本發(fā)明涉及的是一種核安全裝置，具體地說(shuō)是安全殼冷卻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著核能技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，核能應(yīng)用在人類生存和發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。為了充分利用這一清潔高效能源以緩解環(huán)境壓力，我國(guó)目前正在積極發(fā)展陸地核電站，浮動(dòng)核電站，核動(dòng)力破冰船等技術(shù)。

在核能技術(shù)更新過(guò)程中，核安全始終位于首要地位。通常，核能系統(tǒng)具有三道安全屏障：核燃料芯塊與包殼、一回路承壓邊界以及核電廠安全殼。安全殼作為與外界隔絕的最后一道安全屏障，其在福島核事故后越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。在傳統(tǒng)核電站設(shè)計(jì)中，事故條件下需要能動(dòng)系統(tǒng)來(lái)導(dǎo)出安全殼內(nèi)余熱，這增加了事故緩解過(guò)程對(duì)電力、柴油等能源的依賴性。

為了解決上述問(wèn)題，人們?cè)诘谌穗娂夹g(shù)中大力發(fā)展了非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)。其中一種典型結(jié)構(gòu)由安全殼內(nèi)置換熱器，安全殼外置換熱水箱以及連接換熱器與水箱的冷熱管線組成。系統(tǒng)發(fā)生破口事故時(shí)，大量高溫蒸汽噴放進(jìn)入安全殼氣空間并在安全殼內(nèi)置換熱器外表面凝結(jié)放熱。非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的熱管段被加熱后，在冷熱管段的重位差驅(qū)動(dòng)下系統(tǒng)形成自然循環(huán)以持續(xù)導(dǎo)出安全殼內(nèi)熱量，確保溫度壓力處于安全限值以內(nèi)。

但是，上述系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中水箱水會(huì)被持續(xù)加熱蒸發(fā)，水箱存水只能維持系統(tǒng)運(yùn)行72小時(shí)，并且相關(guān)研究表明非能動(dòng)安全殼換熱器的管外換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于管內(nèi)換熱系數(shù)，蒸汽凝結(jié)效率低阻礙了安全殼內(nèi)熱量的導(dǎo)出(Jeon,B.G.,NO,H.C.,2014.Thermal-hydraulic evaluation of passive containment cooling system of improved APR+ during LOCAs.Nuclear Engineering and Design 278,190-198)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供使非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期高效的運(yùn)行，進(jìn)而確保核電站最后一道屏障長(zhǎng)期完整性的一種采用噴射技術(shù)的長(zhǎng)期高效非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明一種采用噴射技術(shù)的長(zhǎng)期高效非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)，其特征是：包括安全殼、設(shè)置于安全殼內(nèi)部的安全殼內(nèi)之換熱器、設(shè)置于安全殼外部的安全殼外置換熱水箱、上管段、下管段，下管段一端連通安全殼外置換熱水箱底部的第一排熱系統(tǒng)入口，另一端伸入安全殼里并連通安全殼內(nèi)置換熱器入口，上管段一端連通安全殼外置換熱水箱底部的第一排熱系統(tǒng)出口，另一端伸入安全殼里并連通安全殼內(nèi)置換熱器出口；

安全殼外置換熱水箱的氣空間里設(shè)置氣空間空冷器，所述氣空間空冷器包括設(shè)置于安全殼外置換熱水箱的氣空間里的管束換熱器，安全殼外置換熱水箱的側(cè)壁分別設(shè)置隔水室、蒸汽-空氣噴射裝置，隔水室里安裝入口管線，入口管線連接下降段，下降段連接位于安全殼外置換熱水箱的水空間里的上升段，入口管線與蒸汽-空氣噴射裝置分別連通外界空氣，管束換熱器的入口連通上升段，管束換熱器的出口連通蒸汽-空氣噴射裝置。

本發(fā)明還可以包括：

1、安全殼外置換熱水箱的水空間里設(shè)置水空間空冷器，水空間空冷器包括折流板、水空間換熱器，單個(gè)折流板為開(kāi)口的環(huán)形結(jié)構(gòu)，折流板與折流板之間采用嵌套的方式設(shè)置，相鄰兩個(gè)折流板的開(kāi)口位置相反，形成環(huán)形流動(dòng)通道，水空間換熱器設(shè)置在相鄰的兩個(gè)折流板之間，第一排熱系統(tǒng)入口位于水空間空冷器的中心位置，第一排熱系統(tǒng)出口位于水空間空冷器外側(cè)。

