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CN113035388B - 一种简洁高效的pcs长期冷却水箱 - Google Patents

一种简洁高效的pcs长期冷却水箱 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种简洁高效的PCS长期冷却水箱，包括外部钢筋混凝土外壳，内部钢制水箱本体，以及两者之间的数个并联空气槽道。流道由安装于钢制水箱外表面的折板分隔形成。流道的入口位以混凝土外壳底部、外壳顶部为出口，且出口总管向外延伸形成烟囱结构。在出口总管所在区域，安装有一个引射器，引射器连通水箱内部与空气流道。本发明应用于反应堆事故条件下在PCS的启动和长期运行过程中，利用钢制水箱外表面较高的温度，在空气槽道内形成流速可观的非能动空气自然循环，并借助水箱内部水蒸气排放时产生较高流速，实现对空气流动的引射效应，实现水箱外表面的高效传热。通过提高空气自然循环的流速以增强冷却水箱的散热以促进PCS系统的长期运行。

Description

一种简洁高效的PCS长期冷却水箱
技术领域
本发明涉及涉及核电站的非能动安全保护设施，具体是指由引射器增强空气流动的安全壳非能动热量导出系统的冷却水箱，尤其涉及一种简洁高效的PCS长期冷却水箱。
背景技术
在核电站发生LOCA或主蒸汽管线破裂事故时，大量高温高压的蒸汽进入安全壳内，使安全壳内不断的升温升压。作为防止放射性物质泄漏的第三道安全屏障——安全壳，其完整性与外部环境与公共安全密切相关。因此在事故条件下，需要采取一些措施来对安全壳进行降温降压，以保护其完整性。在第三代反应堆中，如AP1000和“华龙一号”，都设置有非能动安全壳冷却系统(PCS)。如在AP1000中，采用了安全壳喷淋系统，通过向钢制安全壳外壁进行喷淋水以吸收安全壳内部的热量，来对安全壳实现降温。而我国拥有完整自主知识产权的“华龙一号”采用的是低压开式自然循环回路的非能动安全壳冷却系统。系统主要由多组位于安全壳内部的集管式换热器、位于安全壳外侧高处的冷却水箱，及连接两者的管道阀门等组成。在事故工况下，由一、二回路泄漏的高温高压蒸汽进入安全壳内，使得安全壳内部的压力和温度不断升高，当报警信号触发后,PCS投入运行。PCS循环回路内的冷却水通过集管式换热器，吸收安全壳内高温蒸汽的汽化潜热而升温，冷却水密度降低，在重力场的作用下向上运动，进入冷却水箱，并以此建立冷却循环来不断的吸收排出安全壳的热量，达到对安全壳降温降压的目的。在PCS运行一段时间后，循环回路内的冷却水不断被加热至饱和状态，最终在回路内实现气-液两相的自然循环流动。由于系统采用冷却水箱为常压开式，回路内的蒸汽会不断的排放到外界大气中，造成冷却水的损失，这并不利于PCS的长期运行。
在现有的设计应用中，有若干专利也考虑了PCS的长期运行能力。如，专利CN20120090809.9通过增设换热结构，利用空气对换热水箱中的工质进行降温，从而降低系统下降段入口工质温度。但传统的换热通道，其换热能力与效率有限，实际对水箱工质的降温效果也存在限制。专利CN201410353537.6在换热水箱内部布置管束换热器，通过水箱内部的空气循环带走水箱内的热量。但其在水箱内部安置换热器会增大空气流动的阻力，不利于系统循环流量的提升；此外，安全壳外裸露的水箱忽略了太阳对水箱加热的作用，以及大气空间内风速对水箱冷却的影响变化，混凝土外壳对外部袭击的抵御作用。同时相比于专利CN201810662024.1，本设计的结构十分简单，除混凝土外壳，只需利用原有的水箱排气管，改变其排放方向与排气管结构即可初步实现本设计的目的。
