Система аварийного отвода тепла

Авторы патента:

Предлагаемое техническое решение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в системах аварийного расхолаживания ядерных реакторов без потребления внешних источников энергии.

Технической задачей является создание системы, позволяющей одновременно обеспечить устойчивый отвод тепла неограниченное время и постоянную циркуляцию теплоносителя через воздушный теплообменник, предотвращающую его замерзание.

Решение поставленной задачи позволяет повысить надежность работы системы и обеспечить аварийный отвод тепла от ядерного реактора длительное время.

Задача решается тем, что в системе аварийного отвода тепла, содержащей прямоточный парогенератор, соединенный паровой и водяной ветками с емкостью запаса воды, водяной теплообменник, воздушный теплообменник подводящей веткой соединен с паровым объемом емкости запаса воды, отводящей веткой с водяным объемом последней, причем выходной конец паровой ветки расположен ниже уровня водяного объема емкости запаса воды, кроме того, на водяной ветке между емкостью запаса воды и теплообменником установлен запорный клапан, параллельно которому подключен дроссельный элемент, или парогенератор соединен со вторым контуром так, что к водяной ветке парогенератора подключен подводящий трубопровод второго контура, а к паровой ветке отводящий трубопровод второго контура, при этом емкость запаса воды гидравлически связана со вторым контуром прямоточного парогенератора.

Система аварийного расхолаживания может быть снабжена циркуляционным насосом, который размещен между прямоточным парогенератором и водяным теплообменником.

Известна система пассивного отвода тепла (СПОТ) ядерных установок, в которой отвод остаточных тепловыделений осуществляется в атмосферный воздух через воздушный теплообменник и промежуточный контур, подключенный к парогенератору параллельно второму контуру. (Патент RU 2002320 от 16.05.1991, по кл. G21C 15/18). Причем, во время штатной работы ядерной установки для предотвращения замерзания трубной системы воздушного теплообменника из-за попадания холодного воздуха через неплотности организуется естественная циркуляция в промежуточном контуре.

Данная система не может быть применена для ядерных установок с прямоточным парогенератором из-за большого гидравлического сопротивления прямоточного парогенератора при номинальном расходе питательной воды. Как следствие большого сопротивления напор питательного насоса превышает движущий напор естественной циркуляции промежуточного контура, что не позволяет организовать протечку через промежуточный контур при работе питательного насоса. Кроме того, воздушный теплообменник имеет большие габариты.

Известна система пассивного отвода тепла от парогенераторов ядерных установок, в которой отвод остаточных тепловыделений осуществляется через промежуточный контур в атмосферный воздух за счет выпаривания запасов воды. (Патент RU 2050025 от 14.05.1992 по кл. G21C 15/18). Отвод тепла из промежуточного контура организован через теплообменник, который в несколько раз меньше воздушного теплообменника за счет высокой эффективности теплопередачи. Система является предвключенной и потери через промежуточный контур отсутствуют.

Недостатком такой системы является ограниченное время функционирования. Резерв времени такой системы определяется объемом запасенной воды.

Известна система аварийного расхолаживания ядерных реакторов (см., например, патент RU 52245 от 12.07.2005 по кл. G21C 15/18), в которой отвод остаточных тепловыделений от активной зоны осуществляется через промежуточный контур с воздушным теплообменником. Избыточное давление в промежуточном контуре поддерживается с помощью компенсационного баллона с газом, а остаточные тепловыделения отводятся последовательно через водяной теплообменник, затем через воздушный теплообменник. Замерзание воздушного теплообменника в режиме ожидания предотвращается его осушением со стороны промежуточного контура.

Недостатком такой системы является ограниченный диапазон работы по температуре первого контура. Система работает эффективно в двухфазном режиме (пар-вода) циркуляции промежуточного контура. При понижении температуры первого контура система переходит в режим однофазной циркуляции. При этом газ, имеющийся в промежуточном контуре, собирается в верхней части контура и разрывает циркуляцию, полностью прекращая отвод тепла.

Наиболее близким техническим решением является система, содержащая прямоточный парогенератор, имеющий паровую и водяную ветки, емкость запаса воды, водяной теплообменник, воздушный теплообменник, подключенный параллельно паровой ветке системы, имеющий теплопередающую поверхность, обеспечивающую отвод остаточных тепловыделений после исчерпания запасов воды на испарение, что позволяет существенно уменьшить размеры воздушного теплообменника и объем запасов воды, обеспечить устойчивый отвод тепла в пассивном режиме от прямоточного парогенератора неограниченное время в широком диапазоне температур первого контура и обеспечить отвод тепла в случае отказа воздушного теплообменника (Патент RU 109898 от 27.10.2011 по кл. G21C 15/18).

