大容量完全非能动安全壳冷却系统

1.一种大容量完全非能动安全壳冷却系统，其特征在于：该系统包括多个位于安全壳上方用以储存不同冷却剂的储藏箱（1、2、3），储藏箱（1、2、3）分别通过各自的冷却剂供给管线（4）与广义非能动控制单元GPCC（5）连接，广义非能动控制单元GPCC（5）通过冷却剂喷淋管线（6）与位于安全壳外壁（11）上方的冷却剂喷淋装置（9）连接；安全壳内设有用于监控系统参数的热工参数传感器（7），热工参数传感器（7）通过热工参数反馈通路（8）与广义非能动控制单元GPCC（5）连接；所述的广义非能动控制单元GPCC（5）包括多个与冷却剂喷淋管线（6）连接的H型水力驱动控制阀（17），每个H型水力驱动控制阀（17）的前端与一条冷却剂供给管线连接；H型水力驱动控制阀（17）通过内部指令下达及参数反馈通路（18）与系统智能模块（19）连接，系统智能模块（19）连接热工参数反馈通路（8）；系统智能模块（19）采用预存有控制程序的可编程控制器，实现热工参数的监测及控制命令的实时下达。
2.如权利要求1所述的大容量完全非能动安全壳冷却系统，其特征在于：在冷却剂喷淋装置（9）的下方设有用以达到冷却剂覆盖均匀化的冷却剂分流堰（10）。
3.如权利要求2所述的大容量完全非能动安全壳冷却系统，其特征在于：在安全壳外侧设有混凝土外墙（12），在混凝土外墙（12）与安全壳外壁（11）之间设有导流板（13），导流板（13）与混凝土外墙（12）之间设有空气进口（14），导流板（13）与安全壳外壁（11）之间设有空气出口（15）；空气进口（14）、导流板（13）、混凝土外墙（12）、空气出口（15）共同构成折返的空气通道以产生明显的烟囱效应。
4.如权利要求3所述的大容量完全非能动安全壳冷却系统，其特征在于：在混凝土外墙（12）的下方设有冷却剂出口（16）。

大容量完全非能动安全壳冷却系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于一种反应堆安全壳冷却系统，具体为一种大容量、冷却功率可控、启动及运行不需要外界动力供应、具有完全非能动特性的安全壳冷却系统。\n背景技术\n[0002] 密闭的安全壳是核电厂发生事故时，防止放射性物质外泄的重要屏障。安全壳冷却系统用以保证安全壳内环境的温度及压力不超出设计许可范围，从而维持安全壳的密封性。AP1000是美国西屋公司研发的，具有代表性的第三代核电系统，其事故最终热阱由大气充当，因此AP1000的安全壳即要作为事故情况下的隔离边界，又要作为热量导出的界面，其换热的有效性直接关系到电厂的安全。AP1000提供的非能动安全壳冷却系统(Passive Containment CoolingSystem，简称：PCS)由一台与安全壳屏蔽厂房结构合为一体的水箱、从水箱经由水量分配装置将水输送至安全壳壳体的管道、以及相关的仪表、管道及阀门构成。另外还包括一台辅助水箱、再循环泵以及用来对贮存水加热和添加化学物的再循环管等附属设备。理论分析及功能试验证实，PCS系统可在所有设计基准事故及一些严重事故的情况下，有效控制安全壳内的温度及压力，确保安全壳的低泄漏率。\n[0003] AP1000的PCS系对安全壳外表面的喷淋冷却(或安全壳内热量的导出)，具有典型的非能动特性，其功能的实现无需动力维持，过程具有高可靠性。但这个喷淋过程的启动却并不是非能动的，受多种条件制约，电动/气动截止阀需要外部电源/动力源供电/供气，其控制指令由PMS下达。这意味着，一个高可靠性的非能动冷却过程，可能因为启动失败无法开始。