因此，有必要设计一种既结构简单同时又能高效运行的换热水箱，其一方面能够通过较为简单高效的自然循环实现对水箱内部空间的冷却，减少水蒸气的排放，满足PCS的长期运行的要求，其次不可忽略混凝土外壳在发生外部事件(飞机撞击、龙卷风等)的安全保护作用，同时混凝土外壳也能避免太阳对钢制水箱的辐射加热，因此水箱外部有必要布置有混凝土保护外壳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构相对简洁，由引射器强化并联流道内空气自然循环流动的PCS的长期换热水箱，以实现在LOCA或主蒸汽管道破裂事故下，将PCS所吸收的热量能够更加高效的排放至大气中，进而减少水箱内冷却水的蒸发损失，满足PCS长期运行的要求。
本发明的目的是这样实现的：包括钢筋混凝土的外壳、钢制的水箱本体、水箱本体与混凝土外壳间的并联空气流道、安装于空气流道出口处的引射器，在外壳和水箱本体上设置有与PCS换热器连接的进口管路和出口管路，水箱本体内部存在水空间和气空间，所述引射器为一减缩截面的排气管，且气空间由此排气管通向空气流道出口处，水下本体底部与外壳之间设置有钢筋混凝土柱，外壳的顶部与底部分别设置有空气流道的进、出口管道。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.空气流道进口位于钢制换热水箱本体下方，各流道进口在水箱底部汇总后通过总管道穿出混凝土外壳底部；空气流道出口位于不锈钢制水箱本体上方，各流道出口在水箱顶部汇总后通过总管道穿出混凝土外壳顶部，出口处设有不锈钢滤网及混凝土制伞状挡板。
2.水箱内水空间初始状态下保持为常温常压水，在PCS运行过程中逐渐被加热，最终状态为常压下的饱和水，初始水装量可以满足PCS正常运行72h以上；所述的水箱内气空间初始状态为常温常压空气，气空间通过水箱渐缩排气管与空气流道连通进而与大气相通，随着PCS的运行气空间成分变为空气与水蒸气的混合气体，甚至为纯蒸汽。
3.反应堆发生LOCA或主蒸汽管道破裂时，受到水空间内冷却水及气空间水蒸气的加热，水箱本体的钢壁温度不断升高，空气流道内的空气对水箱本体进行冷却，自身被加热升温，密度降低，在重力场的作用下与外界大气中的空气形成压力差，并驱动常温空气从流道入口处进入空气流道，热空气从流道出中流出；同时在水箱内部，水蒸气会通过排气管排放蒸汽以维持水箱内的常压状态，蒸汽排出的速度远低于当地音速，因此渐缩截面的排气管对蒸汽起到加速的作用，较高流速的蒸汽排向空气流道出口，对并联空气流道内的空气流动起到引射的作用，提高空气流动的速率，提高空气对钢制水箱的冷却能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在发生LOCA或主蒸汽管道破裂事故时，能够通过相对简洁的结构实现较高效率的自然循环，非能动的带出安全壳内的热量，实现对安全壳的降温降压，保护其完整性。该装置可实现：(1)通过一定厚度的钢筋混凝土外壳，保护冷却水箱不受外部袭击；(2)混凝土外壳避免了太阳直接对钢制水箱的加热作用，一定程度上延长了运行时间；(3)借助空气在流道内的自然循环流动，非能动的带出水箱内的热量，降低水箱内水空气及水蒸气的温度，从而减少冷却水的挥发，满足PCS长期运行的要求。(4)水箱内的蒸汽可以通过位于流道出口处的渐缩排气管实现加速，然后以较高速度排出空气流道出口，同时，高流速的蒸汽能够对流道内的空气流动起到引射的作用，提高空气的流速，增强对水箱的冷却能力，以提高冷却水箱的运行时间。
附图说明
图1为换热水箱结构图；
图2为换热水箱工作原理图；
图3为引射器位置示意图；
图4为引射器示意图。
