利用堆芯余热提高核动力系统自然循环能力的系统及方法与流程

本发明涉及核动力系统中自然循环能力研究技术领域，具体涉及到一种利用堆芯余热提高核动力系统自然循环能力的系统及方法。

背景技术：

自然循环系统不需要外部能量，依靠自身的重力差就可以将热源的热能转移到热阱。由于有着这一特点，自然循环系统被用来在事故后场外电源丧失情况下排出堆芯的余热。然而，自然循环系统一个主要缺陷就是弱驱动力。弱驱动力将会导致低的传热能力、系统设计方面的约束和功能失效。在事故情况下，堆芯的余热，例如乏燃料水池中的衰变热，如果仅依靠于原有的弱自然循环能力来排除水池中的热量是远远不足的，乏燃料释放的衰变热将在乏燃料水池内积累，乏燃料水池温度升高，然而水池温度必须符合核电厂技术规范限值，任何情况下乏燃料水池水温不能超过60℃。

弱驱动力是自然循环系统的一个主要缺陷，故而很多设计工作都是基于这一点开展的。例如，在自然循环系统的设计中，通常会要求采取措施来减小流动阻力，如减小水平管道的长度，以保证回路的流量。由于弱驱动力，自然循环系统的流量通常较低，因此换热系数和单通道换热功率也较低。为保证系统的换热量，自然循环系统换热部件的体积通常较大，造成空间设计上的问题。此外，研究人员还提出了一些措施来改善系统的换热能力，如增加回路高度差、增大换热器的换热面积。这些方法重心放在修正物理回路的几何结构，因此，这些方法在实际中会在一定程度上被空间的可用性所限制。自然循环系统的性能不能从根本上得到改善。

现有的改善方法都是着眼于自然循环系统的现象、几何结构和物性参数，却没有将目光放在能量利用方面。采用一些设计改进措施，确实可以从一定程度上来改善系统的流动、换热、所允许的最大功率等性能但是，自然循环系统弱驱动力的问题没有得到根本上的解决。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种利用堆芯余热提高核动力系统自然循环能力的系统及方法，来从提高能量利用的角度增强自然循环系统的驱动力，从而提高自然循环系统能力。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用堆芯余热提高核动力系统自然循环能力的系统，其特征在于：所述系统是基于核动力系统中的堆芯余热为热源来构建，由堆芯余热模块1、温差发电回路模块2、性能提升器模块3、热阱模块4及相关管道和仪表组成；

所述温差发电回路模块2包括第一换热器201、分离器202、泄压阀203、汽轮机204、发电机205、吸收器206、冷凝器207、小型电动泵208、氨储液罐209、氨泵210、第一回热器211和第二回热器212；堆芯余热模块1的冷却水出口连接第一换热201管侧入口，冷却水在堆芯余热模块1中被加热，经过管道流进下游的第一换热201管侧，第一换热器201的壳侧入口与第二回热器212的管侧出口相连，壳侧出口与分离器202的入口相连；分离器202的氨气出口通过泄压阀203与汽轮机204相连，推动汽轮机204做功，贫氨溶液出口与第一回热器211壳侧贫氨溶液入口相连，贫氨溶液进入第一回热器211，加热从氨储液罐209来的基本溶液；汽轮机204产生的机械能进而传递给发电机205，实现机械能到电能的转化；汽轮机204的氨气出口与第二回热器212壳侧氨气入口相连，汽轮机204的乏汽出口、第二回热器212壳侧氨气出口以及第一回热器211壳侧贫氨溶液出口均与吸收器206的入口相连，吸收器206的出口与冷凝器207的入口相连，冷凝器207出口与氨储液罐209入口相连，氨储液罐209出口通过氨泵210与第一回热器211管侧入口相连，第一回热器211管侧出口与第二回热器212管侧入口相连，第二回热器212管侧出口与第一换热器201壳侧入口相连；

所述性能提升器模块3包括电动泵301，和电动泵301并联的止回阀302；所述热阱模块4第二换热器401和冷却水箱402；第一换热器201管侧冷却水出口与电动泵301冷却水入口相连，冷却水在电动泵301中加压，来克服回路中的重力差和摩擦阻力，从而促进回路内水的循环流动和换热；在发生卡泵事故时，止回阀302用来防止回路内流动的停止；电动泵301冷却水出口与第二换热器401管侧冷却水入口相连，第二换热器401管侧冷却水出口与堆芯余热模块1的冷却水入口相连，第二换热器401壳侧与冷却水箱402相连。

所述利用堆芯余热提高核动力系统自然循环能力的系统的运行方法，冷却水在堆芯余热模块1中经加热，随后通过管道流经下游温差发电回路模块2中的第一换热器201管侧，第一换热器201将管侧热量传递给壳侧中的氨—水混合物工作介质，混合工质在第一换热器201壳侧中加热，加热后的混合物在下游的分离器202中进行分离，氨气在分离器202腔室内积累，使得腔室内压力持续上升。当蒸汽压力达到第一换热器201壳侧的压力设定值时，分离器202下游的泄压阀203打开，产生的蒸汽进入下游的汽轮机204，推动汽轮机204的运转，汽轮机204连接的发电机205产生电能。其中一部分氨气从汽轮机204中出来经过下游的第二回热器212将基本溶液加热到饱和；从分离器202中出来的贫氨溶液，在下游的第一回热器211中加热从氨储液罐209来的基本溶液。

