一种船用核反应堆非能动余热排出系统凝结水锤抑制系统

本发明涉及船用核动力装置安全与反应堆热工水力，尤其涉及一种船用核反应堆非能动余热排出系统凝结水锤抑制系统。

背景技术：

1、船用核反应堆在失去外部电源、主冷却剂泵停运或正常余热排出功能失效等事故工况下，堆芯停堆后仍会持续释放衰变余热，若不能及时、稳定地将所述衰变余热导出，容易造成反应堆冷却剂温度及压力升高，进而影响反应堆安全。非能动余热排出系统主要依靠流体温差和密度差建立自然循环，无需循环泵持续驱动，适合应用于外部动力无法可靠提供的事故工况。对于船用核动力装置而言，受堆舱空间、设备布置高度及船体结构限制，热交换器与外部海洋环境之间通常通过蒸汽排出管道和冷海水循环管道连接，并利用船舶外部海水作为最终热阱，其中蒸汽排出管道与冷海水循环管道可采用相互平行的水平布置形式。事故发生后，一回路主冷却剂依靠密度差在堆芯与中级热交换器之间形成自然循环，并将堆芯衰变余热传递给二次侧循环海水，受热后的二次侧循环海水及蒸汽沿蒸汽排出管道排入最终热阱，低温海水经冷海水循环管道补充进入系统，从而形成持续的非能动余热排出过程。

2、目前，与船用或海洋核动力装置余热排出相关的技术方案已被公开。例如，授权公告号为cn103903659b的“浮动核电站非能动余热排出系统”主要利用海水及冷却水箱构成非能动最终热阱；授权公告号为cn107665742b的“能动与非能动相结合的船用反应堆应急余热排出系统”通过能动排热回路与依靠重力回流的非能动排热回路相结合，提高事故工况下的余热排出能力；授权公告号为cn109712726b的“一种海洋核动力平台反应堆余热排出系统”利用设备位差和海水冷却液舱建立自然循环余热排出路径；授权公告号为cn114038591b的“一种用于核反应堆的一次侧非能动余热排出系统”通过冷却水箱、换热器及相应管路形成一次侧非能动余热排出回路。上述现有技术主要围绕自然循环回路的建立、海水最终热阱的利用、冷凝换热以及反应堆停堆后的余热导出展开，能够在一定程度上降低余热排出过程对外部电源、循环泵及人员操作的依赖，但对蒸汽排出管道出口浸没于低温海水中所产生的海水回流、直接接触冷凝及凝结水锤问题关注不足，也未充分考虑船舶横摇、纵摇、航速、海况、海水温度及余热负荷变化对自然循环排热过程的影响。

3、综合现有技术，仍存在如下不足：船用非能动余热排出系统的热源与最终热阱之间有效高度差较小，自然循环驱动力相对有限，采用缩小管径、设置节流结构或增加高阻力阀件等常规回流抑制措施，容易在抑制低温海水反向流动的同时增大正向排热阻力，难以兼顾自然循环排热能力和反向阻流能力；蒸汽排出管道出口浸没于低温海水中，高温蒸汽在出口附近与低温海水发生直接接触冷凝后会产生局部压力下降，促使低温海水沿蒸汽排出管道反向侵入，并随着汽液界面波动增强而截断连续蒸汽柱，形成孤立蒸汽段塞，所述孤立蒸汽段塞快速冷凝溃灭后会驱动两侧液柱高速碰撞，产生凝结水锤和较大的瞬态压力峰值；现有固定单一蒸汽排出路径难以根据船舶姿态、海况、低温海水温度及堆芯余热负荷的变化，兼顾不同工况下的排热能力和凝结水锤抑制能力；现有结构也难以同时实现正向导流、低温海水回流抑制及连续蒸汽柱多级分割。因此，亟需提供一种船用核反应堆非能动余热排出系统凝结水锤抑制系统，通过具有方向性导流特征的挡板组件在不过度增加正向流动阻力的条件下限制低温海水回流并缩短连续蒸汽柱的有效长度，同时通过差异化蒸汽排出支路适应不同事故工况，以在保证堆芯衰变余热持续排出的基础上，降低孤立蒸汽段塞的形成概率和凝结水锤压力峰值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对目前本领域所存在的不足，提出了一种船用核反应堆非能动余热排出系统凝结水锤抑制系统。

