用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]福島核電廠事故證明，核電廠全廠斷電情況下依然能夠保障完好的冷卻鏈?zhǔn)谴_保堆芯完整性的重要措施。目前的多數(shù)二代(二代加)核電廠采用的是能動(dòng)安全系統(tǒng)，這種系統(tǒng)將在全廠斷電工況下因柴油機(jī)無(wú)法啟動(dòng)而失效。很多非能動(dòng)安全系統(tǒng)的工作時(shí)間取決于最終熱阱(水箱)的大小，且安全系統(tǒng)的換熱能力受限于空冷器的空氣自然對(duì)流換熱能力。因此，安全系統(tǒng)有必要在采用非能動(dòng)冷卻的同時(shí)能夠發(fā)電，為風(fēng)機(jī)提供電力，使空氣冷卻器的冷卻能力因空氣的強(qiáng)迫對(duì)流換熱而提高，從而確保在無(wú)外部能源持續(xù)驅(qū)動(dòng)的情況下對(duì)熱源進(jìn)行有效冷卻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法能夠在無(wú)外部能源持續(xù)驅(qū)動(dòng)的情況下對(duì)熱源進(jìn)行有效冷卻。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的超臨界0)2非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)包括熱交換器、氣輪機(jī)、第二空冷熱交換器、壓氣機(jī)及第一空冷熱交換器；
[0005]所述熱交換器的超臨界C02出口與氣輪機(jī)的入口相連通，氣輪機(jī)的出口與第一空冷熱交換器的入口相連通，第一空冷熱交換器的出口與壓氣機(jī)的入口相連通，壓氣機(jī)的出口與第二空冷熱交換器的入口相連通，第二空冷熱交換器的出口與熱交換器的入口相連通。
[0006]所述熱交換器為乏燃料水池?zé)峤粨Q器或蒸汽發(fā)生器二次側(cè)熱交換器。
[0007]該系統(tǒng)還包括第一風(fēng)機(jī)及第二風(fēng)機(jī)，第一風(fēng)機(jī)正對(duì)第一空冷熱交換器，第二風(fēng)機(jī)正對(duì)第二空冷熱交換器，通過(guò)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，提高了空冷熱交換器的換熱能力。
[0008]該系統(tǒng)還包括用于為第一風(fēng)機(jī)及第二風(fēng)機(jī)提供電能的發(fā)電機(jī)，氣輪機(jī)的輸出軸與發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸相連接，發(fā)電機(jī)與第一風(fēng)機(jī)及第二風(fēng)機(jī)相連接。
[0009]本發(fā)明所述的超臨界0)2非能動(dòng)冷卻方法包括以下步驟:
[0010]熱交換器出口的超臨界0)2進(jìn)入到氣輪機(jī)中，并經(jīng)氣輪機(jī)做功使所述超臨界0)2的溫度及焓值下降，氣輪機(jī)出口的超臨界C02進(jìn)入第二空冷熱交換器中進(jìn)行降溫，溫度下降后的超臨界C02進(jìn)入到壓氣機(jī)中進(jìn)行增壓，超臨界C0 2的壓力增加，然后再進(jìn)入到第二空冷熱交換器中進(jìn)行冷卻，經(jīng)第二空冷熱交換器冷卻后的超臨界0)2回流到熱交換器中吸熱升溫。
[0011]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0012]本發(fā)明所述的用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)及方法在使用時(shí)，利用熱源的熱量來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源的冷卻。具體而言，通過(guò)熱交換器將熱源中的熱量換熱到超臨界0)2中，然后以換熱后的超臨界C02為工質(zhì)，帶動(dòng)氣輪機(jī)做功，超臨界C02的溫度和焓值下降，再經(jīng)第一空冷熱交換器及第二空冷熱交換器進(jìn)一步冷卻，冷卻過(guò)程中，通過(guò)壓氣機(jī)對(duì)超臨界0)2進(jìn)行加壓，冷卻后的超臨界C02進(jìn)入到熱交換器繼續(xù)與熱源進(jìn)行換熱。該系統(tǒng)除了具有能在無(wú)外部能源持續(xù)驅(qū)動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源的有效冷卻的特點(diǎn)外，，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠在溫差較小的情況下實(shí)現(xiàn)循環(huán)，適用于各種類型的核電廠。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明的一結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的又一結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]其中，1為壓氣機(jī)、2為第二空冷熱交換器、3為熱交換器、4為氣輪機(jī)、5為第一空冷熱交換器、6為第一風(fēng)機(jī)、7為第二風(fēng)機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0017]參考圖1，本發(fā)明所述的用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)包括熱交換器3、氣輪機(jī)4、第二空冷熱交換器2、壓氣機(jī)1及第一空冷熱交換器5 ;所述熱交換器3的超臨界C02出口與氣輪機(jī)4的入口相連通，氣輪機(jī)4的出口與第一空冷熱交換器5的入口相連通，第一空冷熱交換器5的出口與壓氣機(jī)1的入口相連通，壓氣機(jī)1的出口與第二空冷熱交換器2的入口相連通，第二空冷熱交換器2的出口與熱交換器3的入口相連通。
