CN211455310U - 安全壳冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种安全壳冷却系统，包括安全壳、设置在安全壳上方的冷却水箱、设置在冷却水箱内的至少一个换热器；安全壳包括内层壳体以及包覆在内层壳体外的外层壳体，内层壳体和外层壳体之间形成有真空的夹层空间；夹层空间的内顶部设有冷却水分配装置，冷却水分配装置与冷却水箱和换热器的输出端连接，将冷却水喷至内层壳体的外表面；外层壳体上设有连通至夹层空间的蒸汽出口，蒸汽出口与换热器的输入端连接，夹层空间内的蒸汽通过蒸汽出口进入换热器以进行热交换再冷凝为冷却水。本实用新型的安全壳冷却系统，无需在安全壳内设置换热器，减少换热器占用的安全壳内空间；可长期非能动冷却，换热效率高且结构简单。

Description

安全壳冷却系统

技术领域

本实用新型涉及核电技术领域，尤其涉及一种安全壳冷却系统。

背景技术

为了应对反应堆出现冷却剂系统失水事故或安全壳内主蒸汽管破裂事故后出现的安全壳超温超压问题，现有压水堆普遍设置有能动或非能动安全壳冷却系统。

传统二代半核电站中通常有安全壳喷淋系统实施安全壳冷却系统，事故后，由布置在安全壳外辅助厂房内的喷淋泵将换料水箱的硼水从顶部喷入安全壳的气腔，冷凝弥散在其中的蒸汽，实现降低安全壳内的温度和压力。该传统二代半反应堆安全壳冷却系统的运行完全依靠能动的泵和风机，当冷却剂系统失水事故或安全壳内主蒸汽管破裂事故叠加其他失电事故时，所有能动系统全部无法使用，将会对安全壳安全造成严重影。严重情况下，反应堆最后一层屏障(安全壳)损坏，放射性物质泄漏至环境之中。另外，在二代半反应堆安全壳冷却系统下，事故下安全壳的冷却伴随着放射性介质的引出和返回，进而可造成放射性物质在辅助厂房内的泄漏以及通过贯穿件的泄漏。

AP1000中设计了非能动安全壳冷却系统，其系统介质的流动完全由自然力(自然循环、自然对流和重力)驱动，且钢制安全壳本身作为传热器直接通过容器璧将安全壳内的热量传递给安全壳外的大气。安全壳顶部设置一个大水箱，水箱下部联通布置于安全壳顶部的流体分配盘。事故发生后，水箱中的水通过流体分配盘的分配，平均的分配至各个方向，最终在安全壳的四周形成均匀的覆盖安全壳钢璧面的水膜，最终汇入底部排水槽。除此之外，在钢制安全壳和厂房之间设置空气通道，引入流动的空气实现自然对流，增强换热效果。尽管AP1000非能动系统实现了事故后的非能动运行，但其设计也有一系列的缺点，包括整体传热效率较低，流体分配盘结构复杂，安全壳表面水膜形成及均布较为困难等。

专利CN201510236436.5公开了一种保持冷却水动态循环的非能动安全壳冷却系统，其在AP1000设计的基础之上，使用喷淋替代流体分配盘，同时在安全壳底部设置回水管线和泵阀，用于将汇集后的水输送回置顶水箱。然而，该专利主要是为了将水箱储水利用效率最大化，但AP1000方案的最根本的问题(传热效率)没有得到解决。另一方面，水循环的实现依然是通过能动的方式进行，一旦考虑全场断电，该系统无法增长运行。

专利CN201410306606.8公开了一种能动结合非能动的安全壳冷却系统，在AP1000设计的基础之上，借助空气喷射倍增技术，对顶部水箱及空气流通通道进行了优化，进而增强AP1000方案的效率，但是具有以下缺点：安全壳表面的传热效率没有变化，进而影响了整体效率的提升；顶部空气流通通道的结构变更也会影响顶部水箱的容量，对系统的持续性造成影响。

专利CN201410371100.5公开了一种核电厂钢制安全壳导热装置，通过在安全壳表面设置抗腐蚀导热涂层，并将安全壳整体放置于混凝土构造的大水池中，通过混凝土及导热涂层将内部热量导出至水池，并通过水的汽化最终将热量导出。该专利虽然增加了传热效率，但对水容量要求十分巨大，且随着水量的减少，换热效率迅速下降。

