一种安全壳及燃料厂房非能动冷却系统的制作方法

本发明涉及核电领域，尤其涉及一种安全壳及燃料厂房非能动冷却系统。

背景技术：

现有技术中，安全壳及燃料厂房的冷却结构主要存在以下方式：

1、乏燃料水池设置由泵驱动的冷却管线对热量进行移除，并设有应急补水管线。该方式存在的技术问题是：依靠外部稳定有效的电源及水源，在核电厂发生极端损伤事故时很难保证可用；

2、在乏燃料厂房顶部设置水池，依靠高度差进行非能动应急补水的结构。该方式存在的技术问题是：对乏燃料厂房现有结构改动很大，且引入了（地震等导致的）顶部水池倾覆的风险；

3、回路热管针对乏燃料水池中池水进行冷却，在乏燃料厂房内外各设置一段换热段，组成闭式回路将热量导出至外界。该方式存在的技术问题是：蒸发段置于乏燃料水池内，加入乏燃料水池发生泄漏失水，蒸发段不能淹没的情况下冷却效果显著降低。

4、在乏燃料厂房内部或外部设置一段换热管段，厂房内部高温气体或外部冷却气体从管内流过将热量导出至外界。该方式存在的技术问题是：冷却效率相对较低，需增大换热器表面积及体积，增加实施难度及成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种安全壳及燃料厂房非能动冷却系统，完全非能动设计，无需额外冷源，不依赖外部动力，有效提高安全壳及燃料厂房非能动冷却系统的安全性和经济性；结构合理，对安全壳及燃料厂房现有结构影响较小。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种安全壳非能动冷却系统，包括：设置在安全壳顶部的用以建立和维持安全壳蒸汽循环路径，将乏燃料衰变热经由沸腾及冷凝过程导出至外界大气的凝汽式低压汽轮机，凝汽式低压汽轮机通过蒸汽进气管与安全壳连通，凝汽式低压汽轮机至少包括汽轮机转子和风冷凝汽器；冷凝水回流管，冷凝水回流管分别将凝汽式低压汽轮机和安全壳相连；以及设置在蒸汽进气管上的用以控制安全壳非能动冷却系统启动的控制阀，其中：安全壳内产生蒸汽引发安全壳内压力上升，触发控制阀启动非能动冷却系统，蒸汽经由蒸汽进气管进入凝汽式低压汽轮机并驱动汽轮机转子做功，降温降压后的乏气流经由风冷凝汽器发生冷凝，泠凝水通过冷凝水回流管流回安全壳。

其中，凝汽式低压汽轮机还包括：连接在汽轮机转子上的传动装置；与传动装置相连的用以提高进气压力及蒸汽流动速率的轴流风机；以及设置在风冷凝汽器底部的冷凝水收集箱，冷凝水收集箱与冷凝水回流管连接。

其中，凝汽式低压汽轮机还包括：冷却进风道和冷却出风道，冷却进风道设置在风冷凝汽器一侧的底部，冷却出风道设置在风冷凝汽器一侧的顶部，用以增大凝气管内气体流动速率。

其中，轴流风机设为多台，蒸汽进气管、冷却进风道以及冷却出风道中分别设有轴流风机。

其中，风冷凝汽器的凝汽管的外壁面设有翅片，凝汽管的中部设有用以供冷却空气流过的通道。

其中，控制阀的阀瓣开启程度由微压差进行驱动，阀瓣的全启面积大于蒸汽进气管的管道流通面积的80%。

为解决上述技术问题，本发明还提供了另一种技术方案，一种燃料厂房非能动冷却系统，包括：设置在燃料厂房顶部的用以建立和维持燃料厂房蒸汽循环路径，将乏燃料衰变热经由沸腾及冷凝过程导出至外界大气的凝汽式低压汽轮机，凝汽式低压汽轮机通过蒸汽进气管与燃料厂房连通，凝汽式低压汽轮机至少包括汽轮机转子和风冷凝汽器；冷凝水回流管，冷凝水回流管分别将凝汽式低压汽轮机和乏燃料水池相连；以及设置在冷凝水回流管上的用以控制燃料厂房非能动冷却系统启动的控制阀，其中：乏燃料水池内产生蒸汽引发乏燃料水池水位降低，触发控制阀启动非能动冷却系统，凝汽式低压汽轮机驱动汽轮机转子做功，降温降压后的乏气流经由风冷凝汽器发生冷凝，泠凝水通过冷凝水回流管流回乏燃料水池，以维持乏燃料水池处于淹没水位。