\n[0004] 核电系统由AP600升级至AP1000，对原有PCS系统的改进及扩容十分有限，其原始设计余量因功率的提升所剩无几，如果将单堆功率进一步提升40％甚至更高，原始PCS系统势必无法满足维持72小时的工作要求，甚至无法在反应堆事故初期将安全壳内的温度及压力控制在安全的范围内。PCS系统较为简单的扩容方式是增加安全壳高度从而增加安全壳热容量及换热面积；增加喷淋流量；增加水箱容量。这些方法虽然有效，但会带来设备制造及厂房建造的负担。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种具有完全非能动特性的大容量安全壳冷却系统，从而解决由能动动作控制非能动过程启动的矛盾问题，并且探索一种新的PCS扩容方案，扩大外壁喷淋式安全壳冷却系统的容量。\n[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种大容量完全非能动安全壳冷却系统，包括多个位于安全壳上方用以储存不同冷却剂的储藏箱，储藏箱分别通过各自的冷却剂供给管线与广义非能动控制单元GPCC连接，广义非能动控制单元GPCC通过冷却剂喷淋管线与位于安全壳外壁上方的冷却剂喷淋装置连接；安全壳内设有用于监控系统参数的热工参数传感器，热工参数传感器通过热工参数反馈通路与广义非能动控制单元GPCC连接。\n[0007] 进一步，如上所述的大容量完全非能动安全壳冷却系统，其中，所述的广义非能动控制单元GPCC包括多个与冷却剂喷淋管线连接的H型水力驱动控制阀，每个H型水力驱动控制阀的前端与一条冷却剂供给管线连接；H型水力驱动控制阀通过内部指令下达及参数反馈通路与系统智能模块连接，系统智能模块连接热工参数反馈通路；系统智能模块采用预存有控制程序的可编程控制器，实现热工参数的监测及控制命令的实时下达。\n[0008] 进一步，如上所述的大容量完全非能动安全壳冷却系统，其中，在冷却剂喷淋装置的下方设有用以达到冷却剂覆盖均匀化的冷却剂分流堰。\n[0009] 进一步，如上所述的大容量完全非能动安全壳冷却系统，其中，在安全壳外侧设有混凝土外墙，在混凝土外墙与安全壳外壁之间设有导流板，导流板与混凝土外墙之间设有空气进口，导流板与安全壳外壁之间设有空气出口，空气进口、导流板、混凝土外墙、空气出口共同构成折返的空气通道以产生明显的烟囱效应；在混凝土外墙的下方设有冷却剂出口。\n[0010] 本发明的优点在于：1.因为使用了低沸点冷却剂，喷淋冷却过程中，安全壳表面的换热模式更趋向于饱和液膜换热，这可以显著提高单位体积冷却剂的换热效率，增大系统容量及瞬时换热功率；2.通过使用广义非能动控制单元，系统可根据安全壳相关热工参数，实时对冷却剂流量进行控制，从而最大程度地提高冷却剂使用效率，达到最佳的冷却效果。3.广义非能动控制单元为系统提供了完全的非能动特性，可使系统不依赖于外界动力及控制输入，独立完成安全壳冷却功能，这使得系统可靠性大幅度提升。\n附图说明\n[0011] 图1为大容量完全非能动安全壳冷却系统的结构示意图；\n[0012] 图2为广义非能动控制单元结构示意图。\n[0013] 1.A类冷却剂储藏箱 2.B类冷却剂储藏箱\n[0014] 3.C类冷却剂储藏箱 4.冷却剂供给管线\n[0015] 5.广义非能动控制单元 6.冷却剂喷淋管线\n[0016] 7.热工参数传感器 8.热工参数反馈通路\n[0017] 9.冷却剂喷淋装置 10.冷却剂分流堰\n[0018] 11.安全壳外壁 12.混凝土外墙\n[0019] 13.导流板 14.空气进口\n[0020] 15.空气出口 16.冷却剂出口\n[0021] 17.H型水力驱动控制阀 18.