Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ядерной энергетики и ядерных реакторных установок, в частности к ядерным реакторным установкам с жидкометаллическими теплоносителями. В то же время настоящее изобретение также может применяться и в реакторных установках различного рода, не являющихся ядерными.
Уровень техники
Одной из основных проблем ядерных реакторных установок с жидкометаллическими теплоносителями является коррозия конструкционных материалов, из которых выполнен реактор. Для предотвращения коррозии может применяться метод формирования защитных оксидных покрытий, от целостности которых зависит коррозионная стойкость материалов, из которых выполнен реактор, например, стали.
Отметим, что указанная проблема также может появляться как в ядерных реакторных установках с теплоносителями, не являющимися жидкометаллическими, так и в реакторных установках, не являющихся ядерными. Хотя настоящее изобретение описано по отношению к ядерным реакторным установкам с жидкометаллическими теплоносителями, оно также может применяться как в ядерных реакторных установках с теплоносителями, не являющимися жидкометаллическими, так и в реакторных установках, не являющихся ядерными.
Традиционно для образования оксидных пленок применяется кислород. При работе реакторной установки компоненты конструкционных материалов, такие как железо, хром и другие, диффундируют в теплоноситель. Ввиду того, что указанные компоненты конструкционных материалов имеют большее химическое сродство к окислителям, например, к кислороду, то повышение концентрации железа, хрома и других компонентов конструкционных материалов в теплоносителе приводит к снижению концентрации в нем окислителей, таких как кислород. Это может привести к растворению защитных оксидных покрытий, что резко усилит коррозию. Следовательно, для снижения коррозии до минимального уровня, обеспечивающего многолетнюю эксплуатацию реакторной установки в безопасном режиме, требуется подача окислителя в теплоноситель для повышения его концентрации до такого уровня, когда защитные оксидные покрытия не будут растворяться в теплоносителе. В этом смысле кислород является весьма удобным окислителем, поскольку может подаваться в теплоноситель в виде газа или оксидов различных материалов, например, тех, из которых состоит теплоноситель.
В связи с вышеизложенным, важно контролировать и поддерживать на необходимом уровне концентрацию в теплоносителе окислителя, в частности, кислорода, для того, чтобы защитные оксидные пленки на внутренней поверхности реактора, контактирующей с теплоносителем, не растворялись в теплоносителе, предотвращая тем самым коррозию материалов, из которых выполнен реактор. Поскольку кислород постоянно расходуется на окисление железа, хрома и других компонентов конструкционных материалов, диффундирующих в теплоноситель, то для поддержания концентрации кислорода в заданном диапазоне, обеспечивающем минимальную коррозию материалов реактора, необходимо подавать кислород в теплоноситель, например, при достижении нижней границы заданного диапазона или снижении концентрации кислорода ниже допустимого уровня.
В патенте RU 2100480 (опубликован 27.12.1997) раскрыты такие способы повышения концентрации кислорода в теплоносителе, как ввод кислорода в смеси с инертным газом в защитный газ над поверхностью теплоносителя или непосредственно в теплоноситель, а также растворение в теплоносителе оксидов компонентов теплоносителя.
Однако описанные в указанном патенте способы имеют такие недостатки, как отсутствие возможности управления вводом кислорода в теплоноситель (повышением его концентрации в теплоносителе), а именно: запуском/окончанием подачи кислорода и растворения оксидов теплоносителя и скоростью измерения концентрации кислорода в теплоносителе, то есть объемов подаваемого кислорода и растворяемых оксидов теплоносителя. Кроме того, при подаче смеси кислорода с инертным газом в объем защитного газа над поверхностью теплоносителя скорость диффундирования кислорода в теплоноситель относительно мала, а при повышении доли кислорода в смеси с инертным газом повышается риск образования оксидной пленки (корки) на поверхности теплоносителя.
В патенте RU 2246561 (опубликован 20.02.2005) раскрыты способ и устройство для регулируемого растворения оксидов теплоносителя в теплоносителе, но в этом патенте отсутствуют какие-либо сведения о возможности регулирования ввода кислорода в теплоноситель в газообразном виде.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства регулирования концентрации кислорода в реакторной установке, в частности, в теплоносителе ядерной реакторной установки, подаваемого в газообразном виде. Кроме того, задачей настоящего изобретения одновременно является обеспечение эффективности и безопасности подготовки и эксплуатации ядерной реакторной установки в различных режимах, таких как, например, режим пассивации конструкционных материалов реактора, режим нормальной эксплуатации, нештатные режимы работы при разрушении защитных оксидных пленок и другие. В связи с вышеизложенными задачами перед изобретением также стоят задачи обеспечения переключения между способами регулирования (повышения) концентрации кислорода в теплоносителе, повышения безопасности оборудования, используемого для регулирования концентрации кислорода, и предоставления системы управления оборудованием, обеспечивающим безопасность эксплуатации и подготовки к эксплуатации ядерной реакторной установки во всех режимах.
Задача настоящего изобретения решается с помощью способа регулирования концентрации кислорода в теплоносителе реакторной установки, имеющей в своем составе реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя, массообменный аппарат, установленный в теплоносителе, вмещающий твердофазные оксиды теплоносителя и выполненный с возможностью протекания через него теплоносителя, диспергатор, установленный частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненный с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, и датчик концентрации кислорода в теплоносителе.
Способ содержит следующие шаги: оценивают концентрацию кислорода в теплоносителе на основании данных от датчика концентрации кислорода в теплоносителе; сравнивают оценку концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением; оценивают изменение концентрации кислорода в теплоносителе; в том случае, если оцененное изменение концентрации кислорода в теплоносителе показывает уменьшение концентрации, сравнивают величину и/или скорость уменьшения с соответствующим пороговым значением; в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения и оцененная величина и/или скорость уменьшения концентрации кислорода меньше соответствующего порогового значения, активируют массообменный аппарат; в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения и оцененная величина и/или скорость уменьшения концентрации кислорода больше соответствующего порогового значения, в объем около теплоносителя из газовой системы подают газ, содержащий кислород, и/или активируют диспергатор.
В предпочтительном варианте способа в том случае, если после осуществления шага активации массообменного аппарата или шага подачи газа, содержащего кислород, и активации диспергатора оцененная концентрация кислорода в теплоносителе принимает или превышает допустимое значение, осуществляют шаг деактивации массообменного аппарата или шаг деактивации диспергатора и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород. Кроме того, в дополнение к прекращению подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород, в объем около теплоносителя из газовой системы могут подавать газ, не содержащий кислород.
Задача настоящего изобретения также решается с помощью системы регулирования концентрации кислорода в теплоносителе реакторной установки, имеющей в своем составе реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя, массообменный аппарат, установленный в теплоносителе, вмещающий твердофазные оксиды теплоносителя и выполненный с возможностью протекания через него теплоносителя, диспергатор, установленный частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненный с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, и датчик концентрации кислорода в теплоносителе.
Система регулирования содержит: модуль оценки концентрации кислорода в теплоносителе, выполненный с возможностью получения данных от датчика концентрации кислорода в теплоносителе, оценки на основании полученных данных концентрации кислорода в теплоносителе и передачи оценки концентрации кислорода в теплоносителе в модуль сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением; модуль сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением, выполненный с возможностью получения оценки концентрации кислорода в теплоносителе из модуля оценки концентрации кислорода в теплоносителе и сравнения ее с допустимым значением; модуль оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, выполненный с возможностью оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, а также с возможностью передачи оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе в модуль сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе; модуль сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, выполненный с возможностью получения оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе и ее сравнения с соответствующим пороговым значением; модуль управления массообменным аппаратом, выполненный с возможностью активации массообменного аппарата в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения и если оценка величины и/или скорости изменения концентрации кислорода меньше соответствующего порогового значения; модуль управления газовой системой и/или диспергатором, выполненный с возможностью активации газовой системы с обеспечением подачи газа, содержащего кислород, в объем около теплоносителя и/или активации диспергатора в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения и если оценка величины и/или скорости изменения концентрации кислорода больше соответствующего порогового значения.
В одном из вариантов модуль оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе может быть выполнен с возможностью оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе на основании оценки концентрации кислорода в теплоносителе из модуля оценки концентрации кислорода в теплоносителе. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления модуль оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе может быть выполнен с возможностью определения уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе и передачи информации об этом в модуль сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе и/или в модуль управления массообменным аппаратом и модуль управления газовой системой и/или диспергатором.
В преимущественном варианте осуществления модуль управления массообменным аппаратом выполнен с возможностью деактивации массообменного аппарата, а модуль управления газовой системой и диспергатором выполнен с возможностью деактивации диспергатора и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород, в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе имеет или превышает допустимое значение. Кроме того, модуль управления газовой системой и диспергатором может быть выполнен с возможностью подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, не содержащего кислород.
Задачу настоящего изобретения также решает ядерная реакторная установка, имеющая в своем составе: реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя, массообменный аппарат, установленный в теплоносителе, вмещающий твердофазные оксиды теплоносителя и выполненный с возможностью протекания через него теплоносителя, диспергатор, установленный частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненный с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, и датчик концентрации кислорода в теплоносителе. Указанная реакторная установка выполнена с возможностью управления концентрацией водорода в теплоносителе в соответствии со способом по любому из вышеописанных вариантов и/или с помощью системы по любому из вышеописанных вариантов.
Благодаря настоящему изобретению удается достичь такого технического результата, как обеспечение способа и устройства регулирования концентрации кислорода в реакторной установке, в частности, в теплоносителе ядерной реакторной установки, подаваемого в газообразном виде. Кроме того, одновременно достигается такой технический результат, как обеспечение эффективности и безопасности подготовки и эксплуатации ядерной реакторной установки в различных режимах, таких как, например, режим пассивации конструкционных материалов реактора, режим нормальной эксплуатации, нештатные режимы работы при разрушении защитных оксидных пленок и другие. Помимо вышеизложенного, достигаются такие технические результаты, как обеспечение переключения между способами регулирования (повышения) концентрации кислорода в теплоносителе; повышения безопасности, надежности и срока эксплуатации оборудования, используемого для регулирования концентрации кислорода, и предоставления системы управления оборудованием, обеспечивающим безопасность эксплуатации и подготовки к эксплуатации ядерной реакторной установки во всех режимах.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен схематичный вид реакторной установки в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 показан вариант выполнения массообменного аппарата.
На фиг. 3 показан вариант выполнения диспергатора.
На фиг. 4 показан вариант выполнения датчика концентрации кислорода в теплоносителе.
На фиг. 5 показана блок-схема способа регулирования концентрации кислорода в теплоносителе в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 6 показана структурная схема одного из вариантов выполнения устройства регулирования концентрации кислорода в теплоносителе в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 7 показана структурная схема другого варианта выполнения устройства регулирования концентрации кислорода в теплоносителе в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение применимо в реакторной установке (например, ядерной реакторной установке), имеющей в своем составе, как показано в схематичном виде на фиг. 1, реактор 101, теплоноситель 104, газовую систему 108, массообменный аппарат 114, диспергатор 112, и датчик 110 концентрации кислорода в теплоносителе 104.