其中，凝汽式低压汽轮机还包括：连接在汽轮机转子上的传动装置；与传动装置相连的用以提高进气压力及蒸汽流动速率的轴流风机；以及设置在风冷凝汽器底部的冷凝水收集箱，冷凝水收集箱与冷凝水回流管连接；以及冷却进风道和冷却出风道，冷却进风道设置在风冷凝汽器一侧的底部，冷却出风道设置在风冷凝汽器一侧的顶部，用以增大凝气管内气体流动速率；其中：轴流风机设为多台，蒸汽进气管、冷却进风道以及冷却出风道中分别设有轴流风机。

其中，控制阀为浮球阀，浮球阀在燃料水池内的水位低于设计水位时开启，在达到设计水位时关闭。

其中，冷凝水回流管中预装满含硼水；冷凝水回流管的出口高于乏燃料水池的正常水位。

本发明所提供的安全壳及燃料厂房非能动冷却系统，具有如下有益效果：

第一、安全壳/乏燃料水池内产生蒸汽引发安全壳/燃料厂房内压力上升，触发控制阀启动非能动冷却系统，蒸汽经由蒸汽进气管进入凝汽式低压汽轮机并驱动汽轮机转子做功，降温降压后的乏气流经由风冷凝汽器发生冷凝，泠凝水通过冷凝水回流管流回安全壳/乏燃料水池，完全非能动设计，无需额外冷源，不依赖外部动力，有效提高安全壳及燃料厂房非能动冷却系统的安全性和经济性。

第二、凝汽式低压汽轮机能够集中利用安全壳及燃料厂房事故后所产生蒸汽输出轴功，通过传动装置直接利用汽轮机输出轴功提高管内蒸汽和冷却空气流动速率，强化换热效果；翅片式风冷凝汽盘管，能够利用外界空气对蒸汽进行冷凝，无需额外冷源。

第三，结构合理，对于燃料厂房，乏燃料水池不增加任何设施，不干扰乏燃料组件贮存；安全壳或燃料厂房发生冷却丧失事故后系统才投入启动，不干扰正常运行，对安全壳及燃料厂房现有结构影响较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例安全壳非能动冷却系统的结构示意图。

图2是本发明实施例安全壳非能动冷却系统的凝汽式低压汽轮机的结构示意图。

图3是本发明实施例安全壳非能动冷却系统的风冷凝汽器的凝汽管的结构示意图。

图4是本发明实施例燃料厂房非能动冷却系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合参见图1-图3，为本发明安全壳非能动冷却系统的实施例一。

本实施例中的安全壳及燃料厂房非能动冷却系统，包括：设置在安全壳1顶部的用以建立和维持安全壳蒸汽循环路径，将乏燃料衰变热经由沸腾及冷凝过程导出至外界大气的凝汽式低压汽轮机2，凝汽式低压汽轮机2通过蒸汽进气管3与安全壳1连通，凝汽式低压汽轮机2至少包括汽轮机转子21和风冷凝汽器22；冷凝水回流管4，冷凝水回流管4分别将凝汽式低压汽轮机2和安全壳1相连；以及设置在蒸汽进气管3上的用以控制安全壳非能动冷却系统启动的控制阀5，其中：安全壳1内产生蒸汽引发安全壳1内压力上升，触发控制阀5启动非能动冷却系统，蒸汽经由蒸汽进气管3进入凝汽式低压汽轮机2并驱动汽轮机转子21做功，降温降压后的乏气流经由风冷凝汽器22发生冷凝，泠凝水通过冷凝水回流管流4回安全壳1。

具体实施时，安全壳1为相对密闭的中空容器，本实施例中其设为中空圆柱状，其它实施方式中可以根据实际需要改变形状。安全壳1的顶部通过蒸汽进气管3连接至凝汽式低压汽轮机2。

将蒸汽进气管3设置在安全壳1顶部的作用是：充分利用安全壳1内部气体温差驱动力，蒸汽进气管3能够引导蒸汽进入凝汽式低压汽轮机2。

进一步的，凝汽式低压汽轮机2在本实施例中设置的高度与安全壳1的穹顶相当。凝汽式低压汽轮机2的作用是：建立和维持安全壳1蒸汽循环路径，将乏燃料衰变热经由沸腾及冷凝过程导出至最终热阱的外界大气，实现非能动设计。

