CN114220573B - 一种基于二次蒸发冷却的增强型非能动安全壳热量排出系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二次蒸发冷却的增强型非能动安全壳热量排出系统(PCS)，包括：PCS水箱，PCS水箱箱体下部连接有PCS系统循环管道，PCS系统循环管道包括PCS系统下降管道和PCS系统上升管道；PCS水箱内设有汽水分离器，汽水分离器下端与PCS系统上升管道连通；PCS水箱在汽水分离器一侧的箱体上部设有排气通道，排气通道上方设有排气装置，另一侧的箱体上部设有进气装置。本发明解决了现有非能动安全壳热量排出系统在长期运行阶段，壳外水箱温度达到饱和状态，系统运行性能降低的矛盾，通过壳外水箱表面的二次蒸发冷却水箱，降低其长期运行时壳外水箱温度，改善系统运行特性，达到增强非能动安全壳热量排出系统性能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及非能动系统领域，具体涉及一种基于二次蒸发冷却的增强型非能动安全壳热量排出系统。
背景技术
非能动系统指不依靠外部动力源，仅靠重力、蓄压势能等自然特性来实现其功能的系统。由于不需要外部动力源支持，不会因为动力源的失效而丧失其功能，因而非能动系统一般认为具有很高的可靠性，在对可靠性要求极高的核电站中日益广泛应用。同时，减少动力源支持后，有利于简化系统设计，对核电站设计来讲，有利于提升安全性的同时保证经济性。作为非能动安全系统设计的代表，AP1000广泛采用一回路非能动余热排出系统、非能动安注系统、非能动安全壳热量导出系统等。我国自主开发的三代压水堆核电机组华龙一号，采用能动+非能动设计理念，增设了非能动安全壳热量排出系统、二回路非能动余热排出系统等，作为能动安全系统的补充，主要用于应对设计扩张工况。国内现有三代核电型号的非能动安全壳热量排出系统(简称PCS)，由安全壳内换热器，安全壳外高位水箱，以及中间连接的管道、阀门等组成，如图1所示。在事故工况下，安全壳内质能释放导致出现高温高压状态而能动的安全壳喷淋系统失效时，PCS启动运行，壳内换热器吸收安全壳内热量，加热系统内的水，在PCS系统上下管道内形成温度差和密度差，在重力作用下产生自然循环驱动压头，持续带走安全壳内热量。
国内现有三代核电型号的PCS其系统特性在于：在PCS运行初期，安全壳外水箱温度较低时，系统循环流量较大，换热器内的水温较低，系统带热能力较高；长期阶段，当PCS水箱温度升高并达到饱和温度(100℃)时，PCS系统维持高温运行，带热能力降低，PCS冷却下的安全壳平衡压力和温度维持在较高水平。如何提升PCS的运行特性，改善其长期状态的平衡带热能力，是现有三代核电型号PCS系统设计改进的重要目标。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于二次蒸发冷却的增强型非能动安全壳热量排出系统，进一步降低壳外水箱温度，提升系统换热能力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于二次蒸发冷却的增强型非能动安全壳热量排出系统，包括：PCS水箱，所述PCS水箱箱体下部连接有PCS系统循环管道，所述PCS系统循环管道包括PCS系统下降管道和PCS系统上升管道；所述PCS水箱内设有汽水分离器，所述汽水分离器下端与所述PCS系统上升管道连通；所述PCS水箱在所述汽水分离器一侧的箱体上部设有排气通道，所述排气通道上方设有排气装置，另一侧的箱体上部设有进气装置；
当PCS运行时，水从所述PCS系统下降管道流出所述PCS水箱，进入安全壳内的PCS热交换器，被壳内空气加热后通过所述PCS系统上升管道流回所述PCS水箱；
当所述PCS水箱温度较低时，PCS回路为单相水循环，当所述PCS水箱温度升高到一定程度，在所述PCS系统上升管道内的水将超过大气压力所对应的饱和温度，随着在所述PCS系统上升管道内向上流体，压力降低，一部分水将闪蒸为蒸汽，并通过所述汽水分离器排出，水蒸汽溢出水面后，进入所述排气通道，并通过所述排气装置排入大气环境。