Недостатком такой системы является необходимость размещения водяного теплообменника, расположенного в баке с запасом выпариваемой воды выше парогенератора, с целью организации естественной циркуляции. Это усложняет проектирование, строительство, обслуживание, эксплуатацию и осуществление мероприятий по управлению авариями. При судовом исполнении данной системы повышается центр масс судна (плавучая АЭС, атомный ледокол и др.), что ухудшает его остойчивость и мореходность.

Задача решается тем, что в системе аварийного отвода тепла, содержащей прямоточный парогенератор, соединенный паровой и водяной ветками с емкостью запаса воды, водяной теплообменник, воздушный теплообменник подводящей веткой соединен с паровым объемом емкости запаса воды, отводящей веткой с водяным объемом последней, причем выходной конец паровой ветки расположен ниже уровня водяного объема емкости запаса воды, кроме того, на водяной ветке между емкостью запаса воды и теплообменником установлен запорный клапан, который выполнен с возможность параллельного подключения к нему дроссельного элемента, или парогенератор соединен со вторым контуром так, что к водяной ветке парогенератора подключен подводящий трубопровод второго контура, а к паровой ветке отводящий трубопровод второго контура, при этом емкость запаса воды гидравлически связана со вторым контуром прямоточного парогенератора.

Включение в систему циркуляционного насоса позволяет увеличить расход по промежуточному контуру, что способствует интенсификации процесса отвода тепла и увеличения его длительности за счет совмещения пассивного и активного процесса в едином промежуточном контуре.

Сущность технического решения поясняется чертежами, где:

На фиг. 1 схематично показана система аварийного отвода тепла с использованием дроссельного элемента (вариант 1);

На фиг. 2 схематично показана система аварийного отвода тепла с использованием дроссельного элемента и циркуляционного насоса (вариант 1);

На фиг. 3 схематично показана система аварийного отвода тепла с использованием возможности отвода конденсата из емкости запаса воды, (вариант 2);

На фиг. 4 схематично показана система аварийного отвода тепла с использованием возможности отвода конденсата и циркуляционного насоса (вариант 2).

Предложено два варианта выполнения системы аварийного отвода тепла, где решается одна техническая задача и достигается один и тот же результат.

В первом варианте система состоит из прямоточного парогенератора 1, емкости запаса воды 2, воздушного теплообменника 3, водяного теплообменника 4. запорного клапана 5 и дроссельного элемента 6.

Прямоточный парогенератор 1 соединен паровой веткой 7 с емкостью запаса воды 2, отводящий конец паровой ветки расположен ниже уровня водяного объема последней. Водяной веткой 8 парогенератор 1 соединен через водяной теплообменник 4 с емкостью запаса воды 2. На водяной ветке 8 между емкостью запаса воды 2 и водяным теплообменником 4 расположен запорный клапан 5, параллельно к которому подключен дроссельный элемент 6.

Воздушный теплообменник 3 подводящей веткой 9 соединен с паровой полостью емкости запаса воды 2, а отводящей веткой 10 с ее водяным объемом.

На водяной ветке 8 между водяным теплообменником 4 и прямоточным парогенератором 1 может быть установлен циркуляционный насос 11, который предназначен для дополнения пассивного режима отвода тепла активной циркуляцией. При полном обесточивании охлаждение будет происходить только за счет естественной циркуляции.

Во втором варианте система состоит из прямоточного парогенератора 1, емкости запаса воды 2, воздушного теплообменника 3, водяного теплообменника 4 и подключена ко второму контуру. Система подключена водяной веткой 8 к трубопроводу второго контура 12, предназначенного для подвода питательной воды к парогенератору 1, и паровой веткой 7 к трубопроводу 13, предназначенному для отвода питательной воды из парогенератора 1. Емкость запаса воды 2 соединена со вторым контуром трубопроводом 15, на котором установлена запорная арматура 16. За счет соединения емкости запаса воды 2 со вторым контуром обеспечивается поддержание уровня воды в последней.

Для предотвращения обратной циркуляции по системе в режиме генерации пара на водяной ветке 8 между водяным теплообменником 4 и парогенератором 1 расположен обратный клапан 14.

На трубопроводах 12 и 13 установлена запорная арматура.

Воздушный теплообменник 3 размещен в воздуховоде 17, снабженном шиберными заслонками 18.

Система аварийного отвода тепла работает следующим образом.