[0018]需要說(shuō)明的是，本發(fā)明還包括第一風(fēng)機(jī)6、第二風(fēng)機(jī)7以及用于為第一風(fēng)機(jī)6及第二風(fēng)機(jī)7提供電能的發(fā)電機(jī)，第一風(fēng)機(jī)6正對(duì)第一空冷熱交換器5，第二風(fēng)機(jī)7正對(duì)第二空冷熱交換器2，氣輪機(jī)4的輸出軸與發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸相連接，發(fā)電機(jī)與第一風(fēng)機(jī)6及第二風(fēng)機(jī)7相連接，熱交換器為乏燃料水池?zé)峤粨Q器或蒸汽發(fā)生器二次側(cè)熱交換器。
[0019]本發(fā)明所述的用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻方法包括以下步驟:
[0020]熱交換器(3)出口的超臨界C02進(jìn)入到氣輪機(jī)(4)中，并經(jīng)氣輪機(jī)(4)做功使所述超臨界C02的溫度及焓值下降，氣輪機(jī)(4)出口的超臨界0)2進(jìn)入第二空冷熱交換器(2)中進(jìn)行降溫，溫度下降后的超臨界C02進(jìn)入到壓氣機(jī)(1)中進(jìn)行增壓，超臨界0)2的壓力增加，然后再進(jìn)入到第二空冷熱交換器(2)中進(jìn)行冷卻，經(jīng)第二空冷熱交換器(2)冷卻后的超臨界0)2回流到熱交換器(3)中吸熱升溫。
[0021]實(shí)施例一
[0022]參考圖1，應(yīng)用于乏燃料水池中時(shí)，來(lái)自熱交換器3的工質(zhì)，在乏燃料水池中吸收熱量，出口壓力為12MPa，溫度為70.15°C，焓值為421.29kJ/kg，再經(jīng)氣輪機(jī)4做功后，溫度下降至41.29°C，:I:含值下降至408.25kJ/kg，壓力下降至8MPa，隨后流入第一空冷熱交換器5進(jìn)行冷卻，溫度下降至35.15°C，焓值下降至352.37kJ/kg，然后經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)1壓縮后壓力提高至12MPa，溫度提高至55.14°C，焓值提高至362.97kJ/kg，再流過(guò)第二空冷熱交換器2進(jìn)一步預(yù)冷，使其溫度下降至51.30°C，焓值下降至341.99kJ/kg，然后流回至熱交換器3，形成一個(gè)完整的循環(huán)。在整個(gè)循環(huán)中氣輪機(jī)4所產(chǎn)生的功為1.644MW，壓氣機(jī)1所耗功為
1.084MW，第一風(fēng)機(jī)6及第二風(fēng)機(jī)7總的耗功預(yù)估為27.9?50kW，超臨界C02的質(zhì)量流量為126.10kg/s。
[0023]該實(shí)例采用非能動(dòng)冷卻設(shè)計(jì)理念，能在無(wú)外部能源持續(xù)驅(qū)動(dòng)的情況下，利用乏燃料水池產(chǎn)生的熱量對(duì)工質(zhì)進(jìn)行加熱，利用工質(zhì)在氣輪機(jī)4中做功，并將這部分能量用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)1和第一風(fēng)機(jī)6及第二風(fēng)機(jī)7，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)乏燃料水池的冷卻。
[0024]實(shí)施例二
[0025]參考圖2，來(lái)自蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的主蒸汽流經(jīng)熱交換器3，超臨界C02工質(zhì)與蒸汽發(fā)生器二次側(cè)中的主蒸汽發(fā)生熱量交換，其出口溫度為128°C，壓力為12.46MPa，焓值為528.75kJ/kg ;在氣輪機(jī)4中做功后溫度和壓力分別下降到88.34°C和8MPa，焓值為503.98kJ/kg ;隨后經(jīng)過(guò)第一空冷熱交換器5并被冷卻，溫度進(jìn)一步降低到35°C，同時(shí)焓值降低到352.37kJ/kg，但壓力保持不變；之后在壓氣機(jī)1中被壓縮，體積減小，溫度和壓力有所提升，分別到達(dá)57.20°C和12.60MPa，此時(shí)焓值為362.07kJ/kg ;最后工質(zhì)流回蒸汽發(fā)生器二次側(cè)熱交換器3，完成整個(gè)循環(huán)。在循環(huán)過(guò)程中，工質(zhì)在氣輪機(jī)4中所做的功為6.32MW，壓氣機(jī)1消耗的功為2.45MW，第一風(fēng)機(jī)6消耗的功預(yù)估為107.44?201kW，系統(tǒng)工質(zhì)的流量為 251.97kg/So
