CN111599494B - 一种抑压水池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑压水池，抑压水池为密闭结构，抑压水池内部装有用于冷凝的液体，液体上面为不凝结性气体空间，通气的抑压管穿过水池深入液面下方并与抑压水池固定连接，抑压管一端连接安全壳内的气体空间，另一端浸没在液体中，抑压管浸没在液体中的出口处设置有汽泡切割部件，抑压管外围设置有围挡部件，围挡部件设置在液体中，抑压管上设置有至少1个气体单向导通部件，气体单向导通部件连接抑压管内气体和抑压水池内的气体空间，导通方向为从气体空间流入管体内，当气体空间气压大于管体内气压时即导通。本发明能够抑制在蒸汽射流冷凝过程中管内和管外发生的压力振荡，抑制在抑压水池中产生的压力振荡和水锤现象，增加核设施安全性。

Description

一种抑压水池

技术领域

本发明涉及一种抑压水池，特别是一种有效抑制压力振荡的抑压水池，属于核电领域。

背景技术

蒸汽射流冷凝由于具有高效的传热传质特性被应用于核电领域，抑压水池即根据此原理设定并安装在安全壳内，当安全壳中发生一回路破口事故或蒸汽管道破裂事故时，安全壳内蒸汽和空气的混合物在压差作用下通过抑压管进入抑压水池中得到冷却，从而起到抑制安全壳压力升高的作用。

然而，在蒸汽冷凝过程中，当冷凝开始发生在抑压管管口时，由于汽泡冷凝溃灭消失、蒸汽体积减小会暂时形成真空状态，此时冷凝水会被吸入此真空空间，这样会由于冷凝水的惯性作用下、相互撞击从而在管内形成水锤，冷凝水在抑压管内形成浪涌相互冲击。此会引发设备的机械振动，会严重冲击和损坏周围相关设施，对设备的强度和寿命产生不利影响，从而影响核设施系统的安全性。在现有技术中，为了抑制上述管内压力振荡，常规地采取通过风机或气瓶等装置小流量地往管内注入不凝结性气体的方式抑制管内压力振荡，但是这些装置存在一定的体积，会占用安全壳内的一定空间，其总体资源占用较大。

此外，快速冷凝将引起压力振荡，极易与周围设施产生共振，当蒸汽进入冷凝水中时，也会在抑压水池内发生管外压力振荡。管内和管外的压力振荡会引发设备的机械振动，会严重冲击和损坏周围相关设施，对设备的强度和寿命产生不利影响，从而影响核设施系统的安全性。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种同时抑制管内和管外的压力振荡现象的一种抑压水池，抑压水池可以利用系统固有的不凝结性气体，而不需要外界干预的方式对管内压力振荡进行抑制，同时能有效抑制管外压力振荡。

为解决上述技术问题，本发明的一种抑压水池，抑压水池为密闭结构，抑压水池内部装有用于冷凝的液体，液体上面为不凝结性气体空间，通气的抑压管穿过水池深入液面下方并与抑压水池固定连接，通气的抑压管一端连接安全壳内的气体空间，另一端浸没在液体中，抑压管浸没在液体中的出口处设置有汽泡切割部件，抑压管外围设置有围挡部件，围挡部件设置在液体中，抑压管上设置有至少1个气体单向导通部件，气体单向导通部件连接抑压管内空间和抑压水池内的气体空间，导通方向为从气体空间流入管体内，当气体空间气压大于管体内气压时即导通。

本发明还包括：

1.汽泡切割部件为网状半球壳体结构。

2.半球壳体由圆环形平面和球面组成，半球壳体通过圆环形平面固定于抑压管出口处，圆环形平面位于抑压管出口端面的上方并垂直于抑压管，球面包络抑压管出口的下部空间，半球壳体的球面为按照经线和纬线方式组成的网状结构。

3.围挡部件为上端有盖且下端无底的圆柱壳体，围挡部件与抑压水池或抑压管固定连接，圆柱壳体的上端位于抑压管浸没在液体中的出口之上，圆柱壳体的下端位于抑压管浸没在液体中的出口之下且与抑压水池底部之间有间距，上端盖上设置有孔，抑压管穿过所述孔。