Исходно система аварийного отвода тепла подключена к прямоточному парогенератору 1 по пару, воде при закрытом запорном клапане 5 и находится в режиме ожидания. Шиберные заслонки 18 закрыты.

В первом варианте исполнения для предотвращения замерзания воздушного теплообменника 3 поддерживается расход через контур системы за счет подключенного параллельно запорному клапану 5 дроссельного элемента 6. Пар из парогенератора 1 поднимается по паровой ветви 7 в емкость с запасом воды 2, где частично конденсируется, а частично по подводящей ветви 9 поступает в воздушный теплообменник 3, охлаждается и возвращается в емкость с запасом воды 2. Вода из емкости с запасом воды 2 через дроссельный элемент 6, водяной теплообменник 4 поступает в парогенератор 1.

При возникновении аварийной ситуации происходит пуск системы посредством открытия шиберных заслонок 18 и запорного клапана 5. В системе развивается естественная циркуляция через воздушный теплообменник 3 и водяной теплообменник 4 за счет разности плотностей пара (пароводяной смеси), генерируемого в парогенераторе 1 и поступающего в емкость запаса воды 2 и конденсата на выходе из воздушного теплообменника 3.

Естественная циркуляция через водяной теплообменник 4 возникает за счет разности весов теплоносителя на подъемном и опускном участке водяной ветки 8 контура. Отвод тепла в конечный поглотитель воздушный теплообменник 3 и водяной теплообменник 4 осуществляется параллельно.

Во втором варианте исполнения для предотвращения замерзания воздушного теплообменника 3 расход через контур системы поддерживается за счет регулирования уровня воды в емкости запаса воды 2 дренированием пароводяной смеси во второй контур. Аналогично первому варианту пар из парогенератора 1 поднимается по паровой ветви 7 в емкость с запасом воды 2, где частично конденсируется, а частично по подводящей ветви 9 поступает в воздушный теплообменник 3, охлаждается и возвращается в емкость с запасом воды 2. Чтобы не произошло переполнения емкости с запасом воды 2, вода или пароводяная смесь по трубопроводу 15 через запорную арматуру 16 отводится во второй контур.

При возникновении аварийной ситуации происходит пуск системы посредством открытия шиберных заслонок 18 и закрытия запорных устройств на трубопроводах 12 и 13. Далее ситуация развивается также, как и в первом варианте.

В случае аварийной ситуации, не связанной с полным обесточиванием, наличие в системе циркуляционного насоса позволяет обеспечить отвод тепла от реактора до холодного состояния.

Предлагаемое решение позволяет использовать водяной теплообменник максимально эффективно, обеспечить надежный отвод тепла неограниченное время в широком диапазоне температур первого контура, уменьшить размеры воздушного и водяного теплообменников.

Кроме того, позволяет обеспечить отвод тепла и в случае прекращения отвода тепла от водяного теплообменника, так как воздушный и водяной теплообменники работают независимо, что позволяет обеспечить резерв времени на восстановление отвода тепла от водяного теплообменника или принятие необходимых мер по управлению аварии.

Следовательно, повышается надежность работы системы и реакторной установки в целом.

1. Система аварийного отвода тепла, содержащая прямоточный парогенератор, соединенный паровой и водяной ветками с емкостью запаса воды, водяной теплообменник, воздушный теплообменник, отличающаяся тем, что воздушный теплообменник подводящей веткой соединен с паровым объемом емкости запаса воды, отводящей веткой с водяным объемом последней, причем отводящий конец паровой ветки расположен ниже уровня водяного объема емкости запаса воды, кроме того, на водяной ветке между емкостью запаса воды и водяным теплообменником установлен запорный клапан, который выполнен с возможностью параллельного подключения к нему дроссельного элемента.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что между прямоточным парогенератором и водяным теплообменником размещен циркуляционный насос.

3. Система аварийного отвода тепла, содержащая прямоточный парогенератор, соединенный паровой и водяной ветками с емкостью запаса воды, водяной теплообменник, воздушный теплообменник, отличающаяся тем, что воздушный теплообменник подводящей веткой соединен с паровым объемом емкости запаса воды, отводящей веткой с водяным объемом последней, причем отводящий конец паровой ветки расположен ниже уровня водяного объема емкости запаса воды, кроме того, прямоточный парогенератор соединен со вторым контуром так, что к водяной ветке парогенератора подключен подводящий трубопровод второго контура, а к паровой ветке отводящий трубопровод второго контура, при этом емкость запаса воды гидравлически связана со вторым контуром прямоточного парогенератора.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что между прямоточным парогенератором и водяным теплообменником размещен циркуляционный насос.