一种非能动余热排出系统及方法与流程

1.本发明核动力装置余热排出技术，具体涉及一种非能动余热排出系统及方法。


背景技术：

2.船用核动力装置非能动余热排出系统的主要功能是在事故后紧急停堆时，将堆芯热量持续排出，确保核动力装置的安全；非能动余热排出系统属于核动力装置的重要安全系统。常规设计的非能动余热排出系统，基于密度差和高位差驱动流体自然循环，大多数仅依赖于水冷带走热量，因此对水装量要求较大，占用较多的总体资源，尤其是船舶空间及重量有限。并且，单纯采用水冷排出余热的方法灵活性差。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种空冷-水冷非能动余热排出系统及方法，旨在通过构建空冷-水冷的综合冷却方式为最终热阱，兼顾空冷长期冷却和水冷快速冷却的优势，提高余热排出系统的灵活性。
4.本发明采用的技术方案为：一种非能动余热排出装置，包括冷却剂管路、蒸汽发生器、主泵、反应堆、水冷系统和空冷系统；
5.所述蒸汽发生器的热源通道和主泵串联在冷却剂管路上并形成回路，冷却剂管路穿过反应堆，通过冷却剂管路内的冷却剂将反应堆的堆芯热量排出；
6.所述水冷系统的出口端与蒸汽发生器的凝水管路连通，水冷系统的入口端与蒸汽发生器的蒸汽管路连通；
7.所述空冷系统的出口端与蒸汽发生器的凝水管路连通，空冷系统的入口端与蒸汽发生器的蒸汽管路连通。
8.按上述方案，所述水冷系统包括水冷热管路、水冷换热器、冷却水箱和水冷冷管路，所述水冷热管路的入口端与蒸汽发生器的蒸汽管路连通，水冷热管路的出口端与水冷换热器的热源入口连通，水冷换热器的热源出口端与水冷冷管路的入口端连通，水冷冷管路与蒸汽发生器的凝水管路连通；所述水冷换热器设于冷却水箱内，且浸没于冷却水中。
9.按上述方案，所述水冷热管路上沿流体流动方向依次配置有水冷热管段调节阀和水冷热管段安全阀；所述水冷冷管路上配置有水冷冷管段调节阀。
10.按上述方案，所述空冷系统包括空冷热管路、空冷换热器、冷却塔和空冷冷管路，所述空冷热管路的入口端与蒸汽发生器的蒸汽管路连通，空冷热管路的出口端与空冷换热器的热源入口连通，空冷换热器的热源出口与空冷冷管路的入口端连通，空冷冷管路的出口端与蒸汽发生器的凝水管路连通；所述空冷换热器设于冷却塔内，冷却塔的下端设有进气通道，冷却塔的上端设有排气通道。
11.按上述方案，所述空冷热管路上沿流体流动方向依次配置有空冷热管段调节阀和空冷热管段安全阀；所述空冷冷管路上配置有空冷冷管段调节阀。
12.按上述方案，所述冷却水箱内置于冷却塔内，冷却水箱上部开口。
13.按上述方案，在反应堆与蒸汽发生器之间的冷却剂管路上配置有稳压器。
14.按上述方案，所述空冷换热器和水冷换热器均为c型管换热器。
15.本发明还提供了一种基于如上所述系统的非能动余热排出方法，该方法为：
16.当船舶在赤道海域航行、反应堆停堆时，仅启动水冷系统，将反应堆的堆芯余热排出：水冷冷管段调节阀、水冷热管段调节打开，反应堆1产生衰变热，冷却剂将衰变热传递给蒸汽发生器二次侧，产生的蒸汽经进入水冷换热器，将热量传递给冷却水箱的冷却水后，蒸汽冷凝成水；凝水经凝水管路返回至蒸汽发生器的给水口；冷却水箱的水吸热蒸发带走热量，湿蒸汽经由冷却塔的排气通道排出；诵
17.当船舶在高纬度海域航行、反应堆停堆时，仅启动空冷系统，将反应堆的堆芯余热排出：空冷冷管段调节阀、空冷热管段调节阀打开，反应堆产生衰变热，冷却剂将衰变热传递给蒸汽发生器二次侧，产生的蒸汽进入空冷换热器，将热量传递给冷却塔内的冷空气后，蒸汽冷凝成水；凝水返回至蒸汽发生器给水口；冷空气通过进气通道进入冷却塔，对空冷换热器内的高温蒸汽进行冷却，吸热后的热空气通过排气通道排出冷却塔；
