自动调节传热面积的非能动余热排出系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种压水反应堆的余热排出系统，尤其是一种可自动调节传热面积的非能动余热排出系统。


背景技术：

2.非能动余热排出系统用于在失电停堆工况下，在外界不输入能量的条件下，利用自然循环带走反应堆的剩余衰变热。国际上公认非能动余热排出系统是二代堆和三代堆的主要区别之一，极大提高了反应堆的安全性。为有效地带走反应堆的剩余衰变热，要求余热排出系统能够提供足够的冷却能力，且在船用核动力装置中，由于在倾斜摇摆等工况下非能动余热排出系统的自然循环能力会有所降低甚至短时间中断，非能动余热排出系统需要更大的传热面积以满足其在复杂海洋条件下仍能正常工作。
3.由于压水反应堆一般采用负温度系数设计，过快的降温速度会给反应堆引入正反应性，不利于安全停堆，一般压水堆要求停堆过程中一回路冷却剂的降温速度不高于30℃/h，因此余热排出系统的设计负荷也不能过大。在海洋条件下，对于非能动余热排出换热器，满足倾斜摇摆条件所需的传热面积较大，可能导致水平工况下堆芯降温速度过快。而满足水平状态降温速度要求所需的传热面积又较小，不能兼顾海洋条件下所需的传热能力。在商用压水堆核电站中，为控制堆芯的降温速度，余热排出系统的设计负荷一般约为反应堆额定功率的2％。但在复杂海洋条件下现有的固定传热面积的余热排出换热器较难同时满足不同工况下控制堆芯降温速度的要求，非能动余热排出系统需要能够根据所需的冷却能力自动调节其换热面积，以控制反应堆的降温速率。因此，需要一种开发一种余热排出系统，能在由各种倾斜摇摆等复杂海洋条件导致系统自然循环能力不足的情况下，通过自动增加传热面积保持对堆芯提供足够的冷却能力。同时，又能在一回路冷却剂降温速度过快时，通过自动减少传热面积，使堆芯不会因降温速度过快而引入正反应性，从而确保反应堆安全停堆。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种能够自动调节传热面积的非能动余热排出系统，能够在全船失电停堆的情况下安全高效地导出反应堆的剩余衰变热，且可根据反应堆的温度自动调节其传热面积，从而在各种海洋条件下均能将堆芯的降温速度控制在合理的范围内。
5.为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种自动调节传热面积的非能动余热排出系统，包括余热排出换热器、冷却水箱、安全阀和连接管路，余热排出换热器分为三组，常用一组和备用两组，常用组的余热排出换热器入口通过隔离阀直接连接自主蒸汽管道，两备用组的余热排出换热器入口则通过安全阀与主蒸汽管道连接。
6.进一步，常用组余热排出换热器的入口通过断电自动开启的隔离阀与主蒸汽管道连接，出口通过断电自动开启的隔离阀与蒸汽发生器给水管连接。
7.进一步，常用组余热排出换热器与主蒸汽管道连接的隔离阀为常开电磁阀，在通电情况下关闭，断电情况下则自动开启。
8.进一步，备用组余热排出换热器与主蒸汽管道连接的安全阀正常时在弹簧作用下处于关闭状态，当余热排出系统冷却能力不足时，蒸汽发生器压力逐渐升高，当压力高于安全阀弹簧压力时，安全阀起跳，备用组余热排出换热器自动投入运行。
9.进一步，两组备用组余热排出换热器各配一安全阀，两个安全阀设置不同的起跳压力，当蒸汽发生器压力不高时仅常用组投入运行，当压力升高到一定值时其中一组备用组安全阀起跳使其换热器投入运行，若压力继续升高则另一安全阀也起跳，两台备用组换热器同时投入运行。