凝汽式低压汽轮机2在本实施例中包括：与蒸汽进气管3相连的汽轮机转子21、风冷凝汽器22、连接在汽轮机转子21上的传动装置23、连接在传动装置上的轴流风机24、冷凝水收集箱25以及冷却进风道26和冷却出风道27。

汽轮机转子21的工作原理是：将由来自安全壳1的蒸汽对汽轮机转子21进行驱动，使汽轮机转子21输出轴功。本实施例中，汽轮机转子21为双向对称设计，其能够引导蒸汽双向膨胀。进而提高做功效率。

风冷凝汽器22设置在汽轮机转子21的底部，其装设在一相对密封的容置空间中。其中：冷却进风道26位于风冷凝汽器22一侧的底部，冷却排风道27位于风冷凝汽器22另一侧顶部，以充分利用气体温差驱动力，形成烟囱效应，增大凝汽管内气体流动速率。

进一步的，风冷凝汽器22由数量很大的翅片式凝汽管构成，凝汽管外侧流过蒸汽乏汽，凝汽管内侧流过外界冷却空气。该结构如图3所示，风冷凝汽器22的凝汽管的外壁面设有翅片221，凝汽管的中部设有用以供冷却空气流过的通道T。

进一步的，凝汽式低压汽轮机2还包括连接在汽轮机转子21上的传动装置23；与传动装置23相连的用以提高进气压力及蒸汽流动速率的轴流风机24。其中：传动装置23呈杆状，能够在汽轮机转子21的带动下与其同步转动，通过传动装置23的传动，使得连接在传动装置23上的轴流风机24得以运转。

本实施例中：轴流风机24设为多台，在蒸汽进气管3、冷却进风道26以及冷却出风道27中分别设有轴流风机。其中：蒸汽进气管3中的轴流风机24起到的作用是：提高进气压力，增强安全壳内蒸汽流动速率。分别安装在冷却进风道26以及冷却出风道27中的轴流风机24起到的作用是：加快空气流动，增强冷却效果。

进一步的，冷凝水收集箱25设置在风冷凝汽器22的底部，冷凝水收集箱25与冷凝水回流管4连接，冷凝水收集箱25的作用是：蒸汽乏气流经风冷凝汽器22后发生冷凝，冷凝水汇入冷凝水收集箱25。

进一步的，冷凝水回流管4分别将凝汽式低压汽轮机2和安全壳1相连，其作用是：将冷凝水收集箱25内收集的冷凝水排回安全壳地坑。本实施例中，冷凝水回流管4的出口位于安全壳1的底部，以得到较高的液柱高度。

进一步的，控制阀5设置在蒸汽进气管3上，控制阀5的作用是控制安全壳非能动冷却系统的启动。本实施例中，控制阀5为全启式安全阀，其能够当安全壳1内蒸汽大量产生并达到一定压力时开启，压力下降后关闭；该全启式安全阀位于蒸汽进气管口，其阀瓣设计为密闭力与阀门开度无关；且由微压差驱动阀瓣全启，并特殊设计使得阀瓣全启面积不小于管道流通面积的80%。

本实施例中的安全壳非能动冷却系统在具体实施时，当发生冷却丧失事故后，安全壳1内蒸发产生蒸汽，引发压力上升，并通过控制阀5触发非能动冷却系统启动；冷却系统启动后，蒸汽经由蒸汽进气管3进入凝汽式低压汽轮机2并做功，凝汽式低压汽轮机2通过其传动装置24驱动3台强化流动轴流风机24运转。其中：位于蒸汽进气管3内的流动轴流风机24能够提高进气压力，增强安全壳1内的蒸汽流动速率，分别位于冷却进风管26和冷却出风管27的轴流风机24能够加快空气流动，增强冷却效果。经过风冷凝汽器22的蒸汽发生冷凝，汇入位于风冷凝汽器22下部的冷凝水收集箱25，并通过冷凝水回流管流4回安全壳1中。

