的渐缩管、与渐缩管下端部连接的管道、设置在管道内的水斗式水轮、扇叶，水斗式水轮通过齿轮啮合机构将运动传给扇叶，扇叶吹/吸换热管束，管道的端部伸至地坑当中，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，上段引流管的端部伸至渐缩管内。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.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。

2.所述管道由一段竖直方管和多段钢制光滑圆管组成，各管之间通过弯头相连接；竖直方管中部留有安装叶轮的空间和叶轮主轴的孔位。

3.换热器入口联箱与换热器出口联箱为环形联箱。

4.换热管束为直管光管或螺旋光管。

5.在事故发生时，蒸汽会在安全壳内置换热器的换热管的表面冷凝，在重力的作用下，冷凝水会滴落到渐缩管中，在安全壳壁面上半部分冷凝的蒸汽通过上段槽进行收集，并送往槽内最低处布置的上段引流管，经过引流进入渐缩管中；这些冷凝液体会击打放置于管道中的叶轮，并产生气流，破坏换热管表面的空气聚集，耗尽势能后的流体通过剩余的管道结构送往地坑；安全壳内壁面的中部所冷凝的液体则通过下段槽的收集，经过下段引流管导向地坑当中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明在安全壳中引入了收集装置。其布置于换热装置的底部和安全壳的一周，使得在换热装置中和安全壳壁面上冷凝的大部分流体都能汇集在一起。这些流体在收集前往地坑时会经过水斗式传动装置实现换热强化。

2)本发明在安全壳中引入了水斗式传动装置。其将收集装置收集的冷凝冷却剂所具有的重力势能进行转化，进而通过一系列的传动机构，实现对换热装置附近的流场的扰动，进而提高换热装置的换热效率。

3)本发明可以使得在换热装置中和安全壳壁面上冷凝的大部分流体都经过收集装置和水斗式传动装置后流向地坑，为反应堆在事故条件下的循环冷却提供更多的冷却剂，提高了反应堆冷却剂的利用率。

4)本发明在反应堆发生严重事故时，可以显著提高安全壳非能动换热装置的换热效率，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3是叶轮的单叶片的剖视图

图4是齿轮啮合结构透视图。

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传动装置的高效非能动安全壳冷却系统。主要部件包括换热管1、下管段2、换热器入口联箱3、换热器出口联箱4、上管段5、上端槽6、上段引流管7、渐缩管8、下段槽9、下段引流管10、管道11、叶轮12、支撑壳13、安全壳气空间14、安全壳内壁面15、支撑柱16、叶轮主轴17、叶轮齿轮19、下横向传动轴20、纵向传动轴21、上横向传动轴22和扇叶23。

本发明一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，其组成包括换热装置、收集装置、水斗式传动装置和支撑柱。其实现方式为：系统将事故工况下，由一般的管束式非能动换热装置产生的冷凝水和混凝土安全壳壁面产生的冷凝水通过收集装置加以收集，并通过水斗式传动装置实现对管束流域的流场扰动，即吹/吸换热管，进而提高换热管的换热效率，实现高效的非能动安全壳冷却。经过收集的冷却剂会同时被送往地坑，作为堆芯循环冷却的水源加以利用。

换热装置由下管段、换热器入口联箱、换热管、换热器出口联箱和上管段组成；收集装置由上段槽、上段引流管、渐缩管、下段槽和下段引流管组成；水斗式传动装置由管道，叶轮，叶轮主轴，叶轮齿轮，上横向传动轴，下横向传动轴，纵向传动轴、支撑壳和扇叶组成。换热装置布置于渐缩管的正上方，使得冷凝的冷却剂在重力的作用下进入收集装置。渐缩管的下方直接与管道相连，管道中布置有叶轮，实现了在水斗式传动装置冷却剂重力势能的传递。做功完成后的液体通过管道直接输运到地坑当中，而安全壳侧壁的冷凝的冷却剂则通过收集装置的下段槽和下段引流管直接输运到地坑当中；上段引流管为优选的钢制国标光滑圆管，采用斜布的形式连接渐缩管和上段槽，保证冷凝的冷却剂不会在管道中积攒；所述的下段引流管为多段优选的钢制国标光滑圆管，包含竖直管与倾斜管，各管之间通过优选弯头相连接，保证通过下段槽收集的冷凝的冷却剂可以顺利送往地坑。