Реактор 101 представляет собой емкость, стенки 102 которой выполнены из конструкционных материалов, обладающих достаточной механической, термической, радиационной и другими видами стойкостей, необходимых для безопасной работы реакторной установки, например, таких как сталь. Безопасность работы реакторных установок имеет особое значение ввиду того, что в реакторе 101 в активной зоне 103 располагаются радиоактивные материалы, которые в ходе радиоактивного деления высвобождают энергию. По меньшей мере, часть этой энергии в виде тепла передается в теплоноситель 104, имеющийся в реакторе и контактирующий с активной зоной (то есть, радиоактивные материалы располагаются в теплоносителе), и далее переносится в теплообменник 107, в котором тепловая энергия передается другим материалам (например, воде, пару или другим теплоемким материалам), в некотором удалении от источника радиоактивного излучения. Теплообменник может представлять собой в некоторых вариантах парогенератор, предназначенный для производства пара, который может использоваться далее для нагрева других сред или для приведения в действие турбин. Далее, после теплообменника 107 в коммуникациях за пределами реактора тепловая энергия передается без опасности радиационного заражения, которая, таким образом, концентрируется в пределах реактора. В связи с этим, ввиду тяжелых, нежелательных и длительных последствий радиоактивного заражения окружающих территорий прочности и безопасности эксплуатации реактора придается особое значение. Для обеспечения продолжительного и эффективного процесса передачи тепла из активной зоны 103 в теплообменник 107 в реакторе предпочтительно осуществляют циркуляцию теплоносителя в реакторе 101 - в контуре, охватывающем активную зону и теплообменник. Для обеспечения циркуляции могут использоваться насосы (на фиг. 1 не показаны).
Одним из важных факторов сохранения прочности реактора 101 во времени является предотвращение или ослабление до допустимого уровня коррозии конструкционных материалов, из которых выполнены его стенки 102 и арматурные, крепежные, прочностные и другие элементы реактора 101. Указанный фактор должен учитываться и в том случае, если в качестве теплоносителя 104 используется теплоноситель из жидких металлов, таких как натрий, литий, свинец, висмут и т.п. Тяжелые металлы (свинец, висмут) имеют преимущество перед легкими ввиду их повышенной безопасности, в частности, по критерию сниженной пожароопасности.
Кроме того, теплоносители, выполненные с использованием тяжелых металлов, имеют также такое преимущество, как устойчивость их свойств при попадании в них воды. Естественно, что физико-химические свойства такого теплоносителя будут изменяться при попадании в него воды, однако такие изменения будут незначительными и позволят продолжать эксплуатацию и далее. Это может быть полезно для повышения безопасности реакторной установки ввиду возможных аварий или протечек оборудования, в котором находится или протекает вода в жидком виде или в виде пара - например, такого оборудования, как теплообменники или парогенераторы. Даже если теплообменник или парогенератор будет иметь неисправность в виде течи, то реакторная установка может эксплуатироваться далее до того момента, когда настанет удобный момент для ремонта или замены неисправного (протекающего) оборудования, поскольку теплоноситель с использованием тяжелых металлов допускает такой режим работы в силу незначительной (некритичной) зависимости своих физико-химических свойств от привнесения воды в жидком или парообразном виде.
Для уменьшения коррозионного воздействия на конструкционные материалы реактора перспективным считается создание оксидных пленок на границе теплоносителя и конструкционного материала, например, с помощью подачи в теплоноситель кислорода или кислородосодержащих материалов, которые могут быть перенесены теплоносителем в стенкам реактора, где кислород может вступить в химическое соединение с конструкционным материалом (которым может быть, например, сталь) и образовать оксид в форме оксидной пленки. Дополнительным преимуществом использования такой защиты от коррозии является снижение интенсивности теплообмена между теплоносителем и стенками реактора за счет пониженной теплопроводности оксидов.
Кислород может вводиться в теплоноситель несколькими способами. Для реализации одного из них реакторная установка содержит газовую систему 108, имеющую выход в реактор 101 в объем 106 около теплоносителя 104 (в предпочтительном варианте, показанном на фиг. 1, над теплоносителем). Теплоноситель 104 занимает только часть емкости реактора для снижения опасности разгерметизации реактора ввиду теплового расширения теплоносителя при разогреве. Верхняя часть 106 емкости реактора, находящаяся над поверхностью 105 («уровнем») теплоносителя 104, для предотвращения коррозии и нежелательных химических реакций заполняется газом, представляющим собой инертный газ (He, Ne, Ar) или смесь инертных газов. Для подачи газа в объем над теплоносителем или около теплоносителя, который в других вариантах может представлять собой отдельный объем от емкости, в которой находится теплоноситель, и предусмотрена газовая система 108.
Газовая система 108 содержит трубопроводы (трубы), запорную арматуру 109 (вентили, клапаны и т.п.), фильтры, насосы и прочее оборудование, обычно применяемое в газовых системах и известное из уровня техники. Газовая система соединена с источниками инертных газов и кислорода и может осуществлять их смешивание. Таким образом, газовая система может подавать не только инертный газ или смесь инертных газов. Для обеспечения коррозионной стойкости в реактор в объем около теплоносителя может подаваться газ, содержащий кислород - например, газовая смесь инертного газа с кислородом (кислород в чистом виде представляет опасность для конструкционных материалов реактора и жидкометаллического теплоносителя). Газовая смесь может содержать, например, 1/5 или меньшую долю кислорода от своего объема - в таком соотношении наблюдается достаточная активность кислорода, содержащегося в газе, без излишних рисков для конструкционных материалов и теплоносителя.
В частности, в трубопроводы или смесительные емкости газовой системы могут подаваться инертные газы и кислород из емкостей, в которых газы находятся в сжатом состоянии под давлением, благодаря регулированию запорной арматуры (например, вентилей, клапанов с помощью электро- или гидроприводов), или благодаря воздействию побудительных насосов, перекачивающих указанные газы из емкостей, в которых они хранятся, в требуемые смесительные емкости или трубопроводы, при соответствующих состояниях запорной арматуры на соединительных трубах/трубопроводах. Указанные газы или их смеси могут подаваться в реактор в объем около теплоносителя посредством трубопроводов из емкостей, в которых хранятся газы, или из смесительных емкостей вследствие соответствующего управления запорной арматурой (например, вентилями, клапанами) и/или насосами (если насосы не активируются, то подача газов может осуществляться благодаря повышенному давлению, под которым они находятся в соответствующих емкостях).
В том случае, когда газ, содержащий кислород, подается в объем реактора около теплоносителя, кислород может диффундировать в теплоноситель или окислять его составляющие, например, висмут или свинец, и окислы теплоносителя за счет конвекции или циркуляции теплоносителя в реакторе могут уноситься в глубь реактора, где при контакте с компонентами конструкционных материалов, таких как Fe, Cr, Zn и других, могут окислять указанные компоненты за счет того, что те имеют большее сродство к кислороду, чем висмут и свинец (например, тем самым восстанавливая эти компоненты теплоносителя). Такой способ пассивного поддержания оксидных пленок на поверхности конструкционных материалов для предотвращения коррозии может применяться, например, в стационарных режимах, когда расход кислорода на окисление компонентов конструкционных материалов соответствует поступлению кислорода через поверхность теплоносителя из объема около теплоносителя (и реализация такого способа регулирования концентрации кислорода в теплоносителе может учитываться регулирующей системой реакторной установки). Однако такой способ поддержания необходимой для защиты от коррозии концентрации кислорода в теплоносителе обладает такими недостатками, как инерционность и малая управляемость процессом вследствие незначительной эффективности пассивного проникновения кислорода из газа в жидкий теплоноситель, а также невозможность наращивания повышения концентрации кислорода в теплоносителе за счет повышения доли кислорода в газе ввиду роста отрицательного воздействия кислорода на конструкционные материалы в объеме реактора около теплоносителя и опасности образования оксидной пленки на поверхности теплоносителя.
Таким образом, ввод кислорода в теплоноситель за счет диффундирования через поверхности теплоносителя обеспечивает практически бесконечный источник кислорода, однако такой способ увеличения концентрации кислорода в теплоносителе является не очень точным, медленным и неуправляемым. В то же время для поддержания коррозионной стойкости конструкционных материалов требуется управляемый, точный и более быстрый способ повышения концентрации кислорода в теплоносителе. Такой способ может быть обеспечен с помощью массообменного аппарата 114, установленного в теплоносителе 104.
Массообменный аппарат может представлять собой контейнер, в котором расположены твердофазные оксиды теплоносителя. Например, в том случае, когда теплоноситель состоит из свинца и/или висмута, массообменный аппарат может содержать твердофазные оксиды свинца и/или висмута, например, в форме гранул. Указанные твердофазные оксиды могут растворяться в теплоносителе и благодаря тому, что они представляют собой оксиды компонентов теплоносителя, эффект будет в определенной степени аналогичен проникновению кислорода из газовой среды и окисления указанных компонентов, однако в данном случае имеется возможность управления интенсивностью этого процесса. Для того, чтобы происходило растворение твердофазных оксидов компонентов теплоносителя в теплоносителе необходимо, чтобы теплоноситель протекал через массообменный аппарат. Для обеспечения этого корпус массообменного аппарата, в котором вмещаются оксиды компонентов теплоносителя, например, в гранулированной форме, имеет отверстия, через которые протекает теплоноситель.
Эффективность (скорость) растворения твердофазных оксидов компонентов теплоносителя в теплоносителе зависит, в частности, от скорости протекания теплоносителя через массообменный аппарат. Для регулирования скорости протекания теплоносителя через массообменный аппарат в нем или в той части емкости реактора, в которой расположен массообменный аппарат, может быть предусмотрен, например, насос, который может прокачивать теплоноситель с различной скоростью, и работа этого насоса может регулироваться извне (дистанционно). Скорость протекания теплоносителя через массообменный аппарат может регулироваться нагревателем, который нагревает теплоноситель и благодаря этому осуществляется его конвекция. Работа нагревателя может регулироваться извне (дистанционно). Применение нагревателя имеет преимущество перед насосом ввиду того, что нагреватель не имеет движущихся элементов, что особенно важно для повышения срока службы массообменного аппарата и безопасности реактора в целом ввиду работы массообменного аппарата (а значит, и нагревателя или насоса) в горячем теплоносителе при высокой радиационной активности.
Эффективность (скорость) растворения твердофазных оксидов компонентов теплоносителя в теплоносителе также зависит, в частности, от объема и площади поверхности твердофазных оксидов компонентов теплоносителя, с которыми контактирует теплоноситель, и объем емкости, в которой находятся указанные оксиды (например, в форме гранул) и через которую протекает теплоноситель, может регулироваться с помощью клапанов или вентилей, которые могут управляться дистанционно, например, с помощью электропривода.
Кроме того, эффективность (скорость) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе также зависит, в частности, от температуры взаимодействующих теплоносителя и/или твердофазных компонентов теплоносителя. Их температура может также регулироваться, например, с помощью нагревателя, работа которого может регулироваться извне реактора (дистанционно).