18.当单独开启空冷系统或水冷系统无法满足排热要求时，同时启动水冷系统和空冷系统，将反应堆的堆芯余热排出：反应堆停堆后，空冷冷管段调节阀、空冷热管段调节阀、水冷冷管段调节阀、水冷热管段调节均打开，反应堆产生衰变热，冷却剂将衰变热传递给蒸汽发生器二次侧，产生的蒸汽经分两路：一路进入空冷换热器，将热量传递给冷却塔内的冷空气后，冷凝成水；另一路进入水冷换热器，将热量传递给冷却水箱的水后，冷凝成水；两路凝水汇集后返回至蒸汽发生器给水口。
19.按上述方案，在反应堆停堆10小时以内，反应堆的堆芯需导出的热量大，调节水冷热管段调节阀和空冷热管段调节阀阀门开度，增大通过水冷换热器的蒸汽流量占比，减小通过空冷换热器的蒸汽流量占比；在反应堆停堆10小时以后，调节水冷热管段调节阀和空冷热管段调节阀阀门开度，通过水冷换热器的蒸汽流量占比逐渐降低，通过空冷换热器的蒸汽流量比例逐渐增大，当冷却水箱内的水全部蒸发完成后，由空冷系统排热。
20.本发明的有益效果为：
21.1、本发明通过设计蒸汽发生器二次侧的蒸汽排放，并构建空冷-水冷的综合冷却方式为最终热阱，船舶航行至高温海域和极地海域时，当核动力装置需要余热导出或者发生全部电源丧失事故能动系统不能有效运行等情况下，可不需依赖外部能量和运行操作人员，均能实现堆芯热量安全、可靠、长期导出，确保船用核动力装置安全；本发明兼顾空冷长期冷却和水冷快速冷却的优势，根据实际排热需要对空冷系统和水冷系统的蒸汽流量进行调节，这一设计可优化减小空气冷却塔体积和冷却水箱的体积，提升系统运行的稳定性、安全性、可靠性和灵活度。
22.2、本发明采用水与空气相结合的非能动余热排出方式实现堆芯冷却，其中蒸汽发生器产生的蒸汽可通过水冷c型管换热器将热量传递给冷却水箱内的水，水通过蒸发带走热量，也可通过空冷c型管换热器将热量传递给空气冷却塔内空气，空气在空气冷却塔间通过温差实现自然循环。
23.3、本发明中，根据环境温度条件，采用能耗控制方法，合理分配进入水冷c型管换热器和空冷c型管换热器的蒸汽流量，达到最大的换热效率，实现当前环境温度下堆芯热量的快速导出。具体地，空冷-水冷非能动余热排出系统可实现堆芯的长期冷却，系统启动初
始阶段对冷却能力需求较大，此阶段冷却水箱内的水能够满足对应时刻的热量导出需求，随着时间的推移，冷却能力需求逐渐降低，冷却水箱内的水位亦逐渐降低，冷却水产生的余热排出能力相应降低，并最终由空气冷却保障长期冷却效果。
附图说明
24.图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
25.其中，1—反应堆，2—蒸汽发生器，3—稳压器，4—主泵，5—水冷换热器，6—空冷换热器，7—冷却塔，8—冷却水箱，9—进气通道，10—排气通道，11—水冷冷管段调节阀，12—空冷冷管段调节阀，13—水冷热管段安全阀，14—水冷热管段调节阀，15—空冷热管段安全阀，16—空冷热管段调节阀。
具体实施方式
26.为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
27.如图1所示的一种非能动余热排出装置，包括冷却剂管路、蒸汽发生器2、主泵4、反应堆1、水冷系统和空冷系统，
28.所述蒸汽发生器2的热源通道和主泵4串联在冷却剂管路上并形成回路，冷却剂管路穿过反应堆1，通过冷却剂管路内的冷却剂将反应堆1的堆芯热量排出；
29.所述水冷系统的出口端与蒸汽发生器2的凝水管路连通，水冷系统的入口端与蒸汽发生器2的蒸汽管路连通；
