一种长期非能动安全壳热量导出系统

1.一种长期非能动安全壳热量导出系统，其特征是：包括安全壳、内部换热器、冷却水箱、空冷冷凝-冷却器，安全壳包括内层混凝土安全壳和外层混凝土安全壳，外层混凝土安全壳位于内层混凝土安全壳外部，两者之间存在气体流通通道，冷却水箱安装在外层混凝土安全壳外壁上，内部换热器安装在内层混凝土安全壳内，空冷冷凝-冷却器位于冷却水箱内部，冷却水箱远离外层混凝土安全壳一侧的下部设置空气侧入口，冷却水箱与外层混凝土安全壳接触一侧的上部设置空气侧出口，空冷冷凝-冷却器的下封头连通空气侧入口，空冷冷凝-冷却器的上封头连通空气侧出口，空气侧出口连通气体流通通道，外层混凝土安全壳穹顶中部的上方设有空气出口，内部换热器的两端分别通过上升管路和下降管路连通冷却水箱；
空冷冷凝-冷却器为无壳换热器，在冷却水箱中倾斜布置，其传热管部分至于冷却水箱的水空间，其余部分至于冷却水箱的汽空间，下封头位于传热管部分的端部，上封头位于空冷冷凝-冷却器另一侧的端部。
2.根据权利要求1所述的一种长期非能动安全壳热量导出系统，其特征是：上升管路位于内层混凝土安全壳内的部分安装第一内部隔离阀，上升管路位于外层混凝土安全壳外的部分安装第一外部隔离阀，下降管路位于内层混凝土安全壳内的部分安装第二内部隔离阀，下降管路位于外层混凝土安全壳外的部分安装第二外部隔离阀。
3.根据权利要求1或2所述的一种长期非能动安全壳热量导出系统，其特征是：还包括水封装置，水封装置的上部连接管与冷却水箱的汽空间连通，水封装置的下部连接管与冷却水箱的水空间连通，位于水封装置和冷却水箱之间的上部连接管和下部连接管间有管道跨接。
4.根据权利要求1或2所述的一种长期非能动安全壳热量导出系统，其特征是：内部换热器采用外翅片管或整体针翅管，空冷冷凝-冷却器采用内翅片管或内肋管。
5.根据权利要求3所述的一种长期非能动安全壳热量导出系统，其特征是：内部换热器采用外翅片管或整体针翅管，空冷冷凝-冷却器采用内翅片管或内肋管。

一种长期非能动安全壳热量导出系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及的是一种核安全和热工水力技术领域的安全壳，具体地说是安全壳的热量导出系统。\n背景技术\n[0002] 安全壳是核电站发生事故时，防止放射性物质外泄的最后一道安全屏障。在发生LOCA、MSLB等严重事故时，安全壳热量导出系统必须保证安全壳内温度、压力不超过设计许用范围，从而保持安全壳的完整性。\n[0003] 目前，美国AP1000提出的压水堆核电站非能动安全壳热量导出系统主要是针对钢—混凝土安全壳设计的。该方案需要在安全壳上方设置重力注水箱，并以钢制安全壳作为事故隔离边界和热量导出界面，主要的冷却方式是液膜蒸发和空气自然对流。而对于双层混凝土安全壳来说，由于混凝土的导热系数很低，不能作为热量导出的界面，因此在安全壳内部设置换热器是一种可行的方案(C S Byun，D W Jerng，N E Todreas，et al.Conceptual design and analysis of a semi-passive containment cooling system for a large concrete containment.Nuclear Engineering and Design，2000，\n199：227-242；S J Cho，B S Kim，M G Kang，et al.The development of passive design features for the Korean Next Generation Reactor.Nuclear Engineering and Design，2000，201：259-271；S W Lee，W P Baek，S H Chang.Assessment of passive containment cooling concepts for advanced pressurized water \nreactors.Ann.Nucl.Energy，1997，24(6)：467-475)。