СИСТЕМА АВАРИЙНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1995 года по МПК G21C15/18 

Изобретение относится к ядерным энергетическим установкам с реактором, охлаждаемым водой под давлением.

Известны системы активного охлаждения реакторной установки, дающие возможность отвода тепла за счет сбросов пара из парогенератора в имеющееся оборудование тепловой схемы станции: например, сбросом пара в специальный технологический конденсатор поверхностного типа, либо непосредственно в конденсатор турбины (через быстродействующее редукционное устройство, используется также аварийный сброс пара прямо в атмосферу) [1]
Известна система пассивного охлаждения путем отвода тепла за счет сброса из парогенератора пара в специальный для этого аварийный конденсатор с последующим сливом конденсата в парогенератор самотеком за счет естественной циркуляции, когда конденсатор помещен в бак охлаждающей воды, из которого в ходе отвода тепла от конденсатора вода выпаривается, бак автоматически подпитывается водой, а включение конденсатора обеспечивается установленным на сливной линии конденсата аварийным клапаном с пассивным управляющим устройством, открывающим клапан при повышении давления в паропроводе за парогенератором [2]
Основными недостатками указанных систем аварийного охлаждения являются: аварийный сброс пара в технологический конденсатор или конденсатор турбины возможен только при наличии электропитания в установке вне зависимости от ее послеаварийного состояния, а также при сохранении послеаварийной работоспособности всей системы охлаждения этих конденсаторов; в приведенных системах пассивного охлаждения срабатывание аварийных клапанов и соответственно включение в работу конденсатора, происходит от любого повышения давления в парогенераторе вне зависимости от исходных событий, в том числе и при наличии в этом время электропитания в системе. Кроме того, пассивное управляющее устройство аварийного клапана срабатывает только от повышения давления в парогенераторе, в то время как могут быть аварии, при которых давление это не повышается, а включение системы охлаждения требуется незамедлительное.

На фиг.1 изображена предлагаемая система, общий вид; на фиг.2 узел пассивного управляющего устройства аварийного клапана; на фиг.3 вариант системы с подогревом конденсата; на фиг.4 пассивное охлаждение герметичной оболочки реакторного помещения.

Система состоит из реактора 1, циркуляционных трубопроводов 2, парогенератора 3 с трубным пучком 4, питательного трубопровода 5 от питательного электронасоса 6, паропроводов 7 с быстродействующим запорно-отсечным клапаном 8 и предохранительным клапаном 9, аварийного отвода 10, бака 11 охлаждающей воды с поверхностным конденсатором 12 в отсеке 13 и перегородкой 14, предохранительной мембраной 15, нерегулируемым дросселем 16 с барботером 17, барботажного устройства 18, линией 19 перелива и охлаждающего контура 20, сливных линий 21 и 22, аварийного клапана 23 с пассивным управляющим устройством 24.

Устройство 24 является приводом аварийного клапана 23, присоединяется сигнальными линиями к сливной линии 21 (присоединение до клапана 23) и к питательному трубопроводу 5 (присоединение после питательного насоса 6) и включает поршневой цилиндр 25, сервопривод 26, перепускные линии 27-30, электромагнитный тормоз 31 с якорем 32 и обратный клапан 33.

Система также содержит быстродействующую редукционную установку 34, соединительные трубопроводы 35, сливную питательную линию 36 с вспомогательным питательным электронасосом 37 и обратным клапаном 38, запорную арматуру 39 и обратный клапан 40 на питательной линии парогенератора.

В вариантах исполнения системы добавляются нагревательная емкость 41, перепускная линия 42 с обратным клапаном 43, аварийный питательный патрубок 44 и перед ним обратный клапан 45, опускная 46 и подъемная 47 линии охлаждающих каналов 48 герметичной оболочки 49.

Система (фиг.1) работает следующим образом.

