Система пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к системам пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки водо-водяного энергетического реактора (СПОТ ЗО), и предназначено для охлаждения защитной оболочки реактора путем естественной циркуляции охлаждающей воды в контуре системы. Система включает, по меньшей мере, один контур циркуляции охлаждающей воды, содержащий теплообменник внутри объема защитной оболочки, включающий верхний и нижний коллекторы, соединенные теплообменными трубками, подъемный и опускной трубопроводы, связанные с теплообменником, емкость запаса охлаждающей воды, размещенную выше теплообменника вне объема защитной оболочки и соединенную с опускным трубопроводом, паросбросное устройство, соединенное с подъемным трубопроводом. При этом верхний и нижний коллекторы теплообменника разбиты на секции теплообменных трубок, исходя из условия: L/D≤20, где L - длина секции коллектора, D - внутренний диаметр коллектора. Технический результат - повышение эффективности теплоотвода, устойчивости потока в контуре и, как следствие, надежности работы системы. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к системам пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки водо-водяного энергетического реактора (СПОТ ЗО), и предназначено для охлаждения защитной оболочки реактора путем естественной циркуляции охлаждающей жидкости (воды) в контуре системы.

Из уровня техники известно множество конструкций систем отвода тепла из защитной оболочки реактора с использованием естественной циркуляции тепла.

В патенте РФ RU 2125744, G21C 15/18, 27.01.1999 раскрыта система для пассивной отвода тепла из внутреннего объема защитной конструкции ядерного реактора содержащая первый теплообменник, размещенный снаружи защитной конструкции, второй теплообменник, расположенный внутри защитной конструкции реактора. Первый и второй теплообменники гидравлически соединены друг с другом в замкнутом контуре с помощью труб, содержащих теплоноситель и проходящих через защитную конструкцию и вытяжную трубу сверху, сообщающуюся с внешней атмосферой. Система также включает резервуар, заполненный водой до заданного уровня, связанный с защитной конструкцией и расположенный вблизи ее верхней стены. Первый теплообменник погружен под воду в резервуаре и вытянут вертикально от основания, примыкающего ко дну резервуара, к верхнему участку, разделяя резервуар на две гидравлически связанные области. Резервуар снабжен перекрытием определяющим первый и второй каналы, каждый из которых перекрывает соответствующую область из областей, образованных первым вертикальным теплообменником, и соединен только с соответствующей областью. Один из каналов связан с наружным воздухозабором, а другой - с вытяжной трубой, а сообщение между каналами блокируется водой, находящейся в резервуаре, когда он заполнен до заданного уровня.

В патенте РФ RU 2302674, G21C 9/00, 10.07.2007 раскрыта система отвода тепла из защитной оболочки, содержащая смонтированный под защитной оболочкой теплообменник, вход и выход которого пропущены через защитную оболочку и подключены к замкнутому контуру циркуляции легкокипящего теплоносителя, включающему турбину с электрогенератором, расположенные под защитной оболочкой энергоблок с парогенератором и установки для обеспечения безопасности энергоблока, одна из которых имеет гидроустройство и пароводяную турбину. Теплообменник установлен под куполом защитной оболочки и выполнен в виде двухъярусно расположенных кольцеобразных труб, соединенных между собой C-образными оребренными трубками, концы которых направлены к стенке защитной оболочки и охватывают гидроустройство установки для обеспечения безопасности энергоблока.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является система СПОТ, раскрытая в патенте РФ на полезную модель RU 85029, G21C 15/18, 20.07.2009 и содержащая контур циркуляции теплоносителя, включающий по крайней мере один теплообменник, размещенный внутри объема защитной оболочки, и емкость с запасом теплоносителя, установленную выше теплообменника вне объема защитной оболочки, соединенные между собой подводящим и отводящим трубопроводами. Система также снабжена пароприемным устройством, установленным в емкости с запасом теплоносителя, гидравлически связанным с последней и соединенным с отводящим трубопроводом.

Недостатком известных устройств является возможность возникновения гидроударов в системе.

Задачей изобретения является создание системы для эффективного отвода тепла из защитной оболочки реактора.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности теплоотвода, устойчивости потока в контуре (отсутствие гидроударов) и, как следствие, надежности работы системы.