换热装置的下管段与上管段使用优选钢制国标光滑圆管和对应的优选弯头连接而成，用于连接安全壳外部水箱和换热器入口联箱与换热器出口联箱。其中下管段应连接于安全壳外部水箱的底部，上管段连接于安全壳外部水箱的中部或顶部，管道与水箱之间采用焊接连接；换热装置的换热器入口联箱与换热器出口联箱使用优选的环形联箱，利用焊接的形式连接换热管和下管段与上管段，并将换热水进行储存分配；换热装置的换热管为优选的直管光管或螺旋光管，换热管设置多根，优选采用环形均匀布置，焊接于换热器入口联箱和换热器出口联箱之间，是冷却水与安全壳气空间进行换热的主要媒介；收集装置的上段槽与下段槽为一个具有优选5°倾角直角优选刚制沟槽结构，以焊接的方式固定在安全壳一周的壁面上，各槽的最低点分别与上段引流管和下段引流管相连接，保证冷凝的冷却剂可以在重力的作用下完整收集；收集装置的上段引流管为优选的钢制国标光滑圆管，采用斜布的形式，优选角度连接渐缩管和上段槽，保证冷凝的冷却剂不会在管道中积攒，影响液体的收集效率；收集装置的下段引流管为多段优选的钢制国标光滑圆管，各管之间通过优选弯头相连接，保证通过下段槽收集的冷凝的冷却剂可以顺利送往地坑，用于事故工况下堆芯的循环导热；水斗式传动装置的管道由一段优选的竖直方管和多段优选的钢制光滑圆管组成，各管之间通过优选弯头相连接。竖直方管中部留有安装叶轮的空间和叶轮主轴的孔位，在叶轮处损失动能后的冷却剂将会通过竖直方管的底部，经过弯头以及优选光滑圆管送往地坑；水斗式传动装置的叶轮通过叶轮主轴连接到管道外部。叶轮的叶片为水斗式，叶轮整体为优选合金钢一体铸造，并保证与管道的直边侧相切；叶轮主轴采用优选钢材，将叶轮的动能传递到叶轮齿轮，叶轮主轴与管道之间使用轴封密封；水斗式传动装置的叶轮齿轮采用优选钢材制造，并通过直角齿轮啮合的形式将动能传递给下横向传动轴；水斗式传动装置的下横向传动轴采用优选钢材制造，两端均为直角齿轮，分别与叶轮齿轮和纵向传动轴的下部齿轮啮合，负责将叶轮齿轮的动能接续传递到纵向传动轴中。

水斗式传动装置的纵向传动轴采用优选钢材制造，两端均为直角齿轮，分别与下横向传动轴和上横向传动轴的下部齿轮啮合，负责将下横向传动轴的动能接续传递到上横向传动轴中；水斗式传动装置的上横向传动轴采用优选钢材制造，左端为扇叶安装位，右端均为直角齿轮，右端齿轮与上横向传动轴的顶部齿轮直角啮合，是动能传递到扇叶的最后单元；水斗式传动装置的支撑壳采用优选钢材制造，右端连接支撑柱，负责支撑传动轴，包容齿轮啮合结构；水斗式传动装置的扇叶采用优选钢材制造，其右端使用螺栓安装于上横向传动轴的扇叶安装位，扇叶的尺寸和方向根据安全壳内的具体情况可以进行定制，保证其对管束的换热提升效应；支撑柱采用优选刚材料制造，用于支撑各个装置的零部件，支撑柱的两端使用焊接连接，保证支撑强度。

本发明主要是一种采用传动装置的安全壳非能动冷却系统，适用于核电站安全壳中。当安全壳中的反应堆在运行时发生一回路管道或主蒸汽管道破裂事故时，安全壳气空间14里会包容大量被喷放出的高温高压蒸气，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15，并在安全壳内壁面15上产生冷冷却水。随着事故的发展，管束式的非能动安全壳冷却系统中的自然循环开始建立，大量的蒸汽在换热管1的表面冷凝，进而实现安全壳内的热量的非能动持续导出。

当上述冷凝现象发生时，换热管1的表面会聚集大量的空气，产生高浓度的空气膜，进而降低换热管1的表面换热系数。为了减小环绕换热管一周的气膜的换热抑制影响，同时利用起安全壳内液体冷凝产生的重力势能，设计了一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，该系统的整体形式如图1所示。该系统的主要组件包括换热装置、收集装置、水斗式传动装置和支撑柱16。其中，换热装置由下管段2、换热器入口联箱3、换热管1、换热器出口联箱4和上管段5组成；收集装置由上段槽6、上段引流管7、渐缩管8、下段槽9和下段引流管10组成；水斗式传动装置由管道11，叶轮12，叶轮主轴17，叶轮齿轮19，上横向传动轴22，下横向传动轴20，纵向传动轴21、支撑壳13和扇叶23组成。