4.围挡部件与抑压管同轴设置，抑压管与上端盖之间有间距。

5.抑压管上设置有1个气体单向导通部件，气体单向导通部件设置在抑压管浸没在液体中的一端的端部。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明可以通过单向导通部件利用系统固有的不凝结性气体，而不需要外界干预的方式对管内压力振荡进行抑制的，一方面能够降低在抑压水池中蒸汽射流冷凝过程中产生的管内压力振荡的发生强度，抑制水锤现象，确保系统安全运行，一方面能够节省总体空间资源，简化工作方式。另一方面本发明通过围挡部件和汽泡切割部件可以有效抑制抑压水池内的压力振荡，能增强安全壳抑压水池的抑压水平，抑制由于一回路破口事故或蒸汽管道破裂事故情况下出现的在抑压水池内的压力振荡现象，从而延长系统的使用寿命，增加安全壳抑压水池及其整个系统的安全性和可靠性，并且不会增加抑压管阻力。

附图说明

图1为本发明抑压水池结构示意图。

图2为本发明的汽泡切割装置的俯视图。

附图1中1为气空间，2为水空间，3为抑压管，4为围挡部件，5为汽泡切割部件，6为单向导通部件。

具体实施方式

在核动力装置抑压水池设计中，要求所设计的抑压水池对事故后安全壳压力变化的响应要迅速。为了满足这样的设计要求，当前抑压水池的抑压喷管均必须具有较小的阻力。本发明中的汽泡切割部件、围挡升温部件和单向导通部件，均用于抑压喷管外部，不会改变原有抑压喷管阻力特性，也就是不会影响到原抑压水池的压力响应特性。

抑压水池的压力振荡是由蒸汽强烈的冷凝所诱发的水锤所引起的，即汽泡强烈的冷凝溃灭后，汽泡周围的冷凝水快速涌入原本汽泡所占据空间，水相互撞击产生压力振荡。所以说，如果汽泡尺寸较小，水撞击产生的压力振荡强度就会变弱；另外，如果减弱蒸汽泡冷凝速度，即让汽泡冷凝溃灭的慢一些，这样的话水撞击引发的压力振荡强度也会减弱。再有，如果蒸汽泡中有不凝结气体，不凝结气体起到一定缓冲作用，蒸汽冷凝后，原本蒸汽所占据的空间，还有不凝结气体在占据，所以水撞击引发的压力振荡强度也会减弱。基于上述三种压力振荡削弱原理，本发明对应设计了三种压力振荡的削弱/消除措施并进行组合。

三种措施带来的技术效果：

汽泡切割部件：通过将原本的一个大汽泡，破碎成数目众多的尺寸较小的汽泡。相比与大汽泡，一个个小汽泡冷凝溃灭时所伴随产生的压力振荡强度要低很多，甚至在工程应用中可以忽略这种振荡所带来的影响。所以，汽泡破碎装置的应用，使得原有抑压水池中可能出现压力振荡得到削弱，甚至消除。

围挡升温部件：使得喷管附近流体流动主要限制在围挡内区域，围挡内外区域热量交换得到减弱，所以围挡内部区域流体温度会高于围挡外部区域。汽泡冷凝接触的是围挡内流体，围挡内流体温度上升使得汽泡冷凝效果相应减弱，压力振荡强度得到削弱，甚至能够消除。另外，值得一提的是，围挡的存在，只是使得围挡内流体温度上升，而整个水池的平均温度还是不变的，也就是抑压水池的冷凝能力并没有改变。