依靠外部水箱与内部换热器间的高度差，以自然循环的方式导出热量，同时也将使水箱内的水大量蒸发。\n[0004] 可见，上述包括AP1000在内的安全壳热量导出系统的设计中都存在一个主要的问题，就是只能在一段时间内保证安全壳的温度和压力不超过设计基准，提供冷却的时间最长为72小时，超过这个时限则系统会因为水箱内的水被耗尽而失效。72小时后需依靠外部动力重新给水箱注水后才能使系统重新发挥作用，要想在无人为干预的前提下延长冷却时间，则只能靠进一步增加水箱的容积来实现，但水箱容积的增大又会使发生地震时带来的影响大幅增加。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的在于提供不需要提供外部动力，可以在事故工况下为安全壳提供长期的有效冷却的一种长期非能动安全壳热量导出系统。\n[0006] 本发明的目的是这样实现的：\n[0007] 本发明一种长期非能动安全壳热量导出系统，其特征是：包括安全壳、内部换热器、冷却水箱、空冷冷凝-冷却器，安全壳包括内层混凝土安全壳和外层混凝土安全壳，外层混凝土安全壳位于内层混凝土安全壳外部，两者之间存在气体流通通道，冷却水箱安装在外层混凝土安全壳外壁上，内部换热器安装在内层混凝土安全壳内，空冷冷凝-冷却器位于冷却水箱内部，冷却水箱远离外层混凝土安全壳一侧的下部设置空气侧入口，冷却水箱与外层混凝土安全壳接触一侧的上部设置空气侧出口，空冷冷凝-冷却器的下封头连通空气侧入口，空冷冷凝-冷却器的上封头连通空气侧出口，空气侧出口连通气体流通通道，外层混凝土安全壳穹顶中部的上方设有空气出口，内部换热器的两端分别通过上升管路和下降管路连通冷却水箱。\n[0008] 本发明还可以包括：\n[0009] 1、空冷冷凝-冷却器为无壳换热器，在冷却水箱中倾斜布置，其传热管部分至于冷却水箱的水空间，其余部分至于冷却水箱的汽空间，下封头位于传热管部分的端部，上封头位于空冷冷凝-冷却器另一侧的端部。\n[0010] 2、上升管路位于内层混凝土安全壳内的部分安装第一内部隔离阀，上升管路位于外层混凝土安全壳外的部分安装第一外部隔离阀，下降管路位于内层混凝土安全壳内的部分安装第二内部隔离阀，下降管路位于外层混凝土安全壳外的部分安装第二外部隔离阀。\n[0011] 3、还包括水封装置，水封装置的上部连接管与冷却水箱的汽空间连通，水封装置的下部连接管与冷却水箱的水空间连通，位于水封装置和冷却水箱之间的上部连接管和下部连接管间有管道跨接。\n[0012] 4、内部换热器采用外翅片管或整体针翅管，空冷冷凝-冷却器采用内翅片管或内肋管。\n[0013] 本发明的优势在于：在发生LOCA、MSLB等事故时，能够为安全壳提供长期冷却，保证安全壳内温度、压力不超过设计限值，从而保持安全壳的完整性。该装置可实现：(1)在事故工况下，内部换热器与水箱之间可以直接通过单相水和汽水混合物之间的密度差产生自然循环，不需要人为干预；(2)空冷冷凝-冷却器与外部大气之间可实现空气自然循环，及时排走水箱内的热量，大大延长热量导出系统的运行时间，当水箱内热量的增加值小于等于空冷冷凝-冷却器的换热功率时，则系统可实现对安全壳内的长期冷却。(3)空冷冷凝-冷却器可以同时对冷却水箱内的水和蒸汽进行冷却，显著减少冷却水的消耗，提高冷却水的利用率，大幅减小冷却水箱的水装量。(4)空冷冷凝-冷却器可以对冷却水箱内的水进行冷却，使水温下降，从而使下降管路和上升管路内的密度差增加，自然循环驱动力加大，内部换热器的冷却水流量增加，换热器换热功率提高，可以更有效的导出安全壳内的热量。(5)水封装置的设置可以避免冷却水箱受到外部环境的污染，也可以在水箱内压力较高时自动打开，避免冷却水箱超压破坏。\n附图说明\n[0014] 图1为本发明的结构示意图。