在事故发生时，蒸汽会在安全壳内置换热器的换热管1的表面冷凝，随后在重力的作用下，冷凝水会滴落到渐缩管8中。少量在安全壳壁面上半部分冷凝的蒸汽会通过上段槽6进行收集，并送往槽内最低处布置的上段引流管7，经过引流进入渐缩管8中。这些冷凝液体会击打放置于管道11中的叶轮12，并经过传动驱使扇叶23旋转，产生气流，破坏换热管1表面的空气聚集，提升换热装置的整体换热效率。通过叶轮12耗尽势能后的流体通过剩余的管道11结构送往地坑；安全壳内壁面15的中部所冷凝的液体则通过下段槽9的收集，经过下段引流管10导向地坑当中。

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明主要应用于核电站的安全壳中。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14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15、堆坑和安全壳其他内部构件吸收。随着事故的发展，换热管1内的流体温度不断升高，管束式的非能动安全壳冷却系统中的自然循环开始建立，大量的蒸汽在换热管1的表面冷凝，进而将安全壳内的热量非能动持续导出。

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。当蒸汽与换热管1接触时，蒸汽会大量冷凝，同时在换热管的表面上会产生高浓度的空气膜，对换热管表面的冷凝传热产生显著的抑制作用。为了减小气膜的抑制作用，同时将安全壳内的冷凝水更为完整地收集到地坑中，该发明设计了一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统(如图1)。该系统的主要组件包括换热装置、收集装置、水斗式传动装置和支撑柱16。

换热装置包括下管段2、换热器入口联箱3、换热管1、换热器出口联箱4和上管段5。整个换热装置通过支撑柱16固定于安全壳中。外界换热水箱中的水通过下管段2将冷水注入到换热器入口联箱3中，并进而分配给各个换热管1。经过安全壳内高温蒸汽加热后的换热管1内的水在密度差的作用下自然循环到换热器出口联箱4中，并随后通过上管段5回到外界的换热水箱里。

通过换热装置以及安全壳壁面15冷凝的所有冷却水，会进入收集装置。收集装置包括上段槽6、上段引流管7、渐缩管8、下段槽9和下段引流管10。上段槽6和下段槽9采用了相同的5°倾角设计，用于保证安全壳壁面冷凝产生的水可以顺利进入上段引流管7和下段引流管10。上端槽6收集的液体则是通过上段引流管7在重力作用下进入渐缩管8；下段引流管10则直接将下段槽9收集的冷凝水送往地坑。换热装置布置于渐缩管8的正上方，因此经过换热装置冷凝的液体可以直接在重力的作用下进入到渐缩管8中。渐缩管8通过支撑柱16固定。

渐缩管8直接与水斗式传动装置中的管道11相连。水斗式传动装置包括管道11，叶轮12，叶轮主轴17，叶轮齿轮19，上横向传动轴22，下横向传动轴20，纵向传动轴21、支撑壳13和扇叶23。经过渐缩管8收集的冷凝水会通过管道11抵达叶轮12，并通过水斗式叶片18(如图3所示)驱动叶轮12旋转，并进而推动叶轮主轴17和叶轮齿轮19旋转。叶轮12的叶轮主轴17与直管段相切，且叶片18右侧与管道相切(如图2所示)，这一设计可以有效降低叶轮主轴17密封所需的压力，放置冷凝水泄漏并提高冷凝水势能的利用率。开始转动的叶轮齿轮19会将动能通过下横向传动轴20，纵向传动轴21和上横向传动轴22传递给扇叶23(如图4所示)，扇叶23通过吹/吸的方式扰动换热管1附近的流场，促进流场中的组分交换，降低高浓度空气膜对冷凝换热的抑制作用。各个传动轴通过支撑壳13确定空间位置，支撑壳13则通过支撑柱16确保空间位置。同时，支撑壳13也是传动轴之间齿轮啮合，完成动量传递的场所。