Указанный технический результат достигается за счет того, что система пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки водо-водяного энергетического реактора, включающая по меньшей мере один контур циркуляции охлаждающей воды, содержит теплообменник, размещенный внутри объема защитной оболочки и включающий верхний и нижний коллекторы, соединенные теплообменными трубками, подъемный и опускной трубопроводы, связанные с теплообменником, емкость запаса охлаждающей воды, размещенную выше теплообменника вне объема защитной оболочки и соединенную с опускным трубопроводом, паросбросное устройство, соединенное с подъемным трубопроводом, размещенное в емкости запаса воды и гидравлически связанное с последним. При этом верхний и нижний коллекторы теплообменника разбиты на секции теплообменных трубок, исходя из условия:

L/D≤20,

где L - длина секции коллектора;

D - внутренний диаметр коллектора,

причем конструкция подъемного трубопровода обеспечивает минимальную высоту тягового участка h_ту, удовлетворяющую условию:

где - суммарное гидравлическое сопротивление контура;

h_mo - высота теплообменника;

g - ускорение свободного падения;

Δρ_my=ρ_хв-(ρ′(1-x)+ρ′′x);

Δρ_mo=ρ_хв-ρ_гв,

где ρ_хв - плотность воды в опускном трубопроводе;

ρ_гв - плотность воды в подъемном трубопроводе в диапазоне высот теплообменника;

ρ′, ρ′′ - плотность воды и пара в состоянии насыщения;

x - среднее массовое паросодержание двухфазной смеси в тяговом участке.

Указанный технический результат достигается также в частных вариантах реализации изобретения за счет того, что:

- система включает четыре канала, в каждом из которых установлены по четыре контура циркуляции охлаждающей воды,

- по крайней мере, часть подъемного трубопровода от верхних коллекторов секций теплообменников до паросбросного устройства выполнена с наклоном вверх относительно горизонтали на угол не менее 10°,

- подъемный трубопровод включает участки, выполненные с углом наклона относительно горизонтали менее 10°, при этом указанные участки имеют длину L_уч1 и внутренний диаметр D_уч1, удовлетворяющие следующему соотношению: L_уч1/D_уч1≤10,

- по крайней мере, часть опускного трубопровода выполнена с наклоном вниз относительно горизонтали на угол не менее 10°,

- опускной трубопровод включает участки, выполненные с углом наклона относительного горизонтали менее 10°, при этом указанные участки имеют длину L_уч2 и внутренний диаметр D_уч2, удовлетворяющие следующему соотношению: L_уч2/D_уч2≤10,

- высота теплообменных трубок обеспечивает выполнение условия наличия турбулентного режима конвекции на внешней поверхности теплообменника, при котором:

R_a>4·10¹²,

где

R_a - критерий Рэлея;

g - ускорение свободного падения;

l - характерный размер конструкции - высота трубок теплообменника;

ν - коэффициент кинематической вязкости паровоздушной среды;

ρ_w - плотность паровоздушной среды на наружной стенке трубчатки теплообменника;

ρ_зо - плотность паровоздушной среды в объеме защитной оболочки;

D_диф - коэффициент диффузии пара;

- теплообменник размещен в подкупольном пространстве защитной оболочки,

- секция теплообменника имеет однорядный вертикальный пучок,

- в секции теплообменника шаг между соседними трубками удовлетворяет условию эквивалентной плоской стенки.

В настоящей заявке тяговым участком называется часть подъемного трубопровода, в котором теплоноситель находится в виде пароводяной (двухфазной) смеси со средним массовым паросодержанием x. Данный участок называется «тяговым», потому что он вносит основной вклад в развитие естественной циркуляции в контуре и определяет ее интенсивность.

Проведенные эксперименты показали, что указанные соотношения параметров системы обеспечивают наиболее эффективный теплоотвод без возникновения гидроударов и пульсаций расхода теплоносителя благодаря выбору наилучших геометрических характеристик системы - соотношения длины и внутреннего диаметра секций коллекторов теплообменника, длины тягового участка контура циркуляции, высоты теплообменных трубок и оптимального размещения теплообменников системы в объеме защитной оболочки.