单向导通部件：当抑压喷管内蒸汽泡发生强烈冷凝时，喷管内会形成低压(如果冷凝强烈甚至形成一定得真空度)，这时抑压水池气空间压力高于喷管内压力，在两者压差作用下，单向导通部件的单相阀打开，抑压水池气空间固有的不凝结气体自动吸入抑压喷管。不凝结气体(主要由抑压水池气空间初始存在的空气，以及后期进入的安全壳内空气和氢气组成)的引入起到缓冲作用，进而削弱了压力振荡，如果不凝结气体足够多，甚至可以消除振荡。值得进一步说明的是，蒸汽流量较高的情况下是不会发生抑压喷管管内压力振荡的，因为蒸汽源源不断通过喷管，进入水池中，蒸汽冷凝主要发生在抑压喷管外的水池内，此时抑压喷管内压力是高于抑压水池气空间压力的，所以单相阀是关闭状态的，喷管内蒸汽是无法直接进入抑压水池气空间的。

实施例1：

结合图1，抑压水池安装于安全壳体内，包括气空间1、水空间2、抑压管3。气空间1内初始填充1个大气压的不凝结性气体，主要为空气，水空间2内含有用于冷凝的过冷水，抑压管3一端浸没在抑压水池水空间2内装盛的过冷水中，抑压管3连接抑压水池水空间2和安全壳内的气空间，抑压管3具有与安全壳气空间相连通的抑压管进口和与抑压水池的水空间相连通的抑压管出口。通气的抑压管3穿过水池伸入液面下方并与抑压水池固定连接，其作用是将在事故当中安全壳内的蒸汽和空气的混合物从安全壳气空间传输到抑压水池水空间2中进行冷凝，从而起到抑制安全壳压力升高的作用。

水空间2内设有用于抑制水池内压力振荡的围挡4，围挡4四周为圆柱形桶状，其顶部位于水空间2水面之下且抑压管出口之上，底部位于抑压管浸没在液体中的出口之下，底部与水空间2底部具有一定距离高度，其围绕抑压管3呈环形结构，与抑压管3同心，围挡4与抑压水池或抑压管固定连接，围挡4的设计目的是通过提高抑压管3周围的水温，使蒸汽射流冷凝过程的凝结驱动势减弱，从而抑制射流冷凝过程产生的压力振荡。特别地，设定此围挡顶部有盖且底部无盖，以保证围挡4内水温高于抑压水池内平均水温，设定此围挡4顶盖与抑压管3外壁存在一定的间隙，以保证桶内外流体之间有少量的冷热流体的热交换，避免围挡内形成死水，导致围挡内水温达到饱和温度，从而使得蒸汽冷凝完全消失。

实验表明，蒸汽射流的压力振荡与水温之间存在一定的关系。压力振荡强度的幅值随着水温度的升高而增大，但是当水温达到60℃左右时，压力振荡强度开始出现下降的趋势。这是由于在水温逐渐升高趋于饱和温度的过程中，蒸汽射流凝结现象越来越不明显，由凝结产生的压力振荡会逐渐消失，从而随着水温上升到一定程度，压力振荡幅值出现下降趋势。因此，当发生一回路破口或蒸汽管道破裂事故时，抑压水池水空间2内增加的所述围挡4能够提高抑压管3周围的水温，随着被围板围住的抑压管周围过冷水温度的升高，凝结驱动势减弱，汽泡生长、运动以及脱离的时间延长，压力振荡发生强度减小，从而有效抑制住了从抑压管3出来的蒸汽射流冷凝过程中出现的压力振荡。

抑压管3浸没在液体中的出口处设置有汽泡切割部件5。汽泡切割部件5位于抑压管3出口处，其目的是将抑压管3出口处产生的大汽泡切割成小汽泡，通过破碎汽泡而削弱压力振荡。当高温蒸汽注入抑压水池中时，会在出口处产生汽泡，汽泡会和水发生冷凝最终溃灭消失，汽泡溃灭所诱发的水锤是发生压力振荡的原因。此时，在抑压管出口处设定的汽泡切割部件5，可将在出口处产生的大汽泡切割成小汽泡，从而降低了压力振荡强度。

