паровой компенсатор давления

Формула изобретения

1. Паровой компенсатор давления, содержащий корпус, нагреватели, расположенные в водяном объеме компенсатора давления, разбрызгивающее устройство, расположенное в паровом объеме компенсаторе давления, отличающийся тем, что в корпусе установлен кожух, внутренняя полость которого сообщена в верхней части с паровым объемом, а в нижней части с водяным объемом компенсатора давления, причем во внутренней полости кожуха размещено дополнительное охлаждающее разбрызгивающее устройство.

2. Паровой компенсатор давления по п.1, отличающийся тем, что дополнительное охлаждающее разбрызгивающее устройство установлено в верхней части кожуха и выполнено в виде воронки конической формы.

3. Паровой компенсатор давления по п.2, отличающийся тем, что верхняя часть кожуха выполнена конгруэнтно конфигурации дополнительного охлаждающего разбрызгивающего устройства.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в ядерных энергетических установках с водоводяными реакторами с паровой системой компенсации давления.

Известны паровые компенсаторы давления реакторных установок ВВЭР-1000 (см. Эксплуатационные режимы АЭС с ВВЭР-1000, Библиотека эксплуатационника АЭС, выпуск 12, г. Москва, Энергоатомиздат, 1992 г., стр. 45), в которых в прочном корпусе содержатся электронагреватели, расположенные в водяном объеме, и охлаждающее разбрызгивающее устройство для конденсации пара, расположенное в паровом объеме. В верхней части на патрубке смотрового люка предусмотрен штуцер под трубопровод сброса парогазовой среды в барботер.

В таких паровых компенсаторах давления для создания парового объема и поддержания давления пара в нем при температуре насыщения происходит постоянное кипение теплоносителя первого контура, которое поддерживается за счет работы нагревателей, расположенных в водяном объеме компенсатора давления. В обеспечение «Норм качества теплоносителя первого контура...» теплоноситель обычно содержит растворенные газы, которые в процессе кипения выносятся вместе с паром в паровой объем компенсатора давления и скапливаются, как более легкие, преимущественно в верхней его части.

Дегазация теплоносителя первого контура и скопление выносящихся с паром газов в паровом объеме компенсатора давления имеет три негативных последствия:

- нарушается необходимый водно-газовый и химический режим теплоносителя первого контура, обеспечивающий надежную работу оборудования. В составе теплоносителя первого контура содержатся различные химические элементы и растворенные газы (азот, водород и пр.). В частности, в теплоносителе первого контура ВВЭР-1000 содержится от 30 до 60 нмл/кг водорода, который используется для связывания кислорода, образующегося при радиолизе воды. Для поддержания водно-газового и химического режима прэ этом необходимо предусматривать дополнительные системы и средства;

- скапливающиеся в паровом объеме компенсатора давления газы ухудшают упругие характеристики паровой подушки, что приводит к повышению давления в контуре, особенно в динамических и переходных режимах;

- водород, входящий в состав растворенных газов и скапливающийся в паровом объеме компенсатора давления, ухудшает водородную безопасность первого контура. Содержание водорода в любом объеме не должно превышать 3% объема парогазовой смеси, что предотвращает возможность ее самовозгорания.

Недостаток паровых компенсаторов давления реакторных установок ВВЭР-1000 заключается в том, что для них необходимо производить постоянную сдувку парогазовой смеси из верхней части парового объема компенсатора давления, принимать эту парогазовую смесь во внешние системы и восполнять потери теплоносителя вместе с необходимым объемом содержащихся в нем химических элементов.

В реакторной установке ВВЭР-1000 сдувки парогазовой смеси из компенсатора давления в барботер составляют в стационарном режиме 250 кг/ч. Потери теплоносителя первого контура периодически восполняют. Для поддержания необходимого водно-газового и химического режима теплоносителя первого контура добавляют в контур воду со специальными добавками: аммиак, гидразин-гидрат для реакторов ВВЭР, водород - для зарубежных АЭС.

Для выполнения сдувок парогазовой смеси и поддержания необходимого водно-газового и химического режима теплоносителя первого контура в реакторных установках ВВЭР-1000 функционируют разветвленные внешние системы, включающие барботер, холодильники для охлаждения парогазовой смеси и конденсации пара, комплект оборудования для восполнения потерь теплоносителя, система автоматического дозирования аммиака и пр.

Известен также компенсатор давления, который содержит в паровом объеме устройство для конденсации пара, выполненное в виде разбрызгивающего устройства (см. авторское свидетельство № 1017108, кл.G 21 D 1/02 от 16.10.81 г.).

В этом компенсаторе давления применено устройство для конденсации пара, имеющее развитую теплообменную поверхность в виде движущихся капель холодной воды, активно контактирующих с парогазовой смесью парового объема. При этом вместе с процессом охлаждения парогазовой смеси и конденсации пара осуществляется растворение газов в каплях охлаждающей воды и конденсате пара.

