CN202770265U - 一种用于超临界水堆余热排出的自然循环换热器 - Google Patents

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陈娟
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Abstract

本实用新型属于核电站安全技术领域，特别涉及一种用于超临界水反应堆余热排出的自然循环的换热器。该换热器的主体结构由上至下由顶部端盖、壳体和下封头组成；在壳体的上部设置平行布置的上隔板和下隔板；在下隔板的下方设置多个均匀布置的与上部腔室连通的筒体，筒体与内筒体之间构成热流体超临界水环形通道；超临界水在热流体超临界水环形通道内流动，构成一次侧循环，热流体超临界水环形通道为窄隙环管；冷流体水在冷流体水下降通道、下部腔室、冷流体水上升通道以及顶部腔室内流动，构成二次侧循环。在超临界水堆正常停堆或事故紧急停堆情况下，采用超临界窄缝自然循环换热器进行余热排出，不需要任何外力，能够有效地减少因为能动部件故障、人为操作失误而导致的系统失效概率，提高反应堆的运行安全性。

Description

一种用于超临界水堆余热排出的自然循环换热器
技术领域
本实用新型属于核电站安全技术领域，特别涉及一种用于超临界水反应堆余热排出的自然循环的换热器。
背景技术
超临界水堆是六种第四代未来堆型中唯一的水冷反应堆。它采用一次直流循环设计，选取超临界水作为堆芯冷却剂，不发生相变。反应堆堆芯出口参数：25MPa，500℃，热效率可达到45%。单机热功率可达到1700MW以上。
对于采用一次直流循环设计的超临界水堆而言，堆芯冷却剂回路与汽轮机、给水加热器等常规循环回路直接相连通，运行中将存在更多的潜在风险，必须坚持和确保安全第一的原则。确保超临界水反应堆安全的主要问题之一就是要在任何情况下保证核燃料释热的疏导。在正常运行工况下，超临界水堆核裂变和裂变产物衰变产生的热量由主冷却剂通过一次直流循环直接带走；而当反应堆停堆时，虽然以裂变为机制的核功率很快消失，但是由于裂变而产生的裂变碎片以及它们的衰变物在放射性衰变过程中释放的热量还存在，同样需要及时导出。除了失水事故以外，所有基准事故引起的紧急停堆工况下，均可以利用余热排出系统导出堆芯余热。
非能动技术正在逐渐引入商业运行的核反应堆余热排出系统。以三代AP1000核电技术为例，利用非能动自然循环实现余热排出，不需要操作员的行动来缓解事故，减少了事故发生后由于人为操作错误而导致事件升级的可能性。非能动自然循环利用自然力驱动，提高了系统运行的可靠性，而不需要采用循环泵、柴油机等能动设备，减少了因电源故障或者机械故障而引起的系统运行失败。现阶段，国际上尚未建成超临界水堆示范电站。国内外针对超临界水堆的研究也尚处于概念设计阶段，多集中于堆芯内部结构设计、中子物理特性分析和热工特性分析等领域。而针对超临界水堆余热排出换热系统包括余热排出换热器设计，还没有进行相关研究。超临界水堆类似于日本福岛核电站采用一次直流循环，一旦发生事故且放射性泄漏进入冷却剂循环回路，将被带入汽轮机、给水加热器等设备。此时，若利用原一次循环回路将堆芯热量导出，将会使放射性物质扩散至核反应堆安全壳外部，危及周围环境的安全。此外，超临界水堆冷却剂流量大，进出口温升大。可见，有效地隔离放射性物质、及时地导出堆芯余热等关键安全问题，均为超临界水堆余热排出系统设计提出较大难题。
发明内容
本实用新型的目的是为避免事故工况下超临界水堆堆芯内部放射性物质泄漏、确保发生事故后堆芯余热第一时间导出，从而提供了一种用于超临界水反应堆余热排出的自然循环的换热器。
本实用新型采用的技术方案为：
该换热器的主体结构由上至下由顶部端盖、壳体和下封头组成；
在壳体的上部设置平行布置的上隔板和下隔板；上隔板与顶部端盖之间构成顶部腔室；上隔板、下隔板和壳体之间构成上部腔室；在下隔板的下方设置多个均匀布置的与上部腔室连通的筒体，筒体的外壁与壳体、下隔板之间构成冷流体水下降通道，筒体的下壁与下封头之间构成下部腔室；在每个筒体内设置一个贯穿筒体与上部腔室、连通顶部腔室和下部腔室的内筒体，筒体与内筒体之间构成热流体超临界水环形通道；
在顶部端盖上，设置与顶部腔室连通的冷流体水出口；在壳体上设置与上部腔室连通的热流体超临界水入口，在壳体的下隔板下方设置与冷流体水下降通道连通的冷流体水入口；在每个筒体上，设置一个连通外界与筒体内部的热流体超临界水出口。