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至图4，本发明的一种由引射器强化并联流道内空气自然循环流动的PCS的长期换热水箱，包括钢筋混凝土外壳、钢制水箱本体、本体与外壳的间距并由隔板分隔形成的并行空气流道、位于空气流道出口处的连通水箱内部与流道的渐缩排气口。具体的说是本发明的主要结构包括钢筋混凝土外壳、钢制水箱本体、水箱本体与混凝土外壳间的并联空气流道、安装于空气流道出口处的引射器，PCS系统回路包括进口管路、出口管路及PCS换热器、钢制水箱本体与钢筋混凝土外壳之间间隔一定距离以形成空气流道，水箱内部存在一定的气空间，气空间通过一个渐缩截面的排气管通向空气流道出口处，形成引射器结构；水箱本体优选一定厚度的不锈钢材料，也可以为铜等导热性能较好的材料。水箱底部有为PCS系统回路预留的进出管路开口。水箱顶部有为渐缩排气口预留的开口。水箱底部由众多钢筋混凝土柱支撑，使水箱本体与混凝土外壳底部保持合适的间隔；外壳由优质钢筋混凝土制成，外壳顶部与底部留有空气流道的进出口管道；所述的水箱内水空间初始状态下保持为常温常压水，在PCS运行过程中逐渐被加热，最终状态为常压下的饱和水，初始水装量可以满足PCS正常运行72h以上；所述的水箱内气空间初始状态为常温常压空气，气空间通过水箱渐缩排气管与空气流道连通进而与大气相通，随着PCS的运行气空间成分变为空气与水蒸气的混合气体，甚至为纯蒸汽。
水箱本体内包括下层一定液位的水空间、上层气空间、气空间连通空气流道的渐缩排气管、低压自然循环系统的冷管段入口及热管段出口。
低压自然循环系统的冷管段入口起始于水箱本体下层水空间底部，依次穿过钢制水箱本体、空气流道、钢筋混凝土外壳，连接至冷却循环回路的冷管段。
低压自然循环系统的热管段出口位于水箱本体下层水空间底部，依次穿过混凝土外壳、空气流道、钢制水箱本体，连接至冷却循环回路的热管段。
渐缩排气管位于水箱气空间顶部，穿过钢制水箱本体进入空气流道出口，排气管采用渐缩截面设计，对排放的蒸汽进行一定的加速，也即引射器优选不锈钢材料制成一定管径的渐缩喷管，连通于水箱气空间与空气流道出口处，最终连通大气。
混凝土外壳选用优质钢筋混凝土，底部开有空气流道入口，在底部筑有多根混凝土柱用于支撑水箱本体，顶部开有一定高度的空气流道出口，也即钢制水箱本体由底部的数个钢筋混凝土支柱支撑，与混凝土外壳之间形成一定空间的夹层。
并联空气流道位于钢制水箱本体与混凝土外壳间的夹层，并通过纵向安装于钢制水箱外壁面的隔板分隔形成。
空气流道入口位于水箱本体下方，各流道入口在水箱底部汇总后通过总管道穿出混凝土外壳底部。
空气流道出口位于水箱本体上方，由各流道出口在水箱上方汇总为出口总管，各流道出口在水箱顶部汇总后通过总管道穿出混凝土外壳顶部，出口处设有不锈钢滤网及混凝土制伞状挡板，空气经出口流出混凝土外壳进入大气，出口顶部的滤网与伞状结构挡板用于阻挡异物进入空气流道内。
各流道的外壁面为一定厚度的优质不锈钢板，内衬于混凝土外壳内壁。
为了减少PCS运行时，换热水箱内冷却水的损失，本发明通过建立并强化钢制水箱本体外壁与空气的换热，实现对水箱内冷却水及气空间水蒸气的冷却，延长冷却水的循环时间。本发明主要包括钢筋混凝土的水箱外壳1、优质不锈钢制水箱本体2、渐缩排气管3、并联空气流道4、优质不锈钢内衬板5、空气流道出口6、空气流道入口7、钢筋混凝土支柱8、水箱水空间9、水箱气空间10、低压自然循环冷管段11、低压自然循环热管段12、流道出口滤网13、伞装挡板14组成。
本发明主要应用于反应堆发生LOCA或主蒸汽管道破裂时，大量高温高压的蒸汽释放到安全壳内，使安全壳内压力和温度不断升高。此时，为了保护安全壳的完整性，位于安全壳内的多组PCS集管式换热器15投入运行，安全壳内大量高温蒸汽与集管式换热器15接触而冷凝，集管式换热器15内部的冷却水被加热，密度降低在重力作用下经低压自然循环热管段12向上流动回到换热水箱的水空间9，水空间9内的冷却水温度不断升高至饱和，使得气空间10内的水蒸气含量不断升高，气空间10的压力超过大气环境压力，而使得水蒸气通过渐缩排气管3排出水箱。水蒸气的不断排出会使得水箱内水空间9的液位不断降低，这并不利于PCS的长期运行。