Таким образом, существует множество различных способов регулирования эффективности (скорости) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе, некоторые из которых описаны выше. В настоящем изобретении все эти способы собирательно описываются как «активация» («активировать») массообменного аппарата, поскольку при этом происходит повышенное растворение твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе. В «неактивированном» («деактивированном») состоянии, то есть, например, когда насос или нагреватель, увеличивающие поток теплоносителя через массообменный аппарат, отключены, или когда, например, клапаны или вентили переведены в такое положение, что теплоноситель омывает минимальное количество твердофазных компонентов теплоносителя или не омывает их совсем, или когда нагреватель, предназначенный для повышения температуры теплоносителя и/или твердофазных компонентов теплоносителя с целью повышения эффективности их взаимодействия, отключен (приведены примеры в соответствии с вышеописанными способами повышения эффективности (скорости) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе; при использовании других способов неактивированное или деактивированное состояние определяется по соответствующей минимальной эффективности (скорости) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе), эффективность (скорость) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе может быть минимальна или равна нулю (в общем случае она может иметь некоторое значение в силу того, что теплоноситель может проходить через массообменный аппарат в силу общей циркуляции в реакторе (а не за счет побуждения потока дополнительными вышеописанными способами), а текущая температура взаимодействия может обеспечивать некоторое растворение сама по себе (а не за счет, например, дополнительного нагрева).
Следовательно, когда применяется термин «активировать» массообменный аппарат, это означает, что включаются средства, которые обеспечивают повышение эффективности (скорости) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе. В обратном случае, когда применяется термин «деактивировать» массообменный аппарат, это означает, что средства, которые обеспечивают повышение эффективности (скорости) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе, включаются или переводятся в положение, при котором указанная эффективность (скорость) имеет минимально возможное значение.
Активация/деактивация может обеспечивать два или более состояний активности оборудования. При двух состояниях, когда массообменный аппарат может иметь минимальную (или нулевую) активность и максимальную активность, регулирование поступающего в теплоноситель кислорода может регулироваться временем, в течение которого массообменный аппарат находится в состоянии максимальной активности. При большем количестве возможных задаваемых состояний активности массообменного аппарата также может регулироваться скорость поступления кислорода в теплоноситель (то есть объем растворяемых твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе за единицу времени). В предельном случае может быть предусмотрено не дискретное, а аналоговое, непрерывное по величине, регулирование активности массообменного аппарата, что еще больше увеличивает возможности по регулированию скорости (эффективности) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе, что дополнительно повышает точность регулирования.
На фиг. 2 показан один из возможных вариантов выполнения массообменного аппарата. В состав массообменного аппарата входит емкость, образованная корпусом 201, ограниченная днищем 202 и крышкой 203. В емкости размещены проточная реакционная камера 210, расположенная внутри емкости ниже уровня теплоносителя и ограниченная сверху перфорированной решеткой 204. Ограничивающая решетка 204 предназначена для удерживания твердофазного гранулированного средства окисления 206 от всплытия под действием выталкивающей силы. Через ограничивающую решетку 204 и отверстия 207 в стенке корпуса 201, размещенные в верхней части стенки корпуса 201 над ограничивающей решеткой 204, обогащенный кислородом теплоноситель выходит из массообменного аппарата и смешивается с теплоносителем основного контура установки.
Твердофазное средство окисления 206 (в частном варианте твердофазные оксиды компонентов теплоносителя), помещенное под решеткой 204, при взаимодействии с теплоносителем растворяется, обогащая теплоноситель кислородом. Нагреватель 205, расположенный в реакционной камере 210 и проходящий через перфорированную решетку 204, предназначен для подогрева теплоносителя в реакционной камере 210. Входные отверстия 208 расположены в стенке корпуса 201 на уровне нижнего торца электрического нагревателя 205 для того, чтобы при работе массообменного аппарата теплоноситель двигался в основном через слой твердофазного средства окисления, размещенный в реакционной камере 210 в зазоре между корпусом 201 и электрическим нагревателем 205. Выходные отверстия 207, входные отверстия 208 и перфорация в решетке 204 выполнены, предпочтительно, в виде узких щелей с размером меньше гранул твердофазного средства окисления.
В рабочем положении массообменный аппарат погружен в теплоноситель так, чтобы выходные отверстия 207 находились в теплоносителе. Массообменный аппарат размещается в реакторе так, чтобы через место установки обеспечивался проток теплоносителя. Если высота слоя теплоносителя недостаточна для погружения в него корпуса массообменного аппарата, место установки оснащают карманом, в который утапливается корпус массообменного аппарата. Проток теплоносителя через карман может обеспечиваться за счет конвективного течения жидкометаллического теплоносителя через реакционную камеру при работе электрического нагревателя 205.
Массообменный аппарат, показанный на фиг. 2, работает следующим образом. При включении электрического нагревателя 205 за счет естественной конвекции создается расход теплоносителя через гранулированное твердофазное средство окисления 206, размещенное в проточной реакционной камере 210 в зазоре между корпусом 201 и электрическим нагревателем 205. Теплоноситель 104 (предпочтительно жидкометаллический) из окружающего объема поступает в массообменный аппарат через входные отверстия 208 и движется снизу вверх (показано стрелочками) через гранулированное твердофазное средство окисления 206, размещенное в реакционной камере 210. Гранулы твердофазного средства окисления при взаимодействии с теплоносителем растворяются в нем, обогащая теплоноситель кислородом. Обогащенный кислородом теплоноситель выходит из массообменного аппарата через выходные отверстия 207 и смешивается с теплоносителем основного контура реактора. Величина производительности, то есть количество кислорода, поступающего из массообменного аппарата в единицу времени, регулируется путем изменения мощности электрического нагревателя. При повышенной температуре повышается растворение твердофазного средства окисления. Поскольку плотность твердофазного средства окисления (например, оксида свинца) меньше плотности теплоносителя (например, свинцового или свинцово-висмутового), то твердофазные оксиды компонентов теплоносителя стремятся вверх и удерживаются в корпусе теплоносителя решеткой 204, которая при этом пропускает поток теплоносителя.
В верхней части нагревательного элемента 205 выводятся провода 115, с помощью которых подводится электрическое напряжение в нагревательный элемент 205. Благодаря тому, что для активации массообменного аппарата достаточно нагревать теплоноситель с помощью нагревателя 205, то для обеспечения работоспособности массообменного аппарата 114 на фиг. 1 через корпус 102 реактора достаточно провести лишь провода (кабель 115), по которым будет протекать электрический ток, обеспечивая нагрев нагревательного элемента 205 массообменного аппарата и, тем самым, его активацию. Таким образом обеспечивается безопасное дистанционное управление работой массообменного аппарата (а значит, и регулирование концентрации кислорода в теплоносителе), поскольку такое устройство минимизирует количество и размеры отверстий в корпусе реактора и устраняет необходимость проникновения в корпус реактора или разгерметизации реактора для регулирования концентрации кислорода в теплоноситель, в результате чего обеспечивается высокая степень герметичности и прочности корпуса реактора, что положительно сказывается на сроке и безопасности эксплуатации реакторной установки.
Массообменный аппарат обеспечивает достаточно точное регулирование концентрации кислорода в теплоносителе, но оно может обладать недостаточной скорость/эффективностью повышения концентрации кислорода. Кроме того, запас расходного материала - твердофазных оксидов компонентов теплоносителя - ограничен. В реакторе может быть установлено несколько массообменных аппаратов увеличенной емкости, но может появиться ограничение по объему реактора и месту, требующемуся для другого оборудования реакторной установки. В связи с этим необходим способ повышения концентрации кислорода в теплоносителе, который обладает большей скорость/эффективностью повышения концентрации и большим (бесконечным) объемом кислорода, который может быть введен в теплоноситель.
Для обеспечения такого способа повышения концентрации кислорода в теплоносителе с указанными свойствами в реакторе 101 установлен диспергатор 112, который также обеспечивает управляемый способ повышения концентрации кислорода в теплоносителе 104 с помощью ввода газа, который может содержать кислород, из объема 106 над поверхностью 105 теплоносителя 104 в теплоноситель 104. Для этого диспергатор 112 устанавливают частично в теплоносителе 104 и частично в объеме около теплоносителя 104. Газ, содержащий кислород, может вводиться в теплоноситель непосредственно из трубопровода газовой системы, однако в этом случае указанный трубопровод должен быть опущен в теплоноситель, что может привести к засорению и забиванию трубопровода и, тем самым, к снижению безопасности и срока реакторной установки.
В преимущественном варианте, показанном на фиг. 1, диспергатор 112 устанавливается вертикально, поскольку в этом случае возможно использовать в качестве объема около теплоносителя объем 106 над теплоносителем 104 (в связи с чем не требуются дополнительные меры по организации отдельного объема для газа), а диспергатор 112 находится в положении, продлевающем срок его эксплуатации, так как теплоноситель и имеющиеся в нем твердофазные оксиды не проникают в диспергатор (что потребовало бы их перемещения вверх) и не приводят к засорению диспергатора, что продлевает срок его эксплуатации. Поскольку диспергатор обладает возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, газ, захватываемый через отверстие в верхней части диспергатора, находящейся в частном случае в объеме над теплоносителем, проходит через канал в диспергаторе (например, в вале) сверху вниз и выпускается нижней частью диспергатора, находящейся в теплоносителе (при других видах расположения диспергатора названия направлений меняются соответственно).
Для того чтобы газ попадал в теплоноситель, в объеме около теплоносителя может создаваться повышенное давление, которое приводило бы к вынужденному проникновению газа в теплоноситель, обладающий меньшим внутренним давлением, через диспергатор. Величина давления может определяться датчиками давления в этом объеме или имеющим с ним соединение трубопроводом газовой системы, или по количеству закачанного в этот объем газа, которое может быть определено с помощью расходомеров. Для того, чтобы выпускное отверстие (отверстия) диспергатора не засорялись, они преимущественно выполнены на движущихся элементах диспергатора, устанавливаемых в теплоносителе, например, на нижнем конце вращающегося диспергатора.
Помимо создания повышенного давления газа в объеме около теплоносителя ввод газа в теплоноситель может обеспечиваться за счет создания в теплоносителе локальной зоны низкого давления, например, около диспергатора (увлечения газа теплоносителем). Например, это может быть сделано с помощью дисков в нижней части диспергатора, которые могут иметь лопасти и при вращении создают область пониженного давления в теплоносителе за счет центробежных сил. В указанную область пониженного давления и устремляется газ, проходящий из объема над теплоносителем через продольный канал в нижние отверстия около дисков. Благодаря градиенту скорости теплоносителя около диспергатора, в частности, дисков, то есть ситуации, когда теплоноситель около диспергатора движется быстрее, чем в отдалении от него, газ, поступающий в теплоноситель в виде пузырьков, дробится на более мелкие пузырьки, образуя тем самым мелкодисперсную двухкомпонентную взвесь газ-теплоноситель. В том случае, когда газ содержит кислород, образуются условия для эффективного повышения концентрации кислорода в теплоносителе. Благодаря тому, что диспергатор имеет движущиеся (вращающиеся) элементы, обеспечивается перемещение (омывание) теплоносителя около поверхностей диспергатора, благодаря чему твердые частички и пленки смываются с диспергатора и таким образом осуществляется его автоматическое самоочищение. Это свойство повышает срок службы как самого диспергатора, так и срок и безопасность эксплуатации реакторной установки в целом.