10.进一步，冷却水箱中充满清洁的淡水作为冷却水源，并通过透气管与大气相通。
11.进一步，余热排出换热器浸没于冷却水箱中，并布置在高于蒸汽发生器传热管一定高度的位置。
12.进一步，连接备用组余热排出换热器的安全阀通过先导安全阀驱动启闭。
13.进一步，为避免余热排出系统在正常工况下对二回路蒸汽循环的影响，余热排出换热器进出口阀门均处于常闭状态。
14.进一步，一个常用组余热排出换热器加上一个备用组余热排出换热器的传热面积满足船体横倾10度时进行余热排出的要求，一个常用组余热排出换热器加上两个备用组余热排出换热器的传热面积满足船体横倾20度时进行余热排出的要求。
15.与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有如下有益效果：
16.1、本实用新型的自动调节传热面积的非能动余热排出系统配有三组余热排出换热器，设有足够的储备传热面积，在复杂海洋条件导致自然循环能力不足时，备用组余热排出换热器自动投入运行，仍能在外界不输入能量的情况下对堆芯提供足够的冷却能力。
17.2、本实用新型的自动调节传热面积的非能动余热排出系统设有可根据系统压力自动开启和关闭的先导式安全阀，可在一回路降温速度过快时，在外界不输入能量的情况下自动减少换热器的传热面积，以避免堆芯温度下降过快而引入正反应性。
附图说明
18.图1是本实用新型的自动调节传热面积的非能动余热排出系统原理图；
19.图2是本实用新型的自动调节传热面积的非能动余热排出系统在海况变化条件下蒸汽发生器压力变化曲线图；
20.图3是本实用新型的自动调节传热面积的非能动余热排出系统在海况变化条件下堆芯降温速率变化曲线图。
具体实施方式
21.下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：
22.如图1所示，本实用新型的一种可自动调节传热面积的非能动余热排出系统，为提高自然循环效率，且避免传热管破裂导致泄露的风险，同时兼顾系统设备尺寸重量，本实用新型采用从二次测主蒸汽管道导出热量的冷却方案。为实现在外界不输入能量的情况下自动调节其传热面积，本实用新型采用通过机械弹簧控制启闭的安全阀作为控制阀对投入运
行的余热排出热交换器数量进行控制。系统由蒸汽管路、3组余热排出换热器1、2个控制安全阀、2个隔离阀、冷却水箱和凝水管路组成。其中冷却水箱中充满清洁的淡水，余热排出换热器浸没于冷却水箱中，并布置在高于蒸汽发生器2传热管一定高度的位置。隔离阀和2个安全阀的启闭可控制3组余热排出换热器是否投入运行。
23.余热排出过程分一回路冷却剂自然循环和二回路余热排出自然循环，其中二回路余热排出自然循环又可分为常用组余热排出循环和备用组余热排出循环。
24.一回路冷却剂自然循环，参与设备主要包括压力容器3、主冷却剂热管段、蒸汽发生器2一次侧、主冷却剂冷管段和主泵。当发生失电事故停堆时，主泵电机停止工作，但可依靠惰转在停堆后初期维持一定的主冷却剂流量。停堆中后期则靠压力容器和蒸汽发生器内冷却剂的高度差和密度差形成自然循环，持续将反应堆的剩余衰变热传递至蒸汽发生器二次测。
25.二回路余热排出系统常用组自然循环参与设备主要包括蒸汽发生器二次测、主蒸汽管道、隔离阀、常用组余热排出换热器和蒸汽发生器给水管道。设余热排出换热器中的a组为常用组，其入口通过断电自动开启的隔离阀与主蒸汽管道连接，出口通过断电自动开启的隔离阀与蒸汽发生器给水管连接。为避免余热排出系统在正常工况下对二回路蒸汽循环的影响，余热排出换热器进出口阀门均处于常闭状态。