2、所述蒸汽-空氣噴射裝置包括依次相連的漸擴(kuò)管、噴射裝置入口封頭、漸縮段、喉部、漸擴(kuò)段，漸擴(kuò)管連通管束換熱器，噴射裝置入口封頭里設(shè)置漸縮管，漸縮管一端伸入至漸縮段，另一端伸出至噴射裝置入口封頭外部的安全殼外置換熱水箱的氣空間里。

3、所述蒸汽-空氣噴射裝置包括依次相連的漸縮段、喉部、漸擴(kuò)段，管束換熱器的出口伸入至漸縮段里，漸縮段與安全殼外置換熱水箱的氣空間相通。

4、所述安全殼內(nèi)之換熱器包括入口聯(lián)箱、小盤管光管、出口聯(lián)箱，小盤管光管分別連通入口聯(lián)箱和出口聯(lián)箱，入口聯(lián)箱上設(shè)置安全殼內(nèi)置換熱器入口，出口聯(lián)箱上設(shè)置安全殼內(nèi)置換熱器出口。

5、安全殼內(nèi)置換熱器側(cè)面設(shè)置引流板，引流板與安全殼內(nèi)壁形成上寬下窄的漏斗形氣體流動(dòng)通道；折流板開(kāi)口的截面從底部至頂部依次增大。

本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：

1)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)分為兩級(jí)排熱系統(tǒng)，第一級(jí)排熱系統(tǒng)利用自然循環(huán)將安全殼內(nèi)的熱量排入安全殼外置換熱水箱，第二級(jí)排熱系統(tǒng)利用蒸汽-空氣噴射裝置將換熱水箱中的熱量排入外界環(huán)境。

2)在安全殼外置水箱中引入蒸汽-空氣噴射裝置和空冷器，通過(guò)蒸汽在噴管內(nèi)加速流動(dòng)產(chǎn)生的引射作用為空氣冷卻器內(nèi)氣體循環(huán)提供附加驅(qū)動(dòng)力，這樣可以增強(qiáng)空冷器冷卻效率，減少水箱水蒸發(fā)。

3)在水箱水空間空冷器周圍設(shè)置有環(huán)形折流板，通過(guò)水箱水的多次折流以增強(qiáng)空冷器換熱效果，降低第一級(jí)排熱系統(tǒng)入口水溫進(jìn)而增強(qiáng)第一級(jí)排熱系統(tǒng)換熱能力。

4)在非能動(dòng)安全殼換熱器中引入小盤管光管，通過(guò)二次流提高管內(nèi)對(duì)流換熱，通過(guò)減少不凝性氣體在管外壁面聚集增強(qiáng)管外冷凝換熱。

5)在換熱器側(cè)面設(shè)置引流板，這樣可以促進(jìn)大空間氣體循環(huán)，通過(guò)增加換熱器附近氣體流速來(lái)強(qiáng)化冷凝換熱。

6)冷卻劑回路或主蒸汽管線發(fā)生破口事故時(shí)，系統(tǒng)可以長(zhǎng)期高效的帶走安全殼內(nèi)的熱量，保證安全殼內(nèi)溫度、壓力處于安全限值以內(nèi)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是引流板示意圖；

圖3a是小盤管光管換熱器正視圖，圖3b是小盤管光管換熱器側(cè)視圖；

圖4是氣空間盤管空冷器示意圖(側(cè)視圖)；

圖5是氣空間盤管空冷器示意圖(俯視圖)；

圖6是氣空間傾斜光管管束空冷器示意圖(側(cè)視圖)；

圖7是氣空間傾斜光管管束空冷器示意圖(俯視圖)；

圖8是水空間盤管空冷器示意圖(側(cè)視圖)；

圖9是水空間盤管空冷器示意圖(俯視圖)；

圖10是水空間環(huán)形管束空冷器示意圖(側(cè)視圖)；

圖11是水空間環(huán)形管束空冷器示意圖(俯視圖)；

圖12是折流板開(kāi)口形式示意圖；

圖13是第一種蒸汽-空氣噴射裝置的示意圖；

圖14是第二種蒸汽-空氣噴射裝置的示意圖；

圖15是第二級(jí)排熱系統(tǒng)進(jìn)出口結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：

結(jié)合圖1-15，本發(fā)明提供一種長(zhǎng)期高效的非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括安全殼內(nèi)置換熱器1、引流板2、上管段3、下管段4、安全殼外置換熱水箱5、空氣冷卻器6、水箱折流板7、蒸汽-空氣噴射裝置8以及相關(guān)的管道閥門。其中，安全殼內(nèi)置換熱器1與上下管段3、4構(gòu)成第一級(jí)排熱系統(tǒng)，它利用自然循環(huán)將安全殼內(nèi)的熱量排入安全殼外置水箱中；外置水箱5中的空冷器6、蒸汽-空氣噴射裝置8及其相應(yīng)的管、閥門組成冷卻系統(tǒng)的第二級(jí)排熱系統(tǒng)，將外置換熱水箱中的熱量排入環(huán)境(最終熱阱)。