В предпочтительном варианте, показанном на фиг. 3, диспергатор может иметь два диска, один из которых вращается, а другой нет - благодаря такой комбинации между дисками образуется область пониженного давления теплоносителя, в которую из отверстий в валу или одном или двух дисках может поступать газ. Поскольку между дисками возможно обеспечить достаточно малое расстояние, а один из дисков вращается относительно другого, давление снижается сильнее, чем в том случае, когда вращаются оба диска. Благодаря этому повышается эффективность ввода газа в теплоноситель и газовые пузырьки становятся еще меньше, то есть повышается эффективность растворения газа, в частности, кислорода, в теплоносителе и, тем самым, повышение концентрации кислорода.
Управление вводом кислородосодержащего газа в теплоноситель, и тем самым регулирование концентрации кислорода в теплоносителе, достигается благодаря возможности управления работой газовой системы, которая может создавать повышенное давление в объеме около теплоносителя, и благодаря возможности управления работой диспергатора, который в пассивном состоянии (без вращения диска) не вводит газ из объема над теплоносителем в теплоноситель, а в активном состоянии (с вращением диска) вводит в теплоноситель кислородосодержащий газ из объема над теплоносителем, и скорость (эффективность) ввода газа в теплоноситель может зависеть от скорости вращения диска. Применение диспергаторов с вращающимися дисками более привлекательно, поскольку для обеспечения ввода газа из объема около теплоносителя в теплоноситель не требуется создавать в этом объеме повышенное давление, а достаточно привести в действие (активировать) диспергатор, что упрощает и тем самым повышает надежность работы системы регулирования.
Для приведения в действие («активации») диспергатора требуется приведение во вращение валов и дисков (или одного из валов и одного из дисков). Это возможно сделать с помощью, например, электродвигателя. Для снижения разрушительного воздействия высоких температур и паров теплоносителя на электродвигатель и, соответственно, продления срока его службы, он предпочтительно располагается снаружи реактора (хотя в некоторых вариантах может быть расположен и внутри). Для приведения во вращение частей диспергатора через стенку реактора от электродвигателя может проходить вал, для чего в стенке должно быть выполнено отверстие. Однако в предпочтительном варианте для повышения конструкционной прочности реактора и, тем самым, безопасности его эксплуатации возможна передача вращения от электродвигателя элементам диспергатора с помощью магнитной муфты, части которой установлены преимущественно напротив друг друга с разных сторон стенки реактора. Магнитное поле, формируемое одной магнитной полумуфтой, может передавать усилие вращения другой полумуфте, расположенной с другой стороны стенки реактора, тем самым приводя в действие диспергатор. При расположении двигателя диспергатора снаружи реактора управление им может осуществляться через провод (кабель) 113, показанный на фиг. 1 и предназначенный для подведения электроэнергии к электродвигателю, путем подачи/неподачи питающего напряжения или изменения его параметров.
Приведение в действие диспергатора, достигаемое с помощью электродвигателя, в настоящем изобретении обозначается как «активация» диспергатора, а остановка электродвигателя, при которой диспергатор прекращает свою работу, в настоящем изобретении называется «деактивация» диспергатора. Скорость вращения электродвигателя может регулироваться различным образом: бинарно (отключен/включен), с несколькими скоростями вращения или с возможностью придания любой скорости вращения в определенном диапазоне скоростей. При этом, чем выше скорость вращения, тем больше газа (в т.ч. кислорода) растворяется в теплоносителе и тем более мелкие пузырьки газа образуются.
Показанный на фиг. 3 диспергатор состоит из следующих основных элементов: корпус 301 диспергатора с неподвижным верхним диском; полый вал 302, соединенный с нижним вращающимся диском 303; фланец 304 крепления диспергатора к корпусу реактора; электродвигатель 307 с ведущей магнитной полумуфтой 306, передающий вращение полому валу 302 при помощи ведомой магнитной полумуфты 305. Электродвигатель 307 с полумуфтой 306 установлен на стенке 102 реактора с внешней стороны, а полумуфта 305 установлена с внутренней стороны стенки 102 реактора.
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг. 3, верхний диск (статор) диспергатора соединен неподвижно с корпусом 301 диспергатора. Нижний вращающийся диск 303 соединен с вращающимся валом 302. Нижний диск и вал - полые, полости соединены между собой. В верхней части полость вала соединена с газовым контуром через отверстия. Поверхность нижнего диска, образующая зазор, перфорирована отверстиями (например, по меньшей мере, двенадцатью) малого диаметра, расположенными по окружности. Верхний диск также может быть перфорирован небольшими отверстиями для доступа жидкого металла в полость между дисками. В верхней части вращающийся вал соединен с валом герметичного электродвигателя 307, запитанного от частотного преобразователя, при помощи магнитных полумуфт 305, 306.
Диспергатор погружается в теплоноситель таким образом, чтобы отверстия в верхней части вала были над уровнем, а верхний и нижний диски - под уровнем жидкости. При включении герметичного электродвигателя нижний диск вращается с заданной угловой скоростью. При этом в результате движения теплоносителя относительно нижнего диска в зазоре образуется зона пониженного давления, что вызывает впрыск газа из полости нижнего диска через отверстия в верхней части нижнего диска в зазор. В зазоре благодаря градиенту скоростей теплоносителя пузырьки дробятся и мелкодисперсная газовая фаза вместе с теплоносителем поступает из зазора в основной поток теплоносителя.
В других вариантах выполнения диспергатора неподвижным диском может быть нижний диск, а вращающимся - верхний. Кроме того, полость, соединяющая объем около теплоносителя и отверстия в диске, может быть как в вале, так и в корпусе. При этом сами отверстия могут быть выполнены как во вращающемся диске, так и в неподвижном (или одновременно в этих дисках).
Как уже отмечалось, принцип действия диспергатора газа основан на дроблении газовых пузырей в жидкости при попадании их в поток с большим градиентом скоростей. В таком потоке благодаря неравномерности сил скоростного напора, приложенных к элементам поверхности, происходит разрушение больших пузырей с образованием мелких. Создание высокоградиентного потока жидкости в диспергаторе газа в предпочтительном варианте выполнения диспергатора осуществляется в зазоре между вращающимся и неподвижным дисками. Степень дисперсности газовой фазы при прочих равных условиях зависит от градиента скоростей в потоке. Увеличение градиента скоростей осуществляется уменьшением зазора между дисками или увеличением линейной скорости относительного движения дисков.
В реакторе 101 также располагается датчик 110 концентрации кислорода в теплоносителе 104. В предпочтительном варианте осуществления он выполнен в виде датчика термодинамической активности кислорода в теплоносителе, один из вариантов которого показан на фиг. 4. Показанный на фиг. 4 твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода содержит керамический чувствительный элемент 401, герметично размещенный в корпусе 405, электрод сравнения 402 и центральный электрод, состоящий из двух частей - нижней 406 и верхней 111, размещенных в полости датчика.
Керамический чувствительный элемент 401 выполнен целиком из твердого электролита в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и части сферы. Для изготовления элемента 401 могут использоваться, например, частично стабилизированный диоксид циркония, полностью стабилизированный диоксид циркония или оксид гафния. Боковая поверхность цилиндрического элемента соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса 405 посредством соединительного материала 404, который может представлять собой, например, ситалл или прессованное углеграфитное волокно.
Датчик снабжен пробкой 403 из оксида металла, например, алюминия, имеющей отверстие и перекрывающей поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента 401. Пробка предназначена для фиксирования электрода сравнения 402 во внутренней полости керамического чувствительного элемента 401. Электрод сравнения 402 расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента 401 и поверхностью пробки 403, и занимает по меньшей мере ее часть. Электрод 402 может быть выполнен, например, из висмута, свинца, индия или галлия.
Обращенный в сторону части сферического элемента свободный конец нижней части центрального электрода 406 выведен в объем электрода сравнения 402 через отверстие в пробке 403. При этом обеспечен электрический контакт между электродом сравнения 402 и нижней частью центрального электрода 406. По меньшей мере часть сферы керамического чувствительного элемента 401 выступает за пределы корпуса 405, выполненного, например, из стали. В процессе работы датчика эта выступающая часть погружена, например, в расплав жидкого металла, в котором определяется активность кислорода.
Материалы корпуса 405, керамического чувствительного элемента 401 и соединительного материала 404 имеют одинаковый коэффициент температурного расширения и являются химически стойкими по отношению к рабочей среде, например к расплаву свинца при температурах, не превышающих 650°C. Это позволяет сохранить работоспособность датчика при скоростях изменения температур (термоударах) в жидком металле до 100°C/с в диапазоне температур 300-650°C.
К свободной части корпуса 405 приварена втулка 408. Из полости втулки 408 выходит верхняя часть центрального электрода 111, которая на фиг. 1 в виде кабеля или провода проходит через стенку 102 корпуса реактора. Кольцевая полость между втулкой 408 и верхней частью центрального электрода 111 заполнена диэлектрическим материалом 410, в качестве которого предпочтительно используется ситалл. Материал 410 обеспечивает герметичность внутренней полости датчика. Это необходимо для предотвращения попадания кислорода из воздуха во внутреннюю полость датчика и изменения свойств электрода сравнения 402. Нижняя часть центрального электрода 406, расположенная во внутренней полости корпуса 405, помещена в изолятор 407, предпочтительно выполненный из оксида алюминия.
Принцип действия датчика термодинамической активности кислорода основан на измерении разности электрических потенциалов между двумя электродами, разделенными твердым электролитом (например, ZrO2÷Y2O3) с селективной кислородоионной проводимостью. Величина разности электрических потенциалов между двумя электродами формируется за счет разницы в кислородных потенциалах контролируемой среды и среды с заранее известным кислородным потенциалом (электрод сравнения). В качестве электрода сравнения могут быть использованы системы «жидкий металл - твердый оксид», например, {Bi}-<Bi2O3>. Получаемое от датчика значение разности потенциалов может быть пересчитано в значение термодинамической активности кислорода, его концентрации или другой удобной величины. В другом варианте управление средствами повышения концентрации кислорода может регулироваться непосредственно в зависимости от получаемого от датчика значения разности потенциалов (например, по таблице соответствия или через установленное эмпирическим или теоретическим путем формульное соответствие).
Непосредственные или преобразованные показания датчика концентрации кислорода (например, термодинамической активности кислорода) могут сравниваться с пороговыми значениями и в соответствии с результатом сравнения могут приниматься решения по активации массообменного аппарата или диспергатора. Например, может быть определено, что концентрация кислорода ниже порогового значения, и тогда принимается решение об активации одного из указанных устройств с целью повышения концентрации кислорода (например, его термодинамической активности).
В соответствии с настоящим изобретением способ регулирования концентрации кислорода, позволяющий достичь вышеуказанные технические результаты, может содержать следующие шаги, показанные на фиг. 5.