26.当发生全船失电事故停堆时，主蒸汽管道上的隔离阀关闭，与余热排出换热器连接的隔离阀按投入策略以一定的速度开启，非能动余热排出系统中的a组余热排出换热器投入运行。蒸汽发生器二次侧的饱和蒸汽密度较低，上升进入冷却水箱中的a组余热排出换热器，通过传热管将热量传递给水箱中的冷却水，二次测饱和蒸汽则在传热管内冷凝，冷凝水密度较高，下降至蒸汽发生器给水管道返回蒸汽发生器，再被蒸汽发生器内一次侧冷却剂加热至饱和蒸汽从而形成自然循环。
27.二回路余热排出系统备用组自然循环参与设备包括蒸汽发生器二次测、主蒸汽管道、安全阀、隔离阀、备用组余热排出换热器和蒸汽发生器给水管道。余热排出换热器中的b组和c组为备用组。b组和c组余热排出换热器的入口分别通过一个断电自动开启的隔离阀和在一定压力下自动开启的安全阀与主蒸汽管道连接(其中c组余热排出换热器的安全阀起跳压力高于b组)，出口则通过断电自动开启的隔离阀与蒸汽发生器给水管连接。
28.在全船断电反应堆开始停堆后，隔离阀自动开启，a组余热排出换热器首先投入运行。在倾斜或摇摆条件下，堆芯、蒸汽发生器和余热排出换热器的有效高度差降低，自然循环能力减弱，不能有效导出反应堆的剩余衰变热，一回路冷却剂的温度开始升高。此时余热排出系统同样受到摇摆条件的影响，冷却能力变弱，不能及时带走一回路传递至蒸汽发生器的热量，蒸汽发生器的压力开始升高。当蒸汽总管压力升高至b组安全阀起跳压力时，b组安全阀起跳，b组余热排出换热器投入运行，与a组余热排出换热器形成并联通道，来自主蒸汽管道的蒸汽同时进入a组余热排出换热器和b组余热排出换热器，余热排出系统的有效换热面积增加，冷却能力变强，冷却剂温升速率降低，直至达到新的平衡。
29.若b组余热排出换热器投入运行后，其增加的冷却面积仍不足以带走一回路传递至蒸汽发生器的热量，蒸汽发生器的压力将进一步升高，直至c组安全阀起跳，c组余热排出换热器投入运行。此时，由蒸汽发生器产生的蒸汽同时进入a、b、c三组余热排出换热器，有效换热面积进一步增加，冷却能力进一步增强，从而与一回路排出的热量达到新的平衡。
30.当海况降低，全船摇摆幅度下降时，反应堆一回路和二回路余热排出系统的自然循环冷热芯高度差恢复正常，自然循环流量也开始升高，冷却能力开始变强，余热排出系统带走蒸汽发生器热量的速度高于一回路导入蒸汽发生器的速度，蒸汽发生器的压力开始下降。降低至c组安全阀起跳压力后c组安全阀自动关闭，c组余热排出换热器停止工作，余热排出系统有效换热面积降低，冷却能力下降，蒸汽发生器导出一回路热量的速度也随之降低，从而控制堆芯的降温速率。若海况进一步降低导致余热排出系统冷却能力进一步增强，则在蒸汽发生器压力低于b组安全阀起跳压力后，b组安全阀自动关闭，b组余热排出换热器停止工作，余热排出系统换热面积进一步降低，从而避免堆芯降温速率过快。
31.冷却水箱内充满清洁淡水，并通过透气管与大气相通。冷却水吸收浸没于其中的余热排出换热器的热量，直至饱和、沸腾最终蒸干，水蒸气通过透气管排入大气，利用冷却水的显热和潜热带走反应堆的剩余衰变热。由于反应堆的全部剩余衰变热需要通过冷却水的显热和潜热带走，因而冷却水箱需要携带足够的冷却水。此外，冷却水箱需要布置在一定的高度以上，和蒸汽发生器形成足够的冷热芯高度差以驱动自然循环。
32.由于安全阀的进出口都连接于二回路，其阀瓣两侧压力基本相同。为保证蒸汽发生器压力升高时安全阀能够顺利起跳，安全阀需要通过另一先导安全阀启动。先导安全阀连接于主蒸汽管道，阀瓣一侧与主蒸汽管道联通，另一侧与大气联通。正常状态时，阀瓣在弹簧压力作用下处于关闭状态，当蒸汽压力超过弹簧压力时，阀瓣开始移动并通过连杆驱动主安全阀开启。当蒸汽压力降低时，先导阀的阀瓣通过弹簧压力回座并通过连杆驱动主安全阀关闭。
