устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора

Формула изобретения

Устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора, содержащее концентрично установленный на наружной стенке защитной оболочки торообразный воздушный коллектор для образования нижнего выравнивающего объема, воздухозаборную кольцеобразную щель, выполненную в коллекторе, дефлектор, расположенный на куполе защитной оболочки, вертикально смонтированные воздуховоды, нижние участки которых сообщены с торообразным воздушным коллектором, а верхние - с патрубком дефлектора, образующим верхний выравнивающий объем, и теплообменники для охлаждения ядерного реактора, установленные в воздуховодах на участках их сообщения с торообразным воздушным коллектором, отличающееся тем, что воздухозаборная кольцеобразная щель выполнена на верхней поверхности торообразного воздушного коллектора со смещением к его периферии, при этом внутри торообразного воздушного коллектора на верхней поверхности между воздухозаборной кольцеобразной щелью и участком сообщения с воздуховодами смонтирована обечайка, охватывающая теплообменники для разделения нижнего выравнивающего объема на две сообщающиеся между собой буферные зоны, одна из которых расположена под воздухозаборной кольцеобразной щелью, а другая у входа воздуха в теплообменники, причем верхние участки воздуховодов, сообщенные с патрубком дефлектора, изогнуты вверх таким образом, что уровень верхних краев воздуховодов размещен в плоскости уровня нижней кромки корпуса дефлектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к атомным электростанциям с реакторами ВВЭР, и может быть использовано в ядерных энергоблоках, имеющих систему пассивного отвода тепла (СПОТ) от первого водяного контура охлаждения реактора стабильным приточно-вытяжным потоком атмосферного воздуха, независимо от погодных условий.

Известно устройство остаточного отвода тепла от ядерного реактора, содержащее парогенератор, соединенный с активной системой отвода тепла от реактора, имеющей брызгальный бассейн или градирню, где от реактора отводится тепло к окружающему воздуху, являющемуся конечным поглотителем тепла [Книга Ф.Я. Овчинников, В.В. Семенов «Эксплуатационные режимы водо-водяных энергетических реакторов», 3 издание, переработанное и дополненное - М.: Энергоатомиздат, 1988 г., глава 6, стр.171-176].

В случае необходимости лишнее тепло постоянно отводится от реактора активной системой охлаждения, в которой применяются электродвигатели. Однако если произойдет непроектируемая авария, повлекшая за собой полное отключение электропитания электродвигателей, то активная система охлаждения не сможет отводить тепло от реактора.

Основным недостатком активной системы отвода остаточного тепла является необходимость включения в работу устройств, требующих силового электропитания для электродвигателей, вентиляторов, насосов, приводов задвижек и т.д.

При аварийных остановах энергоблоков и атомных станций остаточное тепло целесообразно отводить от реакторной установки непосредственно к конечному поглотителю - воздуху пассивным образом.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому объекту изобретения является устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора, содержащее концентрично установленный на наружной стенке защитной оболочки торообразный воздушный коллектор для образования нижнего выравнивающего объема, воздухозаборную кольцеобразную щель, выполненную в коллекторе, дефлектор, расположенный на куполе защитной оболочки, вертикально смонтированные воздуховоды, нижние участки которых сообщены с торообразным воздушным коллектором, а верхние - с патрубком дефлектора, образующим верхний выравнивающий объем, и теплообменники для охлаждения ядерного реактора, установленные в воздуховодах на участках их сообщения с торообразным воздушным коллектором [Патент Российской Федерации №2072571 МКИ G 21 C 15/18, публикация 27.01.97].

Суть изобретения заключается в том, что при открытии шиберов, которые расположены в воздуховодах, тепло от реактора через парогенератор и воздушный теплообменник передается окружающему воздуху.

В этом устройстве поток атмосферного воздуха, который отбирает тепло от воздушного теплообменника, входит в воздушный тракт через воздухозаборную кольцеобразную щель, выполненную в нижней поверхности торообразного воздушного коллектора. Назначением торообразного воздушного коллектора является выравнивание давления на входе воздушных теплообменников, расположенных по окружности, независимо от направления ветра. Расположение воздухозаборной кольцеобразной щели на нижней поверхности торообразного воздушного коллектора требует определенного конструктивного решения для защитной оболочки и ее обстройки, что не всегда возможно. Кроме того, при нижнем расположении воздухозаборной кольцеобразной щели имеет место увеличение неравномерности распределения давления по окружности из-за влияния строительных конструкций.

