專利名稱：一種用于超臨界水堆余熱排出的自然循環(huán)換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于核電站安全技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于超臨界水反應(yīng)堆余熱排出的自然循環(huán)的換熱器。
背景技術(shù)：
超臨界水堆是六種第四代未來堆型中唯一的水冷反應(yīng)堆。它采用一次直流循環(huán)設(shè)計(jì)，選取超臨界水作為堆芯冷卻劑，不發(fā)生相變。反應(yīng)堆堆芯出口參數(shù)25MPa，500°C，熱效率可達(dá)到45%。單機(jī)熱功率可達(dá)到1700MW以上。對(duì)于采用一次直流循環(huán)設(shè)計(jì)的超臨界水堆而言，堆芯冷卻劑回路與汽輪機(jī)、給水加熱器等常規(guī)循環(huán)回路直接相連通，運(yùn)行中將存在更多的潛在風(fēng)險(xiǎn)，必須堅(jiān)持和確保安全第一的原則。確保超臨界水反應(yīng)堆安全的主要問題之一就是要在任何情況下保證核燃料釋 熱的疏導(dǎo)。在正常運(yùn)行工況下，超臨界水堆核裂變和裂變產(chǎn)物衰變產(chǎn)生的熱量由主冷卻劑通過一次直流循環(huán)直接帶走；而當(dāng)反應(yīng)堆停堆時(shí)，雖然以裂變?yōu)闄C(jī)制的核功率很快消失，但是由于裂變而產(chǎn)生的裂變碎片以及它們的衰變物在放射性衰變過程中釋放的熱量還存在，同樣需要及時(shí)導(dǎo)出。除了失水事故以外，所有基準(zhǔn)事故引起的緊急停堆工況下，均可以利用余熱排出系統(tǒng)導(dǎo)出堆芯余熱。非能動(dòng)技術(shù)正在逐漸引入商業(yè)運(yùn)行的核反應(yīng)堆余熱排出系統(tǒng)。以三代AP1000核電技術(shù)為例，利用非能動(dòng)自然循環(huán)實(shí)現(xiàn)余熱排出，不需要操作員的行動(dòng)來緩解事故，減少了事故發(fā)生后由于人為操作錯(cuò)誤而導(dǎo)致事件升級(jí)的可能性。非能動(dòng)自然循環(huán)利用自然力驅(qū)動(dòng)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，而不需要采用循環(huán)泵、柴油機(jī)等能動(dòng)設(shè)備，減少了因電源故障或者機(jī)械故障而引起的系統(tǒng)運(yùn)行失敗?，F(xiàn)階段，國際上尚未建成超臨界水堆示范電站。國內(nèi)外針對(duì)超臨界水堆的研究也尚處于概念設(shè)計(jì)階段，多集中于堆芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、中子物理特性分析和熱工特性分析等領(lǐng)域。而針對(duì)超臨界水堆余熱排出換熱系統(tǒng)包括余熱排出換熱器設(shè)計(jì)，還沒有進(jìn)行相關(guān)研究。超臨界水堆類似于日本福島核電站采用一次直流循環(huán)，一旦發(fā)生事故且放射性泄漏進(jìn)入冷卻劑循環(huán)回路，將被帶入汽輪機(jī)、給水加熱器等設(shè)備。此時(shí)，若利用原一次循環(huán)回路將堆芯熱量導(dǎo)出，將會(huì)使放射性物質(zhì)擴(kuò)散至核反應(yīng)堆安全殼外部，危及周圍環(huán)境的安全。此外，超臨界水堆冷卻劑流量大，進(jìn)出口溫升大?？梢?，有效地隔離放射性物質(zhì)、及時(shí)地導(dǎo)出堆芯余熱等關(guān)鍵安全問題，均為超臨界水堆余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出較大難題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為避免事故工況下超臨界水堆堆芯內(nèi)部放射性物質(zhì)泄漏、確保發(fā)生事故后堆芯余熱第一時(shí)間導(dǎo)出，從而提供了一種用于超臨界水反應(yīng)堆余熱排出的自然循環(huán)的換熱器。