失去势能的冷凝液体和由下段槽9所收集的壁面冷凝液体，分别经由管道11和下段引流管10导向地坑当中，用于堆芯的低压循环排热。这样的集中收集使得更多的冷凝液体可以导向地坑当中，提高了参与堆芯长期循环冷却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传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，其主要由换热装置、收集装置、水斗式传动装置和支撑柱组成。所述的换热装置包括下管段、换热器入口联箱、换热管、换热器出口联箱和上管段；所述的收集装置包括上段槽、上段引流管、渐缩管、下段槽和下段引流管；所述的水斗式传动装置包括管道，叶轮，叶轮主轴，叶轮齿轮，上横向传动轴，下横向传动轴，纵向传动轴、支撑壳和扇叶。发生破口事故时，换热装置是用于实现非能动安全壳冷却的核心部件，其通过上管段和下管段与外部的水箱相连，并使得喷放的高温蒸汽在换热管外表面冷凝。收集装置将安全壳内的冷凝的冷却剂进行收集，上段槽、上段引流管和渐缩管可以将安全壳上半部分和换热装置冷凝的液体进行收集，并配合水斗式传动装置工作。做功后的冷却剂和下段槽，下段引流管收集的冷却剂送往地坑参与堆芯冷却循环。水斗式传动装置则通过机械结构，将管道内冷却剂动能传递给叶轮，并输送到换热装置附近，配合扇叶吹/吸换热管，提高换热效率。

Claims (9)

1.一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，安全壳内置的换热器包括换热器入口联箱、换热器出口联箱、换热管束、用于连接换热器和安全壳外置换热水箱的上管段和下管段，换热管束分别联通换热器入口联箱和换热器出口联箱，其特征在于：还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、设置在换热器下方的渐缩管、与渐缩管下端部连接的管道、设置在管道内的水斗式水轮、扇叶，水斗式水轮包括叶轮和叶轮主轴，水斗式水轮通过齿轮啮合机构将运动传给扇叶，扇叶吹/吸换热管束，管道的端部伸至地坑当中，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，上段引流管的端部伸至渐缩管内。

2.根据权利要求1所述的一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，其特征在于：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。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，其特征在于：所述管道由一段竖直方管和多段钢制光滑圆管组成，各管之间通过弯头相连接；竖直方管中部留有安装叶轮的空间和叶轮主轴的孔位。

4.根据权利要求3所述的一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，其特征在于：换热器入口联箱与换热器出口联箱为环形联箱。

5.根据权利要求4所述的一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，其特征在于：换热管束为直管光管或螺旋光管。

6.根据权利要求1或2所述的一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，其特征在于：在事故发生时，蒸汽会在安全壳内置换热器的换热管束的表面冷凝，在重力的作用下，冷凝水会滴落到渐缩管中，在安全壳壁面上半部分冷凝的蒸汽通过上段槽进行收集，并送往槽内最低处布置的上段引流管，经过引流进入渐缩管中；这些冷凝液体会击打放置于管道中的叶轮，并产生气流，破坏换热管束表面的空气聚集，耗尽势能后的液体通过剩余的管道结构送往地坑；安全壳内壁面的中部所冷凝的液体则通过下段槽的收集，经过下段引流管导向地坑当中。

7.根据权利要求3所述的一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，其特征在于：在事故发生时，蒸汽会在安全壳内置换热器的换热管束的表面冷凝，在重力的作用下，冷凝水会滴落到渐缩管中，在安全壳壁面上半部分冷凝的蒸汽通过上段槽进行收集，并送往槽内最低处布置的上段引流管，经过引流进入渐缩管中；这些冷凝液体会击打放置于管道中的叶轮，并产生气流，破坏换热管束表面的空气聚集，耗尽势能后的液体通过剩余的管道结构送往地坑；安全壳内壁面的中部所冷凝的液体则通过下段槽的收集，经过下段引流管导向地坑当中。

8.根据权利要求4所述的一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，其特征在于：在事故发生时，蒸汽会在安全壳内置换热器的换热管束的表面冷凝，在重力的作用下，冷凝水会滴落到渐缩管中，在安全壳壁面上半部分冷凝的蒸汽通过上段槽进行收集，并送往槽内最低处布置的上段引流管，经过引流进入渐缩管中；这些冷凝液体会击打放置于管道中的叶轮，并产生气流，破坏换热管束表面的空气聚集，耗尽势能后的液体通过剩余的管道结构送往地坑；安全壳内壁面的中部所冷凝的液体则通过下段槽的收集，经过下段引流管导向地坑当中。

9.根据权利要求5所述的一种采用传动装置的高效非能动安全壳冷却系统，其特征在于：在事故发生时，蒸汽会在安全壳内置换热器的换热管束的表面冷凝，在重力的作用下，冷凝水会滴落到渐缩管中，在安全壳壁面上半部分冷凝的蒸汽通过上段槽进行收集，并送往槽内最低处布置的上段引流管，经过引流进入渐缩管中；这些冷凝液体会击打放置于管道中的叶轮，并产生气流，破坏换热管束表面的空气聚集，耗尽势能后的液体通过剩余的管道结构送往地坑；安全壳内壁面的中部所冷凝的液体则通过下段槽的收集，经过下段引流管导向地坑当中。

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