专利CN201410371287.9公开了一种混凝土安全壳非能动冷却系统，通过在安全壳内和安全壳外分别设置换热器组成热管系统，安全壳内换热器吸热并产生汽化，安全壳外换热器放热并进行冷凝，利用自然循环的原理，将安全壳内热量导出。然而，该专利需要在安全壳内设置大型换热器，较大的挤占了安全壳内为数不多的空间，另一方面，安全壳内不凝结气体的存在也会对换热效率造成影响。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种减少占用安全壳内空间、换热效率高且结构简单的安全壳冷却系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种安全壳冷却系统，包括安全壳、设置在所述安全壳上方的冷却水箱、设置在所述冷却水箱内的至少一个换热器；所述安全壳包括内层壳体以及包覆在所述内层壳体外的外层壳体，所述内层壳体和外层壳体之间形成有真空的夹层空间；

所述夹层空间的内顶部设有冷却水分配装置，所述冷却水分配装置与所述冷却水箱和所述换热器的输出端连接，将冷却水喷至所述内层壳体的外表面；所述外层壳体上设有连通至所述夹层空间的蒸汽出口，所述蒸汽出口与所述换热器的输入端连接，所述夹层空间内的蒸汽通过所述蒸汽出口进入所述换热器以进行热交换再冷凝为冷却水。

优选地，所述安全壳冷却系统还包括连接在所述冷却水分配装置和冷却水箱之间的送水管道；所述换热器的输出端通过输水管道连接所述送水管道。

优选地，所述送水管道上设有送水隔离阀；所述输水管道上设有输水隔离阀。

优选地，所述安全壳冷却系统还包括连接在所述蒸汽出口与所述换热器的输入端之间的蒸汽管道；所述蒸汽管道上设有蒸汽隔离阀。

优选地，所述蒸汽出口设置在所述外层壳体的上端或顶部。

优选地，所述内层壳体的顶部呈拱形；

所述外层壳体的顶部的中部下凹，位于所述中部外围的外圈部相对所述中部凸起；所述蒸汽出口设置在所述外圈部上。

优选地，所述冷却水分配装置包括至少一个喷淋头。

优选地，所述安全壳冷却系统还包括连接在所述冷却水箱和外层壳体之间的回水管道、设置在所述回水管道上的水泵；所述冷却水箱、夹层空间和回水管道相通形成一个冷却水循环管路。

优选地，所述外层壳体的底部或下端设有出水口；所述回水管道的一端连接所述出水口，另一端连接所述冷却水箱。

优选地，所述回水管道上设有循环隔离阀。

本实用新型的安全壳冷却系统，安全壳双层设置形成有夹层空间，通过换热器在冷却水箱内设置并连接安全壳的夹层空间，利用冷却水分配装置将冷却水喷至安全壳的夹层空间内，使安全壳整体形成换热器，无需在安全壳内设置换热器，减少换热器占用的安全壳内空间。安全壳的夹层空间为真空设置，从而能够长期以非能动方式将冷却水吸入并利用冷却水分配装置进行喷淋冷却，保证在核电厂断电情况下仍能正常运行进行降温。

另外，通过回水管道和水泵的设置增加能动冷却方式，并非能动冷却方式结合，有力的提高了安全壳冷却系统整体安全水平。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型一实施例的安全壳冷却系统的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型一实施例的安全壳冷却系统，包括安全壳10、设置在安全壳10上方的冷却水箱20、设置在冷却水箱20内的至少一个换热器30。冷却水箱20用于装冷却水，换热器30在冷却水箱20内的设置，使得通过换热器30的介质可与冷却水箱20内的冷却水进行热交换。

安全壳10为双层结构，其包括内层壳体11以及包覆在内层壳体11外的外层壳体12。外层壳体12的内表面与内层壳体11的外表面不接触，使得内层壳体11和外层壳体12之间形成有夹层空间13。该夹层空间13为真空空间，使得冷却水能够以非能动方式被吸入夹层空间13。

夹层空间13的内顶部设有冷却水分配装置40，冷却水分配装置40与冷却水箱20和换热器30的输出端连接，将来自冷却水箱20或换热器30的冷却水喷至内层壳体11的外表面，对内层壳体11进行冷却降温。外层壳体12上设有连通至夹层空间13的蒸汽出口(未图示)，蒸汽出口可以设置在外层壳体12的上端或顶部。蒸汽出口与换热器30的输入端连接，夹层空间13内的蒸汽通过蒸汽出口进入换热器30以进行热交换再冷凝为冷却水；蒸汽的输出方向如图1中箭头A所示。经换热器30输出的冷却水可再通过冷却水分配装置40喷淋至内层壳体1上，实现长久非能动冷却的目的。