В парогенератор 3 по трубопроводу 5 питательным электронасосом 6 подается вода, нагрев и испарение которой обеспечивает отвод тепла от ядерного реактора 1 за счет охлаждения воды первого (реакторного) контура в трубном пучке 4 парогенератора, а образующийся в парогенераторе пар отводится по паропроводу 7 к турбине. При аварии с полным обесточиванием станции и последующей остановкой реактора 1 перекрытия гидроприводного быстродействующего клапана 8 и отключения (из-за обесточивания) питательного электронасоса 6 открывается аварийный клапан 23 с пассивным управляющим устройством 24, обеспечивающим открытие этого клапана от импульса падения давления в питательном трубопроводе 5, и пар из парогенератора 3 через аварийный отвод 10 направляется в поверхностный конденсатор 12, размещенный в отсеке 13 бака 11 охлаждающей воды, а конденсат через сливную линию 21 и аварийный клапан 23 самотеком сливается под уровень воды парогенератора 3. Благодаря наличию участка конденсации в контуре 3-10-12-21-23-22-3 образуется естественная циркуляция.

При включении конденсатора 12 происходит интенсивное выпаривание воды в отсеке 13 до уровня А, при котором срабатывает нерегулируемый дроссель 16 за счет повышения давления в отсеке 13 на величину перепада уровней А и В в отсеке и баке, после чего пар из дросселя 16 сбрасывается в бак 11 через барботер 17, а вода через зазор Д между перегородкой 14 и днищем бака 11 перетекает из основного объема Е в отсек 13. Проходное сечение дросселя 16 выбирается так, чтобы скорость залива водой теплопередающей поверхности конденсатора обеспечивала заданную скорость расхолаживания реактора через данную парогенераторную петлю.

В нормальных условиях эксплуатации циркуляция в конденсаторе 12 отсутствует, а внутренний объем труб конденсатора и вся линия 21 до клапана 23 заполнены сконденсировавшимся паром (конденсатом) при температуре, близкой к температуре охлаждающей воды в баке 11. При этом из-за отсутствия процесса конденсации исключается возможность накопления в конденсаторе неконденсирующихся газов.

При аварийной подаче пара в конденсатор 12 в ограниченном отсеке 13 начинается интенсивное испарение воды, повышение давления и вытеснение оставшейся в отсеке воды до уровня А; вода из отсека переливается в объем Е бака через зазор Д, при этом объем Е (и соответственно открытый уровень воды в нем) значительно превосходит объем (и открытый уровень) в отсеке 13, так что поднятие уровня В в объеме Е после перелива воды из отсека невелико и давление над уровнем в объеме Е практически не изменяется (для бака применительно к установке эл. мощностью 500 МВт поднятие этого уровня получено не более 0,1 от величины снижения уровня в отсеке). Таким образом, пока имеется перепад уровней А и В давление над уровнем в отсеке 13 всегда будет выше давления над уровнем в объеме Е.

При давлении в отсеке, равном максимальной разности уровней В и А (необходимая величина устанавливается расчетом, при этом уровень А всегда выше отметки зазора Д), происходит срабатывание (открытие) дросселя 16 и паз из отсека 13 начинает перетекать в объем Е. Конструкция дросселя значения не имеет; он может быть в виде, например, выбиваемого гидрозатвора с фиксированным проходным сечением или разрывной мембраны аналогичного назначения. "Дроссель" он лишь в том смысле, что после срабатывания (открытия) обеспечивает ограниченный (величиной проходного сечения) расход перетекаемого пара из отсека, а, следовательно, препятствует недопустимой скорости заполнения отсека водой, скорости залива водой наружной поверхности конденсатора (т.е. скорости включения поверхности конденсатора в работу) и, в конечном итоге, недопустимой скорости расхолаживания. Проходное сечение дросселя рассчитывается для конкретных условий.