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為該換熱器的主體結(jié)構(gòu)由上至下由頂部端蓋、殼體和下封頭組成；[0008]在殼體的上部設(shè)置平行布置的上隔板和下隔板；上隔板與頂部端蓋之間構(gòu)成頂部腔室；上隔板、下隔板和殼體之間構(gòu)成上部腔室；在下隔板的下方設(shè)置多個(gè)均勻布置的與上部腔室連通的筒體，筒體的外壁與殼體、下隔板之間構(gòu)成冷流體水下降通道，筒體的下壁與下封頭之間構(gòu)成下部腔室；在每個(gè)筒體內(nèi)設(shè)置一個(gè)貫穿筒體與上部腔室、連通頂部腔室和下部腔室的內(nèi)筒體，筒體與內(nèi)筒體之間構(gòu)成熱流體超臨界水環(huán)形通道；在頂部端蓋上，設(shè)置與頂部腔室連通的冷流體水出口 ；在殼體上設(shè)置與上部腔室連通的熱流體超臨界水入口，在殼體的下隔板下方設(shè)置與冷流體水下降通道連通的冷流體水入口 ；在每個(gè)筒體上，設(shè)置一個(gè)連通外界與筒體內(nèi)部的熱流體超臨界水出口。所述筒體為圓柱體或方柱體，數(shù)量為4-12個(gè)；內(nèi)筒體的形狀與筒體相同。所述熱流體超臨界水入口通入超臨界水，在熱流體超臨界水環(huán)形通道內(nèi)流動(dòng)，由熱流體超臨界水出口流出，構(gòu)成一次側(cè)循環(huán)；冷流體水入口通入冷流水，在冷流體水下降通道、下部腔室、由內(nèi)筒體構(gòu)成的冷流體水上升通道以及頂部腔室內(nèi)流動(dòng)，由冷流體水出口流 出，構(gòu)成二次側(cè)循環(huán)。所述一次側(cè)循環(huán)和二次側(cè)循環(huán)均為自然循環(huán)，并于循環(huán)回路中引入氦氣以增強(qiáng)自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)。所述筒體和內(nèi)筒體之間的間隙為10_20mm。所述頂部端蓋與殼體之間、殼體與下封頭之間均采用法蘭連接。本實(shí)用新型的有益效果為該換熱器在雙側(cè)利用流體自身的密度差實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)傳熱的裝置。一次側(cè)循環(huán)和二次側(cè)循環(huán)均采用直管流動(dòng)，減小了阻力并增強(qiáng)了自然循環(huán)能力。且為了增強(qiáng)一次側(cè)循環(huán)與二次側(cè)循環(huán)之間的換熱效果，采用先順流后逆流的綜合換熱方式。換熱器布置于安全殼內(nèi)部，超臨界壓力一側(cè)發(fā)生泄漏時(shí)將放射性物質(zhì)限制在安全殼內(nèi)，安全可靠。

圖I是本實(shí)用新型所述換熱器的側(cè)視剖面圖。圖2是換熱器橫截面及內(nèi)外筒體均為圓形時(shí)的A-A截面俯視圖。圖3是換熱器橫截面及內(nèi)外筒體均為方形時(shí)的A-A截面俯視圖。圖中標(biāo)號(hào)I-頂部端蓋、2_上隔板、3_熱流體超臨界水入口、4_冷流體水入口、5_殼體、6_冷流體水上升通道、7-法蘭、8-下封頭、9-下部腔室、10-熱流體超臨界水出口、11-冷流體水下降通道、12-熱流體超臨界水環(huán)形通道、13-下隔板、14-上部腔室、15-冷流體水出口、16-頂部腔室、17-筒體、18-內(nèi)筒體。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供了一種用于超臨界水反應(yīng)堆余熱排出的自然循環(huán)的換熱器，下面通過附圖和具體實(shí)施對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。