Во-первых, получают показания датчика концентрации кислорода (шаг 501) и оценивают концентрацию кислорода в теплоносителе (шаг 502) на основании данных от датчика концентрации кислорода в теплоносителе и далее сравнивают оценку концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением (шаг 503). В том случае, если концентрация кислорода меньше допустимого значения (меньше минимально допустимого значения, то есть находится вне диапазона допустимых значений), оценивают изменение концентрации кислорода в теплоносителе (шаг 504), в результате чего могут быть определены, например, вид изменения концентрации (увеличение, снижение, или сохранение прежнего уровня), скорость изменения, величина изменения и т.п.
Подобные оценки изменения концентрации и характеристик такого изменения могут быть сделаны на основе, например, сравнения оценок концентрации кислорода в теплоносителе, полученных датчиком 110 в разные моменты времени, или могут быть получены в виде производных, которые могут быть сделаны с помощью различных устройств (например, аппаратное дифференцирование с помощью емкостных, индуктивных элементов или т.п.) или любыми другим известными из уровня техники способами. Благодаря такому способу оценки изменения концентрации возможно на основании показаний того же датчика, который используется для определения концентрации кислорода, вследствие чего снижается количество оборудования, находящегося в реакторе, а это приводит к упрощению и удешевлению проектирования, изготовления и монтажа в отношении датчика концентрации кислорода в теплоносителе в частности и реакторной установки в целом. Кроме того, использование одного типа датчика позволяет осуществлять резервирование для обеспечения безопасности и увеличения срока эксплуатации реакторной установки, поскольку место в реакторе не занимается другими типами датчиков и, тем самым, сохраняется место для установки дополнительных, резервных датчиков одного типа. Также необходимо отметить, что при резервировании одного типа датчика обеспечивается унификация оборудования, благодаря чему также упрощается и удешевляется проектирование, изготовление и монтаж реакторной установки.
В другом варианте возможно применение датчиков концентрации кислорода, которые будут давать в качестве показаний величины, соответствующие характеристикам изменения концентрации кислорода в теплоносителе - такие датчики могут называться дифференциальными. В связи с этим возможно применение двух или более видов датчиков (с учетом датчика, показания которого позволяют оценить концентрацию кислорода в теплоносителе). Поскольку указанные датчики предназначены для определения различных характеристик одной и той же величины (концентрации кислорода), то это позволяет получать более точные оценки указанных характеристик и величин при совместном использовании показаний этих разнотипных датчиков, а также заменять показания одних соответствующим образом обработанными показаниями других при выходе каких-либо из них из строя, что позволяет повысить безопасность и срок эксплуатации реакторной установки.
Для принятия решения об активации массообменного аппарата или диспергатора в преимущественном варианте необходимы обе оценки - концентрации кислорода и изменения концентрации кислорода - ввиду того, что активировать указанные устройства предпочтительно после снижения концентрации кислорода ниже допустимого (порогового) значения (или диапазона значений), что может быть оценено в соответствии с показаниями, отражающими концентрацию кислорода, а решение о том, какое из устройств активировать - массообменный аппарат или диспергатор - возможно принять на основе оценок, характеризующих изменение концентрации кислорода.
Далее определяют, показывает ли оцененное изменение концентрации кислорода в теплоносителе уменьшение концентрации (шаг 505), и в том случае, если оцененное изменение концентрации кислорода в теплоносителе показывает уменьшение концентрации, сравнивают величину и/или скорость уменьшения с соответствующим пороговым значением (шаг 506).
Уменьшение концентрации может быть определено различными способами. Например, в том случае, если одно или более последующих значений оценки концентрации кислорода меньше одного или более предыдущих, может быть признано, что это соответствует уменьшению концентрации кислорода. В другом варианте, если используются дифференциальные датчики кислорода, уменьшение концентрации кислорода может быть определено в том случае, если показания такого датчика имеют значения, соответствующие уменьшению концентрации. Кроме того, уменьшение концентрации кислорода может определяться по оценке величины и/или скорости изменения концентрации кислорода, если эти оценки имеют отрицательные значения, то может быть признано уменьшение концентрации кислорода в теплоносителе. Если же используется оценка величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода, которые противоположны по знаку аналогичным оценкам для изменения концентрации кислорода, то уменьшение концентрации кислорода в теплоносителе может быть признано в том случае, если эти оценки имеют положительные значения. Величина или скорость изменения (уменьшения) концентрации кислорода в теплоносителе может определяться на основе показаний датчика концентрации кислорода в теплоносителе (например, датчика термодинамической активности кислорода в теплоносителе) или на основе дифференциальных датчиков, отражающих изменение концентрации кислорода.
В том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения, наблюдается уменьшение концентрации кислорода и оцененная величина и/или скорость уменьшения концентрации кислорода меньше соответствующего порогового значения, активируют массообменный аппарат (шаг 507). В другом случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения, наблюдается уменьшение концентрации кислорода и оцененная величина и/или скорость уменьшения концентрации кислорода больше соответствующего порогового значения, в объем около теплоносителя из газовой системы подают газ (газовую смесь), содержащий кислород, и/или активируют диспергатор (шаг 508).
В последнем случае, на шаге 508 возможны пять альтернатив, которые приведут к достижению необходимого результата, заключающегося в повышении концентрации кислорода в теплоносителе. В одной из альтернатив в объем около теплоносителя из газовой системы подают газ, содержащий кислород, например, в объеме, не приводящем к повышению давления, а просто вытесняющем газ без кислорода (например, через второй трубопровод газовой системы). Для того чтобы кислород попал в теплоноситель, диспергатор должен быть в активном состоянии. Следовательно, эта альтернатива используется в том случае, если до подачи газа, содержащего кислород, диспергатор находился в активном состоянии, например, использовался для ввода в теплоноситель газа, не содержащего кислород (например, водородную газовую смесь). Во второй альтернативе в объеме около теплоносителя до активации диспергатора уже мог находиться газ, содержащий кислород, и для достижения результата, т.е. ввода кислородосодержащего газа в теплоноситель и, тем самым, повышения концентрации кислорода в теплоносителе, достаточно активировать диспергатор. В третьей альтернативе до получения необходимого результата газ в объеме около теплоносителя не содержал кислород, а диспергатор был отключен, и для повышения концентрации кислорода требуется как подать в объем около теплоносителя кислородосодержащий газ (в предельном случае это может быть и чистый кислород, предназначенный для смешивания с газом в указанном объеме), так и активировать диспергатор. В четвертой альтернативе диспергатор не активируют, а в объем около теплоносителя из газовой системы подают газ, содержащий кислород, в количестве (объеме) или под давлением, достаточным для создания в объеме около теплоносителя такого давления, которое привело бы к проникновению газа в теплоноситель через диспергатор даже при неактивном диспергаторе. В пятой альтернативе в объем около теплоносителя из газовой системы подают газ, содержащий кислород, в количестве (объеме) или под давлением, достаточным для создания в объеме около теплоносителя такого давления, которое привело бы к проникновению газа в теплоноситель через диспергатор, и активируют диспергатор - это позволяет продлить срок эксплуатации диспергатора.
Общим для всех этих альтернатив является то, что результат, заключающийся в повышении концентрации кислорода, достигается только при наличии в объеме около теплоносителя газа, содержащего кислород, под давлением, превышающим внутреннее давление в теплоносителе в месте расположения выходного отверстия (отверстий) диспергатора, а различаются они лишь способом создания требуемой разницы давлений и начальными условиями: активирован или деактивирован диспергатор и имеется ли в объеме около теплоносителя газ, содержащий кислород, и под каким давлением. Таким образом, настоящее изобретение должно считаться использованным в случае выполнений любого из вышеуказанных действий, если они приводят к подаче через диспергатор (или диспергатором) газа, содержащего кислород, из объема около теплоносителя в теплоноситель.
Как уже отмечалось, попадание газа (в том числе кислородосодержащего) в теплоноситель возможно и в том случае, если в объеме около теплоносителя создается повышенное давление газа, а диспергатор не активируется. Однако в этом случае вероятно засорение выходного отверстия (отверстий) диспергатора, в связи с чем для достижения результата настоящего изобретения, т.е. повышения надежности и срока службы оборудования реактора, что приводит к повышению безопасности и срока эксплуатации реакторной установки, при таком способе ввода газа в теплоноситель (за счет повышенного давления газа в объеме около теплоносителя) диспергатор все равно предпочтительно должен быть активирован для того, чтобы его выходное отверстие (отверстия) на нижнем конце, погруженном в теплоноситель, омывалось теплоносителем, предотвращая скапливания в/на нем оксидов, отложений, пленок и т.п. Таким образом, на шаге 508 даже в случае подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород, в таком объеме, что повышается давление газа в объеме около теплоносителя, что приводит к проникновению газа (с кислородом) в теплоноситель даже без активации диспергатора, диспергатор предпочтительно также активируется (хотя случай и без активации диспергатора также входит в объем настоящего изобретения).
Кроме того, само по себе регулирование давления газа в объеме около теплоносителя так, чтобы он сам по себе начал проникать в теплоноситель через диспергатор даже без его активации, может быть нежелательным ввиду образования пузырьков больших размеров и является гораздо менее точным ввиду меньшей точности регулирования давления в газовой системе, чем регулирование скорости вращения диспергатора, и, соответственно, локального снижения давления в теплоносителе около вращающегося конца (дисков) диспергатора, в связи с чем предпочтительно применение регулирования концентрации кислорода в теплоносителе с помощью активируемого диспергатора.
В том случае, если регулирование концентрации кислорода в теплоносителе осуществляется лишь способами, в которых применяется активируемый диспергатор, в настоящем изобретении предпочтительно применяются только первые три ранее описанные альтернативы шага 508, которые объединяет то, что результат, заключающийся в повышении концентрации кислорода, достигается только при наличии в объеме около теплоносителя газа, содержащего кислород, и активации диспергатора, вводящего газ из объема около теплоносителя в теплоноситель, а различаются они лишь начальными условиями: активирован или деактивирован диспергатор и имеется ли в объеме около теплоносителя газ, содержащий кислород. Таким образом, настоящее изобретение должно считаться использованным в случае выполнений любого из вышеуказанных действий, если они приводят к подаче диспергатором газа, содержащего кислород, из объема около теплоносителя в теплоноситель. При этом следует учитывать, что подача в объем около теплоносителя газа, содержащего кислород, как с созданием в этом объеме давления, превышающего внутреннее давление теплоносителя (не только локально около диспергатора, но и во всем объеме), так и без создания такого давления, в любом случае будет считаться происходящим в результате подачи в объем около теплоносителя газа, содержащего кислород, и, тем самым, являться одним из вариантов настоящего изобретения, входить в объем охраны формулы изобретения и подпадать под действие настоящего патента.