[0026]該實(shí)例采用非能動(dòng)冷卻設(shè)計(jì)理念，能在無(wú)外部能源持續(xù)驅(qū)動(dòng)的情況下，利用蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的主蒸汽的熱量加熱工質(zhì)，并讓其在氣輪機(jī)4中做功，將其所做的用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)1和第一風(fēng)機(jī)6運(yùn)轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)產(chǎn)生的主蒸汽的冷卻。
[0027]本發(fā)明采用超臨界C02作為工質(zhì)，由于其本身的特性使得整個(gè)系統(tǒng)能在空間緊湊、溫差較小的情況下實(shí)現(xiàn)，相對(duì)與一般的冷卻系統(tǒng)更為方便、實(shí)用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)，其特征在于，包括熱交換器(3)、氣輪機(jī)(4)、壓氣機(jī)(I)及第一空冷熱交換器(5); 所述熱交換器⑶的超臨界CO2出口與氣輪機(jī)(4)的入口相連，氣輪機(jī)(4)的出口與第一空冷熱交換器(5)的入口相連，第一空冷熱交換器(5)的出口與壓氣機(jī)(I)的入口相連，壓氣機(jī)(I)的出口與熱交換器(3)的入口相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二空冷熱交換器(2)，壓氣機(jī)(I)的出口與熱交換器(3)的入口通過(guò)第二空冷熱交換器(2)相連。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)，其特征在于，還包括第一風(fēng)機(jī)(6)及第二風(fēng)機(jī)(7)，第一風(fēng)機(jī)(6)對(duì)第一空冷熱交換器(5)進(jìn)行冷卻，第二風(fēng)機(jī)(7)對(duì)第二空冷熱交換器(2)進(jìn)行冷卻。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于為第一風(fēng)機(jī)(6)及第二風(fēng)機(jī)(7)提供電能的發(fā)電機(jī)，氣輪機(jī)⑷的輸出軸與發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸相連接，發(fā)電機(jī)與第一風(fēng)機(jī)(6)及第二風(fēng)機(jī)(7)相連接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換器(3)為乏燃料水池?zé)峤粨Q器或蒸汽發(fā)生器二次側(cè)熱交換器。6.一種用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻方法，其特征在于，基于權(quán)利要求2所述的超臨界0)2非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)，包括以下步驟: 熱交換器(3)出口的超臨界CO2進(jìn)入到氣輪機(jī)(4)中，并經(jīng)氣輪機(jī)(4)做功使所述超臨界CO2的溫度及焓值下降，氣輪機(jī)(4)出口的超臨界CO 2進(jìn)入第二空冷熱交換器⑵中進(jìn)行降溫，溫度下降后的超臨界CO2進(jìn)入到壓氣機(jī)⑴中進(jìn)行增壓，超臨界CO2的壓力增加，然后再進(jìn)入到第二空冷熱交換器(2)中進(jìn)行冷卻，經(jīng)第二空冷熱交換器(2)冷卻后的超臨界0)2回流到熱交換器(3)中吸熱升溫。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于蒸汽發(fā)生器和乏燃料水池的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)及方法，包括熱交換器、氣輪機(jī)、第二空冷熱交換器、壓氣機(jī)及第一空冷熱交換器；所述熱交換器的超臨界CO2出口與氣輪機(jī)的入口相連通，氣輪機(jī)的出口與第一空冷熱交換器的入口相連通，第一空冷熱交換器的出口與壓氣機(jī)的入口相連通，壓氣機(jī)的出口與第二空冷熱交換器的入口相連通，第二空冷熱交換器的出口與熱交換器的入口相連通。本發(fā)明能夠在無(wú)外部能源持續(xù)驅(qū)動(dòng)的情況下對(duì)熱源進(jìn)行冷卻，所涉及的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，并且能夠在溫差較小的情況下實(shí)現(xiàn)循環(huán)，適用于各種類型的核電廠。
【IPC分類】G21C15/18
【公開(kāi)號(hào)】CN105280250
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510587244
【發(fā)明人】李捷, 李晨曦, 葉鑫, 單建強(qiáng)
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年1月27日
【申請(qǐng)日】2015年9月15日