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技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。强非能动安全壳热量排出系统性能的目的。强非能动安全壳热量排出系统性能的目的。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术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。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]本专利技术的有益效果在于：本专利技术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。通过本专利技术，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％。基于本专利技术原理对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
[0017]图1为本专利技术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；
[0018]图2为本专利技术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。
[0019]图3、图4、图5、图6为本专利技术实施例中提供的四种PCS水箱及进、排气结构形式。
[0020]附图中：1
‑
PCS水箱，2
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PCS系统下降管道，3
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PCS系统上升管道，4
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汽水分离器，5
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排气通道，6
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排气口，7
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进气口，8
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壳外高位水箱，9
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壳内换热器。
具体实施方式
[0021]为使本专利技术解决的技术问题、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专利技术实施例的技术方案作进一步的详细描述。
[0022]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。本专利技术即充分利用水面蒸发这一物理现象，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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；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。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，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。3.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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨长江，孙燕宇，郑云涛，董建华，
申请(专利权)人：中国核电工程有限公司，
类型：发明
国别省市：