После срабатывания дросселя 16 происходит вновь заполнение отсека 13 через зазор Д за счет стремления системы к выравниванию уровней в отсеке и баке. Но благодаря тому, что проходное сечение зазора Д, через который выдавливается вода из отсека, значительно больше проходного сечения дросселя 16, обеспечивается быстрое вытеснение воды из отсека в начале процесса и медленное заполнение отсека водой в ходе выравнивания уровней в отсеке и баке. Расчет динамики процесса, выполненный для реакторной установки N_эл500 МВт, показал, что с учетом конкретных объемов воды в отсеке и баке, принятых сечений зазора Д и дросселя 16 при реальных для такой установки тепловыделениях и теплосъемах, вытеснение воды из отсека происходит за 100-200 с, а заполнение отсека (при заданной скорости расхолаживания не более 60^оС/ч) за 2,0-2,5 ч.

Необходимость иметь в начале процесса расхолаживания малую рабочую поверхность конденсатора (т.е. низкий уровень залива ее в отсеке 13) и последовательное в ходе расхолаживания увеличение этой поверхности (повышение уровня в отсеке 13) связано с тем, что в начале расхолаживания, когда в конденсатор поступает пар максимальных параметров, процесс отвода тепла конденсатором идет при максимальных температурных напорах, т.е. максимально интенсивно; в конце расхолаживания, наоборот, параметры пара (давление, температура) снижаются, а температура охлаждающей воды в баке (отсеке) повышается, и процесс отвода тепла идет при минимальных температурных напорах, т.е. достаточно вяло, что соответственно требует включения большей поверхности теплообмена.

Проведенные применительно к базовой установке N_эл. 500 МВт расчеты показали, что для обеспечения скорости расхолаживания в пределах, не превышающих допустимые значения (принято не более 60^оС/ч), необходимая рабочая поверхность конденсатора в начале расхолаживания не должна превышать 20-25% от его общей поверхности это и должно быть обеспечено быстрым снижением уровня воды в отсеке до заданного значения А, а интенсивность последующего заполнения отсека для обеспечения скорости расхолаживания, не превышающей допустимую, определенной величиной проходного сечения дросселя 16. Высокая скорость расхолаживания в ходе первоначального вытеснения воды из отсека (в течение 100-120 с) принимается как кратковременное явление при переходном режиме.

При аварии без потери электропитания, но также приводящей к остановке реактора 1, закрываются клапан 8 и запорная арматура 39, включается быстродействующая редукционная установка 34 (электроприводной клапан которой открывается при повышении давления в парогенераторе или от другого сигнала системы блокировки, например, разгерметизации первого контура), пар из паропровода 7 сбрасывается в барботажное устройство 18 бака 11, а образующийся конденсат, перемешанный с водой бака 11, вспомогательным питательным электронасосом 37 возвращается в парогенератор 3; вода в баке 11 охлаждается специальным контуром 20. Для защиты от заброса воды из парогенератора на питательных трубопроводах установлены обратные клапаны 38 и 40.

В случае аварийного несрабатывания обоих контуров охлаждения и невозможности их принудительного пуска давление в парогенераторе повышается до срабатывания предохранительного клапана 9, пар из которого сбрасывается в бак 11 через барботажное устройство 18; при этом наличие в баке 11 линии 19 перелива и предохранительной мембраны 15 исключает превышение давления в баке, а сброс среды от мембраны 15 под герметичную оболочку 49 (перекрывающую реакторное помещение), окончательно препятствует попаданию пара или его конденсата в атмосферу. Последнее имеет значение при появлении активности в контуре парогенератора.

На фиг.2 показано пассивное управляющее устройство 24 аварийного клапана 23, состоящее из поршневого цилиндра 25 и сервопривола 26; концевые полости сервопривода соединены: одна (линией 27) с питательным трубопроводом 5, другая (линией 28) со сливной линией 21 от конденсатора 12, и от сервопривода к полостям поршневого цилиндра линиями 29 и 30. В нормальных условиях эксплуатации (фиг.2, а), когда давление в питательном трубопроводе 5 превышает давление в парогенераторе 3 и конденсаторе 12 сервопривод по линиям 27 и 29 передает импульс на закрытие клапана 23; при обесточивании системы и соответственно падении давления в питательном трубопроводе 5 (фиг.2, б) сервопривод по линиям 28 и 30 передает импульс на открытие клапана 23. Обратный клапан 33 обеспечивает перетечку воды из поршневого цилиндра 25 при движении поршня на закрытие клапана 23.