После осуществления шага 507 активации массообменного аппарата или шага 508 подачи газа, содержащего кислород, и/или активации диспергатора проверяют концентрацию кислорода, например, тем же способом, что и ранее, то есть путем оценки указанной концентрации. Как показано на фиг. 5, это может быть сделано возвратом на шаг 501. В том случае, когда оцененная на шаге 502 и сравненная на шаге 503 концентрация кислорода в теплоносителе принимает или превышает допустимое значение (в других вариантах подходит к верхней границе или превышает верхнюю границу допустимого диапазона), осуществляют шаг 509 деактивации массообменного аппарата или шаг деактивации диспергатора и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород (в том случае, если естественный расход кислорода в объеме около теплоносителя, например, за счет диффундирования, не достаточно быстро заканчивается или требуется исключить кислород из этого объема вообще, то в объем около теплоносителя из газовой системы может быть осуществлена подача газа, не содержащего кислород; кроме того, подача из газовой системы газа, не содержащего кислород в объем около теплоносителя, может осуществляться сразу, и это будет подразумевать, что подача газа, содержащего кислород, прекратилась, так как подаваемый газ не содержит кислород). Это позволяет поддерживать концентрацию кислорода в теплоносителе в допустимом диапазоне, то есть не выше верхней границы допустимого диапазона концентрации кислорода в теплоносителе. Отслеживание условия «концентрация кислорода в теплоносителе равна или больше допустимого значения» связано с тем, что настоящее изобретение направлено на борьбу со снижением концентрации кислорода, а массообменный аппарат и диспергатор могут лишь повышать концентрацию кислорода в теплоносителе. Поэтому для решения задачи изобретения достаточно с помощью массообменного аппарата или диспергатора обеспечить концентрацию кислорода в теплоносителе, равной или большей допустимого значения, а далее она сама начнет снижаться из-за естественного расхода кислорода в теплоносителе на окисление компонентов конструкционных материалов, и при снижении концентрации кислорода ниже допустимого значения вновь активируются массообменный аппарат или диспергатор.
После прекращения ввода кислорода в теплоноситель его концентрация в теплоносителе будет падать к нижней границе допустимого диапазона значений и когда концентрация кислорода в теплоносителе (оценка этой величины) станет вновь меньше допустимой величины (которая предпочтительно является нижней границей допустимого диапазона значений), способ повторяется вновь, то есть активируется массообменный аппарат или подается газ, содержащий кислород, и/или активируется диспергатор. Для обеспечения цикличного повтора способа в соответствии с настоящим изобретением после выполнения шагов 507, 508, 509 переходят к выполнению шага 501. К этому же шагу 501 в представленном варианте переходят и в том случае, если на шаге 505 было определено, что концентрация не уменьшается, а возрастает - в таком случае может считаться, что нет необходимости выполнения шагов 507 или 508, так как концентрация кислорода сама по себе возрастает (например, в том случае, если в объеме около теплоносителя находится газ, содержащий кислород, и проникновение кислорода в теплоноситель из газа происходит в достаточном для повышения концентрации кислорода в теплоносителе количестве).
Благодаря цикличности способа может обеспечиваться его повторяемость и автоматическое регулирование концентрации кислорода в теплоносителе, что позволяет снизить необходимость вмешательства квалифицированного персонала и, в пределе, вообще исключить его участие в процессе регулирования работы реакторной установки. Однако возможен и вариант, в котором способ по настоящему изобретению циклически не повторяется. Например, шаг 509 может осуществляться не по условию восстановления допустимой концентрации кислорода, а по таймеру, через некоторое время активной работы массообменного аппарата или диспергатора. Далее система регулирования может переходить в режим ожидания запуска способа с шага 501 или же запускать способ с этого шага автоматически, тем самым также обеспечивая цикличность и автоматизм работы. Это может быть полезно, когда оценка концентрации кислорода должна быть свободной от влияния различных факторов и требует нахождения массообменного аппарата или диспергатора в неактивном состоянии и, значит, не оказывающими влияния на показания датчика в момент получения его показаний.
Пороговые значения характеристик изменения концентрации кислорода в теплоносителе, таких как скорость, величина и другие, а также величина (диапазон) допустимого значения концентрации кислорода в теплоносителе могут определяться на основе предварительных теоретических или расчетных величин или же могут быть получены экспериментально в ходе пусконаладочных или поверочных работ (или в комбинации указанных способов). Конкретные значения порогов и допустимых значений зависят от конструкции реакторной установки и особенностей ее изготовления, и могут меняться от установки к установке даже для одного типа реактора и в зависимости от режимов эксплуатации или подготовки к эксплуатации реакторной установки. Критерием для определения конкретных значений порогов и допустимых значений может считаться обеспечение коррозионной стойкости конструкционных материалов реактора, его безопасность и достаточность концентрации кислорода или характеристик ее увеличения для обеспечения коррозионной стойкости, безопасности и длительного срока эксплуатации реактора.
Например, в одном из возможных вариантов пороговое (допустимое) значение концентрации растворенного в теплоносителе кислорода может быть определено расчетно-экспериментальным путем, и иметь значение, вычисляемое по следующей формуле:
lgC=-0,33-2790/T+lgCs+lgjCPb,
где C - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода, мас.%;
T - максимальная температура теплоносителя в контуре, K;
Cs - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, мас.%;
j - коэффициент термодинамической активности свинца в теплоносителе, обратные мас.%;
CPb - концентрация свинца в теплоносителе, мас.%;
lg - математическая операция взятия десятичного логарифма (то есть логарифма по основанию 10).
Например, при выполнении корпуса реактора из нержавеющей стали Х18Н10Т и применении в качестве теплоносителя эвтектического сплава свинца с висмутом, при максимальной температуре в реакторе 623 К (например, в активной зоне или около стенок корпуса) предельно низкая концентрация кислорода может составлять 2,6·10-10 мас.% (значение определено на основании указанных данных и данных, определенных опытным или расчетным путем для конкретной реализации реакторной установки). Несмотря на то что предельно низкая концентрация кислорода допустима для эксплуатации реакторной установки и может использоваться в качестве порогового (допустимого) значения, например, при условии быстрого наращивания концентрации кислорода без временных задержек после снижения измеренной концентрации кислорода ниже значения предельно низкой концентрации кислорода или приближении к этому значению, желательно не допускать подобных ситуаций для повышения безопасности эксплуатации реактора.
В связи с этим могут быть приняты пороги или допустимые значения, имеющие значения выше предельно низкой концентрации кислорода. Например, может быть поставлена задача поддерживать концентрацию кислорода в диапазоне от 6·10-8-6·10-7 мас.%. При уменьшении концентрации растворенного кислорода до уровня 6·10-8 мас.% может быть определено, что достигнуто нижнее пороговое значение, и принято решение о повышении концентрации кислорода в теплоносителе одним из описываемых в настоящем изобретении способов. После выполнения этого решения концентрация растворенного в теплоносителе кислорода увеличивается и при достижении значения 6·10-7 мас.% может быть определено достижение верхнего порогового значения и, соответственно, может быть принято решение о прекращении повышения концентрации кислорода в теплоносителе. В некоторых вариантах верхнее пороговое значение может не использоваться, а достаточное повышение концентрации кислорода может определяться на основе временных или других характеристик процесса повышения концентрации кислорода (например, повышение концентрации кислорода может быть прекращено после того, как длительность этого процесса с момента его начала достигнет заданного значения).
Пороговые значения скоростных, количественных и/или других характеристик изменения концентрации кислорода в теплоносителе могут определяться способами, аналогичными вышеописанным, и/или другими способами, известными из уровня техники.
Шаги способа предпочтительно выполняются в показанной и описанной последовательности, но в некоторых вариантах, там, где это возможно, шаги могут выполняться и в другой последовательности или параллельно.
Преимущества настоящего способа регулирования концентрации кислорода в теплоносителе основаны на следующем. Массообменный аппарат и диспергатор обладают разной эффективностью (производительностью), которая может быть определена как скорость увеличения концентрации кислорода, то есть приращения кислорода в единице объема за единицу времени. Массообменный аппарат имеет малую (относительно диспергатора) скорость или эффективность повышения концентрации кислорода и может использоваться, например, в штатных режимах работы, когда отклонения от порогового значения и скорость снижения концентрации кислорода, которую необходимо компенсировать, невелики. В то же время диспергатор имеет большую (относительно массообменного аппарата) скорость повышения концентрации кислорода и может использоваться, например, в нештатных режимах работы (например, при повреждениях оксидного слоя в результате механических воздействий, например, в результате землетрясения или т.п.) или при пассивации стенок реактора (наращивании на их поверхностях оксидных пленок) при начале работы, когда скорость расхода кислорода, что соответствует скорости снижения концентрации кислорода, которую необходимо компенсировать, велика.
Такое разделение позволяет, с одной стороны, обеспечить точное регулирование концентрации кислорода в теплоносителе в штатных ситуациях при использовании массообменного аппарата и, с другой стороны, дает возможность при необходимости быстро наращивать концентрацию кислорода (или компенсировать, сильное падение концентрации кислорода) в нештатных или других режимах работы при помощи диспергатора. Обе эти возможности, как точное регулирование концентрации кислорода, так и ее быстрое наращивание (компенсация быстрого падения) важны для обеспечения безопасности реактора.
Кроме того, применение такого разделения используемых средств повышения концентрации кислорода в зависимости от требуемой скорости повышения концентрации кислорода (эффективности ввода кислорода в теплоноситель) позволяет увеличить срок применения массообменного аппарата без пополнения в нем запаса оксидов компонентов теплоносителя. Это весьма важный показатель, поскольку запас оксидов компонентов теплоносителя в массообменном аппарате ограничен в силу ограниченности его размера, а также того, что в целях безопасности эксплуатации реакторной установки доступ к массообменному аппарату или его извлекаемость желательно ограничить, так как корпус реактора предпочтительно выполнять герметичным. Таким образом, применение двух различных средств повышения объема (концентрации) кислорода в теплоносителе также повышает безопасность реактора ввиду предотвращения отказа массообменного аппарата ввиду окончания расходного материала (твердофазных оксидов компонентов теплоносителя) и удлиняет срок безопасной эксплуатации реакторной установки (без разгерметизации реактора), поскольку запас расходного материала в массообменном аппарате расходуется только в штатном режиме, когда скорости снижения концентрации кислорода, которые необходимо компенсировать, невелики.
Для реализации вышеописанного способа управления реакторным оборудованием может быть использована система управления в соответствии с настоящим изобретением. Такая система управления, два варианта выполнения которой показаны на фиг. 6 и 7, содержит: модуль 601 оценки концентрации кислорода в теплоносителе, модуль 602 сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением, модуль 603 оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, модуль 605 управления массообменным аппаратом и модуль 606 управления газовой системой и/или диспергатором.
Модуль 601 оценки концентрации кислорода в теплоносителе выполнен с возможностью получения данных от датчика 110 концентрации кислорода в теплоносителе, оценки на основании полученных данных концентрации кислорода в теплоносителе и передачи оценки концентрации кислорода в теплоносителе в модуль 602 сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением.
Модуль 602 сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением выполнен с возможностью получения оценки концентрации кислорода в теплоносителе из модуля 601 оценки концентрации кислорода в теплоносителе и сравнения ее с допустимым значением.