Выбор соотношения длины секции и внутреннего диаметра коллекторов теплообменника выполнялся исходя из условия минимизации неравномерности распределения расходов теплоносителя по трубкам теплообменника, т.е. снижения, так называемого «коллекторного эффекта». Обеспечение равномерного распределения потока по трубчатке является одним из главных условий по повышению энергетической эффективности и производительности теплообменных аппаратов. Одним из способов улучшения распределения теплоносителя по каналам коллекторных теплообменников является снижение потерь давления по ходу среды в коллекторе. Это достигается путем снижения длины коллектора и увеличения его внутреннего диаметра в пределах возможностей технологического изготовления аппарата и других его конструкционных особенностей. Для коллекторов, удовлетворяющих соотношению L/D≤20 потери давления по длине коллектора являются минимальными, а распределение расходов теплоносителя по трубкам теплообменника наиболее равномерным. При превышении указанного критерия равномерность распределения среды по каналам теплообменника ухудшается, что вызывает возникновение неустойчивости и пульсаций в общем расходе теплоносителя и, как следствие, снижение тепловой мощности теплообменника.

Конструкция изобретения пояснена чертежами, где:

на фиг. 1 показана конструкция контура циркуляции охлаждающей воды;

на фиг. 2 показана экспериментальная зависимость мощности контура охлаждения СПОТ ЗО от давления парогазовой среды в емкости;

на фиг. 3 показана расчетная зависимость давления и температуры от времени в процессе аварии.

Заявленная система представляет собой совокупность контуров циркуляции охлаждающей воды. В предпочтительном варианте реализации изобретения заявленная система состоит из четырех полностью независимых друг от друга каналов, в каждом из которых установлены четыре таких контура циркуляции.

Контур циркуляции (фиг. 1) содержит теплообменник (1), размещенный внутри объема защитной оболочки (в подкупольном пространстве) и включающий верхний (2) и нижний (3) коллекторы, соединенные теплообменными трубками (4), образующими однорядный вертикальный теплообменный пучок. К теплообменнику (1) подключены подъемный (5) и опускной (6) трубопроводы. Над теплообменником вне объема защитной оболочки размещена емкость (7) запаса охлаждающей воды (бак аварийного отвода тепла (БАОТ)), соединенная с опускным трубопроводом (6). При этом к подъемному трубопроводу (5) подключено паросбросное устройство (8), размещенное в емкости (7) запаса воды и гидравлически связанное с ней. Паросбросное устройство (8) предназначено для исключения конденсационных гидроударов и повышенного уровня вибрации в подъемном трубопроводе (5) системы. Для обеспечения выполнения этих функций на подъемной трубе паросбросного устройства (8) имеется соединительное отверстие.

Верхний (2) и нижний (3) коллекторы теплообменника разбиты на секции теплообменных трубок, исходя из условия:

L/D≤20,

где L - длина секции коллектора;

D - внутренний диаметр коллектора,

при этом конструкция подъемного трубопровода обеспечивает минимальную высоту тягового участка h_ту, удовлетворяющую условию:

где - суммарное гидравлическое сопротивление контура;

h_mo - высота теплообменника;

g - ускорение свободного падения;

Δρ_my=ρ_хв-(ρ′(1-x)+ρ′′x);

Δρ_mo ρ_хв-ρ_гв,

ρ_хв - плотность воды в опускном трубопроводе;

ρ_гв - плотность воды в подъемном трубопроводе в диапазоне высот теплообменника;

ρ′, ρ′′ - плотности воды и пара в состоянии насыщения;

x - среднее массовое паросодержание двухфазной смеси в тяговом участке.

Секция теплообменника имеет однорядный вертикальный пучок. Шаг между соседними трубками секции, предпочтительно, удовлетворяет условию эквивалентной плоской стенки.

В предпочтительном варианте реализации высота теплообменных трубок обеспечивает выполнение условия наличия турбулентного режима конвекции на внешней поверхности теплообменника, при котором:

R_a>4·10¹²,

где

R_a - критерий Рэлея;

g - ускорение свободного падения;

l - характерный размер конструкции - высота трубок теплообменника;

ν - коэффициент кинематической вязкости паровоздушной среды;

ρ_w - плотность паровоздушной среды на наружной стенке трубчатки теплообменника;

ρ_зо - плотность паровоздушной среды в объеме защитной оболочки;

D_диф - коэффициент диффузии пара.

Подъемный трубопровод от верхних коллекторов секций теплообменников до паросбросного устройства выполнен с наклоном вверх относительно горизонтали на угол не менее 10°, за исключением некоторых участков, выполненных с углом наклона менее 10°, имеющих длину L_уч1 и внутренний диаметр D_уч1, удовлетворяющих соотношению L_уч1/D_уч1≤10.