超臨界水堆的自然循環(huán)換熱器主要用于除破口事故以外的事故工況下超臨界水堆的余熱排出。事故發(fā)生之后，汽輪機(jī)入口前的主蒸汽閥門關(guān)閉，核電站將自動(dòng)切換至自然循環(huán)余熱排出系統(tǒng)運(yùn)行，此時(shí)余熱排出換熱器投入運(yùn)行。本實(shí)用新型所述的換熱器結(jié)構(gòu)如圖I所示，其主體結(jié)構(gòu)由上至下由頂部端蓋I、殼體5和下封頭8組成，三者之間由法蘭連接，如連接殼體5和下封頭8的法蘭7。在殼體5的上部設(shè)置平行布置的上隔板2和下隔板13 ;上隔板2與頂部端蓋I之間構(gòu)成頂部腔室16 ;上隔板2、下隔板13 和殼體5之間構(gòu)成上部腔室14 ;在下隔板2的下方設(shè)置多個(gè)均勻布置的與上部腔室14連通的筒體17，筒體17的外壁與殼體5、下隔板13之間構(gòu)成冷流體水下降通道11，筒體17的下壁與下封頭8之間構(gòu)成下部腔室9 ;在每個(gè)筒體17內(nèi)設(shè)置一個(gè)貫穿筒體17與上部腔室14、連通頂部腔室16和下部腔室9的內(nèi)筒體18，筒體17與內(nèi)筒體18之間構(gòu)成熱流體超臨界水環(huán)形通道12。筒體17為圓柱體或方柱體，數(shù)量為4個(gè)，內(nèi)筒體18的形狀與筒體相同；筒體17和內(nèi)筒體18之間的間隙為10-20_，本實(shí)施例中取15mm。在頂部端蓋I上，設(shè)置與頂部腔室16連通的冷流體水出口 15 ;在殼體5上設(shè)置與上部腔室14連通的熱流體超臨界水入口 3，在殼體5的下隔板13下方設(shè)置與冷流體水下降通道11連通的冷流體水入口 4 ;在每個(gè)筒體17上，設(shè)置一個(gè)連通外界與筒體17內(nèi)部的熱流體超臨界水出口 10。換熱器內(nèi)的流動(dòng)方式為，從堆芯出來的超臨界水從熱流體超臨界水入口 3進(jìn)入，并充滿上部腔室14，然后進(jìn)入熱流體超臨界水環(huán)形通道12，采用下降流方式與冷流體實(shí)現(xiàn)換熱后，經(jīng)熱流體超臨界水出口 10流出，構(gòu)成一次側(cè)循環(huán)。冷卻水經(jīng)冷流體水入口 4進(jìn)入冷流體水下降通道11，與熱流體超臨界水環(huán)形通道12的外側(cè)接觸換熱；然后匯集在下部腔室9中的冷流體水進(jìn)入冷流體水上升通道6，與熱流體超臨界水環(huán)形通道12的內(nèi)側(cè)接觸換熱。最后進(jìn)入頂部腔室16經(jīng)冷流體水出口 15流出，構(gòu)成二次側(cè)循環(huán)。一次側(cè)循環(huán)和二次側(cè)循環(huán)均為自然循環(huán)，并于循環(huán)回路中引入氦氣以增強(qiáng)自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)。一次側(cè)超臨界水進(jìn)入換熱器時(shí)溫度約350°C飛00°C，流出換熱器時(shí)溫度約1500C 300°C，壓力20MPa 25MPa，流量1000kg/s 1500kg/s ;二次側(cè)水進(jìn)入換熱器時(shí)溫度約500C 80°C，流出換熱器時(shí)溫度約100°C 250°C，壓力IMPa 5MPa，流量1000kg/s 2000kg/s。此外，在所設(shè)計(jì)的余熱排出換熱器二次側(cè)還設(shè)置有備用強(qiáng)迫循環(huán)旁路，包括循環(huán)泵和閥門。當(dāng)換熱器熱流體出口的超臨界水溫未達(dá)到要求時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)作用啟動(dòng)強(qiáng)迫循環(huán)回路，投入循環(huán)泵推動(dòng)二次側(cè)換熱。