其中，冷却水箱20安装在外层壳体12的顶部上；换热器30在冷却水箱20内的设置尺寸以及数量以其传热面积足够匹配事故初期的水水大功率换热及事故后期的水气换热功率为准。通过冷却水分配装置40将冷却水喷至夹层空间12内带走安全壳10的热量，将安全壳10整体作为换热器，无需在安全壳10内设置换热器，从而减少了换热器占用的安全壳10内宝贵空间。

换热器30在冷却水箱20中的设置，在冷却水箱20中的水淹没换热器30时，通过冷却水箱20中水的流动带走换热器30的热量，使进入换热器30中的蒸汽冷凝为冷却水。在冷却水箱20中水因蒸发等情况使液位低于换热器30时，通过空气对流对换热器30的剩余低水平热量带入大气。

本实施例中，内层壳体11的顶部呈拱形；外层壳体11的顶部非拱形。具体地，外层壳体12的中部下凹，位于中部外围的外圈部相对中部凸起，蒸汽出口设置在外圈部上。该外圈部的内空间相对于中部向外凸起，夹层空间13内产生的蒸汽可以在该外圈部内聚集并可通过蒸汽出口向外输出。

冷却水分配装置40设置在外层壳体12的中部内侧。冷却水分配装置40可包括至少一个喷淋头，优选对准在内层壳体11的顶部最高处上方，使得喷出的冷却水可从内层壳体11的顶部形成水膜并沿着内层壳体11的外表面流动。当冷却水分配装置40包括多个喷淋头时，可对应内层壳体11的拱形顶部分布。

本实用新型的安全壳冷却系统还包括连接在冷却水分配装置40和冷却水箱20之间的送水管道50。冷却水箱20中的冷却水通过该送水管道50输送至冷却水分配装置40。换热器30的输出端通过输水管道31连接送水管道50，从而换热器30输出的冷却水汇总至该送水管道50，再通过该送水管道50输送至冷却水分配装置40。

其中，送水管道50上设有送水隔离阀51。沿着冷却水箱20的冷却水输送至冷却水分配装置40的方向，送水隔离阀51位于输水管道31与送水管道50连接处的上游，用于控制冷却水箱20和冷却水分配装置40之间的通断。输水管道31上设有输水隔离阀32，用于控制该输水管道31的通断。

本实用新型的安全壳冷却系统还包括连接在蒸汽出口与换热器30的输入端之间的蒸汽管道60，夹层空间13内产生的蒸汽通过蒸汽出口和蒸汽管道进入换热器30内，经过与冷却水箱20中的冷却水进行热交换后冷凝为冷却水，可再从换热器30的输出端输出。蒸汽管道60上设有蒸汽隔离阀61，用于控制该蒸汽管道60的通断。

进一步地，本实用新型的安全壳冷却系统还包括连接在冷却水箱20和外层壳体12之间的回水管道70、设置在回水管道70上的水泵80。冷却水箱20、夹层空间13和回水管道70相通形成一个冷却水循环管路，冷却水进入夹层空间13后可再从回水管道70送回冷却水箱20，以此循环。回水管道70上设有循环隔离阀71，控制该回水管道70的通断。

对应回水管道70，外层壳体12的底部或下端设有出水口(未图示)，回水管道70的一端连接出水口，另一端连接冷却水箱20的进水口。

另外，回水管道70上还可设置给水口以连接给水管道90，通过给水管道90外接冷却水源为冷却水循环管路补充冷却水。回水管道70上还可设置排水口以连接排水通道100，用于将夹层空间13内的热水排出。回水管道70设有排水隔离阀101，排水隔离阀101位于给水管道90和排水通道100之间。

本实用新型的安全壳冷却系统应用于核电厂，安全壳10的夹层空间13内大量不凝气被抽除，降低不凝结气体对整体传热效率的影响；夹层空间13形成一个真空空间。当反应堆发生LOCA事故、主蒸汽管破裂等事故下，堆芯衰变热通过蒸汽排放的形式传递至安全壳内部，进而造成安全壳内升温升压。