30.所述空冷系统的出口端与蒸汽发生器2的凝水管路连通，空冷系统的入口端与蒸汽发生器2的蒸汽管路连通。
31.本发明中，所述反应堆1堆芯的热量通过冷却剂传递至蒸汽发生器2，与蒸汽发生器2二次侧的水换热后回流至反应堆1内再次吸热，将热量带出；蒸汽发生器2二次侧的水吸热后产生蒸汽，蒸汽经蒸汽管路流入所述水冷系统和空冷系统，分别与水冷系统与空冷系统的冷却水和冷空气换热冷凝，凝水经凝水管路进入蒸汽发生器2；冷却水和冷空气最终排出反应堆1的堆芯余热。
32.优选地，所述水冷系统包括水冷热管路、水冷换热器5、冷却水箱8和水冷冷管路，所述水冷热管路的入口端与蒸汽发生器2的蒸汽管路连通，水冷热管路的出口端与水冷换热器5的热源入口连通，水冷换热器5的热源出口端与水冷冷管路的入口端连通，水冷冷管路与蒸汽发生器2的凝水管路连通；所述水冷换热器5设于冷却水箱8内，且浸没于冷却水中。
33.本发明中，所述水冷换热器5为c型管换热器。蒸汽发生器2的凝水管路与蒸汽发生器2的给水口相连。
34.优选地，所述水冷热管路上沿流体流动方向依次配置有水冷热管段调节阀14和水冷热管段安全阀13；所述水冷冷管路上配置有水冷冷管段调节阀11。
35.本发明中，水冷热管段安全阀13用于水冷热管路的蒸汽超压保护。
36.优选地，所述空冷系统包括空冷热管路、空冷换热器5、冷却塔7和空冷冷管路，所述空冷热管路的入口端与蒸汽发生器2的蒸汽管路连通，空冷热管路的出口端与空冷换热器5的热源入口连通，空冷换热器5的热源出口与空冷冷管路的入口端连通，空冷冷管路的
出口端与蒸汽发生器2的凝水管路连通；所述空冷换热器5设于冷却塔7内，冷却塔7的下端设有进气通道9，冷却塔7的上端设有排气通道10。
37.本发明中，所述空冷换热器5为c型管换热器。
38.优选地，所述空冷热管路上沿流体流动方向依次配置有空冷热管段调节阀16和空冷热管段安全阀15；所述空冷冷管路上配置有空冷冷管段调节阀12。
39.本发明中，空冷热管段安全阀15用于空冷热管段蒸汽超压保护。
40.优选地，所述冷却水箱8内置于冷却塔7内，冷却水箱8上部开口，冷却水箱8中的水吸热蒸发，经冷却塔7顶部的排气通道排出。
41.优选地，在反应堆1与蒸汽发生器2之间的冷却剂管路上配置有稳压器3。
42.反应堆1正常运行时，反应堆1产生热量，主泵4用于驱动冷却剂流动，将热量传递给蒸汽发生器2二次侧产生蒸汽，水冷冷管段调节阀11、空冷冷管段调节阀12、水冷热管段调节14、空冷热管段调节阀16均保持关闭。当反应堆1停堆后，采用如下方法将余热排出。
43.一种基于如上所述系统的非能动余热排出方法，该方法为：
44.当船舶在赤道海域航行、反应堆1停堆时，仅启动水冷系统，将反应堆1的堆芯余热排出；
45.当船舶在高纬度海域航行、反应堆1停堆时，仅启动空冷系统，将反应堆1的堆芯余热排出；
46.当单独开启空冷系统或水冷系统无法满足排热要求时，同时启动水冷系统和空冷系统，将反应堆1的堆芯余热排出。
47.本发明中，当船舶在高温的赤道海域航行、反应堆1停堆时，仅启动水冷系统：水冷冷管段调节阀11、水冷热管段调节14打开，空冷冷管段调节阀12、空冷热管段调节阀16保持关闭，反应堆1将会继续产生衰变热，冷却剂将衰变热传递给蒸汽发生器2二次侧，产生的蒸汽经由水冷热管段调节阀14、水冷热管段安全阀13后，进入水冷换热器5，将热量传递给冷却水箱8的冷却水后，蒸汽冷凝成水；凝水流经水冷冷管段调节阀11后经凝水管路返回至蒸汽发生器2的给水口；冷却水箱8的水吸热蒸发带走热量，湿蒸汽经由冷却塔7的排气通道10排出。