进一步，如上所述的系统，由于水蒸汽密度低，蒸汽通过所述排气通道排放时，形成烟囱效应，并将空气从所述进气装置吸入所述PCS水箱，空气在所述PCS水箱水表面掠过，促进表面蒸发，带走蒸发产生的蒸汽，并通过所述排气通道和所述排气装置排出。
进一步，如上所述的系统，通过合理设置所述排气通道的高度和流通面积，达到增强烟囱效应的作用；所述排气通道的高度越高，即所述进气装置的进气口与所述排气装置的排气口之间的高度差越大，其烟囱效应越强，气体的流动速度越大，从而使所述进气口吸入更多的空气，用以降低所述PCS水箱内上部空间的空气湿度，提升蒸发速率。
进一步，如上所述的系统，所述进气口和所述排气口的流通面积及所述排气口的高度，根据PCS系统总功率水平、所述PCS水箱所需达到的冷却温度、所述PCS水箱面积的综合考虑，并基于自然循环伯努利方程、水面蒸发扩散方程计算得出，并考虑工程可实施性的因素。
进一步，如上所述的系统，在所述PCS水箱箱体上部按照一定的面积比例设置多个进气口或者设置进气流量分配通道，同时与排气口处于所述PCS水箱箱体的两端。
进一步，如上所述的系统，所述排气通道设置在所述汽水分离器的正上位置，保证通过所述汽水分离器排出的饱和蒸汽能够直接进入所述排气通道，而不需要在所述PCS水箱内上部流动。
进一步，如上所述的系统，所述PCS系统下降管道和所述PCS系统上升管道之间设有适当的距离，以有利于从所述PCS系统上升管道流入所述PCS水箱内的高温水能充分流动到水箱表面各个区域而得到充分冷却。
进一步，如上所述的系统，所述PCS水箱结构设计应考虑箱体深度与面积的合理分配。
本发明的有益效果在于：本发明解决了现有非能动安全壳热量排出系统在长期运行阶段，壳外水箱温度达到饱和状态，系统运行性能降低的矛盾，通过壳外水箱表面的二次蒸发冷却水箱，可显著降低其长期运行时壳外水箱温度，提升PCS长期阶段带热能力，改善系统运行特性，进一步降低PCS运行下的安全壳温度压力，达到增强非能动安全壳热量排出系统性能的目的。通过本发明，预期可将长期冷却阶段壳外水箱的水温控制在80-90℃，在壳内同样的温度压力条件下，增加PCS换热功率20-80％。基于本发明原理对PCS箱体结构等进行优化，可进一步降低壳外水箱温度，提升系统换热能力。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的华龙一号非能动安全壳热量排出系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种基于二次蒸发冷却的增强型非能动安全壳热量排出系统的结构示意图。
图3、图4、图5、图6为本发明实施例中提供的四种PCS水箱及进、排气结构形式。
附图中：1-PCS水箱，2-PCS系统下降管道，3-PCS系统上升管道，4-汽水分离器，5-排气通道，6-排气口，7-进气口，8-壳外高位水箱，9-壳内换热器。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。
液体表面蒸发是一个自然现象。水表面的蒸发速率与水体温度和表面空气压力、温度、湿度等参数密切相关。一般来说，当水温升高60℃以上，水面上的蒸发将较为显著。本发明即充分利用水面蒸发这一物理现象，通过设置合理的气体流动通道，利用高含蒸汽流体与空气的密度差，驱动空气和水蒸汽流动，在水面形成有利于蒸发的空气流速和湿度，在PCS水箱水表面形成二次蒸发，利用蒸发带走的汽化潜热，冷却PCS水箱，进而达到改善PCS运行特性，增强PCS系统能力的效果。
如图2所示，本发明实施例提供了一种基于二次蒸发冷却的增强型非能动安全壳热量排出系统，包括：PCS水箱1，PCS水箱1箱体下部连接有PCS系统循环管道，PCS系统循环管道包括PCS系统下降管道2和PCS系统上升管道3；PCS水箱1内设有汽水分离器4，汽水分离器4下端与PCS系统上升管道3连通；PCS水箱1在汽水分离器4一侧的箱体上部设有排气通道5，排气通道5上方设有排气口6，另一侧的箱体上部设有进气口7。当PCS运行时，水从PCS系统下降管道2流出PCS水箱1，进入安全壳内的PCS热交换器，被壳内空气加热后通过PCS系统上升管道3流回PCS水箱1。当PCS水箱1温度较低时，PCS回路为单相水循环，当PCS水箱1温度升高到一定程度，在PCS系统上升管道3内的水将超过大气压力所对应的饱和温度，随着在PCS系统上升管道3内向上流体，压力降低，一部分水将闪蒸为蒸汽，并通过汽水分离器4排出，水蒸汽溢出水面后，进入排气通道5，并通过排气口6排入大气环境。由于水蒸汽密度低，蒸汽通过排气通道5排放时，形成烟囱效应，并将空气从进气口吸入所述PCS水箱1，空气在PCS水箱1水表面掠过，促进表面蒸发，带走蒸发产生的蒸汽，并通过排气通道5和排气口6排出。