33.实施例：
34.结合图1，是本实用新型一种可自动调节传热面积的非能动余热排出系统原理图。余热排出系统换热器分为a、b和c三组，换热器的传热面积根据其对应工况下蒸汽发生器和余热排出换热器的有效高度差设计，并满足反应堆的降温速度为30℃/h。其中，换热器a的传热面积能够满足船体在水平状态下进行余热排出的需求；换热器a加换热器b的传热面积满足船体横倾10度时进行余热排出的需求；换热器a加换热器b加换热器c的传热面积满足船体横倾20度时进行余热排出的要求。
35.控制余热排出系统投入运行并自动调节传热面积的控制阀包括：主蒸汽隔离阀v-1，余热排出系统入口隔离阀v-2，出口隔离阀v-3和分别控制b组余热排出换热器1和c组余热排出换热器1投入运行的安全阀v-4和v-5。其中v-4的起跳压力为5.5mpa，v-5的起跳压力为6.5mpa。
36.当发生断电停堆事故时，主蒸汽管道上的隔离阀v-1关闭，余热排出系统隔离阀v-2和v-3断电后自动开启，余热排出系统的a组余热排出换热器投入运行，通过冷却水箱对反应堆二回路提供冷却以带走堆芯剩余衰变热。当海况恶劣船体摇摆幅度较大或产生倾斜时，余热排出换热器与蒸汽发生器2形成的有效冷热芯高度差下降，导致自然循环流速降低，对蒸汽发生器的冷却效果减弱。而此时堆芯产生的剩余衰变热并未降低，因此一回路温度升高，二回路蒸汽产量和压力也随之升高。当二回路压力超过5.5mpa时v-4开启，b组余热排出换热器投入运行，a组和b组换热器同时工作，使余热排出系统和堆芯达到新的平衡。当船体倾斜角度增加导致冷热芯高度差进一步下降时，二回路的压力将继续升高，当超过6.5mpa时，v-5开启，c组余热排出换热器投入运行，此时3组换热器同时工作，冷却能力进一
步加强以弥补冷热芯高度差的降低，使余热排出系统和堆芯达到新的平衡。
37.当海况下降，船体摇摆幅度降低或由倾斜状态回正的过程中，余热排出换热器与蒸汽发生器的有效冷热芯高度差上升，自然循环的驱动力加强流速升高，对堆芯的冷却能力增强，而此时反应堆的发热功率不变，因此一回路的温度下降，二回路的蒸汽产量和压力也随之下降。当压力降低至6.5mpa以下时，v-5关闭，c组余热排出换热器停止运行，余热排出系统总传热面积下降，以控制堆芯的降温速率。当压力降低至5.5mpa以下时，v-4关闭，b组余热排出换热器随之停止工作，仅a组余热排出换热器投入运行，余热排出系统传热面积进一步降低，以避免堆芯降温速率过快。
38.结合图2，是本实用新型一种可自动调节传热面积的非能动余热排出系统在海况变化条件下蒸汽发生器压力变化曲线图。
39.在t＝0s时刻，主蒸汽管路隔离阀关闭，二回路汽轮机停止工作，此时由于反应堆一回路温度较高，蒸汽发生器二次侧压力开始升高。与此同时，非能动余热排出系统进出口的隔离法打开，a组余热排出换热器投入运行并逐步导出反应堆一回路热量，蒸汽发生器二次侧压力增幅下降，逐步稳定在4.5mpa左右。t＝5700s时，反应堆开始随船体倾斜10度，a组余热排出换热器与堆芯的高度差降低，自然循环的驱动压头减小，自然循环流量下降，导致堆芯的排热速率变慢，蒸汽发生器二次侧压力开始升高。当蒸汽发生器压力超过5.5mpa时，b组余热排出换热器安全阀开启，a组和b组余热排出换热器同时投入运行，随着换热面积的增加，余热排出系统对堆芯的导热能力逐渐升高，蒸汽发生器的压力增速也逐渐减小并最终稳定在约5.6mpa。t＝12600s时，反应堆随船体由10度倾斜至20度，此时余热排出换热器与反应堆的有效高度差进一步下降，自然循环的驱动压头也进一步降低，余热排出系统对堆芯的排热能力也随之进一步减弱，蒸汽发生器压力继续升高，当超过6.5mpa时，c组余热排出换热器安全阀开启，a组、b组和c组余热排出换热器同时工作，换热面积进一步增加以弥补自然循环驱动压头的不足，其对反应堆的排热能力逐步提升，蒸汽发生器的压力增速也逐步减小并最终稳定在约6.7mpa。