48.当船舶在低温的高纬度海域航行、反应堆1停堆时，仅启动空冷系统：空冷冷管段调节阀12、空冷热管段调节阀16打开，水冷冷管段调节阀11、水冷热管段调节14保持关闭，反应堆1将会继续产生衰变热，冷却剂将衰变热传递给蒸汽发生器2二次侧，产生的蒸汽经由空冷热管段调节阀16、空冷热管段安全阀15后，进入空冷换热器6，将热量传递给冷却塔7内的冷空气后，蒸汽冷凝成水；凝水流经空冷冷管段调节阀12后返回至蒸汽发生器2给水口；冷空气通过进气通道9进入冷却塔7，对空冷换热器6内的高温蒸汽进行冷却，吸热后的热空气通过排气通道10排出冷却塔7。
49.本发明中，当反应堆1停堆，单独开启空冷系统或水冷系统无法满足排热要求时(排热要求满足行业规范设计)，同时启动水冷系统和空冷系统：反应堆1停堆后，空冷冷管段调节阀12、空冷热管段调节阀16、水冷冷管段调节阀11、水冷热管段调节14均打开，此时反应堆1将会继续产生衰变热，冷却剂将衰变热传递给蒸汽发生器2二次侧，产生的蒸汽经分两路：一路经空冷热管段调节阀16、空冷热管段安全阀15后，进入空冷换热器6，将热量传递给冷却塔7内的冷空气后，冷凝成水，凝水流经空冷冷管段调节阀12；另一路经由水冷热
管段调节阀14、水冷热管段安全阀13后，进入水冷换热器5，将热量传递给冷却水箱8的水后，冷凝成水，凝水流经水冷冷管段调节阀11。两路凝水汇集后返回至蒸汽发生器2给水口。
50.同时启动水冷系统和空冷系统时，可通过调节水冷热管段调节阀14和空冷热管段调节阀16阀门开度，来调节进入水冷换热器5和空冷换热器6的蒸汽流量，按排热需求调节排热功率。具体地，在反应堆1停堆初期(也即在停堆10小时以内)，反应堆1的堆芯需导出的热量大，此时冷却水箱8内水位高，调节水冷热管段调节阀14和空冷热管段调节阀16阀门开度，增大通过水冷换热器5的蒸汽流量占比，减小通过空冷换热器6的蒸汽流量占比；在反应堆1停堆的中后期(也即在停堆10小时以后)，调节水冷热管段调节阀14和空冷热管段调节阀16阀门开度，通过水冷换热器5的蒸汽流量占比逐渐降低，通过空冷换热器6的蒸汽流量比例逐渐增大，当冷却水箱8内的水全部蒸发完成后，由空冷系统实现长期排热。
51.以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种非能动余热排出装置，其特征在于，包括冷却剂管路、蒸汽发生器、主泵、反应堆、水冷系统和空冷系统；所述蒸汽发生器的热源通道和主泵串联在冷却剂管路上并形成回路，冷却剂管路穿过反应堆，通过冷却剂管路内的冷却剂将反应堆的堆芯热量排出；所述水冷系统的出口端与蒸汽发生器的凝水管路连通，水冷系统的入口端与蒸汽发生器的蒸汽管路连通；所述空冷系统的出口端与蒸汽发生器的凝水管路连通，空冷系统的入口端与蒸汽发生器的蒸汽管路连通。2.如权利要求1所述的非能动余热排出装置，其特征在于，所述水冷系统包括水冷热管路、水冷换热器、冷却水箱和水冷冷管路，所述水冷热管路的入口端与蒸汽发生器的蒸汽管路连通，水冷热管路的出口端与水冷换热器的热源入口连通，水冷换热器的热源出口端与水冷冷管路的入口端连通，水冷冷管路与蒸汽发生器的凝水管路连通；所述水冷换热器设于冷却水箱内，且浸没于冷却水中。3.如权利要求2所述的非能动余热排出装置，其特征在于，所述水冷热管路上沿流体流动方向依次配置有水冷热管段调节阀和水冷热管段安全阀；所述水冷冷管路上配置有水冷冷管段调节阀。4.如权利要求3所述的非能动余热排出装置，其特征在于，所述空冷系统包括空冷热管路、空冷换热器、冷却塔和空冷冷管路，所述空冷热管路的入口端与蒸汽发生器的蒸汽管路连通，空冷热管路的出口端与空冷换热器的热源入口连通，空冷换热器的热源出口与空冷冷管路的入口端连通，空冷冷管路的出口端与蒸汽发生器的凝水管路连通；所述空冷换热器设于冷却塔内，冷却塔的下端设有进气通道，冷却塔的上端设有排气通道。