Система пассивного отвода теплоты Российский патент 2024 года по МПК G21C15/18 

Изобретение относится к системе отвода теплоты от реакторной установки, в частности, в системах аварийного расхолаживания активных зон ядерных реакторов без потребления внешних источников энергии.

Известна система аварийного отвода тепла (патент на полезную модель RU186261, опубликованный 15.01.2019), которая содержит:

– прямоточный парогенератор, паровая ветка которого снабжена отсечным клапаном и подключена к пароводяному инжектору, а водяная ветка, также с отсечным клапаном, подключена к нижней части емкости запаса воды;

– емкость запаса воды, размещенную выше прямоточного парогенератора, верхняя часть которой соединена дополнительной веткой с паровой веткой, а нижняя часть поделена перегородкой на два участка: участок запаса воды, соединенный с водяной веткой, и участок стабильного уровня воды, которые объединены в верхней части объема емкости запаса воды;

– пароводяной инжектор, размещенный на уровне верхней кромки перегородки емкости запаса воды,

– теплообменник, соединенный подводящим трубопроводом, снабженным обратным клапаном, с выходом пароводяного инжектора, а отводящим трубопроводом с входом пароводяного инжектора,

– пусковую емкость, размещенную выше пароводяного инжектора и соединенную подводящей веткой с участком подводящего трубопровода теплообменника между пароводяным инжектором и обратным клапаном и отводящей веткой с подводящей веткой емкости запаса воды

Недостатком аналога является то, что при наличии расхода пара в паровой ветке давление пара в емкости запаса воды будет выше давления в камере смешения пароводяного инжектора на величину гидравлического сопротивления участка паровой ветки от точки подключения к ней дополнительной ветки до пароводяного инжектора. Поскольку емкость запаса воды и камера смешения пароводяного инжектора представляют собой сообщающиеся сосуды, то возникнет переток воды из емкости запаса воды в пароводяной инжектор, произойдет переполнение водой объема камеры смешения пароводяного инжектора и следующего за ним трубопровода, что затруднит проход пара в пусковую емкость и запуск работы пароводяного инжектора в циклических режимах работы системы.

Кроме того, при значительном гидравлическом сопротивлении участка паровой ветки от парогенератора до точки подключения дополнительной ветки в фазе запуска системы возможно поступление воды из парогенератора в емкость запаса воды, ее переполнение с повышением уровня воды и соответственно переполнение водой объема пароводяного инжектора, что по аналогии с предыдущим случаем затруднит запуск системы.

Указанный недостаток устранен в наиболее близком к изобретению техническом решении, которое представляет из себя систему пассивного отвода тепла реакторной установки (патент на изобретение RU2740786, опубликованный 21.01.2021), которая содержит:

– парогенератор с паровой и водяной ветками,

– пароводяной инжектор,

– теплообменник, размещенный ниже парогенератора и охлаждаемый конечным поглотителем тепла,

– пусковую емкость, размещенную выше пароводяного инжектора и верхней частью подключенную подводящей веткой к подводящему трубопроводу теплообменника.

– емкость запаса воды, установленную выше парогенератора и подключенную к нему водяной веткой с размещенными на ней отсечным клапаном и, установленным выше него обратным клапаном, подводящей веткой к подводящему трубопроводу теплообменника, а ее верхний объем подключен дополнительной веткой к паровой ветке парогенератора в точке подключения паровой ветки к пароводяному инжектору, причем водяная ветка парогенератора подключена к боковой поверхности емкости запаса воды в точке на уровне, соответствующем горизонтальному уровню размещения пароводяного инжектора.

Данная система обеспечивает наличие воды на том же уровне в камере смешения пароводяного инжектора и равенство давлений паровой среды в емкости запаса воды и в камере смешения пароводяного инжектора, что позволяет отводить тепло остаточных тепловыделений через теплообменник, размещенный ниже парогенератора и охлаждаемый конечным поглотителем.