本發(fā)明的工作原理如下：當(dāng)反應(yīng)堆一回路或主蒸汽管線發(fā)生破口事故時(shí)，大量高溫高壓蒸汽噴放進(jìn)入安全殼氣空間9，導(dǎo)致安全殼內(nèi)部溫度壓力不斷升高。在噴放的初始階段，安全殼內(nèi)的溫度和壓力主要通過(guò)堆坑10和安全殼壁面11混凝土結(jié)構(gòu)的蓄熱來(lái)緩解；在噴放后期，安全殼內(nèi)余熱主要通過(guò)安全殼內(nèi)置換熱器1導(dǎo)出。

事故發(fā)展過(guò)程中，從破口噴放的高溫氣體密度較低，其在初始動(dòng)能和浮力作用下沿安全殼氣空間主流向上流動(dòng)。在換熱器附近冷凝后的氣體因密度增大，沿安全殼壁面向下流動(dòng)，這樣氣體在安全殼大空間形成循環(huán)。為穩(wěn)定上述循環(huán)，并加速氣體在換熱區(qū)附近的流速，在換熱器側(cè)壁面附近安裝引流板2(如圖2)。氣體通過(guò)加速?zèng)_刷換熱器外壁面來(lái)增強(qiáng)管外冷凝換熱。換熱器1及上升管段3被加熱后，其內(nèi)部水密度減小，在換熱器冷熱管段3、4密度差形成的驅(qū)動(dòng)壓力下，第一級(jí)排熱系統(tǒng)形成自然循環(huán)，持續(xù)帶走安全殼內(nèi)部熱量。

針對(duì)第一級(jí)排熱系統(tǒng)，水箱水12通過(guò)第一排熱系統(tǒng)入口13及下降管段4進(jìn)入安全殼內(nèi)置換熱器1導(dǎo)出安全殼內(nèi)余熱，被加熱后的冷卻劑沿上升管段3及第一級(jí)排熱系統(tǒng)出口14進(jìn)入安全殼外置換熱水箱5。為增加第一級(jí)排熱系統(tǒng)換熱能力，安全殼內(nèi)置換熱器1采用強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)。其具體包括：水平布置的入口聯(lián)箱15、豎直/傾斜布置的小盤管光管16(如圖3)及水平布置的出口聯(lián)箱17。小盤管既可以通過(guò)在管內(nèi)形成二次流增加管內(nèi)傳熱能力又可以緩解管外不凝性氣體沿豎直管壁的聚集以增強(qiáng)管外冷凝換熱。在第一級(jí)排熱系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，水箱水12逐漸被加熱至飽和并產(chǎn)生大量蒸汽。此階段，第二級(jí)排熱系統(tǒng)逐漸發(fā)揮作用。

針對(duì)第二級(jí)排熱系統(tǒng)，其空氣冷卻器分別布置于水箱氣空間18和水空間19。

氣空間空冷器20采用多組盤管/傾斜光管管束換熱器21、22分散布置于水箱氣空間以冷凝氣空間蒸汽(如圖4-7)。其在工作過(guò)程中，外界空氣23通過(guò)傾斜布置的入口管線24及下降段25、上升段26進(jìn)入氣空間空冷器20帶走水箱蒸汽冷凝釋熱，空冷器出口接蒸汽-空氣噴射裝置8。

水空間空冷器27采用若干組(如三組)不等直徑盤管28/環(huán)形光管管束29換熱器。這些水空間換熱器嵌套在一起形成多個(gè)環(huán)形換熱面對(duì)第一級(jí)排熱系統(tǒng)入口水進(jìn)行冷卻(如圖8-11)，其工作過(guò)程與氣空間空冷器20相同。為最大化利用空冷器換熱能力，在水空間安裝有折流板30。這些折流板采用環(huán)形結(jié)構(gòu)并位于水空間空冷器環(huán)形傳熱管兩側(cè)。它們單側(cè)開(kāi)口且相鄰兩個(gè)折流板開(kāi)口位置相反，將第一級(jí)排熱系統(tǒng)入口區(qū)分隔為多個(gè)環(huán)形流動(dòng)通道31。水箱水在進(jìn)入第一級(jí)排熱系統(tǒng)入口前經(jīng)過(guò)多次折返實(shí)現(xiàn)了對(duì)空冷器換熱管的充分橫向沖刷。環(huán)形通道開(kāi)口截面32從底部至頂部依次增大(如圖12)以實(shí)現(xiàn)上方有較多的水進(jìn)入環(huán)形通道，流道中水在向下流動(dòng)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱管的縱向沖刷，折流板高度略低于水箱水位且最外側(cè)折流板開(kāi)口位置遠(yuǎn)離第一級(jí)排熱系統(tǒng)的出口。