在事故发生且失去电力情况下，伴随着安全壳10内璧面的气体对流以及蒸汽的冷凝，热量由安全壳10内部传递至安全壳10外表面。打开送水隔离阀51，由于安全壳10的夹层空间13内被抽除了大量不凝气，因此冷却水被吸入夹层空间13。冷却水沿着送水管道50经过冷却水分配装置40被喷至内层壳体11的外表面，形成水膜沿着内层壳体11的外表面流动，并最终进入内层壳体11和外层壳体12的垂直璧面之间形成的狭窄空间。冷却水的流动通过对流和传热对内层壳体11进行初步冷却。

随着事故的进展，安全壳10内温度压力水平逐渐升高，夹层空间13内的冷却水吸收了大量的热量，变成蒸汽，进入夹层空间13的上层区域。此时，打开蒸汽隔离阀61和输水隔离阀32，蒸汽进入换热器30并被冷凝为冷却水，冷却水沿着输水管道31从冷却水分配装置40流出，并流到安全壳10的内层壳体11外表面。在此过程中，安全壳10内部的热量通过换热变成冷却水的潜热和显热，并随着蒸汽的产生和冷凝将热量最终传递至冷却水箱20，并进而传递至环境大气。当冷却水箱20中液位足够高时(淹没换热器30时)，最终热量的导出是依靠冷却水箱20中的水的沸腾传热；当液位继续降低至换热器30或以下时，自动转换为空气对流传热。

在事故发生但未失去外部电力情况下，优先通过冷却水箱20中的冷却水对安全壳10进行冷却。当冷却水箱20中的水位过低或者不足时，通过给水管道90引入厂区冷却水进一步对安全壳10进行持续冷却。在持续注入冷却水的同时，冷却安全壳10后的热水通过排水管道100排出，不会再沿着回水管道70混进引入的冷却水并进入冷却水箱20。

本实用新型的安全壳冷却系统，夹层空间13内的不凝气(不凝结气体)事先被抽出，大大降低降低不凝气对整体传热效率的影响；利用安全壳10的内层壳体11进行换热，大大增加了换热面积；整体上大大提高安全壳冷却系统的整体传热效率。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种安全壳冷却系统，其特征在于，包括安全壳、设置在所述安全壳上方的冷却水箱、设置在所述冷却水箱内的至少一个换热器；所述安全壳包括内层壳体以及包覆在所述内层壳体外的外层壳体，所述内层壳体和外层壳体之间形成有真空的夹层空间；

所述夹层空间的内顶部设有冷却水分配装置，所述冷却水分配装置与所述冷却水箱和所述换热器的输出端连接，将冷却水喷至所述内层壳体的外表面；所述外层壳体上设有连通至所述夹层空间的蒸汽出口，所述蒸汽出口与所述换热器的输入端连接，所述夹层空间内的蒸汽通过所述蒸汽出口进入所述换热器以进行热交换再冷凝为冷却水。

2.根据权利要求1所述的安全壳冷却系统，其特征在于，所述安全壳冷却系统还包括连接在所述冷却水分配装置和冷却水箱之间的送水管道；所述换热器的输出端通过输水管道连接所述送水管道。

3.根据权利要求2所述的安全壳冷却系统，其特征在于，所述送水管道上设有送水隔离阀；所述输水管道上设有输水隔离阀。

4.根据权利要求1所述的安全壳冷却系统，其特征在于，所述安全壳冷却系统还包括连接在所述蒸汽出口与所述换热器的输入端之间的蒸汽管道；所述蒸汽管道上设有蒸汽隔离阀。

5.根据权利要求1所述的安全壳冷却系统，其特征在于，所述蒸汽出口设置在所述外层壳体的上端或顶部。

6.根据权利要求1所述的安全壳冷却系统，其特征在于，所述内层壳体的顶部呈拱形；

所述外层壳体的顶部的中部下凹，位于所述中部外围的外圈部相对所述中部凸起；所述蒸汽出口设置在所述外圈部上。

7.根据权利要求1所述的安全壳冷却系统，其特征在于，所述冷却水分配装置包括至少一个喷淋头。

8.根据权利要求1-7任一项所述的安全壳冷却系统，其特征在于，所述安全壳冷却系统还包括连接在所述冷却水箱和外层壳体之间的回水管道、设置在所述回水管道上的水泵；所述冷却水箱、夹层空间和回水管道相通形成一个冷却水循环管路。

9.根据权利要求8所述的安全壳冷却系统，其特征在于，所述外层壳体的底部或下端设有出水口；所述回水管道的一端连接所述出水口，另一端连接所述冷却水箱。

10.根据权利要求8所述的安全壳冷却系统，其特征在于，所述回水管道上设有循环隔离阀。

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