所述筒体为圆柱体或方柱体，数量为4-12个；内筒体的形状与筒体相同。
所述热流体超临界水入口通入超临界水，在热流体超临界水环形通道内流动，由热流体超临界水出口流出，构成一次侧循环；冷流体水入口通入冷流水，在冷流体水下降通道、下部腔室、由内筒体构成的冷流体水上升通道以及顶部腔室内流动，由冷流体水出口流出，构成二次侧循环。
所述一次侧循环和二次侧循环均为自然循环，并于循环回路中引入氦气以增强自然循环驱动。
所述筒体和内筒体之间的间隙为10-20mm。
所述顶部端盖与壳体之间、壳体与下封头之间均采用法兰连接。
本实用新型的有益效果为：
该换热器在双侧利用流体自身的密度差实现自然循环传热的装置。一次侧循环和二次侧循环均采用直管流动，减小了阻力并增强了自然循环能力。且为了增强一次侧循环与二次侧循环之间的换热效果，采用先顺流后逆流的综合换热方式。
换热器布置于安全壳内部，超临界压力一侧发生泄漏时将放射性物质限制在安全壳内，安全可靠。
附图说明
图1是本实用新型所述换热器的侧视剖面图。
图2是换热器横截面及内外筒体均为圆形时的A-A截面俯视图。
图3是换热器横截面及内外筒体均为方形时的A-A截面俯视图。
图中标号：
1-顶部端盖、2-上隔板、3-热流体超临界水入口、4-冷流体水入口、5-壳体、6-冷流体水上升通道、7-法兰、8-下封头、9-下部腔室、10-热流体超临界水出口、11-冷流体水下降通道、12-热流体超临界水环形通道、13-下隔板、14-上部腔室、15-冷流体水出口、16-顶部腔室、17-筒体、18-内筒体。
具体实施方式
本实用新型提供了一种用于超临界水反应堆余热排出的自然循环的换热器，下面通过附图和具体实施对本实用新型做进一步说明。
超临界水堆的自然循环换热器主要用于除破口事故以外的事故工况下超临界水堆的余热排出。事故发生之后，汽轮机入口前的主蒸汽阀门关闭，核电站将自动切换至自然循环余热排出系统运行，此时余热排出换热器投入运行。
本实用新型所述的换热器结构如图1所示，其主体结构由上至下由顶部端盖1、壳体5和下封头8组成，三者之间由法兰连接，如连接壳体5和下封头8的法兰7。
在壳体5的上部设置平行布置的上隔板2和下隔板13；上隔板2与顶部端盖1之间构成顶部腔室16；上隔板2、下隔板13和壳体5之间构成上部腔室14；在下隔板2的下方设置多个均匀布置的与上部腔室14连通的筒体17，筒体17的外壁与壳体5、下隔板13之间构成冷流体水下降通道11，筒体17的下壁与下封头8之间构成下部腔室9；在每个筒体17内设置一个贯穿筒体17与上部腔室14、连通顶部腔室16和下部腔室9的内筒体18，筒体17与内筒体18之间构成热流体超临界水环形通道12。筒体17为圆柱体或方柱体，数量为4个，内筒体18的形状与筒体相同；筒体17和内筒体18之间的间隙为10-20mm，本实施例中取15mm。
在顶部端盖1上，设置与顶部腔室16连通的冷流体水出口15；在壳体5上设置与上部腔室14连通的热流体超临界水入口3，在壳体5的下隔板13下方设置与冷流体水下降通道11连通的冷流体水入口4；在每个筒体17上，设置一个连通外界与筒体17内部的热流体超临界水出口10。
换热器内的流动方式为，从堆芯出来的超临界水从热流体超临界水入口3进入，并充满上部腔室14，然后进入热流体超临界水环形通道12，采用下降流方式与冷流体实现换热后，经热流体超临界水出口10流出，构成一次侧循环。冷却水经冷流体水入口4进入冷流体水下降通道11，与热流体超临界水环形通道12的外侧接触换热；然后汇集在下部腔室9中的冷流体水进入冷流体水上升通道6，与热流体超临界水环形通道12的内侧接触换热。最后进入顶部腔室16经冷流体水出口15流出，构成二次侧循环。
一次侧循环和二次侧循环均为自然循环，并于循环回路中引入氦气以增强自然循环驱动。
一次侧超临界水进入换热器时温度约350℃~500℃，流出换热器时温度约150℃~300℃，压力20MPa~25MPa，流量1000kg/s~1500kg/s；二次侧水进入换热器时温度约50℃~80℃，流出换热器时温度约100℃~250℃，压力1MPa~5MPa，流量1000kg/s~2000kg/s。
此外，在所设计的余热排出换热器二次侧还设置有备用强迫循环旁路，包括循环泵和阀门。当换热器热流体出口的超临界水温未达到要求时，经控制系统作用启动强迫循环回路，投入循环泵推动二次侧换热。