Недостаток этого компенсатора давления заключается в том, что капли охлаждающей воды и конденсата пара падают на зеркало кипящей воды, испаряются и растворенные в них газы вновь возвращаются в паровой объем компенсатора давления.

В этом компенсаторе давления, с целью экономии электроэнергии, установлен поверхностный теплообменник, предназначенный для поддержания температурного режима придонного водяного слоя за счет подогрева паром, поступающим из парового объема компенсатора давления.

Этот поверхностный теплообменник выполняет одновременно функцию холодильника для конденсации пара. Вместе с паром в этот холодильник может поступать и газ, скапливающийся в паровом объеме компенсатора давления. Этот газ, частично в растворенном в конденсате виде, а при большом содержании газа в парогазовой смеси - в виде газовых пузырей, вместе с конденсатом возвращается в контур на всас главного циркуляционного насоса.

Недостаток данного компенсатора давления с холодильником для конденсации пара заключается в том, что циркуляция пара через него осуществляется за счет перепада давления между компенсатором давления и всасом циркуляционного насоса. Поступление газа на лопатки рабочего колеса насоса приводит к возникновению кавитации, срыву циркуляции и разрушению рабочего колеса насоса. Поэтому в данном компенсаторе давления вход пара в холодильник предусмотрен из нижней части парового объема, в котором концентрация газов в паре весьма мала, а в тракте циркуляции пара через холодильник предусмотрен запорный клапан, отключающий его в режимах работы с большим содержанием газа в паровом объеме компенсатора давления.

Техническое решение по а.с. № 1017108 выбираем за прототип, так как оно является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту.

Технической задачей является создание компенсатора давления, позволяющего обеспечить стабильный водно-газовый и химический режим теплоносителя первого контура за счет растворения выделившихся и скапливающихся в компенсаторе давления газов и его возвращение в циркулирующий теплоноситель первого контура непосредственно в компенсаторе давления без использования внешних систем.

Решение поставленной технической задачи позволяет исключить дополнительное оборудование во внешних системах поддержания стабильного водно-газового и химического режима теплоносителя первого контура, повысить надежность работы системы компенсации давления и установки в целом.

Поставленная задача решается за счет того, что в корпусе парового компенсатора давления, содержащего нагреватели, расположенные в водяном объеме компенсатора давления, охлаждающее разбрызгивающее устройство, расположенное в паровом объеме, установлен кожух, внутренняя полость которого сообщена в верхней части с паровым объемом, а в нижний части с водяным объемом компенсатора давления, причем во внутренней полости кожуха размещено дополнительное охлаждающее разбрызгивающее устройство. Кроме того, дополнительное разбрызгивающее устройство установлено в верхней части кожуха и выполнено в виде воронки конической формы, а верхняя часть кожуха выполнена конгруэнтно конфигурации разбрызгивающего устройства.

Установка кожуха в корпусе компенсатора давления позволяет паровой и водяной объем компенсатора давления разделить на две зоны: основную большого объема и дополнительную малого объема. Основная зона большого парового объема, расположенная между корпусами и кожухом, является практически чисто паровой и выполняет функцию компенсации давления. Дополнительная зона малого парового объема, расположенная внутри кожуха и соединенная трубой с верхней частью компенсатора давления, содержит пар с повышенной концентрацией неконденсирующихся газов и выполняет функцию дегазатора основной.

Основная зона водяного объема компенсатора давления является зоной горячей воды при температуре насыщения, а малого водяного объема - зоной относительно холодной воды, в которую постоянно поступает охлаждающая вода.

Для еще более эффективного отсоса неконденсирующихся газов из компенсатора давления во внутреннюю полость кожуха верхняя часть кожуха выполняется конической, а дополнительное разбрызгивающее устройство в виде конической воронки, впрыскивающей конический факел капель и струй. Такая конструкция кожуха и разбрызгивающего устройства выполняет функцию эжектора и позволяет использовать для отсоса газов, кроме возникающего разрежения при конденсации пара, эжекторный подсасывающий эффект истекающего факела капель и струй охлаждающей воды.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежом.

На чертеже представлен продольный разрез предлагаемого парового компенсатора давления.

Внутри корпуса 1 компенсатора давления в нижней части под уровнем воды установлены электронагреватели 2, а в верхней части корпуса 1 в паровом объеме установлено охлаждающее разбрызгивающее устройство 3, предназначенное для конденсации пара в режимах повышения давления в первом контуре. Водяной объем компенсатора давления соединен с первым контуром через патрубок 4, а для подачи охлаждающей воды на разбрызгивающее устройство 3 предусмотрен патрубок 5 с трубопроводом 6.