2、为了克服现有技术的不足，本发明采用如下技术方案：

3、一种船用核反应堆非能动余热排出系统凝结水锤抑制系统，包括船用堆舱、一回路系统、二次侧非能动余热排出系统、最终热阱和蒸汽排出支路匹配模块；所述一回路系统包括堆芯、压力容器、主冷却剂管道、换热管及中级热交换器，所述堆芯设置于压力容器内，所述压力容器通过主冷却剂管道与中级热交换器连接，所述换热管设置于中级热交换器内；所述二次侧非能动余热排出系统包括冷海水循环管道、蒸汽排出主管、至少三个分别与蒸汽排出主管连通的蒸汽排出管道以及设置于各蒸汽排出管道内部的挡板组件；所述至少三个蒸汽排出管道包括第一蒸汽排出支路、第二蒸汽排出支路和第三蒸汽排出支路，各蒸汽排出支路分别连接于蒸汽排出主管与最终热阱之间，蒸汽排出主管与各蒸汽排出支路之间分别设置切换机构；所述蒸汽排出支路匹配模块分别与各切换机构电连接；所述最终热阱为船舶外部海洋环境。

4、进一步的，所述挡板组件包括主挡板和分流挡板，所述主挡板与分流挡板沿蒸汽排出方向交错布置；所述主挡板的连接侧与对应蒸汽排出支路的内壁固定连接，且所述连接侧与对应蒸汽排出支路的内壁之间不留间隙；所述分流挡板的一侧与对应蒸汽排出支路的内壁固定连接，另一侧与对应蒸汽排出支路的内壁之间保留预设旁通间隙，以形成局部旁通流道；所述主挡板和分流挡板均与对应蒸汽排出支路的轴线呈45°～75°夹角布置，多个挡板组件沿蒸汽排出方向依次排列，共同构成具有单向导流特性的非对称流道。

5、进一步的，所述主挡板使蒸汽排出方向的局部流通截面积逐渐减小，形成收敛流动和顺压力梯度，所述分流挡板形成的旁通流道用于减弱局部流动分离并降低正向流动阻力；低温海水逆向回流时，局部流道由渐缩结构转变为突扩结构，并在挡板尾部形成旋涡区及流动分离区；多个挡板组件对连续蒸汽柱进行多级分割，使连续蒸汽柱在进入最终热阱之前被切割成多个较短的蒸汽段。

6、进一步的，蒸汽排出支路匹配模块被配置为执行下列步骤：

7、s1，获取第一蒸汽排出支路、第二蒸汽排出支路和第三蒸汽排出支路各自的支路结构参数 及当前事故工况参数 ，对支路结构参数和当前事故工况参数进行归一化处理，形成输入参数 ；

8、s2，将各蒸汽排出支路对应的输入参数分别输入预先训练完成的支路匹配模型；

9、s3，由支路匹配模型分别输出各蒸汽排出支路对应的排热能力判据 和凝结水锤抑制率 ；

10、s4，筛选排热能力判据 ≥1的蒸汽排出支路，并从满足排热能力判据 ≥1的蒸汽排出支路中选择凝结水锤抑制率 最高的蒸汽排出支路作为目标蒸汽排出支路；

11、s5，根据步骤s4确定的目标蒸汽排出支路，通过与目标蒸汽排出支路对应的切换机构，使目标蒸汽排出支路与蒸汽排出主管和最终热阱连通；

12、s6，按照预设更新周期重复执行步骤s1至步骤s5，根据事故工况变化更新目标蒸汽排出支路。

13、进一步的，第 条蒸汽排出支路的支路结构参数表示为：，当前事故工况参数表示为： ，

14、其中， 为第 条蒸汽排出支路的管径； 为第 条蒸汽排出支路的出口浸没深度； 为第 条蒸汽排出支路的出口朝向参数； 为对应第 条蒸汽排出支路的反向阻力比； 为第 条蒸汽排出支路的段塞限长参数； 为船舶的横摇角， 为船舶的纵摇角； 为船舶航速； 为表征当前海况的有效波高； 为最终热阱中的低温海水温度；为堆芯的当前余热负荷，支路结构参数 内所有参数进行归一化处理获得 ；当前事故工况参数内所有参数进行归一化处理获得 。

15、进一步的，所述船舶横摇角和船舶纵摇角由船舶惯性测量装置获得，所述船舶航速由船舶测速装置、卫星导航装置或航行控制系统获得，所述有效波高由波浪测量装置获得或者根据当前海况等级确定，所述低温海水温度由设置于各蒸汽排出支路出口附近的温度测量装置获得；所述堆芯当前余热负荷根据停堆前反应堆热功率、停堆后经过时间及衰变余热曲线确定。