内部指令下达及参数反馈路径[0022] 19.系统智能模块\n具体实施方式\n[0023] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。\n[0024] 如图1所示，本发明所提供的大容量完全非能动安全壳冷却系统包括多个位于安全壳上方用以储存不同冷却剂的储藏箱，即A类冷却剂储藏箱1、B类冷却剂储藏箱2、C类冷却剂储藏箱3，系统可用多种冷却剂，根据具体工况，对安全壳进行单一冷却剂喷淋或多种冷却剂联合喷淋。储藏箱1、2、3分别通过各自的冷却剂供给管线4与广义非能动控制单元GPCC5连接，广义非能动控制单元GPCC5通过冷却剂喷淋管线6与位于安全壳外壁11上方的冷却剂喷淋装置9连接，在冷却剂喷淋装置9的下方设有用以达到冷却剂覆盖均匀化的冷却剂分流堰10，在指定流量的情况下，通过冷却剂喷淋装置9及冷却剂分流堰10的分配，冷却剂可有效覆盖安全壳尽可能多的表面，从而使安全壳表面的液膜换热达到最佳效果。安全壳内设有用于监控系统参数的热工参数传感器7，热工参数传感器7通过热工参数反馈通路8与广义非能动控制单元GPCC5连接，并且热工参数传感器7还与核电站总监控室连接。在安全壳外侧设有混凝土外墙12，在混凝土外墙12与安全壳外壁11之间设有导流板13，导流板13与混凝土外墙12之间设有空气进口14，导流板13与安全壳外壁11之间设有空气出口15；空气进口14、导流板13、混凝土外墙12、空气出口15共同构成折返的空气通道，在安全壳喷淋冷却过程中，折返的空气通道内可产生明显的烟囱效应，安全壳表面的空气流动可促进液膜的换热效果。在混凝土外墙12的下方设有冷却剂出口16。\n[0025] 广义非能动控制单元GPCC的结构如图2所示，包括多个与冷却剂喷淋管线6连接的H型水力驱动控制阀17，每个H型水力驱动控制阀17的前端与一条冷却剂供给管线连接；H型水力驱动控制阀17通过内部指令下达及参数反馈通路18与系统智能模块19连接，系统智能模块19连接热工参数反馈通路8，系统智能模块19采用预存有控制程序的可编程控制器，实现热工参数的监测及控制命令的实时下达。热工参数传感器7通过热工参数反馈通路8可将系统所需的各种参数提供给广义非能动控制单元GPCC的系统智能模块\n19，利用广义非能动控制单元GPCC，系统可不依赖于任何外部动力及控制输入(即完全非能动特性)，实现喷淋启动，以及在喷淋过程中对各种冷却剂喷淋流量实现实时及准确的控制，根据具体工况，选用最佳的冷却方案。\n[0026] 本发明的工作原理如下：当安全壳内的反应堆系统发生严重质能释放事故时，为使放射性物质禁锢于安全壳内，所有安全壳贯穿路径会被有效关闭，此时，安全壳内环境将吸收所有的事故质能释放及事故停堆后的反应堆余热，于是安全壳内的温度及压力将不断上升。当安全壳内的压力达到某一阈值时，安全壳内的传感器会将安全壳高压信号发送至广义非能动控制单元及电站总监控室，启动安全壳喷淋冷却。这个启动过程无需外界动力及控制输入(可以通过总监控室下达命令启动)，具有完全的非能动特性。广义非能动系统在启动喷淋过程后，会根据安全壳相关参数的实时反馈，确定适合的喷淋冷却方案(包括冷却剂种类的选择及冷却剂流量的动态控制)。冷却剂经过喷淋管线和喷淋装置喷淋至冷却剂分流堰，各向平均后对安全壳表面进行喷淋。冷却剂与安全壳表面接触会形成液膜，其中一部分液体会通过汽化过程带走大量的热，另一部分则吸收热量升温后向下流动，最终从系统冷却剂出口流出，并被回收。冷却过程中因为空气出口处温度较高，冷却剂蒸发较为剧烈，会在折返空气通路中形成烟囱效应，从而使安全壳表面空气流速增加，促进热量的交换。