在本发明所设计的水箱结构中，PCS运行时，受到水空间9内冷却水及气空间10水蒸气的加热，水箱本体2的钢壁温度不断升高，空气流道4内的空气对水箱本体2进行冷却，自身被加热升温，密度降低，在重力场的作用下与外界大气中的空气形成压力差，并驱动常温空气从流道入口7处进入空气流道，热空气从流道出口6中流出。同时在水箱内部，水蒸气会通过排气管3排放蒸汽以维持水箱内的常压状态，蒸汽排出的速度远低于当地音速，因此渐缩截面的排气管3会对蒸汽起到一个加速的作用，较高流速的蒸汽排向空气流道出口6，对并联空气流道4内的空气流动起到一个引射的作用，以提高空气流动的速率，进而提高空气对钢制水箱的冷却能力。钢制水箱本体2通过数根钢筋混凝土支柱8与钢筋混凝土外壳1分离，并形成空气流道4。内衬不锈钢板5相较于混凝土壁面更为光滑，可以减少空气流动的阻力。同时内衬不锈钢板5与混凝土外壳1共同抵御外部风险，水箱本体2也通过混凝土外壳1避免了太阳的直射。
本发明的目的在于提供一种结构相对简单的带有引射器的安全壳冷却系统(Passive Containment Cooling System,PCS)冷却水箱，其主要由外部钢筋混凝土外壳，内部钢制水箱本体，以及两者之间的数个并联空气槽道组成。所述流道由安装于钢制水箱外表面的折板分隔形成。流道的入口位以混凝土外壳底部、外壳顶部为出口，且出口总管向外延伸形成烟囱结构。在出口总管所在区域，安装有一个引射器，引射器连通水箱内部与空气流道。本发明应用于反应堆事故条件下在PCS的启动和长期运行过程中，利用钢制水箱外表面较高的温度，在空气槽道内形成流速可观的非能动空气自然循环，并借助水箱内部水蒸气排放时产生较高流速，实现对空气流动的引射效应，实现水箱外表面的高效传热。这一过程通过提高空气自然循环的流速以增强冷却水箱的散热以促进PCS系统的长期运行。

Claims (2)

1.一种简洁高效的PCS长期冷却水箱，其特征在于：包括钢筋混凝土的外壳、钢制的水箱本体、水箱本体与混凝土外壳间的并联空气流道、安装于空气流道出口处的引射器，在外壳和水箱本体上设置有与PCS换热器连接的进口管路和出口管路，水箱本体内部存在水空间和气空间，所述引射器为一渐缩截面的排气管，且气空间由此排气管通向空气流道出口处，水箱本体底部与外壳之间设置有钢筋混凝土柱，外壳的底部与顶部分别设置有空气流道的进、出口管道；空气流道进口位于钢制换热水箱本体下方，各流道进口在水箱底部汇总后通过总管道穿出混凝土外壳底部；空气流道出口位于不锈钢制水箱本体上方，各流道出口在水箱顶部汇总后通过总管道穿出混凝土外壳顶部，出口处设有不锈钢滤网及混凝土制伞状挡板；水箱内水空间初始状态下保持为常温常压水，在PCS运行过程中逐渐被加热，最终状态为常压下的饱和水，初始水装量可以满足PCS正常运行72h以上；所述的水箱内气空间初始状态为常温常压空气，气空间通过水箱渐缩排气管与空气流道连通进而与大气相通，随着PCS的运行气空间成分变为空气与水蒸气的混合气体，甚至为纯蒸汽。
2.根据权利要求1所述的一种简洁高效的PCS长期冷却水箱，其特征在于：反应堆发生LOCA或主蒸汽管道破裂时，受到水空间内冷却水及气空间水蒸气的加热，水箱本体的钢壁温度不断升高，空气流道内的空气对水箱本体进行冷却，自身被加热升温，密度降低，在重力场的作用下与外界大气中的空气形成压力差，并驱动常温空气从流道入口处进入空气流道，热空气从流道出中流出；同时在水箱内部，水蒸气会通过排气管排放蒸汽以维持水箱内的常压状态，蒸汽排出的速度远低于当地音速，因此渐缩截面的排气管对蒸汽起到加速的作用，较高流速的蒸汽排向空气流道出口，对并联空气流道内的空气流动起到引射的作用，提高空气流动的速率，提高空气对钢制水箱的冷却能力。
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