CN203931516U - 一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于核电站冷却技术领域，特别涉及一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统。包括内层钢夹层安全壳和外层混凝土安全壳；冷却水池位于外层混凝土安全壳的顶部，并在冷却水池内设置相变传热换热器，相变传热换热器通过管道与内层钢夹层安全壳的顶部夹层连通；冷却水喷淋器位于内层钢夹层安全壳的上封头上方，冷却水喷淋器通过喷淋管道与冷却水池底部连通；冷却水池的内外侧壁上设置多个开口，并在这些开口处分别设置非能动的外侧重力楔块和内侧重力楔块。本系统在发生LOCA、MSLB甚至更严重的事故时，能够长期有效地导出安全壳内部热量，保证安全壳内压力、温度不超过设计限值，确保安全壳的完整性，提高核电厂事故工况下的安全系数。

Description

一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统

技术领域

本实用新型属于核电站冷却技术领域，特别涉及一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统。

背景技术

安全壳作为核电厂纵深防御的最后一道屏障，在发生LOCA、MSLB甚至更严重的事故时，安全壳冷却系统必须保证安全壳内压力、温度不超过设计限值，确保安全壳的完整性，从而防止放射性物质向周围环境泄漏。

目前压水堆核电厂采用的双层安全壳设计包括钢—混凝土安全壳和钢衬预应力混凝土—钢筋混凝土安全壳两种。对于钢—混凝土安全壳三代核电技术AP1000提出的非能动安全壳冷却系统以钢制壳体作为传热表面，事故状态下利用壳体导热对其进行冷却，相对于壳体两侧的相变对流换热来说，壳体导热大大限制了冷却系统的传热效率，存在传热瓶颈；另外，虽然该系统采用了非能动的设计，但是这些安全冷却系统的启动仍然依靠自动控制系统发出的安全指令，用以去打开该冷却系统中的爆破阀，一旦动力供应失效或者机械故障，该系统将无法启动，难以发挥其设计功能。

与此同时，AP1000的安全壳冷却系统冷却水池中的水利用效率低，为了获得尽量长的冷却时间，顶部水池体积庞大，虽然理论设计可以保证事故后72小时内不需要操作员干预，但是此后的长期冷却措施不够完善；另外，该设计还需考虑寒冷气候条件下冷却水的冻结和由于水池体积过于庞大在地震时带来的不稳定性等问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可以在事故工况下对安全壳内环境进行长期、有效冷却，从而保证安全壳内压力、温度不超过设计限值的应用相变传热的非能动安全壳冷却系统。

本实用新型采用的技术方案为：

该系统包括内层钢夹层安全壳和外层混凝土安全壳；冷却水池位于外层混凝土安全壳的顶部，并在冷却水池内设置相变传热换热器，相变传热换热器通过管道与内层钢夹层安全壳的穹顶顶部夹层连通；冷却水喷淋器位于内层钢夹层安全壳的上封头上方，冷却水喷淋器通过喷淋管道与冷却水池底部连通，冷却水池的底部出口处设置喷淋管道隔离阀；冷却水池的内外侧壁上设置多个开口，并在这些开口处分别设置非能动的外侧重力楔块和内侧重力楔块。

所述外侧重力楔块和内侧重力楔块嵌入混凝土层，外侧重力楔块和内侧重力楔块为弧形，均沿冷却水池高度方向布置2～4层，各层交错布置；外侧重力楔块和内侧重力楔块的上下表面均为倾斜面，上表面的倾斜度小于下表面的倾斜度。

所述外侧重力楔块和内侧重力楔块与冷却水池的内壁相连接处分别设置密封垫圈。

所述相变传热换热器的数量为8个，均匀布置在冷却水池内。

所述相变传热换热器使用高效强化传热管，换热器两侧设置多根连通换热管，使换热器表面积与体积比尽可能大，且各根连通换热管的横向管道部分略微倾斜，便于管内工质冷凝后回流至底部。

所述内层钢夹层安全壳的内壁顶部设置受力滑块，并设置摇杆定块压力感应装置，摇杆定块压力感应装置的两端分别与喷淋管道隔离阀、受力滑块连接。

所述内层钢夹层安全壳采用模块化设计，其中，内层钢夹层安全壳的下封头和侧筒壁下部采用实心钢板，内层钢夹层安全壳的上封头和侧筒壁中上部采用钢夹层。

所述外层混凝土安全壳的侧壁上方开有空气入口，冷却水池的中心设置与内层钢夹层安全壳外壁连通的空气出口流道。

所述内层钢夹层安全壳和外层混凝土安全壳之间设置隔板。

本实用新型的优点在于：

在发生LOCA、MSLB甚至更严重的事故时，能够长期高效并安全可靠地导出安全壳内部热量，保证安全壳内压力、温度不超过设计限值，确保安全壳的完整性，从而防止放射性物质向周围环境泄漏，提高核电厂事故情况下的安全系数。