16、进一步的，归一化后的支路结构参数 和当前事故工况参数 组合形成输入参数 ，第一蒸汽排出支路、第二蒸汽排出支路和第三蒸汽排出支路分别形成输入参数，三组输入参数采用相同的当前事故工况参数 和不同的支路结构参数。

17、进一步的，所述排热能力判据 用于表示第 条蒸汽排出支路的预计净排热功率与堆芯当前余热负荷之间的比例关系，所述凝结水锤抑制率 用于表征第 条蒸汽排出支路相对于基准蒸汽排出管道降低凝结水锤附加压力峰值的程度。

18、进一步的，步骤s4中，当不存在排热能力判据满足排热能力判据 ≥1的蒸汽排出支路时，选择排热能力判据最大的蒸汽排出支路作为当前可用排热支路，并输出超出模型正常选择范围的状态信息；

19、步骤s6中，按照预设更新周期重新获取支路结构参数和当前事故工况参数，以更新目标蒸汽排出支路，并在连续两个以上更新周期的目标蒸汽排出支路保持一致时执行支路切换。

20、进一步的，所述支路匹配模型通过以下步骤训练获得：

21、s21，在不同支路结构参数和事故工况参数组合下，对各蒸汽排出支路进行重复实体试验，获取对应的净排热功率和凝结水锤附加压力峰值，形成原始训练样本；

22、s22，根据所述净排热功率、堆芯当前余热负荷、凝结水锤附加压力峰值和基准凝结水锤附加压力峰值，确定排热能力判据标签和凝结水锤抑制率标签，并与归一化后的支路结构参数和事故工况参数组合形成模型训练样本；

23、s23，以归一化后的支路结构参数和事故工况参数为模型输入，以所述排热能力判据标签和凝结水锤抑制率标签为模型输出，训练支路匹配模型；

24、s24，利用验证样本和测试样本对训练后的支路匹配模型进行验证，当排热能力判据预测误差、凝结水锤抑制率预测误差和目标蒸汽排出支路选择准确率满足预设要求时，确定训练完成；

25、s25，存储训练完成的支路匹配模型、模型参数及各输入参数的归一化上下限，并将所述支路匹配模型用于确定目标蒸汽排出支路。

26、本发明所取得的有益效果是：

27、1.本发明通过在各蒸汽排出支路内设置由主挡板12-1和分流挡板12-2交错形成的非对称导流结构，使汽液两相流沿蒸汽排出方向流动时形成渐缩导流和旁通分流作用，从而减弱挡板附近的局部流动分离，降低挡板组件对正向流动造成的附加阻力，有利于在自然循环驱动力相对有限的条件下建立并维持余热排出流动。相较于采用缩小管径、设置节流结构或者增加高阻力阀件的回流抑制方式，本发明能够在抑制低温海水反向侵入的同时，减小水锤抑制结构对自然循环排热能力的不利影响。

28、2.当最终热阱13中的低温海水沿蒸汽排出支路反向流动时，主挡板12-1和分流挡板12-2形成的非对称流道使反向流动产生局部突扩、逆压力梯度、绕流、流动分离及旋涡耗散，从而增大蒸汽排出支路的反向流动阻力，限制低温海水向蒸汽排出支路内部侵入。同时，沿蒸汽排出方向依次设置的多个挡板组件能够对连续气相通道产生多级扰动，限制连续蒸汽柱及孤立蒸汽段塞的特征长度和形成体积，减小蒸汽段塞冷凝溃灭时液柱的运动距离和碰撞动能，从而有利于降低直接接触冷凝所引起的凝结水锤发生概率及附加压力峰值。上述正向导流、反向阻流和蒸汽柱尺度限制过程均无需外部动力持续驱动。

29、3.本发明设置具有不同管径、出口浸没深度、出口朝向、反向阻力比和段塞限长参数的第一蒸汽排出支路11-1、第二蒸汽排出支路11-2及第三蒸汽排出支路11-3，并根据船舶横摇角、纵摇角、航速、海况、低温海水温度及堆芯5当前余热负荷，分别评价各蒸汽排出支路的排热能力和凝结水锤抑制效果。在满足当前堆芯5余热排出要求的蒸汽排出支路中，选择凝结水锤抑制效果较好的蒸汽排出支路作为目标蒸汽排出支路，从而使蒸汽排出路径能够随事故工况变化进行匹配。相较于采用固定单一蒸汽排出路径的技术方案，本发明能够提高非能动余热排出系统对船舶姿态变化、海况扰动、低温海水温度变化及余热负荷变化的适应能力，实现自然循环排热要求与凝结水锤抑制要求之间的协调匹配。