通过蒸汽发生器从压水反应堆中非能动除热的系统

摘要

本发明总体涉及核能领域，更具体地涉及通过蒸汽发生器从压水反应堆非能动除热的系统，该系统设计成用于通过冷却剂(水)在系统内回路中的自然循环来冷却反应堆。技术结果是除热效率、冷却剂在回路中的流动稳定性且因此系统的运行可靠性提高。该非能动除热系统包括至少一个用于冷却剂(水)循环的回路，其包括蒸汽发生器和在冷却水存储箱中位于蒸汽发生器上方的区段式热交换器，所述热交换器通过入口管道和出口管道连接到蒸汽发生器。热交换器包括通过热交换管互相连接的上集管和下集管；出口管道上安装有具有不同流面积的启动阀。另外，热交换器根据条件L/D≤20被分成平行的区段，其中L是半区段(即，区段的一半)长度，D是集管的孔径。循环回路的入口管道和出口管道段的一部分被配置成一组分支的平行管道，所述平行管道分别连接到热交换器的每个前述区段。

说明书

技术领域

本发明总体涉及核能领域，更具体地涉及通过蒸汽发生器从压水反应堆非能动除热的系统(SG PHRS)，该系统被设计成用于通过冷却剂(水)在系统回路中的自然循环来冷却反应堆。

背景技术

根据本发明的背景，存在许多类似的解决方案，其公开了非能动除热系统的不同配置。

公开日为2008年11月27日、国际分类号为G21C15/18的俄罗斯实用新型专利RU78600公开了一种包括蒸汽线路和水线路、冷凝器-蒸发器以及直流式蒸汽发生器的应急除热系统。此外，供水箱与冷凝器-蒸发器并行地连接到蒸汽线路和水线路上，所述供水箱相对于冷凝器-蒸发器定位成使得供水箱的顶部低于冷凝器-蒸发器工作表面的顶部。

公开日为2006年3月10日、国际分类号为G21C15/18的俄罗斯实用新型专利RU52245描述了一种非能动式反应堆冷却系统，其包括位于排放管中的水热交换器和空气热交换器。空气热交换器包括安装在排放管中的喷射器，由水热交换器产生的蒸汽是喷射器工作介质。

与所要求保护的本发明最接近的类似物是在公开日为2010年7月20日、国际分类号为G21C15的俄罗斯实用新型专利RU96283中公开的通过蒸汽发生器从压水反应堆非能动除热的系统。该系统包括冷却剂循环回路，该冷却剂循环回路包括通过入口管道和出口管道与在蒸汽发生器上方安装的位于冷却剂供给箱内的热交换器连接的蒸汽发生器。包括具有不同标称孔径的两个启动阀的启动装置安装在热交换器的出口管道上。热交换器表面积满足以下标准：

其中Q_phrs＝G_steam·r是系统输出，

G_steam是循环回路入口处的蒸汽流量，

r是蒸汽生热，

K_he是通过热交换器管道的热传递系数，

Δt_he是核反应堆内容物饱和温度与大气压下饱和温度之间的差。

然而，所述设计不能提供足够的系统除热。此外，在已知系统的热交换回路中，可能发生水锤现象。

发明内容

本发明的目的是产生一种高效可靠的通过蒸汽发生器除热的系统。

本发明的技术结果是提高了除热效率、回路中的流动稳定性和因此系统运行可靠性。

所述技术结果通过以下内容实现：通过蒸汽发生器从压水反应堆非能动除热的系统包括至少一个冷却剂(水)循环回路，所述冷却剂(水)循环回路包括蒸汽发生器和在冷却水供给箱中且位于蒸汽发生器上方的分段式热交换器，所述热交换器通过入口管道和出口管道连接到蒸汽发生器。热交换器包括通过热交换管相互连接的下集管和上集管，在出口管道上安装有具有不同标称孔径的启动阀，并且热交换器基于以下设定被分成平行的区段：

L/D≤20，其中

L是半区段(区段的一半)长度，

D是区段集管孔径，

并且循环回路的入口管道和出口管道段被设计为一组分支的平行管道，所述平行管道分别连接到每个上述热交换器区段。

上述技术效果也在本发明的具体可选方案中由于以下内容而实现：

-热交换器被设计成使得热交换器管中的压力损失ΔР_tube与沿着上集管长度的压力损失ΔР_head的关系满足以下标准：

ΔP_tube/ΔР_head≥1.5,

-入口管道的从公共线路分支点到顶部的至少一部分具有相对水平线至少10°角的向上倾斜，

-入口管道从公共线路分支点到顶部包括相对水平线以小于10°角向上倾斜的区段，其长度L_sec1和直径D_sec1满足以下标准：L_sec1/D_sec1≤10，

-入口管道的从顶部到热交换器上集管的至少一部分具有相对水平线至少10°的向下倾斜，

-入口管道从顶部到热交换器上集管具有相对水平线以小于10°角向下倾斜的区段，其长度L_sec2和直径D_sec2满足以下标准：L_sec2/D_sec2≤10，

-出口管道的从热交换器下集管到接入公共线路的分支接入点的至少一部分具有相对水平线至少10°的向下倾斜，

-出口管道从热交换器下集管到接入公共线路的分支接入点具有相对于水平线以小于10°角向下倾斜的区段，其长度L_sec3和直径D_sec3满足以下标准：L_sec3/D_sec3≤10，