Модуль 603 оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе выполнен с возможностью оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, а также с возможностью передачи оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе в модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе.
В одном из вариантов модуль 603 оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе может быть выполнен с возможностью определения уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе. В таком случае передача оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе в модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе может происходить в том случае, если модуль 603 оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе определил, что концентрация кислорода в теплоносителе уменьшается - при этом в модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе не требуется передавать данные о том, что концентрация кислорода в теплоносителе уменьшается и модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе может включаться в работу и осуществлять управление работой модуля 605 управления массообменным аппаратом и модуля 606 управления газовой системой и/или диспергатором (или передавать в них результаты своей обработки данных) по факту получения указанной информации об уменьшении концентрации кислорода в теплоносителе из модуля 603.
В другом варианте оценка величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе может передаваться в модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе постоянно. В таком случае модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе может определять уменьшение концентрации кислорода по нахождению значений оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе в соответствующем диапазоне (например, если передаются значения, характеризующие уменьшение концентрации кислорода в теплоносителе, то положительные значения характеристик будут соответствовать уменьшению концентрации, а отрицательные - повышению; если же передаются значения, характеризующие изменение концентрации кислорода, то положительные значения таких характеристик будут соответствовать повышению концентрации, а отрицательные - уменьшению; выбор вида передаваемых характеристик и соответствующего диапазона должен быть согласован с основной задачей настоящей системы, заключающейся в исправлении ситуации, в которой концентрация кислорода в теплоносителе уменьшается). Модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе может включаться в работу и осуществлять управление работой модуля управления массообменным аппаратом и модуля управления газовой системой и/или диспергатором (или передавать в них результаты своей обработки данных) по факту определения того, что получаемые значения находятся в диапазоне, соответствующем уменьшению концентрации кислорода.
В еще одном варианте оценка величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе может передаваться в модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе постоянно, а модуль 603 оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе дополнительно выполнен с возможностью определения уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе и передачи в модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе сигнала об определении уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе. Тогда модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе может включаться (осуществлять свои функции) предпочтительно только при получении такого сигнала из модуля 603 оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе.
Модуль 603 оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе может иметь возможность определять уменьшение концентрации кислорода в теплоносителе и характеристики этого уменьшения на основе показаний, например, дифференциального датчика, который в качестве показаний выдает сразу же подобные сведения и который не показан на фигурах, однако в предпочтительном варианте осуществления модуль 603 оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе выполнен с возможностью оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе (и определения уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, если это предусмотрено) на основании оценки концентрации кислорода в теплоносителе из модуля 601 оценки концентрации кислорода в теплоносителе. Благодаря этому снижается количество датчиков, устанавливаемых в реакторе. В последнем варианте оценка концентрации кислорода в теплоносителе из модуля 601 может передаваться в модуль 603 непосредственно из модуля 601, как это показано на фиг. 7, или через модуль 602 сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением, как это показано на фиг. 6. Необходимо отметить, что показанное на фиг. 6 соединение между модулями 602 и 603 в основном предназначено для передачи в модуль 603 результата сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением, а оценка концентрации кислорода в теплоносителе может и не передаваться (например, в том случае, если модуль 603 получает данные, характеризующие изменение концентрации кислорода в теплоносителе, от отдельного датчика или делает такую оценку исходя из показаний непосредственно датчика 110).
Модуль 604 сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе сравнивает оценку величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе с соответствующим пороговым значением и передает результат сравнения в модуль 605 управления массообменным аппаратом и/или модуль 606 управления газовой системой и/или диспергатором. Оценка величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе сравнивается с соответствующим пороговым значением, то есть, величина уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе сравнивается с пороговым значением величины уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, а скорость уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе сравнивается с пороговым значением скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе
Модуль 605 управления массообменным аппаратом может активировать массообменный аппарат 114 в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения и если оценка величины и/или скорости изменения концентрации кислорода меньше соответствующего порогового значения.
Модуль 606 управления газовой системой и/или диспергатором может активировать газовую систему с обеспечением подачи газа, содержащего кислород, в объем около теплоносителя и/или активировать диспергатор (в зависимости от того, что необходимо сделать для того, чтобы кислородосодержащий газ стал поступать в теплоноситель) в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения и если оценка величины и/или скорости изменения концентрации кислорода больше соответствующего порогового значения. Для активации газовой системы модуль 606 может управлять запорной арматурой (например, вентилями, клапанами) и насосами, входящими в состав газовой системы.
Кроме того, модуль 605 управления массообменным аппаратом может деактивировать массообменный аппарат, а модуль 606 управления газовой системой и диспергатором может деактивировать диспергатор и/или прекратить подачу в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород (или даже обеспечить подачу в объем около теплоносителя из газовой системы газа, не содержащего кислород), в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе имеет или превышает допустимое значение.
На фиг. 6 показана последовательная структура устройства управления оборудованием реакторной установки, в которой сигнал и данные из одного модуля передаются в следующий, а из следующего в послеследующий и так далее (за исключением модулей 605 и 606, которые непосредственно соединены с и управляют работой массообменного аппарата 114 и газовой системы и/или диспергатора 112). В этом случае модули 601-604, обрабатывающие данные, могут передавать лишь результаты своей обработки на основе данных, полученных из предыдущего модуля или датчика, или же могут передавать в следующий модуль все полученные из предыдущего модуля или датчика данные вместе с результатом своей обработки. В таком варианте выполнения в 605 и 606 могут подаваться из модуля 604 лишь сигналы, дающие инструкции по активации/деактивации соответствующих устройств, разрешающие/запрещающие сигналы по активации/деактивации соответствующих устройств (например, в бинарной форме) или сигналы, указывающие степень или величину требуемой активации соответствующих устройств, которая может иметь величину от нуля до максимума.
На фиг. 7 показана параллельная структура устройства управления, при которой модули 601 и 603 передают результаты своей обработки в модули 602 и 604 для сравнения с заданными пороговыми значениями (как показано на фиг. 7, модуль 601 также может передавать результат своей обработки и в модуль 603, но это не обязательно), а результаты обработки модулей 602 и 604 передаются в модули 605 и 606, где они сопоставляются и приводят к активации/деактивации соответствующих устройств. Для активации/деактивации соответствующего устройства необходимы данные о том, что концентрация кислорода в теплоносителе ниже допустимого значения (эти данные приходят из модуля 602), а также о величине/скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе (эти данные поступают из модуля 604).
Кроме того, для корректной работы управляющего устройства (системы) в соответствии с настоящим изобретением также необходимы данные о том, что концентрация кислорода в теплоносителе уменьшается, и модули 605 и 606 могут извлекать эти данные из данных о величине/скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, полученных из модуля 604, получать из модуля 604 информацию об уменьшении концентрации кислорода в теплоносителе вместе с характеристиками этого уменьшения, или получать данные о факте уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе из модуля 603 (последний вариант показан на фиг. 7). В показанном на фиг. 7 варианте управляющего устройства модули 605 и 606 выполняют не только роль непосредственного управления исполнительными устройствами (массообменным аппаратом, газовой системой (в частности, ее арматурой и насосами), диспергатором), но и анализа поступающих данных и принятия решений на основе этих данных.
Структура управляющего устройства (системы регулирования) в соответствии с настоящим изобретением может иметь и другие конфигурации, которые могут являться комбинациями вышеописанных, промежуточными вариантами или вариантами, полученными путем исключения или замены. Структурные схемы, приведенные на фиг. 6 и 7, а также блок-схема способа регулирования на фиг.5 и примеры реализации реакторной установки и приборов и устройств на фиг. 1-4, даны лишь в иллюстративных целях и не могут ограничивать объем защиты настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения. Любые действия, объекты, модули, элементы, оборудование и другие признаки, указанные в единственном числе, могут также считаться использованными, если их в установке или способе окажется несколько и наоборот, если указано множество, то для использования признака может оказаться достаточным одного объекта или действия.
Система регулирования может быть выполнена автоматической, то есть все решения могут приниматься на основании полученных и обработанных данных самой системой и ей самой же и выполняться. При такой автоматической работе появляется замкнутый цикл, в который входят теплоноситель, содержащий кислород, датчик содержания (концентрации) кислорода, модули обработки и принятия решений, модули управления исполнительными устройствами, которые оказывают воздействие на теплоноситель - и результаты этого воздействие вновь оцениваются с помощью датчиков концентрации кислорода и вновь принимаются решения по регулированию содержания концентрации кислорода в теплоносителе.
Достоинством такого автоматического регулирования концентрации кислорода в теплоносителе является то, что может быть исключена необходимость участия квалифицированного персонала в управлении реакторной установкой. Однако при этом может появляться и риск того, что режимы функционирования реакторной установки могут выйти за допустимые пределы ввиду замкнутости цикла управления при наличии неограниченной положительной обратной связи, при которой попытка регулирования нежелательного отклонения параметра приводит к еще большему отклонению параметра в нежелательную сторону (это может произойти как из-за несовершенства алгоритмов обработки, так и из-за сбоев в оборудовании).
В другом варианте система регулирования концентрации кислорода в теплоносителе может быть выполнена с участием в обработке данных и/или принятии решений персонала. В этом случае требуется обеспечение высокой квалификации персонала, но при этом обеспечивается учет всех возможных параметров и исключение выхода реакторной установки в опасные или критичные режимы работы благодаря тому, что человек, в отличие от автоматического устройства, может адаптивно оценивать складывающуюся ситуацию и менять алгоритмы действий с учетом вопросов безопасности и долгосрочности эксплуатации.
Для обеспечения персонала возможностью получения информации и воздействия на систему регулирования реакторная установка может иметь пульт управления, снабженный средствами индикации, такими как световые (индикаторы, световые панели, экраны, информационные табло и т.п.), звуковые (громкоговорители, сирены, системы оповещения и т.п.) и другие, например, тактильные средства индикации. Кроме того, пульт управления может быть снабжен средствами ввода информации для запросов необходимой информации, тестирования и ввода управляющих команд. Средства ввода могут представлять собой кнопки, тумблеры, рычаги, клавиатуры, сенсоры, тачпады, трекболы, мыши, сенсорные панели и другие известные из уровня техники средства ввода данных. Ввиду множества информационного оборудования пульт управления может быть протяженным и для того, чтобы персоналу было удобнее использовать пульт управления, в составе оборудования может быть предусмотрено кресло, снабженное колесиками, которое помимо обеспечения удобства работы персонала обеспечивает быстрый и удобный доступ лица, находящегося в кресле, к отдаленным частям пульта управления, поскольку персонал может легким движением ноги или руки оттолкнуться из текущего местонахождения и в результате поступательного движения кресла, обеспечиваемого колесиками, за короткий промежуток времени оказаться в желаемом местоположении.