Для предотвращения открытия аварийного клапана 23 при авариях, не связанных с потерей электропитания на станции, т.е. невозможности непредусмотренного включения системы пассивного охлаждения, сервопривод 26 снабжен электромагнитным тормозом 31, который при наличии электропитания удерживает якорь 32, препятствуя срабатыванию пассивного управляющего устройства 24. При эксплуатационной необходимости принудительного включения системы пассивного охлаждения электромагнитный тормоз 31 может быть специально на требуемый период обесточен (с одновременным если это необходимо для создания перепада давления в управляемом устройстве 24 отключением питательного насоса 6).

На фиг. 3 показана система, в которой на сливной линии 22 за аварийным клапаном 23 установлена промежуточная емкость 41, через которую в нормальных условиях эксплуатации по линии 42 (с обратным клапаном 43) проходит часть воды из питательного трубопровода 5, благодаря чему емкость находится при температуре питательной воды. Это позволяет при аварийном открытии клапана 23 сбрасывать из конденсатора 12 находящийся там охлажденный конденсат через нагретую воду в емкости 41, в которой за счет смешивания сред конденсат подогревается перед поступлением в парогенератор 3; это исключает заброс холодной воды в парогенератор при включении аварийного охлаждения и тем самым улучшает условия эксплуатации аварийного питательного патрубка 44 на корпусе парогенератора. На сливной линии 22 между питательным патрубком 44 и емкостью 41 установлен обратный клапан 45.

На фиг. 4 показано использование бака 11 для пассивного отвода тепла от герметичной оболочки 49 при ее разогреве в авариях с разуплотнением первого контура и повышении температуры в реакторном помещении. В этом случае вода из бака 11 через опускные линии 46 заполняет охлаждающие каналы 48 на герметичной оболочке 49, при аварийном повышении температуры оболочки вода в каналах нагревается и по подъемной линии 47 в виде нагретой воды или пара поступает обратно в бак 11, таким образом, в системе 11-46-48-47-11 контур естественной циркуляции; охлаждение воды в баке 11 через контур 20.

Таким образом система обеспечивает: при сохранении электропитания аварийный отвод тепла от реакторной установки путем активного охлаждения (т.е. с использованием электроприводных устройств и арматуры), при котором в случае повышения давления за парогенератором или падения давления в его питательной линии, а также от предусмотренных сигналов системы блокировки, пар из парогенератора сбрасывается через редукционное и барботажное устройство в бак с водой, а при аварии с полным обесточиванием установки путем пассивного охлаждения, при котором пар сбрасывается через размещенный в баке с водой конденсатор, при этом открытие аварийного клапана, включающего конденсатор, производится пассивным (т. е. неэлектроприводным) управляющим устройством, срабатывающим только при полном обесточивании установки, а для предотвращения открытий аварийного клапана при ситуациях с сохранением электропитания его управляющее устройство снабжено дополнительным элементом, препятствующим такому открытию.

Надежность аварийного охлаждения реакторной установки повышается за счет наличия специальной аварийной системы, состоящей из двух независимых друг от друга (и от основного оборудования паросиловой части станции) контуров, обеспечивающих отвод тепла раздельно для случая сохранения электропитания при аварии и случая полного обесточивания установки. Это позволяет обеспечить указанное охлаждение вне зависимости от послеаварийного состояния основного паросилового оборудования и обслуживающих его контуров, снизить периодичность работы каждой из аварийных систем (контуров), уменьшить число циклов наброса и сброса температур в аварийном конденсаторе и сопутствующем оборудовании, и, следовательно, увеличить срок службы. Кроме того, благодаря возможности принудительного включения системы пассивного охлаждения также и в ситуациях с наличием электропитания эта система может рассматриваться и как резервная. Использование барботажного устройства системы активного охлаждения для сброса пара от предохранительного клапана парогенератора (при аварийном невключении обеих систем охлаждения) позволяет максимально ограничить попадание этого пара или его конденсата в атмосферу, что имеет значение при аварии с наличием активности в контуре парогенератора.