Опускной трубопровод выполнен с наклоном вниз относительно горизонтали на угол не менее 10°, за исключением отдельных участков, расположенных под углом менее 10° и имеющих длину и внутренний диаметр D_уч2, удовлетворяющих соотношению L_уч2/D_уч2≤10.

В частном варианте реализации изобретения для реакторной установки на Ленинградской АЭС-2 теплообменники (1) контуров расположены по периметру на внутренней стенке контайнмента над отметкой 49,3 м. Каждый теплообменник имеет площадь теплообмена 75 м². Высота теплообменного пучка составляет 5 м и набрана из вертикальных трубок 38×3 мм. Общая площадь теплообменной поверхности каждого канала составляет 300 м². Длина (L) верхней и нижней секций коллекторов теплообменника составляет 2755 мм. При этом наружный/внутренний диаметр (D) верхнего коллектора составляет 219/195 мм, нижнего коллектора - 194/174 мм.

Тепловая мощность системы выбрана из учета обеспечения снижения и поддержания в заданных проектом пределах давления внутри защитной оболочки при запроектных авариях реакторов, включая аварии с тяжелым повреждением активной зоны.

На подъемном (5) и опускном (6) трубопроводах установлена локализующая арматура (9) и (10), предназначенная для отсечения теплообменника (1) в случае его течи. Для предотвращения переопрессовки контуров СПОТ ЗО в случае аварийного закрытия отсечной арматуры установлены предохранительные клапаны (не показаны) со сбросом среды под уровень емкости (7).

Локализующая арматура и предохранительные клапаны располагаются в помещениях кольцевой обстройки наружной оболочки здания реактора на отметке +54,45 м.

Работа заявленной системы осуществляется за счет естественной циркуляции теплоносителя и не требует никаких действий по запуску. Тепловая энергия из защитной оболочки отводится за счет конденсации пара из паровоздушной смеси на наружной поверхности теплообменника (1), от которого путем естественной циркуляции теплоносителя передается в емкость запаса воды (7). Окончательный отвод тепла от емкости запаса воды к конечному поглотителю осуществляется путем выпаривания воды в емкости.

Из паросбросного устройства (8) теплоноситель поступает в объем емкости запаса охлаждающей воды (7), после чего охлажденный теплоноситель (вода) поступает по опускному трубопроводу (6) обратно в теплообменник (1). Таким образом, с помощью контура циркуляции путем выпаривания воды в емкости (7) осуществляется передача тепловой энергии от внутреннего объема защитной оболочки к конечному поглотителю - окружающей атмосфере.

Для экспериментального обоснования эффективности предлагаемой конструкции системы выполнен большой объем экспериментальных работ на нескольких экспериментальных установках.

Исследования проводились на полномасштабной модели контура охлаждения СПОТ ЗО, установленной на экспериментальном стенде ОАО ОКБМ Африкантов. Модель контура СПОТ ЗО включала в себя модель теплообменника-конденсатора, расположенные в емкости модели защитной оболочки штатные трубопроводы, а также штатное паросбросное устройство, расположенное в емкости с запасом воды.

Мощность теплосъема исследуемого контура охлаждения и параметры парогазовой среды в емкости максимально приближены к реальным условиям штатной системы в условиях аварии реакторов. Поэтому при практически полном соответствии по геометрическим и параметрическим характеристикам контура охлаждения СПОТ ЗО натурной конструкции контура охлаждения результаты исследований, полученные в модели контура охлаждения СПОТ ЗО, являются представительными и могут быть перенесены на штатный контур охлаждения СПОТ ЗО.

Проведенные испытания полномасштабной петли контура охлаждения СПОТ ЗО показали, что при максимальной температуре охлаждающей воды 100°C в емкости для охлаждающей воды и при заданной проектной мощности одной петли контура охлаждения давление в емкости не превышает предельного проектного давления в 500 кПа.

На фиг. 2 представлена экспериментальная зависимость мощности контура охлаждения СПОТ ЗО от давления парогазовой среды в емкости.

На фиг. 3 показано влияние функционирования СПОТ ЗО на параметры внутри защитной оболочки при запроектной аварии с разгерметизацией первого контура реакторной установки (течь большого диаметра) и отказом систем безопасности (линией I показаны параметры без работы СПОТ, а линией II - с работой СПОТ).