华龙一号现有PCS壳外水箱设计与大气空间仅有一个蒸汽排放通道，外部大气难以进入水箱内上部空间，因此水箱内上部气体空间处于饱和状态，抑制了水表面蒸发。本发明通过设置进气和排气通道，通过空气的持续流入及包含水蒸汽的混合气体的排出，可以维持水箱内上部气体空间的湿度在一定范围，保证表面蒸发。一般地，上部气体空间的湿度越小，蒸发速率越大。
PCS水箱1内水表面蒸发除与上部气空间内的湿度相关外，其蒸发速率还受上部气体流速影响，较大的流速有利于提升蒸发速率。通过合理设置排气通道5的高度和流通面积，可以达到增强烟囱效应的作用。理论上，排气通道5的高度越大，即PCS水箱1水面与排气口6之间高度差越大，其烟囱效应越强，气体的流动速度越大。同时，较大的气体流速可以从进气口吸入更多的空气，有利于降低水箱内上部空间的空气湿度，提升蒸发速率。进气装置和排气装置的流通面积及排气口的高度，需根据PCS系统总功率水平、壳外水箱所需达到的冷却温度、壳外水箱面积等综合考虑，并基于自然循环伯努利方程(由气体密度差产生的浮生力与流动阻力的平衡)、水面蒸发扩散方程等计算得出，并考虑工程可实施性等因素。
本发明主要利用壳外水箱表面蒸发带热，蒸发量与水箱内水表面积密切相关。在总储水量一定时，较深的箱体和较小的水表面积不利于总的蒸发量。因此，壳外水箱结构设计应考虑箱体深度与面积的合理分配。
本发明主要利用壳外水箱表面蒸发带热，蒸发量与水箱内水表面有效蒸发面积密切相关。有效蒸发面积是指水表面上部气体空间内的湿度及流速能满足预期的蒸发条件，即指空气可以到达的水面，才能保证水面不处于饱和状态，是有效的蒸发面积。因此，进气装置与排气装置应合理设置，以有利于空气到达水箱内上部空间的各个位置。一种合理的方式，是在箱体上部按照一定的面积比例设置多个进气装置或者设置进气流量分配通道，并与排气装置处于箱体两端，如图2所示。排气通道5应设置在汽水分离器4的正上位置，已保证通过汽水分离器4排出的饱和蒸汽能够直接进入排气通道5，而不需要在水箱内上部流动。一般地，汽水分离器4内排出的饱和蒸汽在水箱表面流动或扩散的范围越广，导致相应区域水体表面气体的湿度越大，越不利于水体表面蒸发。
PCS进水管道2和排水管道3应有适当的距离以有利于从排水管道3流入壳外水箱内的高温水能充分流动到水箱表面各个区域而得到充分冷却。
如图3、图4、图5、图6所示提供了四种可用于不同场地的四种PCS水箱及进、排气结构形式。包括矩形、环形、扇形及梯形等多种PCS水箱，均能满足进气口7和排气通道5均匀布置的需求。所述PCS水箱数量可根据需求进行选择。
本发明的进气装置、排气装置结构仅用于表述本发明的核心技术，即设置适宜的进、排气通道及建立自然循环(烟囱效应)所需高度差等，并不代表与本发明相异的结构形式即脱离本发明所要保护的核心技术范围。比如采用现有技术成熟的各种进气、排气风帽等。
本发明在应用实施时，根据防止异物进入、严寒区域或季节避免水箱冰冻、减少正常储存时水箱表面蒸发导致的水量减少等因素而在进气装置和排气装置采取必要的措施和手段，比如增加防异物滤网、设置风门、进气装置设置倒U型结构、保温等。基于本发明进一步优化的PCS系统设计，可满足应对设计基准事故的冷却能力要求。
本发明提供的一种基于二次蒸发的增强型非能动安全壳热量排出系统，在不改变现有华龙一号非能动安全壳热量排出系统主体结构的基础上，对壳外水箱上部结构进行局部改造，壳外水箱两端设置进气装置和排气装置。
进气装置的进气口位于水箱上部较低位置，排气装置是从水箱上部向上伸出一定长度的排气通道，排气口的位置与水箱水面形成显著的高度差。空气从进气装置到达水箱内的水面与水箱顶部的气体空间，水池表面自然对流及蒸发从而带走热量，形成的高温高湿气体通过排气装置上部的排气口排出。通过壳外水箱表面的二次蒸发冷却，降低长期运行时壳外水箱温度，改善系统运行特性，能显著增强非能动安全壳热量排出系统性能。