-入口管道的顶点位于冷却水供给箱的外部，

-热交换器区段具有以交错位置成排布置的热交换管，

-热交换器区段中任何相邻的热交换管之间的最小间距为50mm，

-热交换器区段中的热交换管具有相对水平线以至少10°角向下倾斜的区段，

-该系统包括四个独立的通道，每个通道包含一个所述循环回路。

实验表明，上述系统参数关系提供了最有效的从蒸汽发生器的除热，这是由于系统的入口管道和出口管道的优化设计、各热交换器区段的单独的冷却剂供给和移除，半区段长度和热交换器集管孔径之间系数最佳地最小化以及热交换器管的最佳相对定位。

半区段长度与热交换器集管的孔径的相互关系被选择成使热交换器管中冷却剂流动分布的不均匀性最小化，即减少所谓的“集管效应”。管道中流的均匀分布是改善能源效率和热交换器性能的主要条件之一。用于改善集管热交换器通道之间的冷却剂分布的方法之一是减小集管中的介质流的压力损失。这通过在装置制造工艺能力和其它设计特征范围内减少集管长度并增加其孔径来实现。对于满足L/D≤20标准的集管，沿集管长度的压力损失最小，冷却剂流在热交换器管中的分布最均匀。当超出所述标准时，热交换器通道之间的介质分布的均匀性降低，这导致冷却剂质量流量不稳定以及因此降低的热交换器热输出。

附图说明

本发明的设计由附图示出，其中：

图1示出了冷却水循环回路设计，

图2示出了入口管道和出口管道到热交换器区段的连接点的设计，

图3示出了热交换器区段的设计，

图4示出了在发生事故的情况中当反应堆设备冷却时，计算的(I)和实验的(II)蒸汽发生器中的压力、热交换器热输出和SG PHRS回路中的冷却剂流量随时间的变化，

图5示出了在事故发生的情况中当反应堆设备冷却时，堆芯上方的压力、堆芯出口处的冷却剂温度、系统通道容量和燃料元件包层的最高温度随时间的变化。

具体实施方式

所要求保护的系统是冷却剂(水)循环回路的组合。在本发明的优选实施例中，所要求保护的系统由四个完全独立的通道组成，每个通道包括一个这样的循环回路。

循环回路(图1)包括蒸汽发生器(1)和位于蒸汽发生器(1)上方且在冷却水供给箱(3)内的分段式热交换器(2)。热交换器(2)的区段通过入口管道(4)和出口管道(5)连接到蒸汽发生器(1)，使得热交换器(2)的内部空间连接到蒸汽发生器(1)的蒸汽空间，即系统循环回路在其内部空间中封闭。

热交换器被分成十六个平行的热交换区段，每个热交换区段包括两个半区段(见图2、3)。区段中的半区段长度(L)和集管孔径(D)之间的关系应满足以下标准：L/D≤20。

热交换器(2)的区段(图3a和3c)包括通过热交换管(8)以及上T形件(9)和下T形件(10)互相连接的上集管(6)和下集管(7)，所述T形件安装在所述集管上以用于连接入口管道(4)和出口管道(5)。

在优选实施例中，管(8)具有弯曲的端部区段(与集管连接)和直的中心区段。弯曲区段具有相对于水平线至少10°的向下倾斜。该区段包括具有不同弯曲构型的两种类型的管(8)：“短”管(8a)和“长”管(8b)(图3b)。上述管是交替的，提供了成排的热交换管的交错布置。

在本发明的用于列宁格勒-2NPP的具体实施例中，热交换区段在箱(3)下部中的水位(H＝5.8m)下方。每个区段的热交换束由140个外/内径为16/12mm的弯管组成，这些弯管通过具有108/90mm外/内径的上入口集管和下出口集管连接。上集管和下集管的半区段的长度为960mm。任何相邻的热交换管之间的最小间距为50mm。集管之间的距离为1.95m，区段管平均长度为2.124m。每个区段的传热面积为14.1m²。因此，所述设计的该具体实施例每一系统通道具有239m²的总传热表面面积。