从汽轮机204出来的乏汽、第二回热器212出来的氨气以及第一回热器211出来的贫氨溶液都流进吸收器206，得到汇集。汇集之后流入下游的冷凝器207，在冷凝器207中被冷却水经过小型电动泵208升压冷凝，从冷凝器207出来的基本溶液流入下游的氨储液罐209中，经过下游的氨泵210加压，依次经过第一回热器211、第二回热器212后，流入第一换热器201壳侧完成循环。该温差发电回路模块2主要特点是第一回热器211在第二回热器212的上游，这样可以使基本溶液更多的吸收贫氨溶液的热量，可以节省下来的氨气更多的通过汽轮机204做功，使系统的效率得到提高。二是采用间接的第一回热器211，这是由于主要考虑系统氨储液罐209尺寸较大，采用间接循环可以节省占地面积，同时考虑到氨泵209的扬程可以得到较好的匹配。

从第一换热器201管侧出来的冷却水经过下游的电动泵301，电动泵301提供额外的驱动力来克服回路中的重力差和摩擦阻力等，从而促进回路内水的循环流动和换热，同时，考虑到系统可靠性的问题，在性能提升器模块3内设置了一个并联于电动泵301的止回阀302，在发生卡泵等事故时，用来防止回路内流动的停止。下游的第二换热器401将管侧中的剩余热量通过壳侧中低温冷却水排到冷却水箱402，冷却水箱402充当回路热阱作用，从第二换热器401管侧出来的冷却水又重新回到堆芯余热模块1，如此反复，完成循环。该系统中所需要电能的设备，如小型电动泵208、氨泵210、电动泵301等，其能量都由发电机205提供，所以，整个回路不需要引入外部的能量，在保证了自然循环系统非能动的基础上，还通过电动泵301提升了系统的驱动力，从而提高了自然循环能力。

和现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1、本发明的一种利用堆芯余热提高核动力系统自然循环能力的系统，是针对核动力系统的自然循环，本发明不引入外部能源，保持自然循环非能动的特性，提高自然循环的能力，通过对原来系统改造，就可以实现本发明的应用；

2、本发明所述的一种利用堆芯余热提高核动力系统自然循环能力的系统，相比于现有的自然循环系统，在动力转换效率、传热能力、驱动压差方面都大大增强，同时，也减少了对回路高度的依赖，提高了系统设计的灵活性；

3、本发明所述的一种利用堆芯余热提高核动力系统自然循环能力的系统，在系统设计方面采用先进循环，采用了贫氨溶液回热循环和氨气回热循环，使得整个自然循环系统的效率得到极大的提升，有效地减少设备占用面积；

4、本发明所述的一种利用堆芯余热提高核动力系统自然循环能力的系统，具有很大的扩展性，在实际核动力系统中，也可以将温差发电回路改成热电转换材料产生电能，在核动力系统中更加灵活的运用，以便适应不同情况。

附图说明

图1为本发明一种利用堆芯余热提高核动力系统自然循环能力的系统整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细的说明：

如图1所示，本发明一种利用堆芯余热提高核动力系统自然循环能力的系统，所述系统是基于核动力系统中的堆芯余热为热源来构建，由堆芯余热模块1、温差发电回路模块2、性能提升器模块3、热阱模块4及相关管道和仪表组成；所述的温差发电回路模块2中主要包括第一换热器201、分离器202、泄压阀203、汽轮机204、发电机205、吸收器206、冷凝器207、小型电动泵208、氨储液罐209、氨泵210、第一回热器211和第二回热器212；性能提升器模块3中主要包括电动泵301和止回阀302；热阱模块4中主要包括第二换热器401和冷却水箱402。

整个系统的四部分模块由管道连接，实际使用时，不需要特殊的高度差来安置整个系统，系统可以安排得更加紧凑。系统运行初，冷却水在堆芯余热模块1中被加热，经过管道流进下游的第一换热201管侧，第一换热器201的壳侧入口与第二回热器212的管侧出口相连，壳侧出口与分离器202的入口相连。第一换热器201内的换热导致低沸点氨水混合物的沸腾和蒸汽的产生，工质进入到分离器202中，分离器202出口分别与泄压阀203和第一回热器211相连，分离出氨气和贫氨溶液，氨气在分离器202腔室内积累，使得腔室内压力持续上升。由于分离器202出口与泄压阀203相连，当压力达到整定值时，泄压阀203打开，氨气进入与泄压阀203出口相连的汽轮机204，推动汽轮机204做功；而贫氨溶液则进入第一回热器211，加热从氨储液罐209来的基本溶液。汽轮机204产生的机械能进而传递给发电机205，实现机械能到电能的转化。汽轮机204出口与第二回热器212和下游的吸收器206相连，从汽轮机204出来的一部分氨气经过第二回热器212将基本溶液加热到饱和，其余部分则进入吸收器206。吸收器206吸收来自汽轮机204、第一回热器211和第二回热器212的工质，并且连接下游的冷凝器207，将这些工质排进冷凝器207。在冷凝器207中，这些工质得到冷凝，其中小型电动泵208为冷却水升压来持续冷凝器207中的工质。从冷凝器207中出来的工质全部排入到下游的氨储液罐209中，再经过下游的氨泵210升压，工质依次流经第一回热器211经贫氨溶液加热、第二回热器212经氨气加热，最终流回第一换热器201壳侧入口，整个温差发电回路模块2完成循环。

冷却水在经过第一换热器201管侧出来后，则会受到性能提升器模块3中的电动泵301的加压，来克服回路中的重力差和摩擦阻力等，从而促进回路内水的循环流动和换热，同时，考虑到系统可靠性的问题，在电动泵301处并联了止回阀302，在发生卡泵等事故时，用来防止回路内流动的停止。

从电动泵301出来的冷却水则是流入了下游的第二换热器401管侧，第二换热器401壳侧与冷却水箱402相连，第二换热器401和冷却水箱402组成了整个系统的热阱模块4。从第二换热器401管侧出来的冷却水再经由管道回到堆芯余热模块1，整个系统完成循环。