进气装置和排气装置结构简单，能够长期持续运行，无需外部动力源，不改变原系统的非能动特性。通过本发明，可以将长期运行阶段非能动安全壳热量排出系统的壳外水箱水温由100℃(壳外水箱压力对应的饱和温度)进一步降低10至20℃，在同等安全壳内温度压力条件下，增加系统带热能力20-80％，提升长期运行阶段非能动安全壳热量排出系统的带热能力，显著降低长期阶段安全壳内平衡温度和压力。在采用增强型非能动安全壳热量排出系统后，可以通过该系统满足设计基准事故的安全壳排热需求。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种基于二次蒸发冷却的增强型非能动安全壳热量排出系统，其特征在于，包括：PCS水箱，所述PCS水箱箱体下部连接有PCS系统循环管道，所述PCS系统循环管道包括PCS系统下降管道和PCS系统上升管道；所述PCS水箱内设有汽水分离器，所述汽水分离器下端与所述PCS系统上升管道连通；所述PCS水箱在所述汽水分离器一侧的箱体上部设有排气通道，所述排气通道上方设有排气装置，另一侧的箱体上部设有进气装置；所述排气通道设置在所述汽水分离器的正上位置，保证通过所述汽水分离器排出的饱和蒸汽能够直接进入所述排气通道，而不需要在所述PCS水箱内上部流动；
当PCS运行时，水从所述PCS系统下降管道流出所述PCS水箱，进入安全壳内的PCS热交换器，被壳内空气加热后通过所述PCS系统上升管道流回所述PCS水箱；
当所述PCS水箱温度较低时，PCS回路为单相水循环，当所述PCS水箱温度升高到一定程度，在所述PCS系统上升管道内的水将超过大气压力所对应的饱和温度，随着在所述PCS系统上升管道内向上流体，压力降低，一部分水将闪蒸为蒸汽，并通过所述汽水分离器排出，水蒸汽溢出水面后，进入所述排气通道，并通过所述排气装置排入大气环境；由于水蒸汽密度低，蒸汽通过所述排气通道排放时，形成烟囱效应，并将空气从所述进气装置吸入所述PCS水箱，空气在所述PCS水箱水表面掠过，促进表面蒸发，带走蒸发产生的蒸汽，并通过所述排气通道和所述排气装置排出；
在所述PCS水箱箱体上部按照一定的面积比例设置多个进气口或者设置进气流量分配通道，同时与排气口处于所述PCS水箱箱体的两端。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过合理设置所述排气通道的高度和流通面积，达到增强烟囱效应的作用；所述排气通道的高度越高，即所述PCS水箱与所述排气装置的排气口之间的高度差越大，其烟囱效应越强，气体的流动速度越大，从而使所述进气口吸入更多的空气，用以降低所述PCS水箱内上部空间的空气湿度，提升蒸发速率。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述进气口和所述排气口的流通面积及所述排气口的高度，根据PCS系统总功率水平、所述PCS水箱所需达到的冷却温度、所述PCS水箱面积的综合考虑，并基于自然循环伯努利方程、水面蒸发扩散方程计算得出，并考虑工程可实施性的因素。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PCS系统下降管道和所述PCS系统上升管道之间设有适当的距离，以有利于从所述PCS系统上升管道流入所述PCS水箱内的高温水能充分流动到水箱表面各个区域而得到充分冷却。
5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述PCS水箱结构设计应考虑箱体深度与面积的合理分配。
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| CN114220573A (zh) | 2022-03-22 |
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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