Как показала экспертная оценка, при нижнем расположении воздухозаборной кольцеобразной щели в процессе входа потока атмосферного воздуха образуются нежелательные завихрения, которые тормозят вход основного потока, что, приводит к увеличению сопротивления на входе, возможно сверху воздушное задувание воздуховодов и, как следствие, неравномерное охлаждение теплообменников. Для условий нормальной работы на действующих или достраивающихся энергоблоках в силу выполненных конструктивных решений расположение воздухозаборной кольцеобразной щели внизу не может реализоваться. Поэтому для этих условий предлагается выполнить конфигурацию воздухозаборной щели вверху.

Задачей данного изобретения является повышение надежности и эффективности отвода тепла от ядерного реактора при работе атомной станции в переходных и аварийных режимах путем обеспечения стабильной подачи воздуха к воздушным теплообменникам СПОТ за счет формирования стабильного воздушного потока и уменьшение возмущений перед воздухозаборной кольцеобразной щелью и входами воздуха в теплообменники.

Поставленная задача достигается тем, что для уменьшения неопределенности в формировании воздушного потока при ветре в устройстве для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора, содержащем концентрично установленный на наружной стенке защитной оболочки торообразный воздушный коллектор для образования нижнего выравнивающего объема, воздухозаборную кольцеобразную щель, выполненную в коллекторе, дефлектор, расположенный на куполе защитной оболочки, вертикально смонтированные воздуховоды, нижние участки которых сообщены с воздушным торообразным коллектором, а верхние с патрубком дефлектора, образующим верхний выравнивающий объем, и теплообменники для охлаждения ядерного реактора, установленные в воздуховодах на участках их сообщения с торообразным воздушным коллектором, новым является то, что изменена конструкция торообразного воздушного коллектора, воздухозаборная кольцеобразная щель которого перенесена на верхнюю поверхность со смещением к его периферии, при этом внутри коллектора на верхней поверхности между воздухозаборной кольцеобразной щелью и участком сообщения с воздуховодами смонтирована обечайка, охватывающая теплообменники для разделения нижнего воздушного выравнивающего объема, на две сообщающиеся между собой буферные зоны, одна из которых расположена под воздухозаборной кольцеобразной щелью, а другая - у входа воздуха в теплообменники, причем верхние участки воздуховодов, сообщенные с патрубком дефлектора, изогнуты вверх таким образом, что уровень верхних краев воздуховодов размещен в плоскости уровня нижней кромки корпуса дефлектора.

Выполнение воздухозаборной кольцеобразной щели на верхней поверхности торообразного воздушного коллектора обеспечивает уменьшение возмущающих факторов, воздействующих на воздушный поток перед воздухозаборной кольцеобразной щелью, так как возникающие восходящие вертикальные и спиралеобразные потоки воздуха при обтекании торообразного воздушного коллектора и цилиндрической части защитной оболочки обходят воздухозаборную кольцеобразную щель, которая находится в «тени» от корпуса торообразного воздушного коллектора в зоне, где скорости и давления соответствуют средним значениям потока ветра и меняются незначительно, что позволяет обеспечить необходимое поступление воздуха для нормальной работы СПОТ.

Расположение воздухозаборной кольцеобразной щели, смещенной к внешней стенке торообразного воздушного коллектора с конструктивно предусмотренным расстоянием между защитным куполом и воздухозаборной кольцеобразной щелью, обусловлено изменением давления набегающего потока на купол. Конструкция, при которой воздухозаборная кольцеобразная щель и входы воздуха в воздуховоды с теплообменниками СПОТ находятся в одной плоскости и разнесены на максимально возможное расстояние, обеспечивает увеличение выравнивающего объема коллектора.

Размещение обечайки внутри объема торообразного воздушного коллектора на верхней поверхности между щелью и участком соединения с воздуховодами обеспечивает создание двух выравнивающих зон. Разделение торообразного воздушного коллектора на две буферные сообщающиеся между собой зоны вызвано необходимостью обеспечить более равномерное распределение давлений и скоростей по периметру коллектора за счет перетоков воздуха с повышенным давлением в части торообразного воздушного коллектора с пониженным давлением. Исключается непосредственное влияние неоднородных параметров потока на входы в теплообменники, так как давления предварительно выравниваются в первой зоне, исходя из направления потока, а поскольку входы в теплообменники защищены по всему периметру обечайкой, во второй выравнивающей зоне происходит за счет перетоков дальнейшее и окончательное выравнивание параметров потока воздуха перед теплообменниками.

Расположение верхних участков воздуховодов в верхнем выравнивающем объеме патрубка дефлектора изогнутыми вверх таким образом, что уровень верхних краев воздуховодов размещен в плоскости уровня нижней кромки корпуса дефлектора, необходимо для выравнивания давлений на выходе воздуховодов, что создает одинаковые условия для работы всех воздушных теплообменников, независимо от направления и скорости ветра.