Недостатками прототипа является то, что при работе системы возникает дисбаланс подводимой мощности парогенератора и мощности, отводимой теплообменником, поскольку мощность, отдаваемая в теплообменнике конечному поглотителю теплоты, не регулируется, что приводит к пульсациям в системе, периодическим срывам и перезапускам пароводяного инжектора.

Также, при подключении системы к парогенератору происходит резкий перепад давления, что может привести к неконтролируемому движению веществ внутри системы и срыву ее работы.

Кроме того, система не может быть использована для штатного расхолаживания реакторной установки, так как на малых мощностях происходит уменьшение парообразования на выходе из парогенератора, что делает невозможным запуск пароводяного инжектора.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационной надежности системы, проявляющаяся в обеспечении возможности безопасного запуска системы, работы ее как в режиме аварийного, так и в режиме штатного расхолаживания и неограниченного по времени отвода подводимой к парогенератору теплоты без пульсаций в системе и срыва пароводяного инжектора.

Указанный технический результат достигается за счет конструкции системы пассивного отвода теплоты, в которой пусковая емкость выполнена с запасом воды под давлением выше, чем давление на выходе из парогенератора и соединена со входом в парогенератор через запорный клапан; на ветке, соединяющей выходной водяной патрубок емкости запаса воды и входное водяное сопло пароводяного инжектора и на выходной ветке пароводяного инжектора расположены регулирующие клапаны; на водяной ветке на выходе из пароводяного инжектора расположена емкость с воздухом и невозвратный клапан, при этом параллельно невозвратному клапану установлен электронасос с невозвратным клапаном; на водяной ветке, соединяющей выход из пароводяного инжектора и вход в парогенератор расположен невозвратный клапан.

Установка пусковой емкости с запасом воды под давлением ко входу в парогенератор через запорный клапан и емкости с воздухом, подключенной к водяной ветке на выходе из пароводяного инжектора, позволяет поддерживать в системе давление несколько меньше давления на выходе из парогенератора. Давление воды в пусковой емкости несколько выше, чем давление на выходе из парогенератора позволяет исключить резкий перепад давления между парогенератором и системой пассивного отвода теплоты при подключении системы к парогенератору.

Установка невозвратного клапана на водяной ветке, соединяющей выход из пароводяного инжектора и вход в парогенератор позволяет не допустить обратного движения воды из пусковой емкости, тем самым обеспечивая гарантированный запуск циркуляции воды в системе при подключении ее к парогенератору.

Установка регулирующего клапана на выходной ветке пароводяного инжектора позволяет регулировать расход воды на теплообменник, тем самым регулируя мощность, отводимую теплообменником, сохраняя баланс между подводимой парогенератором мощностью и мощностью, отводимой теплообменником, не допуская пульсаций в системе и срыва пароводяного инжектора.

Установка регулирующего клапана на ветке, соединяющей выходной водяной патрубок емкости запаса воды и входное водяное сопло пароводяного инжектора, позволяет регулировать температуру воды, поступающей на водяное сопло пароводяного инжектора и, тем самым, регулируя расход воды на него, что также позволяет не допустить срыва пароводяного инжектора.

Установка регулирующего клапана на водяной ветке, соединяющей парогенератор и емкость запаса воды, позволяет регулировать расход воды, поступающей в парогенератор, и тем самым, не допускает уменьшение парообразования на выходе из парогенератора.

Установка невозвратного клапана и параллельно ему пускового электронасоса с невозвратным клапаном к отводящей ветке пароводяного инжектора позволяет осуществить запуск пароводяного инжектора на малых мощностях реактора, а также позволяет осуществить циркуляцию воды в системе в штатном режиме, в том числе при малой мощности реактора, без пульсаций в системе. Невозвратные клапаны не допускают циркуляцию воды в обратном направлении.

Предлагаемая система пассивного отвода теплоты позволяет избежать перепадов давления, а также пульсаций и срыва пароводяного инжектора в системе, позволяет обеспечить непрерывный отвод теплоты неограниченное по длительности время к конечному поглотителю через теплообменник, размещенный ниже парогенератора и, охлаждаемый в качестве конечного поглотителя теплоты забортной водой, запасы которой неограниченны, а также позволяет осуществлять расхолаживание реактора в штатном режиме.