為保證低功率時(shí)空冷器具有一定的非能動(dòng)自然循環(huán)能力，在空冷器入口管線下降段25周圍設(shè)置有隔水室33對(duì)其進(jìn)行保溫以保證冷熱管段具有足夠溫差。此外，在下降段末端設(shè)置有疏水管線34及隔離閥35，必要時(shí)可以進(jìn)行疏水。

當(dāng)?shù)谝患?jí)排熱系統(tǒng)產(chǎn)生大量蒸汽時(shí)，蒸汽-空氣噴射裝置的作用逐漸增強(qiáng)。本發(fā)明所用蒸汽-空氣噴射裝置為漸縮漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)，它具體包括漸縮段36、喉部37和漸擴(kuò)段38。根據(jù)結(jié)構(gòu)分布的不同，它可分為兩類。一種結(jié)構(gòu)為第一級(jí)排熱系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽39通過(guò)漸縮管40沿軸線方向通入噴射裝置漸縮段36引射第二級(jí)排熱系統(tǒng)中的空氣，空氣冷卻器出口41通過(guò)漸擴(kuò)管42與噴射裝置入口封頭43相連，封頭內(nèi)匯集的空氣從周向被引射進(jìn)入噴射裝置混合室(如圖13)；另一種結(jié)構(gòu)為第一級(jí)排熱系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽39從周向進(jìn)入噴射器喉部37引射第二級(jí)排熱系統(tǒng)中的空氣，空冷器出口管41位于漸縮段36末端的軸線上(如圖14)。通過(guò)蒸汽-空氣噴射裝置的引射可以提高空冷器內(nèi)空氣流速增強(qiáng)換熱能力進(jìn)而減少蒸汽的蒸發(fā)量保證系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行。

為防止系統(tǒng)停用時(shí)外界雨水/生物等進(jìn)入安全殼外置換熱水箱，第二級(jí)排熱系統(tǒng)入口管線23及出口管線44與水平方向按一定夾角傾斜布置且進(jìn)出口端位于較低位置。此外，在進(jìn)出口處安裝外密內(nèi)疏的兩層生物屏蔽網(wǎng)45、46(如圖15)。

空氣冷卻器在空間布置形式上分為兩類，其中一類布置在換熱水箱上部氣空間以冷卻水蒸氣，另一類布置于第一級(jí)排熱系統(tǒng)入口上方水空間以降低進(jìn)入第一級(jí)排熱系統(tǒng)的冷卻劑水溫，這兩類空氣冷卻器的進(jìn)出口位于換熱水箱四周側(cè)壁面。

空氣冷卻器包括多組盤管/傾斜光管管束換熱器，分散布置于整個(gè)水箱氣空間，水空間空冷器采用多組不同直徑的盤管/環(huán)形光管管束換熱器，這些水空間換熱器相互嵌套形成多個(gè)環(huán)形換熱面，上述水空間和氣空間的空冷器可單獨(dú)使用也可串聯(lián)使用。

安全殼外置換熱水箱采用混凝土基體表面襯鋼板，不銹鋼表面涂覆耐水與水蒸汽腐蝕材料，其最高工作壓力在0.1～0.3MPa(絕壓)。

換熱器側(cè)面引流板由9塊不同面積的不銹鋼板焊接組成，其所用的不銹鋼板根據(jù)不同的強(qiáng)度要求可采用平板/褶板，引流板位于換熱器靠近主流氣空間一側(cè)并與安全殼壁面一起形成上寬下窄的漏斗形氣體流動(dòng)通道。

第二級(jí)排熱系統(tǒng)的空氣進(jìn)氣口，采用大管徑低阻力結(jié)構(gòu)并通過(guò)漸縮管與空冷器入口管線相連，空氣進(jìn)氣口采用下部漸縮結(jié)構(gòu)并水平面按一定夾角傾斜布置(入口端位于較低位置)。

第二級(jí)排熱系統(tǒng)的空氣排氣口，其始端連接噴射器出口，末端穿透外置換熱水箱側(cè)壁面與大氣相連，其與進(jìn)氣口均位于水箱水位以上且傾斜布置(進(jìn)/出口位于較低位置)并在進(jìn)/排氣口處布置外密內(nèi)疏的兩層生物隔離網(wǎng)。