Суть изобретения поясняется чертежами где:

на фиг.1 показана принципиальная схема воздуховодов, поперечный разрез;

на фиг.2 показана принципиальная схема воздуховодов, вид сверху;

на фиг.3 показан фрагмент воздуховода, поперечный разрез;

на фиг.4 показана компоновка, поперечный разрез;

на фиг.5 показано расположение проемов и теплообменников.

Устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора состоит из концентрично установленной на наружной стенке 1 защитной оболочки, выполненной из напряженного железобетона, торообразного воздушного коллектора 2. Внутренняя полость торообразного воздушного коллектора 2 предназначается для образования нижнего выравнивающего объема. На верхней поверхности 3 торообразного воздушного коллектора 2 со смещением к его периферии выполнена воздухозаборная кольцеобразная щель 4, а ближе к центру в этой поверхности 3 выполнены проемы 5. Воздухозаборная кольцеобразная щель 4 смещена к боковой наружной стенке 6 торообразного воздушного коллектора 2 с целью выноса забора воздуха из области возмущения потока, который создается при обтекании купола 7 защитной оболочки. Под куполом 7 защитной оболочки вертикально смонтированы воздуховоды 8, нижние участки 9 которых сообщены с проемами 5 воздушного коллектора 2. В воздуховодах 8 на участках их соединения с торообразным воздушным коллектором 2 на краях 10 проемов 5 установлены теплообменники 11, которые соединены с ядерным реактором 12 посредством парогенераторов 13 с трубопроводами 14. Внутри торообразного воздушного коллектора 2 на верхней поверхности 3 между воздухозаборной кольцеобразной щелью 4 и участком сообщения с воздуховодами смонтирована обечайка 15, охватывающая теплообменники 11 и разделяющая нижний выравнивающий объем на две сообщающиеся между собой буферные зоны. Первая зона 16 расположена под воздухозаборной кольцеобразной щелью 4 и служит для предварительного выравнивания потока воздуха, а вторая зона 17 расположена у входа в теплообменники 11 и служит для окончательного выравнивания потока воздуха. Теплообменники 11 смонтированы на краях 10 проемов 5 и под ними и над ними установлены нижние и верхние шиберы 18 и 19. Верхние шиберы 19 соединены с воздуховодами 8, которые проложены под куполом 7 защитной оболочки. На куполе 7 защитной оболочки смонтирован фильтр 20 и дефлектор, патрубок 21 которого сверху закрыт перекрытием 22, образующим в патрубке 21 верхний выравнивающий объем 23. В этот объем 23 заведены верхние участки 24 воздуховодов 8, образующих выходной воздушный коллектор, при этом верхние участки 24 воздуховодов 8 изогнуты таким образом, что уровень верхних краев 25 воздуховодов 8 размещен в плоскости уровня нижней кромки 26 корпуса 27 дефлектора. Высота воздуховодов 8 выбрана так, чтобы обеспечить проектную мощность системе пассивного отвода тепла от ядерного реактора 12. Для выхода воздуха в корпусе патрубка 21 предусмотрены выпускные окна 28, на некотором расстоянии от которых, экранируя их, расположен корпус 27 дефлектора, концентрично установленный на патрубке 21 с подобранным кольцевым зазором 29, верхние и нижние торцы 30 и 31 которых открыты и сообщены с окружающей средой. Внутри защитной оболочки установлен корпус 32 высокого давления, между стенкой 1 оболочки и корпусом 32 размещены вспомогательные помещения 33 для оборудования 34. Купол 7 защитной оболочки выполнен сферообразным и служит несущей конструкцией для воздуховодов 8 и защитой для них и корпуса 32 высокого давления от воздействия атмосферных осадков. Для вентиляции пространства 35 под куполом 7 предусмотрены вентиляционные шахты 36.

Устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора, преимущественно для блоков с ВВЭР, работает в двух основных режимах: режиме ожидания и режиме аварийного расхолаживания ядерного реактора 12. В режиме ожидания теплообменники 11 находятся под давлением и температуре насыщенного пара в парогенераторе 13. Нижние и верхние шиберы 18 и 19 закрыты, но за счет поступления воздуха через зазоры шиберов 18 и 19 воздух в воздуховодах 8 прогрет до температуры немного ниже температуры насыщенного пара в парогенераторе 13, поэтому устройство постоянно готово к работе. Режим расхолаживания ядерного реактора 12 по длительности является относительно кратковременным, но основным по безопасности. Включение в работу системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора 12 осуществляется открытием шиберов 18 и 19 по сигналу с пульта управления или автоматически по превышению давления в парогенераторе 13 выше разрешенных уставок. При этом столб горячего воздуха прогрет и существует начальная - естественная циркуляция в нужном направлении снизу вверх. Рассмотрим два случая работы устройства для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора 12 при обесточивании энергоблока: в отсутствии ветра и при наличии ветра, включая ураганные.