Сущность технического решения поясняется фиг. 1, на которой изображена схема выполнения системы пассивного отвода теплоты.

Система пассивного отвода теплоты (см. фиг. 1) состоит из парогенератора 1, емкости запаса воды 2, расположенной выше парогенератора 1, пароводяного инжектора 3, теплообменника 4.

Парогенератор 1 подключен к системе паровой веткой 5 через отсечной клапан 6 и водяной веткой 7 через отсечной клапан 8.

Вход в парогенератор соединен водяной веткой 9 с размещенным на ней регулирующим клапаном 10 с входным водяным патрубком емкости запаса воды 2. Выход из парогенератора 1 соединен паровой веткой 5 с входным паровым патрубком емкости запаса воды 2.

Выходной паровой патрубок емкости запаса воды 2 соединен паровой веткой 11 с паровым соплом пароводяного инжектора 3, а выходной водяной патрубок емкости запаса воды 2 соединен водяной веткой 12, с размещенным на ней регулирующим клапаном 13, с водяным соплом пароводяного инжектора 3.

Теплообменник 4 соединен подводящей веткой 14 с выходным водяным патрубком емкости запаса воды 2 и отводящей веткой 15 соединен с водяным соплом пароводяного инжектора 3.

Выходное сопло пароводяного инжектора 3 соединено водяной веткой 7 со входом в парогенератор 1 и через регулирующий клапан 16 соединено со входом в теплообменник 4.

На выходе из пароводяного инжектора 3 на водяной ветке 7 расположены невозвратный клапан 17 и параллельно ему пусковой электронасос 18 с невозвратным клапаном 19.

Ко входу в парогенератор 1 водяной веткой 20 через запорный клапан 21 подключена пусковая емкость 22. К выходу из пароводяного инжектора 3 водяной веткой 23 подключена емкость с воздухом 24.

На водяной ветке, соединяющей выход из пароводяного инжектора и вход в парогенератор установлен невозвратный клапан 25.

Работа предложенного технического решения осуществляется следующим образом.

Исходно система пассивного отвода теплоты находится в состоянии готовности к вводу в действие и отключена от парогенератора 1, отсечные клапаны 6 и 8 закрыты. Система заполнена конденсатом ниже уровня подключения паровой ветки 5 ко входному паровому патрубку емкости запаса воды 2. Давление в системе несколько ниже давления на выходе из парогенератора 1. Пусковая емкость заполнена водой под давлением несколько выше, чем давление на выходе из парогенератора 1. Запорный клапан 21 закрыт.

Для ввода системы в действие парогенератор 1 подключается к системе открытием отсечных клапанов 6 и 8 по пару и воде.

Для запуска циркуляции рабочих сред в системе при аварийном расхолаживании одновременно с открытием отсечных клапанов 6 и 8 открывается запорный клапан 21 и вода из пусковой емкости 22 под действием сжатого воздуха, создающего давление выше, чем в парогенераторе, поступает в парогенератор 1, выдавливая воду из парогенератора, запуская тем самым циркуляцию воды в системе. Воздух и избытки воды уходят в емкость с воздухом 24, выравнивая давление в системе.

После выхода всего объема воздуха и воды из пусковой емкости 22, запорный клапан 21 закрывается.

Невозвратный клапан 25 не дает воде из пусковой емкости пойти в обратном направлении.

Для запуска системы в режиме штатного расхолаживания одновременно с открытием отсечных клапанов 6 и 8 запускается электронасос 18, который создает принудительную циркуляцию воды в системе. Невозвратные клапаны 17 и 19 не допускают циркуляцию воды в обратном направлении.

Далее по паровой ветке 5 в систему поступает пар из парогенератора 1, который затем через входной паровой патрубок поступает в паровой объем емкости запаса воды 2.