本实施例中的安全壳非能动冷却系统的其它实施方式中，为提高蒸汽循环流量，可增加蒸汽进气管3的数量，同时应保证增加的蒸汽进气管3管口位于安全壳顶部。此外，对于单堆功率较大的核电厂，由于衰变热负荷较大，也可以增加凝汽式低压汽轮机2的数量，只要满足通过凝汽式低压汽轮机2建立和维持安全壳蒸汽循环路径，将乏燃料衰变热经由沸腾及冷凝过程导出至最终热阱外界大气即可。

参见图4，为本发明燃料厂房非能动冷却系统的实施例一。

上述实施例中的凝汽式低压汽轮机2应用在本实施例具有乏燃料水池90的燃料厂房9中。其中：乏燃料水池90设置在燃料厂房9的底部，凝汽式低压汽轮机2设置的位置与燃料厂房9的穹顶相当，凝汽式低压汽轮机2和蒸汽进气管3的结构与上述实施例相同，冷凝水回流管4分别将凝汽式低压汽轮机2和乏燃料水池90相连，其作用是：将冷凝水收集箱25内收集的冷凝水排回乏燃料水池90，以维持乏燃料水池90处于淹没水位，保证乏燃料表面处于安全的冷却条件。

本实施例与上述安全壳非能动冷却系统实施例的不同之处在于：仅蒸汽进气管3上设有轴流风机24；

控制阀5设置在冷凝水回流管4上。本实施例中的控制阀5为浮球阀，浮球阀在燃料水池90内的水位低于设计水位时开启，在达到设计水位时关闭。

冷凝水回流管4中预装满含硼水；冷凝水回流管4的出口高于乏燃料水池90的正常水位，以避免形成水池倒排失水。

本实施例中的燃料厂房非能动冷却系统在具体实施时，燃料厂房9发生冷却丧失事故后，乏燃料水池90中含硼水逐渐升温、沸腾，燃料厂房9内充斥大量蒸汽，乏燃料水池90水位逐渐降低。水位低于一定值后，位于冷凝水回流管4出口的浮球阀自动打开，冷凝水回流管4内预装含硼水流入乏燃料水池90，形成凝汽式低压汽轮机2出口的负压并带动厂房内蒸汽吸入凝汽式低压汽轮机2并带动其运行。

非能动冷却系统启动后，蒸汽驱动凝汽式低压汽轮机2汽轮机转子21并输出轴功，汽轮机转子21输出的轴功通过传动装置23直接驱动轴流风机24，其一方面增大蒸汽循环流量及维持凝汽式低压汽轮机2的前后压差；另一方面增大风冷凝汽器22内侧冷却空气流动速率以提高蒸汽冷凝速率及换热功率。降温降压后的乏汽流过置于风冷凝汽器22并发生冷凝，冷凝水流入置于底部的冷凝水收集箱25进行收集，泠凝水通过冷凝水回流管流回乏燃料水池，以维持乏燃料水池处于淹没水位。

本实施例中的燃料厂房非能动冷却系统，乏燃料水池90内不增加任何部件，因而不会对乏燃料正常贮存造成任何干扰。非能动冷却系统不会自发启动，且不会造成池水误排放，因而完全不干扰燃料厂房正常运行；而在事故后提供长期高效的衰变热移除机制，确保乏燃料处于安全水平。

本发明所提供的安全壳及燃料厂房非能动冷却系统，具有如下有益效果：

第一、安全壳/乏燃料水池内产生蒸汽引发安全壳/燃料厂房内压力上升，触发控制阀启动非能动冷却系统，蒸汽经由蒸汽进气管进入凝汽式低压汽轮机并驱动汽轮机转子做功，降温降压后的乏气流经由风冷凝汽器发生冷凝，泠凝水通过冷凝水回流管流回安全壳/乏燃料水池，完全非能动设计，无需额外冷源，不依赖外部动力，有效提高安全壳及燃料厂房非能动冷却系统的安全性和经济性。

第二、凝汽式低压汽轮机能够集中利用安全壳及燃料厂房事故后所产生蒸汽输出轴功，通过传动装置直接利用汽轮机输出轴功提高管内蒸汽和冷却空气流动速率，强化换热效果；翅片式风冷凝汽盘管，能够利用外界空气对蒸汽进行冷凝，无需额外冷源。

第三，结构合理，对于燃料厂房，乏燃料水池不增加任何设施，不干扰乏燃料组件贮存；安全壳或燃料厂房发生冷却丧失事故后系统才投入启动，不干扰正常运行，对安全壳及燃料厂房现有结构影响较小。