權(quán)利要求1.一種用于超臨界水堆余熱排出的自然循環(huán)換熱器，其特征在于其主體結(jié)構(gòu)由上至下由頂部端蓋(I)、殼體(5)和下封頭(8)組成； 在殼體(5)的上部設(shè)置平行布置的上隔板(2)和下隔板(13);上隔板(2)與頂部端蓋(I)之間構(gòu)成頂部腔室(16);上隔板(2)、下隔板(13)和殼體(5)之間構(gòu)成上部腔室(14)；在下隔板(2)的下方設(shè)置多個(gè)均勻布置的與上部腔室(14)連通的筒體(17)，筒體(17)的外壁與殼體(5)、下隔板(13)之間構(gòu)成冷流體水下降通道(11)，筒體(17)的下壁與下封頭(8)之間構(gòu)成下部腔室(9);在每個(gè)筒體(17)內(nèi)設(shè)置一個(gè)貫穿筒體(17)與上部腔室(14)、連通頂部腔室(16)和下部腔室(9)的內(nèi)筒體(18)，筒體(17)與內(nèi)筒體(18)之間構(gòu)成熱流體超臨界水環(huán)形通道(12)； 在頂部端蓋(I)上，設(shè)置與頂部腔室(16)連通的冷流體水出口(15);在殼體(5)上設(shè)置與上部腔室(14)連通的熱流體超臨界水入口(3)，在殼體(5)的下隔板(13)下方設(shè)置與冷流體水下降通道(11)連通的冷流體水入口(4);在每個(gè)筒體(17)上，設(shè)置一個(gè)連通外界與筒體(17)內(nèi)部的熱流體超臨界水出口(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于超臨界水堆余熱排出的自然循環(huán)換熱器，其特征在于所述筒體(17)為圓柱體或方柱體，數(shù)量為4-12個(gè)；內(nèi)筒體(18)的形狀與筒體(17)相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于超臨界水堆余熱排出的自然循環(huán)換熱器，其特征在于所述筒體(17)和內(nèi)筒體(18)之間的間隙為10-20mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于超臨界水堆余熱排出的自然循環(huán)換熱器，其特征在于所述頂部端蓋(I)與殼體(5)之間、殼體(5)與下封頭(8)之間均采用法蘭連接。
專利摘要本實(shí)用新型屬于核電站安全技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于超臨界水反應(yīng)堆余熱排出的自然循環(huán)的換熱器。該換熱器的主體結(jié)構(gòu)由上至下由頂部端蓋、殼體和下封頭組成；在殼體的上部設(shè)置平行布置的上隔板和下隔板；在下隔板的下方設(shè)置多個(gè)均勻布置的與上部腔室連通的筒體，筒體與內(nèi)筒體之間構(gòu)成熱流體超臨界水環(huán)形通道；超臨界水在熱流體超臨界水環(huán)形通道內(nèi)流動(dòng)，構(gòu)成一次側(cè)循環(huán)，熱流體超臨界水環(huán)形通道為窄隙環(huán)管；冷流體水在冷流體水下降通道、下部腔室、冷流體水上升通道以及頂部腔室內(nèi)流動(dòng)，構(gòu)成二次側(cè)循環(huán)。在超臨界水堆正常停堆或事故緊急停堆情況下，采用超臨界窄縫自然循環(huán)換熱器進(jìn)行余熱排出，不需要任何外力，能夠有效地減少因?yàn)槟軇?dòng)部件故障、人為操作失誤而導(dǎo)致的系統(tǒng)失效概率，提高反應(yīng)堆的運(yùn)行安全性。
文檔編號(hào)F28D7/00GK202770265SQ20122041940
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月22日
發(fā)明者周濤, 陳娟, 侯周森, 劉夢(mèng)影, 程萬旭 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)