该系统可实现：

(1)在事故工况下，整个系统依靠内层钢夹层安全壳内的传热工质相变实现自启动功能，无需人为干预，有效解决了钢—混凝土安全壳能动启动中存在的安全隐患；

(2)相变传热换热器位于冷却水池内，并且与钢夹层安全壳顶部外侧采用一体化设计，这样可以维持冷却水池中的水与安全壳内环境热平衡，有效解决了寒冷条件下冷却水池的冻结问题；

(3)模块化钢夹层安全壳以及相变传热换热器内换热工质的循环，不仅解决了传热瓶颈，提高了冷却系统传热效率，而且提高了冷却水池中水的利用效率，大幅延长了对安全壳的冷却时间，并且可以适当减小水池体积，增加地震时水池的稳定性；

(4)摇杆定块压力感应装置在安全壳温度升高过快的情况下，由于压差自动开启喷淋管道隔离阀，通过冷却水喷淋加速安全壳冷却，实现了安全壳的超压保护，提高了系统传热效率；

(5)重力楔块的设计实现了在水池内水全部用于喷淋并且外部水源无法补给的情况下对冷却水池内换热器进行空气冷却，提高了冷却系统利用效率，增加了事故后无需人为干预的时间；

(6)空气隔板及空气出入口的设计实现了钢夹层安全壳外侧的空冷，并且在换热器空冷过程中安全壳顶部空气出口流道由于温度差的存在产生负压，增强了水池内空气对流速度，提高了空冷效果。

附图说明

图1为本系统的整体结构三维剖面效果图。

图2为本系统的整体结构示意图。

图3为本系统在安全壳内温度、压力升高过快，超过设计限值时系统传热流程图。

图4为本系统在事故后期对安全壳进行长期冷却的传热流程图。

图5为本系统的相变传热换热器结构及空间布置三维图。

图6为重力楔块的截面示意图。

图中标号：

1-冷却水池；2-相变传热换热器；3-冷却水喷淋器；4-摇杆定块压力感应装置；5-实心钢制竖壁；6-内层钢夹层安全壳；7-相变工质；8-受力滑块；9-外侧重力楔块；10-内侧重力楔块；11-空气出口流道；12-喷淋管道隔离阀；13-空气入口；14-外层混凝土安全壳；15-隔板。

具体实施方式

本实用新型提供了一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更详细的描述。

如图2所示，该系统主要包括内层钢夹层安全壳6和外层混凝土安全壳14。其中，内层钢夹层安全壳6包括带夹层的安全壳上封头和侧壁，其下部和底部为实心钢制竖壁5；冷却水池1位于外层混凝土安全壳14穹顶顶部；相变传热换热器2位于冷却水池1内，通过管道贯穿冷却水池1底部，并且与内层钢夹层安全壳6穹顶夹层连通，安全壳上封头穹顶内的相变工质7可以在相变传热换热器2与内层钢夹层安全壳6之间流动，实现对流相变换热；冷却水喷淋器3位于内层钢夹层安全壳6上封头顶部中心上方，并通过喷淋管道与冷却水池1底部连通；三组对称布置的喷淋管道隔离阀12位于喷淋管道上，内层钢夹层安全壳6的内壁顶部设置受力滑块8，布置在内层钢夹层安全壳6上封头的摇杆定块压力感应装置4两端分别与喷淋管道隔离阀12、受力滑块8连接，摇杆定块压力感应装置4通过感应受力滑块8的状态控制喷淋管道隔离阀12的开闭。

外侧重力楔块9、内侧重力楔块10分别位于冷却水池1的混凝土竖壁上，并嵌入混凝土层，外侧重力楔块9和内侧重力楔块10为弧形，均沿冷却水池1高度方向布置3层，各层交错布置；外侧重力楔块9和内侧重力楔块10的上下表面均为倾斜面，上表面的倾斜度小于下表面的倾斜度。外侧重力楔块9和内侧重力楔块10与冷却水池1的内壁相连接处分别设置密封垫圈。

内层钢夹层安全壳6壳壁在保证一定的强度和刚度的条件下尽量采用高导热性材料，夹层内充有一定质量的相变工质7；相变传热换热器2使用高效强化传热管，尽可能增大换热器表面积与体积比，提高传热效率，相变传热换热器2底部最低位置与内层钢夹层安全壳6穹顶顶部夹层连通；相变传热换热器2左右两侧设计连通换热管，并且连通换热管的横向管道部分有一定倾斜度，便于管内工质冷凝后回流至底部；摇杆定块压力感应装置4通过受力滑块8感应内层钢夹层安全壳6内压力变化，当壳内压力超过设定值(小于安全壳设计限值)时，受力滑块8向上移动驱动连杆打开喷淋管道隔离阀12，实现冷却水喷淋。在外层混凝土安全壳14侧壁靠近穹顶上方设有空气入口13，在冷却水池1中心设有空气出口流道11，在内层钢夹层安全壳6和外层混凝土安全壳14之间设有隔板15，起到引导两层安全壳间空气流动的作用，对内层安全壳侧壁及上封头进行空冷。