По паровой ветке 11 из выходного парового патрубка емкости запаса воды 2 пар поступает в паровое сопло пароводяного инжектора 3 и движется через него. Поступающий пар смешивается в камере смешения с охлажденной водой, поступающей от теплообменника 4 по отводящей ветке 15 и с насыщенной водой, поступающей из емкости запаса воды по водяной ветке 12, конденсируется в диффузоре пароводяного инжектора 3, за счет чего на выходе из пароводяного инжектора создается повышенное давление Разность давлений на входе и выходе из пароводяного инжектора позволяет использовать пароводяной инжектор в качестве циркуляционного средства в замкнутом контуре.

Часть расхода воды по водяной ветке 7 поступает в парогенератор 1 для генерации пара.

Регулирующий клапан 13 регулирует расход воды через теплообменник 4, что позволяет сохранить баланс количества теплоты, поступающей в парогенератор 1, и количества теплоты, отводимой теплообменником 4.

Регулирующий клапан 10 регулирует количество воды, поступающей в парогенератор, что исключает возможность уменьшения парообразования.

При таких условиях количество воды, поступающей с напора пароводяного инжектора 3 по водяной ветке 7 в парогенератор 1 равно количеству воды необходимому для парообразования на текущей мощности установки. Благодаря такой компоновке системы возможность срыва пароводяного инжектора практически исключена.

Таким образом, как показано в вышеприведённом описании технического решения, достигается технический результат, заключающийся в повышении эксплуатационной надежности системы.

Изобретение относится к системе отвода теплоты от реакторной установки. В предложенной системе пусковая емкость выполнена с запасом воды под давлением выше, чем давление на выходе из парогенератора, и соединена со входом в парогенератор через запорный клапан. Причем на ветке, соединяющей выходной водяной патрубок емкости запаса воды и входное водяное сопло пароводяного инжектора, и на выходной ветке пароводяного инжектора расположены регулирующие клапаны, на водяной ветке на выходе из пароводяного инжектора расположена емкость с воздухом и невозвратный клапан. Причем параллельно невозвратному клапану установлен электронасос с невозвратным клапаном, а на водяной ветке, соединяющей выход из пароводяного инжектора и вход в парогенератор, расположен невозвратный клапан. Техническим результатом является повышение эксплуатационной надежности системы, проявляющейся в обеспечении возможности безопасного запуска системы, работы ее как в режиме аварийного, так и в режиме штатного расхолаживания и неограниченного по времени отвода подводимой к парогенератору теплоты без пульсаций в системе и срыва пароводяного инжектора. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система пассивного отвода теплоты, включающая парогенератор, подключенный к системе с помощью отсечных клапанов по пару и воде, емкость запаса воды, соединенную водяной веткой со входом в парогенератор, пароводяной инжектор, паровое сопло которого соединено паровой веткой с емкостью запаса воды, теплообменник, соединенный подводящей веткой с емкостью запаса воды и отводящей веткой с водяным соплом пароводяного инжектора, и пусковую емкость, отличающаяся тем, что пусковая емкость выполнена с запасом воды под давлением выше, чем давление на выходе из парогенератора, на ветке, соединяющей выходной водяной патрубок емкости запаса воды и входное водяное сопло пароводяного инжектора, на выходной ветке пароводяного инжектора и на водяной ветке, соединяющей парогенератор и емкость запаса воды, расположены регулирующие клапаны, на водяной ветке на выходе из пароводяного инжектора расположены емкость с воздухом и невозвратный клапан, при этом параллельно невозвратному клапану расположен пусковой электронасос.

2. Система пассивного отвода теплоты по п. 1, отличающаяся тем, что на водяной ветке, соединяющей парогенератор и емкость запаса воды, расположен запорный клапан.

3. Система пассивного отвода теплоты по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что после пускового электронасоса на ветке, параллельной водяной ветке на выходе из пароводяного инжектора, расположен невозвратный клапан.

4. Система пассивного отвода теплоты по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что на водяной ветке, соединяющей выход из пароводяного инжектора и вход в парогенератор, расположен невозвратный клапан.