用于抑制压力振荡的汽泡切割部件为网状的半球壳体，半球壳体的球面顶点在球心的下方，球面包络抑压管出口的下部空间，网状结构可以为类似笊篱结构。具体一种结构的汽泡切割部件5俯视图如图2所示，半球壳体由圆环形平面和球面组成，半球壳体通过圆环形平面和抑压管连接并固定于抑压管出口处，圆环形平面位于抑压管出口端面的上方并垂直于抑压管，球面包络抑压管出口的下部空间，半球壳体的球面为参照经线和纬线方式组成的网状结构，包括沿球面分布的不同直径的圆环结构和由球面顶点沿球面向圆环形平面发散的条状结构，进一步，条状结构可以为均匀分布。

单向导通部件6包括单向阀和单向阀分别与抑压管和气空间相连的管路，单向阀一端与抑压管3相连，另一端连接抑压水池气空间，其仅允许在压差作用下气体由抑压水池气空间向抑压管内单向流动。抑压管内压力振荡率先发生在管口处，若不及时抑制，在汽液冷凝所产生的真空度的作用下，池水将倒吸进入抑压喷管，为了及时的抑制在抑压管口处发生的压力振荡，设定所述单向导通部件6的一端应尽量靠近抑压管3出口处，另一端出口应高于抑压水池水面。抑压水池长期运行过程中，单向阀与抑压管3之间的连接管内可能会积累冷凝水，为防止冷凝水在单向阀与抑压管3连接管内积累过多而进入抑压喷管，并诱发压力振荡，要求此连接处的管道长度较短。

当汽泡与水发生冷凝而消失时会在喷管内造成低压(或一定的真空度)，此时抑压池气空间1内的压力大于由于汽泡消失而降低的抑压管3内的压力，则设定的单向阀开启，抑压水池气空间1内的不凝结气体在压差作用下将会进入抑压管3内。此过程中从抑压水池气空间1往抑压管3内注入空气，占据了蒸汽原本所占据的位置，弥补了由于汽泡消失导致的管内压力降低，对蒸汽冷凝所诱发的水锤起到缓冲作用，从而较为有效的削弱了压力振荡强度。

通过上述技术方案的实施，可有效抑制抑压水池中的管内和管外压力振荡现象，增加安全壳抑压水池的安全性和可靠性。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种抑压水池，抑压水池为密闭结构，抑压水池内部装有用于冷凝的液体，液体上面为不凝结性气体空间，通气的抑压管穿过水池深入液面下方并与抑压水池固定连接，通气的抑压管一端连接安全壳内的气体空间，另一端浸没在液体中，其特征在于：抑压管浸没在液体中的出口处设置有汽泡切割部件，所述汽泡切割部件为网状半球壳体结构，抑压管外围设置有围挡部件，所述围挡部件为上端有盖且下端无底的圆柱壳体，抑压管与上端盖之间有间距，围挡部件设置在液体中，抑压管上设置有至少1个气体单向导通部件，气体单向导通部件连接抑压管内气体和抑压水池内的气体空间，单向导通部件的一端靠近抑压管出口处，另一端出口高于抑压水池水面，单向导通部件与抑压管连接处的管道长度设置满足防止冷凝水在单向导通部件与抑压管连接管内积累过多而进入抑压管并诱发压力振荡，导通方向为从气体空间流入管体内，当气体空间气压大于管体内气压时即导通。

2.根据权利要求1所述的一种抑压水池，其特征在于：所述半球壳体由圆环形平面和球面组成，半球壳体通过圆环形平面固定于抑压管出口处，圆环形平面位于抑压管出口端面的上方并垂直于抑压管，球面包络抑压管出口的下部空间，半球壳体的球面为按照经线和纬线方式组成的网状结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种抑压水池，其特征在于：所述围挡部件与抑压水池或抑压管固定连接，圆柱壳体的上端位于抑压管浸没在液体中的出口之上，圆柱壳体的下端位于抑压管浸没在液体中的出口之下且与抑压水池底部之间有间距，上端盖上设置有孔，抑压管穿过所述孔。

4.根据权利要求3所述的一种抑压水池，其特征在于：所述围挡部件与抑压管同轴设置。

5.根据权利要求1或2所述的一种抑压水池，其特征在于：抑压管上设置有1个气体单向导通部件，气体单向导通部件设置在抑压管浸没在液体中的一端的端部。

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