本系统的工作原理如下：当反应堆主蒸汽管道发生破口或者断裂时，一回路高温高压冷却剂在压差的作用下喷射进入内层钢夹层安全壳6，并与安全壳内空气混合，使壳内温度、压力升高。内层钢夹层安全壳6内高温蒸汽由于密度较低而上升，在上升过程中通过相变对流将热量传递给内层钢夹层安全壳6的上封头和侧壁夹层内相变工质7，壳内环境也通过辐射传热机制向内层钢夹层安全壳6传热，与此同时，高温蒸汽释放热量后被冷凝成水，水由于密度较大而下沉，这样建立起了安全壳内的两相自然循环，气体得以充分混合，避免了壳内局部氢气浓度过高发生氢爆。内层钢夹层安全壳6的侧壁夹层内相变工质7通过相变使热量向内层钢夹层安全壳6的外侧和上部传递，最终部分热量汇聚到内层钢夹层安全壳6的上封头，上封头夹层内的相变工质7气化上升进入冷却水池1内部的相变传热换热器2，冷凝后在重力作用下回流到上封头，继续上述循环持续导出壳内热量。倘若内层钢夹层安全壳6内压力超过设定值(小于安全壳设计限值，相当于警戒值)时，在压差的作用下自动打开喷淋管道隔离阀12，冷却水喷淋器3向内层钢夹层安全壳6上封头喷淋冷却水，在上述传热流程的基础上，增加了对安全壳冷却水喷淋，提高系统换热效率，从而防止了安全壳内温度的骤升。当内层钢夹层安全壳6内压力下降到设定值以下时，在重力作用阀门又会自动关闭。在上述传热过程中，来自环境的低温空气通过空气入口13进入常开流道，向下绕过隔板15，沿内层钢夹层安全壳6外壁上升，对壳体进行冷却，最终通过高位的空气出口流道11排放至环境。事故后期，当冷却水池1内的冷却水水位下降至外侧重力楔块9和内侧重力楔块10以下时，两组重力楔块在重力作用下自动滑落，外部空气通过外侧竖壁上的楔块通道进入冷却水池内部，换热后由内侧竖壁上的楔块通道进入空气出口流道11，并且由于空气出口流道11内负压的存在，增加了空气对流速度，从而实现了安全壳内热量的长期导出，增加事故后无需人为干预的时间，大大提高了安全壳的固有安全性。

Claims (9)

1.一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统，包括内层钢夹层安全壳(6)和外层混凝土安全壳(14)，其特征在于，冷却水池(1)位于外层混凝土安全壳(14)的顶部，并在冷却水池(1)内设置相变传热换热器(2)，相变传热换热器(2)通过管道与内层钢夹层安全壳(6)的穹顶顶部夹层连通；冷却水喷淋器(3)位于内层钢夹层安全壳(6)的上封头上方，冷却水喷淋器(3)通过喷淋管道与冷却水池(1)底部连通，冷却水池(1)的底部出口处设置喷淋管道隔离阀(12)；冷却水池(1)的内外侧壁上设置多个开口，并在这些开口处分别设置非能动的外侧重力楔块(9)和内侧重力楔块(10)。

2.根据权利要求1所述的一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述外侧重力楔块(9)和内侧重力楔块(10)嵌入混凝土层，外侧重力楔块(9)和内侧重力楔块(10)为弧形，均沿冷却水池(1)高度方向布置2～4层，各层交错布置；外侧重力楔块(9)和内侧重力楔块(10)的上下表面均为倾斜面，上表面的倾斜度小于下表面的倾斜度。

3.根据权利要求1所述的一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述外侧重力楔块(9)和内侧重力楔块(10)与冷却水池(1)的内壁相连接处分别设置密封垫圈。

4.根据权利要求1所述的一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述相变传热换热器(2)的数量为8个，均匀布置在冷却水池(1)内。

5.根据权利要求1所述的一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述相变传热换热器(2)两侧设置多根连通换热管，且各根连通换热管的横向管道部分倾斜设置。

6.根据权利要求1所述的一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述内层钢夹层安全壳(6)的内壁顶部设置受力滑块(8)，并设置摇杆定块压力感应装置(4)，摇杆定块压力感应装置(4)的两端分别与喷淋管道隔离阀(12)、受力滑块(8)连接。

7.根据权利要求1所述的一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述内层钢夹层安全壳(6)采用模块化设计，其中，内层钢夹层安全壳(6)的下封头和侧筒壁下部采用实心钢板，内层钢夹层安全壳(6)的上封头和侧筒壁中上部采用钢夹层。

8.根据权利要求1所述的一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述外层混凝土安全壳(14)的侧壁上方开有空气入口(13)，冷却水池(1)的中心设置与内层钢夹层安全壳(6)外壁连通的空气出口流道(11)。

9.根据权利要求1所述的一种应用相变传热的非能动安全壳冷却系统，其特征在于，所述内层钢夹层安全壳(6)和外层混凝土安全壳(14)之间设置隔板(15)。