Claims (4)

1.一种用于超临界水堆余热排出的自然循环换热器，其特征在于：其主体结构由上至下由顶部端盖（1）、壳体（5）和下封头（8）组成；
在壳体（5）的上部设置平行布置的上隔板（2）和下隔板（13）；上隔板（2）与顶部端盖（1）之间构成顶部腔室（16）；上隔板（2）、下隔板（13）和壳体（5）之间构成上部腔室（14）；在下隔板（2）的下方设置多个均匀布置的与上部腔室（14）连通的筒体（17），筒体（17）的外壁与壳体（5）、下隔板（13）之间构成冷流体水下降通道（11），筒体（17）的下壁与下封头（8）之间构成下部腔室（9）；在每个筒体（17）内设置一个贯穿筒体（17）与上部腔室（14）、连通顶部腔室（16）和下部腔室（9）的内筒体（18），筒体（17）与内筒体（18）之间构成热流体超临界水环形通道（12）；
在顶部端盖（1）上，设置与顶部腔室（16）连通的冷流体水出口（15）；在壳体（5）上设置与上部腔室（14）连通的热流体超临界水入口（3），在壳体（5）的下隔板（13）下方设置与冷流体水下降通道（11）连通的冷流体水入口（4）；在每个筒体（17）上，设置一个连通外界与筒体（17）内部的热流体超临界水出口（10）。
2.根据权利要求1所述的一种用于超临界水堆余热排出的自然循环换热器，其特征在于：所述筒体（17）为圆柱体或方柱体，数量为4-12个；内筒体（18）的形状与筒体（17）相同。
3.根据权利要求1所述的一种用于超临界水堆余热排出的自然循环换热器，其特征在于：所述筒体（17）和内筒体（18）之间的间隙为10-20mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于超临界水堆余热排出的自然循环换热器，其特征在于：所述顶部端盖（1）与壳体（5）之间、壳体（5）与下封头（8）之间均采用法兰连接。
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