\n具体实施方式\n[0015] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：\n[0016] 结合图1，本发明一种长期非能动安全壳热量导出系统，该系统主要包括内部换热器1、上升管路2、下降管路3、隔离阀4、5、冷却水箱6、空冷冷凝-冷却器7和水封装置8。其中，内部换热器1位于内层混凝土安全壳12内靠近侧壁的上部空间；冷却水箱6位于外层混凝土安全壳13的外侧，相对位置高于内部换热器，与内部换热器之间分别通过上升管路2和下降管路3相连，构成闭合回路；空冷冷凝-冷却器7为无壳换热器，位于冷却水箱6的内部，倾斜布置，传热管一部分置于水空间，另一部分置于汽空间，用于冷却水箱内的水和蒸汽，显著减少冷却水的消耗量，大幅延长热量导出系统的连续运行时间，实现对安全壳的长期冷却；\n冷凝-冷却器空气侧入口9开于水箱侧壁靠近底面位置，通过管道联通外部大气环境与空冷冷凝-冷却器7的下封头；冷凝-冷却器空气侧出口10开于水箱侧壁靠近上表面的位置，通过管道联通空冷冷凝-冷却器7的上封头和内层混凝土安全壳12与外层混凝土安全壳13构成的环形空间。\n[0017] 内部换热器1使用高效强化传热管，如外翅片管、整体针翅管等，来提高传热效率；\n外部空气冷凝-冷却器7使用高效强化传热管，如内翅片管、内肋管等，来提高传热效率，减小换热器体积。\n[0018] 在上升管路2和下降管路3上，均设有内部和外部隔离阀组4，5，防止非能动热量导出系统因管路破损带来的放射性物质外泄。\n[0019] 冷却水箱6的侧壁连接有水封装置8，在非运行工况时将冷却水箱6与外部环境隔离，避免水箱中的水受到污染，进而导致管道发生阻塞；在事故工况时，冷却水箱6由于工质被加热而压力上升，从而打破水封，使冷却水箱6经由水封装置8与外部大气联通。\n[0020] 水封装置8的上部连接管与冷却水箱6的气空间联通，下部连接管与冷却水箱6的水空间联通，上、下连接管间有管道跨接。\n[0021] 在外层混凝土安全壳13穹顶中部的上方设有空气出口11，起到引导双层安全壳间空气流动的作用，使空气由冷凝-冷却器入口9流经空冷冷凝-冷却器7和空冷冷凝-冷却器出口10后，由空气出口11流出，从而与外部大气环境构成空气自然循环，为空冷冷凝-冷却器7提供足够的空气流量。\n[0022] 该系统在安全壳内采用多组布置及冗余布置的方案，以提高系统的固有安全性。\n[0023] 本发明的工作原理如下：当反应堆主管道发生断裂或主蒸汽管道发生破裂时，会有大量蒸汽被释放进入安全壳，并与安全壳内的空气混合，使安全壳内的温度和压力升高。\n当安全壳内的压力达到某一阈值时，安全壳内的压力传感器会将高压信号发送至电站主控制室，启动安全壳热量导出系统。当安全壳热量导出系统启动后，冷却水箱内的水由下降管路3流入内部换热器1，并逐步被加热升温，下降管路和上升管路内的水依靠密度差产生自然循环，将安全壳内的热量导入冷却水箱，使冷却水箱6内的温度上升，空冷冷凝-冷却器随之启动运行，空气由冷凝-冷却器空气侧入口9进入空冷冷凝-冷却器7，充分换热后由冷凝-冷却器空气侧出口10流出，经内层混凝土安全壳12和外层混凝土安全壳13的环形空间，最终由空气出口11排入大气，实现空气自然循环，带走冷却水箱内的热量。\n[0024] 在事故发生的初期，由于排入安全壳内的蒸汽量较大，使得安全壳内温度上升很快，由内部换热器导入冷却水箱的热量可能高于空冷冷凝-冷却器7的换热功率，使得冷却水箱6内产生蒸汽，水箱内压力升高，当水箱压力高于水封装置8的开启压力时，水封装置自动打开，冷却水箱6直接对空排放，泄压后水封重新建立，隔离冷却水箱6和外部环境。\n[0025] 在事故中后期，排入安全壳内的蒸汽量逐渐趋于稳定或随着时间的增加而减少。\n此时，内部换热器导入冷却水箱的热量将小于等于空冷冷凝-冷却器7的换热能力，空冷冷凝-冷却器7对冷却水箱6内的剩余水和上部蒸汽进行有效的冷却和冷凝，避免冷却水的损耗，进而实现对安全壳内的长期冷却，大大提高了安全壳的安全性。