5.如权利要求4所述的非能动余热排出装置，其特征在于，所述空冷热管路上沿流体流动方向依次配置有空冷热管段调节阀和空冷热管段安全阀；所述空冷冷管路上配置有空冷冷管段调节阀。6.如权利要求5所述的非能动余热排出装置，其特征在于，所述冷却水箱内置于冷却塔内，冷却水箱上部开口。7.如权利要求6所述的非能动余热排出装置，其特征在于，在反应堆与蒸汽发生器之间的冷却剂管路上配置有稳压器。8.如权利要求6所述的非能动余热排出装置，其特征在于，所述空冷换热器和水冷换热器均为c型管换热器。9.一种基于如权利要求6所述系统的非能动余热排出方法，其特征在于，该方法为：当船舶在赤道海域航行、反应堆停堆时，仅启动水冷系统，将反应堆的堆芯余热排出：水冷冷管段调节阀、水冷热管段调节打开，反应堆1产生衰变热，冷却剂将衰变热传递给蒸汽发生器二次侧，产生的蒸汽经进入水冷换热器，将热量传递给冷却水箱的冷却水后，蒸汽冷凝成水；凝水经凝水管路返回至蒸汽发生器的给水口；冷却水箱的水吸热蒸发带走热量，湿蒸汽经由冷却塔的排气通道排出；当船舶在高纬度海域航行、反应堆停堆时，仅启动空冷系统，将反应堆的堆芯余热排出：空冷冷管段调节阀、空冷热管段调节阀打开，反应堆产生衰变热，冷却剂将衰变热传递给蒸汽发生器二次侧，产生的蒸汽进入空冷换热器，将热量传递给冷却塔内的冷空气后，蒸
汽冷凝成水；凝水返回至蒸汽发生器给水口；冷空气通过进气通道进入冷却塔，对空冷换热器内的高温蒸汽进行冷却，吸热后的热空气通过排气通道排出冷却塔；当单独开启空冷系统或水冷系统无法满足排热要求时，同时启动水冷系统和空冷系统，将反应堆的堆芯余热排出：反应堆停堆后，空冷冷管段调节阀、空冷热管段调节阀、水冷冷管段调节阀、水冷热管段调节均打开，反应堆产生衰变热，冷却剂将衰变热传递给蒸汽发生器二次侧，产生的蒸汽经分两路：一路进入空冷换热器，将热量传递给冷却塔内的冷空气后，冷凝成水；另一路进入水冷换热器，将热量传递给冷却水箱的水后，冷凝成水；两路凝水汇集后返回至蒸汽发生器给水口。10.如权利要求9所述的非能动余热排出方法，其特征在于，在反应堆停堆10小时以内，反应堆的堆芯需导出的热量大，调节水冷热管段调节阀和空冷热管段调节阀阀门开度，增大通过水冷换热器的蒸汽流量占比，减小通过空冷换热器的蒸汽流量占比；在反应堆停堆10小时以后，调节水冷热管段调节阀和空冷热管段调节阀阀门开度，通过水冷换热器的蒸汽流量占比逐渐降低，通过空冷换热器的蒸汽流量比例逐渐增大，当冷却水箱内的水全部蒸发完成后，由空冷系统排热。

技术总结
本发明公开了一种非能动余热排出装置，包括冷却剂管路、蒸汽发生器、主泵、反应堆、水冷系统和空冷系统；所述蒸汽发生器的热源通道和主泵串联在冷却剂管路上并形成回路，冷却剂管路穿过反应堆，通过冷却剂管路内的冷却剂将反应堆的堆芯热量排出；所述水冷系统的出口端与蒸汽发生器的凝水管路连通，水冷系统的入口端与蒸汽发生器的蒸汽管路连通；所述空冷系统的出口端与蒸汽发生器的凝水管路连通，空冷系统的入口端与蒸汽发生器的蒸汽管路连通。本发明还提供了一种非能动余热排出方法。本发明的有益效果为：本发明兼顾空冷长期冷却和水冷快速冷却的优势，根据实际排热需要对空冷系统和水冷系统的蒸汽流量进行调节，提升系统运行的稳定性、安全性、可靠性和灵活度。可靠性和灵活度。可靠性和灵活度。


技术研发人员：闫超星 张翼 刘成洋 郑雷 汪广怀
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/19