40.t＝18900s时，反应堆随船体倾斜由20度减小至10度，此时各组余热排出换热器与堆芯的有效高度差变大，自然循环驱动压头增加，自然循环产生的排热能力上升，蒸汽发生器压力开始下降，当降低至6.5mpa以下时，c组余热排出换热器安全阀关闭，c组余热排出换热器停止工作，蒸汽发生器的压力下降速率也随余热排出换热面积的减小而迅速降低，并最终稳定在约5.7mpa。t＝24600s时，反应堆随船体回到水平状态，此时余热排出换热器与堆芯的自然循环高度差及自然循环驱动压头回到正常状态，此时a组和b组余热排出换热器同时工作，换热面积较大，对反应堆的冷却能力相对较强，蒸汽发生器的压力开始下降。当降低至5.5mpa以下时，b组余热排出换热器的安全阀关闭，b组余热排出换热器停止工作。由于换热面积的突然降低，余热排出系统对堆芯的排热能力迅速下降，蒸汽发生器压力的下降速率也随之减慢，压力终稳定在约4.6mpa。
41.结合图3，是本实用新型一种可自动调节传热面积的非能动余热排出系统在海况变化条件下堆芯降温速率变化曲线图。
42.在t＝0s时刻，主蒸汽管路隔离阀关闭，非能动余热排出系统进出口隔离阀打开，余热排出系统的a组余热排出换热器投入运行，反应堆的温度开始下降，降温速率逐渐升高至约30℃/h。t＝5700s时，反应堆开始随船体倾斜10度，a组余热排出换热器与堆芯的高度
差降低，自然循环的驱动压头减小，自然循环流量下降，导致堆芯的排热速率变慢，堆芯的降温速率开始下降，直至t＝6900s，堆芯降温速率降低至约20℃/h时，b组余热排出换热器安全阀开启，a组和b组余热排出换热器同时投入运行，随着换热面积的增加，余热排出系统的导热能力逐渐升高，堆芯的降温速率也随之升高，并逐渐上升至约30℃/h。t＝12600s时，反应堆随船体由10度倾斜至20度，此时余热排出换热器与反应堆的有效高度差进一步下降，自然循环的驱动压头也进一步降低，余热排出系统对堆芯的排热能力也随之进一步减弱，堆芯的降温速率开始减慢直至约21℃/h，此时c组余热排出换热器的安全阀开启，a组、b组和c组余热排出换热器同时工作，换热面积进一步增加以弥补自然循环驱动压头的不足，其对反应堆的排热能力逐步提升，堆芯的降温速率也随之增加，并逐步回到约30℃/h。
43.t＝18900s时，反应堆随船体倾斜由20度减小至10度，此时各组余热排出换热器与堆芯的有效高度差变大，自然循环驱动压头增加，自然循环产生的排热能力上升，反应堆的降温速率也随之逐渐升高至约38℃/h，此时c组余热排出换热器的安全阀关闭，c组余热排出换热器停止运行，余热排出系统的换热面积下降，因此堆芯的降温速率也开始降低，逐渐回到30℃/h。t＝24600s时，反应堆随船体回到水平状态，此时余热排出换热器与堆芯的自然循环高度差及自然循环驱动压头回到正常状态，此时a组和b组余热排出换热器同时工作，换热面积较大，因而堆芯的降温速率逐步上升至约39℃/h。此时，b组余热排出换热器的安全阀关闭，b组余热排出换热器停止工作，由于换热面积的突然降低，余热排出系统对堆芯的排热能力迅速下降，并最终逐步稳定至30℃/h。