Проведенные испытания полномасштабной модели контура охлаждения СПОТ ЗО показали, что заданные проектные характеристики контура обеспечиваются как по эффективности теплоотвода, так и по устойчивости потока в контуре. Во всем диапазоне режима работы контура охлаждения - на мощности от исходного состояния до кипения воды - в емкости не наблюдалось гидроударов и вибраций элементов и конструкций испытуемого контура, которые могли бы повлиять на его работоспособность.

Таким образом, заявленная система позволяет поддерживать давление под оболочкой на уровне ниже расчетного без участия оператора в течение длительного времени и во всем спектре запроектных аварий, связанных с выходом массы и энергии под защитную оболочку.

1. Система пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки водо-водяного энергетического реактора, включающая по меньшей мере один контур циркуляции охлаждающей воды, содержащий:
- теплообменник, размещенный внутри объема защитной оболочки и включающий верхний и нижний коллекторы, соединенные теплообменными трубками,
- подъемный и опускной трубопроводы, связанные с теплообменником,
- емкость запаса охлаждающей воды, размещенную выше теплообменника вне объема защитной оболочки и соединенную с опускным трубопроводом,
- паросбросное устройство, соединенное с подъемным трубопроводом, размещенное в емкости запаса воды и гидравлически связанное с последней, отличающаяся тем, что верхний и нижний коллекторы теплообменника разбиты на секции теплообменных трубок, исходя из условия:
L/D≤20,
где L - длина секции коллектора;
D - внутренний диаметр коллектора,
при этом конструкция подъемного трубопровода обеспечивает минимальную высоту тягового участка h_ту, удовлетворяющую условию:
$$\Delta P_{сопр}^{к}=\Delta {\rho }_{my}g{h}_{my}+\Delta {\rho }_{mo}g{h}_{mo}$$ ,
$$h_{my}=(\Delta P_{сопр}^{к}-\Delta {\rho }_{mo}g{h}_{mo})/\Delta {\rho }_{my}g$$ ,
где $$\Delta P_{сопр}^{к}$$ - суммарное гидравлическое сопротивление контура;
h_mo - высота теплообменника;
g - ускорение свободного падения;
Δρ_my=ρ_хв-(ρ′(1-x)+ρ′′x);
Δρ_mo=ρ_хв-ρ_гв;
ρ_хв - плотность воды в опускном трубопроводе;
ρ_гв - плотность воды в подъемном трубопроводе в диапазоне высот теплообменника;
ρ′, ρ′′ - плотности воды и пара в состоянии насыщения;
x - среднее массовое паросодержание двухфазной смеси в тяговом участке.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она включает четыре канала, в каждом из которых установлены по четыре контура циркуляции охлаждающей воды.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть подъемного трубопровода от верхних коллекторов секций теплообменников до паросбросного устройства выполнена с наклоном вверх относительно горизонтали на угол не менее 10°.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что подъемный трубопровод включает участки, выполненные с углом наклона относительно горизонтали менее 10°, при этом указанные участки имеют длину L_уч1 и внутренний диаметр D_уч1, удовлетворяющие соотношению L_уч1/D_уч1≤10.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть опускного трубопровода выполнена с наклоном вниз относительно горизонтали на угол не менее 10°.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что опускной трубопровод включает участки, выполненные с углом наклона относительно горизонтали менее 10°, при этом указанные участки имеют длину L_уч2 и внутренний диаметр D_уч2, удовлетворяющие соотношению L_уч2/D_уч2≤10.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что теплообменные трубки имеют высоту, обеспечивающую выполнение условия наличия турбулентного режима конвекции на внешней поверхности теплообменника, при котором:
R_a>4·10¹²,
где $$R_a=\frac{g{l}^3{S}_c}{{\nu }^2}\cdot \frac{{\rho }_w-{\rho }_{зо}}{{\rho }_{зо}}$$ ;
R_a - критерий Рэлея;
g - ускорение свободного падения;
l - характерный размер конструкции - высота трубок теплообменника;
ν - коэффициент кинематической вязкости паровоздушной среды;
ρ_w - плотность паровоздушной среды на наружной стенке трубчатки теплообменника;
ρ_зо - плотность паровоздушной среды в объеме защитной оболочки;
$$S_c=\frac{\nu }{D_{диф}}$$ - число Шмидта;
D_диф - коэффициент диффузии пара.

8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что теплообменник размещен в подкупольном пространстве защитной оболочки.

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что секция теплообменника имеет однорядный вертикальный пучок.

10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в секции теплообменника шаг между соседними трубками удовлетворяет условию эквивалентной плоской стенки.