入口管道(4)到分支点的主要部分的外/内径为273/233mm，分支点之后的出口管道(5)的主要部分的外/内径为108/90mm。

为了消除十六个平行的热交换区段运行期间的集管效应，系统设计成没有共同的(总的)分布和收集集管。为此，循环回路的入口管道(4)和出口管道(5)区段被设计为一组分支的平行管道，所述平行管道分别连接到每个热交换区段(见图1)。每个热交换区段具有作为来自入口管道(4)的区段(14)的单独连接部和作为通到出口管道(5)的区段(15)的单独连接部(图2)。上述区段(14)和(15)在将热交换器区段分成所述两个半区段的中心点处连接到集管(6)和(7)(见图2、3)。

在本发明的优选实施例中，入口管道(4)具有将管道(4)分成两个分支的顶部分支点(11)，每个分支进一步分成两个分支等。因此，入口管道被分割成16个分支，每个分支连接到相关区段的上T形件(9)。入口管道的顶点位于冷却水供给箱外。共同形成16个热交换器区段中的每一个区段的两个热交换器半部连接到上T形件(9)和下T形件(10)。

具有下分支点(12)的出口管道(5)具有类似的分支，其分支连接到各区段的下T形件(10)。

热交换器管中的压力损失ΔР_tube与沿上集管长度的压力损失ΔР_head之间的关系满足以下标准：

ΔР_tube/ΔР_head≥1.5。

从公共线路分支点到顶点的入口管道具有相对水平线的向上倾斜和在顶点与热交换器上集管之间的区段中的向下倾斜。出口管道也具有向下倾斜。管道倾斜角至少为10°。除了某些倾斜多于10°的管道区段，它们的长度L_sec和直径D_sec之间的关系满足标准：L_sec/D_sec≤10。

在出口管道(5)上平行安装具有不同标称孔径的两个启动阀(13)：“大”和“小”。这些阀在相关冷却模式下提供系统的自动启动。在待机模式下，启动阀关闭。

在本发明的具体实施例中，具有DN50的标称孔径的“小”启动阀安装在通过T形件连接到主下水管道的57×5.5mm旁路管路上。手动控制阀安装在旁路管路上“小”阀的下游，以用于控制冷凝流。电磁阀用作“小”启动阀。该阀是常开的。

具有DN100标称孔径的“大”起动阀安装在旁路管路与“小”阀连接点之间的管道上。类似地，手动控制阀安装在区段上以用于控制冷凝流。电动阀被用作“大”阀。该阀是常闭的。根据来自APCS(自动过程控制系统)的信号，“大”阀自动打开。在箱中的水温30℃时在“大”阀打开的情况中，一个SG PHRS通道的最大容量约为52MW。当“小”阀在类似条件下运行时，容量约为28MW。

系统以以下方式运行。

为了开始运行，启动阀(13)之一被打开。这启动了自然冷却剂循环回路，蒸汽从蒸汽发生器(1)的蒸汽空间通过入口管道(4)被供给到热交换器区段(2)。蒸汽在热交换器中冷凝，并且所产生的冷凝物通过出口管道(5)排放到蒸汽发生器(1)。当蒸汽在热交换器(2)管道内冷凝时，热能从循环回路冷却剂传递到箱(3)中的冷却水。在冷却水被加热到沸腾水平之后，从箱内的水体积产生蒸汽，然后蒸汽被释放到环境中。因此，热从蒸汽发生器移除到环境中。

为了对所提出的SG PHRS设计的操作性和效率进行实验证明，在NPO CKTI处的SGPHRS大型台上进行了广泛的研究。模型与全尺寸装置的体积和容量相似系数约为1:110。

图4显示了在发生电力装置断电事故的情况下反应堆设备冷却的模拟研究结果，显示了蒸汽发生器模型中的压力(a)、热容量(b)和冷却剂流量(c)随模拟事故过程时间的关系。线I显示使用KORSAR码计算的值，线II显示实验数据。

研究的计算和实验结果表明，所要求保护的系统可靠地除热而无冷却剂质量流量和温度扰动，并提供了稳定的蒸汽发生器压力降低。在设备启动和冷却时没有水锤效应。此外，实验和计算数据相当地一致。

图5显示了电力装置长期断电达24小时的超过设计基准的事故的计算结果，显示了上述芯部压力(а)、芯部出口冷却剂温度(b)、SG PHRS通道容量(c)和最大燃料元件包层温度(d)随事故行进时间的关系。

如计算和实验证明所证实的，具有所述参数的所要求保护的系统在系统起作用时在所有反应器设备事故模式下提供蒸汽发生器除热期间稳定的自然冷却剂循环。

因此，所要求保护的系统在所有考虑的事故模式中提供了反应堆设备的有效且可靠的冷却。在涉及电力装置断电和供水完全失效的事故期间，系统的应用确保了在事故开始后24小时内反应堆设备的自持运行。