В то же время необходимо отметить, что оба варианта выполнения системы регулирования - и автоматический, и с участием персонала, обладают недостатками. Так, например, в варианте ручного управления может быть такой недостаток, как не очень высокая скорость обработки данных и принятия решений персоналом по сравнения с требуемыми реакторной установкой. С другой стороны, полностью автоматическая система управления может быть небезопасной в случае сбоев или несовершенных алгоритмов обработки данных. В связи с этим возможна реализация комбинированного варианта системы регулирования, когда процессы обработки данных и регулирования выполняются в автоматическом режиме, но данные о них отображаются средствами индикации персоналу и, например, в случае выхода какого-либо параметра за допустимые пределы (или приближения к допустимым пределам,) или произвольно при какой-либо необходимости квалифицированный персонал может корректировать работу автоматической системы регулирования или регулировать самостоятельно, вручную.
Модули системы регулирования могут быть выполнены аппаратно на основе дискретных электронных компонентов, интегральных микросхем, процессоров, сборок, стоек и т.п. Система регулирования может быть выполнена аналоговой, цифровой или комбинированной. Так, например, модули, имеющие электрические соединения с оборудованием, находящимся в реакторе или в пульте управления, и управляющие его работой или обрабатывающие данные из них, могут содержать преобразователи напряжений, токов, частоты, аналоговой формы сигналов в цифровую и наоборот, драйверы, источники токов или напряжений и элементы, управляющие ими. Все эти элементы и модули могут располагаться на одной или нескольких монтажных платах, совмещаться или делиться между разными компонентами или платами, или быть выполненными и размещенными без использования монтажных плат.
Модули системы регулирования также могут быть выполнены программным образом. Для этого в качестве аппаратной части могут применяться интегральные микросхемы с программируемой логикой, контроллеры, процессоры, компьютеры, а в качестве программной части используются программы, содержащие команды или коды, которые выполняются указанными микросхемами, контроллерами, процессорами, компьютерами и т.п., соединенных с устройствами и оборудованием реактора. Программы хранятся в запоминающих устройствах, которые могут быть выполнены в различных формах, известных из уровня техники, и представлять собой считываемые компьютером носители информации: постоянные запоминающие устройства, жесткие и гибкие магнитные диски, флеш-память, оптические диски, оперативные запоминающие устройства и т.п. Программы могут содержать последовательности кодов или команд, обеспечивающих выполнение способа и алгоритмов в соответствии с настоящим изобретением по частям или полностью. Микросхемы, контроллеры, процессоры и компьютеры могут быть соединены со средствами ввода/вывода информации, которые могут быть отдельно расположенными или входить в состав пульта управления. Модули системы регулирования, описанные в качестве отдельных модулей, могут представлять собой программные модули или быть объединенными в одну или несколько программ, а также в один или несколько блоков или элементов программ.
Система регулирования и ее модули могут быть выполнены программно-аппаратным образом, то есть часть или все модули могут быть выполнены аппаратным образом, а часть модулей или устройства управления в программном виде. Например, в предпочтительном варианте осуществления модули управления оборудованием реактора (массообменным аппаратом, газовой системой, диспергатором) и модули преобразования датчиков могут быть выполнены аппаратно, а модули обработки данных и команд, отображения информации и регулирования параметров обработки (таких как пороги и допустимые значения) могут быть выполнены программно на основе компьютера, процесса или контроллера. Также могут быть изготовлены специализированные микросхемы, содержащие все необходимые аппаратные элементы и в которые могут загружаться программы или параметры обработки данных.
В предпочтительном варианте осуществления все электронные и другие элементы и компоненты преимущественно выполнены в радиационностойком исполнении для обеспечения возможности работы компонентов и работоспособности системы в целом в составе ядерной реакторной установки, которая может являться источником ионизирующего излучения, даже в аварийных условиях для сохранения возможности регулирования работы реактора и предотвращения возможных негативных последствий, тем самым обеспечивая повышенный уровень безопасности и длительный срок эксплуатации.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ И СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА И ВОДОРОДА В РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКЕ И ЯДЕРНАЯ РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА | 2014 |
|
RU2590895C2 |
| СПОСОБ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ СИСТЕМОЙ И ЯДЕРНАЯ РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА | 2014 |
|
RU2580926C1 |
| СПОСОБ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВВОДОМ ГАЗА В ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ И ЯДЕРНАЯ РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА | 2014 |
|
RU2596162C2 |
| СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ СВИНЦОВО-ВИСМУТОВОГО БЫСТРОГО РЕАКТОРА И ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА | 2014 |
|
RU2596159C2 |
| РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА | 2011 |
|
RU2473984C1 |
| СПОСОБ УДАЛЕНИЯ УГЛЕРОДА-14 ИЗ РЕАКТОРНОГО ГРАФИТА | 2017 |
|
RU2660169C1 |
| СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПАРОГЕНЕРАТОРА РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ С ТЯЖЕЛЫМ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ | 2013 |
|
RU2547447C1 |
| ОПТИМИЗИРОВАННОЕ ЖИДКОФАЗНОЕ ОКИСЛЕНИЕ В БАРБОТАЖНОЙ КОЛОННЕ РЕАКТОРНОГО ТИПА | 2005 |
|
RU2363534C2 |
| РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА | 2004 |
|
RU2255900C1 |
| РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА | 2004 |
|
RU2255901C1 |
Изобретение относится к регулированию концентрации кислорода в теплоносителе реакторной установки (РУ). РУ имеет в своем составе реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, массообменный аппарат, диспергатор и датчик концентрации кислорода в теплоносителе. Способ содержит следующие шаги, выполняемые системой: оценивают концентрацию кислорода; сравнивают концентрацию кислорода с допустимым значением; оценивают изменение концентрации кислорода; в том случае, если концентрация уменьшается, сравнивают величину и/или скорость уменьшения с соответствующим пороговым значением; в том случае, если величина и/или скорость уменьшения концентрации кислорода меньше порогового значения, активируют массообменный аппарат; в том случае, если величина и/или скорость уменьшения концентрации кислорода больше соответствующего порогового значения, в объем около теплоносителя из газовой системы подают газ, содержащий кислород, и/или активируют диспергатор. Технический результат: повышение управляемости регулирования концентрации кислорода в теплоносителе, увеличение безопасности и срока эксплуатации реакторной установки. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.
1. Способ регулирования концентрации кислорода в теплоносителе реакторной установки, имеющей в своем составе реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя, массообменный аппарат, установленный в теплоносителе, вмещающий твердофазные оксиды теплоносителя и выполненный с возможностью протекания через него теплоносителя, диспергатор, установленный частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненный с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, и датчик концентрации кислорода в теплоносителе, причем способ содержит следующие шаги:
- оценивают концентрацию кислорода в теплоносителе на основании данных от датчика концентрации кислорода в теплоносителе;
- сравнивают оценку концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением;
- оценивают изменение концентрации кислорода в теплоносителе;
- в том случае, если оцененное изменение концентрации кислорода в теплоносителе показывает уменьшение концентрации, сравнивают величину и/или скорость уменьшения с соответствующим пороговым значением;
- в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения и оцененная величина и/или скорость уменьшения концентрации кислорода меньше соответствующего порогового значения, активируют массообменный аппарат;
- в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения и оцененная величина и/или скорость уменьшения концентрации кислорода больше соответствующего порогового значения, в объем около теплоносителя из газовой системы подают газ, содержащий кислород, и/или активируют диспергатор.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в том случае, если после осуществления шага активации массообменного аппарата или шага подачи газа, содержащего кислород, и активации диспергатора оцененная концентрация кислорода в теплоносителе принимает или превышает допустимое значение, осуществляют шаг деактивации массообменного аппарата или шаг деактивации диспергатора и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в дополнение к прекращению подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород, в объем около теплоносителя из газовой системы подают газ, не содержащий кислород.
4. Система регулирования концентрации кислорода в теплоносителе реакторной установки, имеющей в своем составе реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя, массообменный аппарат, установленный в теплоносителе, вмещающий твердофазные оксиды теплоносителя и выполненный с возможностью протекания через него теплоносителя, диспергатор, установленный частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненный с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, и датчик концентрации кислорода в теплоносителе,
причем система регулирования содержит:
модуль оценки концентрации кислорода в теплоносителе, выполненный с возможностью получения данных от датчика концентрации кислорода в теплоносителе, оценки на основании полученных данных концентрации кислорода в теплоносителе и передачи оценки концентрации кислорода в теплоносителе в модуль сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением;
модуль сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением, выполненный с возможностью получения оценки концентрации кислорода в теплоносителе из модуля оценки концентрации кислорода в теплоносителе и сравнения ее с допустимым значением;
модуль оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, выполненный с возможностью оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, а также с возможностью передачи оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе в модуль сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе;
модуль сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе, выполненный с возможностью получения оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе и ее сравнения с соответствующим пороговым значением;
модуль управления массообменным аппаратом, выполненный с возможностью активации массообменного аппарата в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения и если оценка величины и/или скорости изменения концентрации кислорода меньше соответствующего порогового значения;
модуль управления газовой системой и/или диспергатором, выполненный с возможностью активации газовой системы с обеспечением подачи газа, содержащего кислород, в объем около теплоносителя и/или активации диспергатора в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше допустимого значения и если оценка величины и/или скорости изменения концентрации кислорода больше соответствующего порогового значения.
5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что модуль оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе выполнен с возможностью оценки величины и/или скорости уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе на основании оценки концентрации кислорода в теплоносителе из модуля оценки концентрации кислорода в теплоносителе.
6. Система по п. 4, отличающаяся тем, что модуль оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе выполнен с возможностью определения уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе и передачи информации об этом в модуль сравнения оценки уменьшения концентрации кислорода в теплоносителе и/или в модуль управления массообменным аппаратом и модуль управления газовой системой и/или диспергатором.
7. Система по п. 4, отличающаяся тем, что модуль управления массообменным аппаратом выполнен с возможностью деактивации массообменного аппарата, а модуль управления газовой системой и диспергатором выполнен с возможностью деактивации диспергатора и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород, в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе имеет или превышает допустимое значение.
8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что модуль управления газовой системой и диспергатором выполнен с возможностью подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, не содержащего кислород.
9. Ядерная реакторная установка, имеющая в своем составе:
реактор,
теплоноситель, размещенный в реакторе,
газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя,
массообменный аппарат, установленный в теплоносителе, вмещающий твердофазные оксиды теплоносителя и выполненный с возможностью протекания через него теплоносителя,
диспергатор, установленный частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненный с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель,
датчик концентрации кислорода в теплоносителе,
причем реакторная установка выполнена с возможностью управления концентрацией водорода в теплоносителе в соответствии со способом по любому из пп. 1-3 и/или с помощью системы по любому из пп. 4-8.
| АСХАДУЛЛИН Р.Ш | |||
| и др | |||
| УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО КИСЛОРОДНОГО РЕЖИМА В ПЕРВОМ КОНТУРЕ ЯЭУ С ТЯЖЕЛЫМ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ | |||
| Подольск, ОКБ ГИДРОПРЕСС, 2012, с | |||
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| Изложница с суживающимся книзу сечением и с вертикально перемещающимся днищем | 1924 |
|
SU2012A1 |
| ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА | 2003 |
|
RU2247435C1 |
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| Предохранительное приспособление к штамповочным прессам | 1936 |
|
SU48096A1 |
| JP2003075401 A , 12.03.2003 | |||