Выполнение для обеих систем единого бака с водой (т.е. бака большого объема) позволяет обеспечить отвод тепла во всех перечисленных режимах без вскипания воды в баке или с минимальной величиной ее испарения, что повышает надежность систем охлаждения и уменьшает возможный сброс пара из бака (под герметичную оболочку или в атмосферу).

Таким образом изобретение повышает надежность и безопасность как систем охлаждения, так и реакторной установки в целом.

Сущность изобретения: система аварийного охлаждения реакторной установки содержит реактор, соединенный циркуляционными трубопроводами с парогенераторами (одним или несколькими). Между паровым объемом и питательным трубопроводом каждого из парогенераторов имеется аварийный контур, состоящий из поверхностного конденсатора, погруженного в бак с водой, трубопроводов, соединяющих конденсатор с паровым (на входе) и питательным (на выходе) трубопроводами парогенератора, и аварийного клапана с пассивным управляющим устройством. Каждый парогенератор системы снабжен дополнительным аварийным контуром, состоящим из погруженного в бак с водой барботажного устройства с быстродействующим редукционным устройством на входе и трубопроводом, соединяющих эти устройства с паровым и питательным трубопроводами парогенератора. Бак с водой выполнен единым для обоих контуров и разделен на два отсека. Конденсатор размещен в одном отсеке, отделенном перегородкой с зазором у днища бака от другого отсека. Над отсеком с конденсатором установлен нерегулируемый дроссель. Пассивное управляющее устройство аварийного клапана снабжено сервопроводом и электромагнитным тормозом и соединено сигнальными линиями со сливной линией конденсатора до клапана и с питательным трубопроводом парагенератора после питательного насоса. Водяной объем бака соединен со сливной линией конденсатора трубопроводом с установленными на нем вспомогательным питательный насосом и обратным клапаном. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. СИСТЕМА АВАРИЙНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ, содержащая ядерный реактор, соединенный циркуляционными трубопроводами с парогенератором, который снабжен аварийным контуром, состоящим из поверхностного конденсатора, погруженного в бак с водой, паровой и сливной линейки, соединяющих конденсатор с паровым (на входе) и питательным (на выходе) трубопроводами парогенератора, насос, установленный на питательном трубопроводе парогенератора и аварийный клапан с пассивным управляющим устройством, установленный на сливной линии конденсатора, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит паробарботажное устройство, на входном паропроводе которого размещена быстродействующая редукционная установка, причем паробарботажное устройство размещено в общем с конденсатором баке с водой и отдельно от конденсатора перегородкой с зазором у днища бака, разделяющей бак на два отсека, причем в отсеке над конденсатором установлен нерегулируемый дроссель, соединенный на входе с паровой полостью отсека конденсатора, а на выходе с паровой полостью отсека паробарботажного устройства или с его водяным объемом через барботажную трубу, при этом пассивное управляющее устройство аварийного клапана снабжено сервоприводом с электромагнитным тормозом и соединено сигнальными линиями со сливной линией конденсатора до клапана и с питательным трубопроводом парогенератора после питательного насоса, а водяной объем бака соединен со сливной линией конденсатора после клапана трубопроводом с установленными на нем вспомогательным питательным насосом и обратным клапаном. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что парогенератор содержит дополнительный патрубок, к которому присоединена сливная линия конденсатора, а на сливной линии конденсатора установлена емкость с обратным клапаном, причем обратный клапан установлен на выходе емкости, а на входе емкость соединена с питательным трубопроводом парогенератора дополнительным трубопроводом с установленным на нем обратным клапаном. 3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что бак снабжен дополнительным контуром для охлаждения герметичной оболочки реакторного помещения.