Кроме того, внутри корпуса 1 установлен кожух 7, внутренняя полость которого верхней частью связана с паровым объем компенсатора давления, а нижней частью - с водяным объемом компенсатора давления. Кожух 7 в верхней части снабжен конической крышкой с трубой 8, верхний конец которой размещен в максимально верхней зоне парового объема компенсатора давления, обеспечивая связь внутренней полости кожуха 7 с паровым объемом компенсатора давления. Нижняя часть кожуха 7 состыкована непосредственно с патрубком 4 подвода-отвода теплоносителя первого контура и снабжена отверстиями 9, расположенными ниже нагревателей 2 и соединяющими внутреннюю полость кожуха 7 с водяным объемом компенсатора давления.

Под конической крышкой кожуха 7 установлено дополнительное охлаждающее разбрызгивающее устройство 10 с трубопроводом 11 для подачи воды во внутреннюю полость кожуха 7. Заборная часть трубопровода 11 размещена внутри трубопровода 6 с заглублением точки забора относительно точки впрыска из разбрызгивающего устройства 3.

Регулирование подачи охлаждающей воды на разбрызгивающие устройства 3 и 10 обеспечено регулирующими устройствами, размещенными на трубопроводе 6 вне компенсатора давления (на чертеже не показано).

Возможен вариант подвода охлаждающей воды на разбрызгивающие устройства 3 и 10 по независимым трубопроводам с автономным регулированием расхода.

Внутри кожуха 7 установлен теплоизоляционный экран 12, обеспечивающий уменьшение теплового влияния более горячей воды и пара на термодинамическое состояние рабочей среды во внутренней полости кожуха 7.

Предлагаемый паровой компенсатор давления работает следующим образом.

Нагреватели 2 поддерживают температуру воды в компенсаторе давления между корпусом 1 и кожухом 7 на линии насыщения и генерируют пар, собирающийся в паровом объеме компенсатора давления. Вместе с паром в паровой объем выходят растворенные в теплоносителе газы. Паровая подушка с малым содержанием газа выполняет функцию поддержания давления в первом контуре при колебаниях давления.

При увеличении давления в первом контуре выше допустимого на разбрызгивающее устройство 3 автоматически подается охлаждающая вода. Пар в паровом объеме компенсатора давления конденсируется, давление в первом контуре уменьшается. При снижении давления в первом контуре до допустимых величин подача охлаждающей воды на разбрызгивающее устройство 3 автоматическим прекращается.

При уменьшении давления ниже допустимого электронагреватели 2 автоматически генерируют дополнительное количество пара (включаются дополнительные секции нагревателей) и давление в первом контуре повышается, возвращаясь в допустимый диапазон значений.

За счет регулирующих устройств, размещенных на трубопроводе 6, осуществляется периодическая санкционированная подача охлаждающей воды на разбрызгивающее устройство 3 и обеспечивается постоянная подача соответствующего расхода воды через трубопровод 11 на дополнительное охлаждающее разбрызгивающее устройство 10.

На разбрызгивающее устройство 10 по трубопроводу 11 постоянно подается небольшой расход охлаждающей воды, что позволяет пару внутри кожуха 7 постоянно конденсироваться. При конденсации пара во внутренней полости кожуха 7 создается разрежение, обеспечивающее непрерывный подсос через трубу 8 из зоны парового объема компенсатора давления в эту полость неконденсирующихся газов.

Среда в верхней части корпуса 1 характеризуется наибольшим содержанием неконденсирующихся газов. Размещение верхнего конца трубы 8 в максимально верхней зоне парового объема компенсатора давления обеспечивает эффективную эвакуацию неконденсирующихся газов из парового объема компенсатора давления.

Во внутренней полости кожуха 7 создается повышенное парциальное давление газов, способствующее эффективному их растворению на поверхностях впрыскиваемых разбрызгивающим устройством 10 диспергированных капель и струй охлаждающей воды и на захоложенной турбулизированной поверхности зеркала воды внутри кожуха 7.

Вода из внутренней полости кожуха 7, обогащенная растворенными в ней газами, через патрубок 4 непрерывно уходит и возвращается в первый контур, а также частично через отверстия 9 поступает в водяной объем компенсатора давления для восполнения в нем массы выкипающей воды.

Таким образом, процессы постоянной конденсации пара и растворения газов во внутренней полости кожуха 7 обеспечивают непрерывную дегазацию паровой зоны компенсатора давления и возвращение теплоносителя в циркулирующий теплоноситель первого контура, что позволяет исключить дополнительное оборудование, повысить надежность работы системы компенсации давления и установки в целом.

Физические основы обеспечения самоподдерживающегося водно-газового режима теплоносителя первого контура обоснованы на стенде в Сосновом бору и на стендах для исследования водно-газового и химического режима теплоносителя первого контура реакторных установок АСТ-500 и ВПБЭР-600. Эффективность конкретной конструкции парового двухзонного компенсатора давления проверяется и отрабатывается на крупномасштабных стендах предприятия.