При отсутствии ветра устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора работает как обычная вентиляционная труба на естественной тяге. При дистанционном или автоматическом открытии нижнего и верхнего шиберов 18 и 19 изменяется коэффициент гидравлического сопротивления воздуховода от 25 до 30000. Воздух в воздуховоде 8 прогрет до температуры, несколько ниже температуры насыщения в парогенераторе 13, затем столб горячего воздуха поднимается вверх за счет разности плотности окружающего и горячего воздуха. Создается и поддерживается естественная циркуляция воздуха в воздуховодах 8. Воздух окружающей среды подсасывается в воздухозаборную кольцеобразную щель 4, попадает в первую буферную зону 16 предварительного выравнивания потока воздуха нижнего выравнивающего объема, где происходит выравнивание давления и скорости по периметру торобразного воздушного коллектора 2. Далее под обечайкой 15 коллектора 2 воздух попадает во вторую буферную зону 17 окончательного выравнивания потока воздуха, где давление и скорости выравниваются. Затем воздух попадает в проем 5 и через нижний шибер 18 в теплообменник 11, где нагревается и через верхний шибер 19 поступает в воздуховод 8, пройдя его, через верхние кромки 25 воздуховодов 8 попадает в верхний выравнивающий объем 23 и через выпускные окна 28 попадает в кольцевой зазор 29, образованный патрубком 21 и корпусом 27 дефлектора, и затем через верхний и нижний торцы 30 и 31 кольцевого зазора 29 попадает в окружающую среду.

При ветре устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора работает указанным выше способом с той лишь разницей, что поток ветра, включая ураганные, набегая на наружную стенку 1 и купол 7 защитной оболочки со скоростью выше 5 м/с, обтекает их. Причем возникает картина очень сложного турбулентного движения воздушного потока, усложненная конструкцией корпуса атомной электростанции.

При обдуве наружной стенки 1 корпуса защитной оболочки в лобовой части за счет заторможенного потока образуется зона избыточного давления, которая относительно диаметра торообразного воздушного коллектора 2 не так большая, менее высоты торообразного воздушного коллектора 2. Эта зона избыточного давления будет растекаться вниз, в стороны на образующие стенки и вверх в сторону воздухозаборной кольцеобразной щели 4, и чем дальше от наружной стенки 1, тем меньше будет величина избыточного давления. От этого и зависит место выполнения воздухозаборной кольцеобразной щели 4. Возникают вертикальные и/или спиралеобразные потоки воздуха за счет обтекания торообразного воздушного коллектора 2, наружной стенки 1, части защитной оболочки и купола 7. В приземном уровне давление будет больше, чем при обтекании купола 7, и основной поток воздуха будет подниматься вверх, обтекая воздухозаборную кольцеобразную щель 4. Эта воздухозаборная кольцеобразная щель 4 находиться в «тени» от корпуса торообразного воздушного коллектора 2, то есть в зоне, где скорость и давление набегающего потока слабо зависит от наружной стенки 1 защитной оболочки. В этой зоне скорости воздушного потока не будут сильно влиять на воздухозаборную кольцеобразную щель 4 и меняться будут незначительно - 10-15%. Ветровой поток, обтекая торообразный воздушный коллектор 2, засасывается сверху в воздухозаборную кольцеобразную щель 4, частично дросселируется в ней и растекается по нижнему выравнивающему объему описанным выше способом.

Картина работы дефлектора при ветре меняется следующим образом: перекрытие 22, патрубок 21 дефлектора и корпус 27 дефлектора создают разрежение в кольцевом зазоре 29 и на выпускных окнах 28, пропорциональное квадрату скорости ветра и обратно пропорционально расходу воздуха через дефлектор. Пропорции конструктивных элементов дефлектора и воздуховодов 8 подбираются так, что при ветре тяга в воздуховодах 8 увеличивается за счет разрежения, создаваемого дефлектором. При ветре до 10 м/с разрежение, создаваемое дефлектором, составляет (0,02-0,03)Р от динамического напора ветра и полностью компенсирует воздушное сопротивление устройства. При ветре более 15 м/с появляется избыточное разрежение, усиливающее тягу естественной циркуляции.

Характерной особенностью этой конструкции является выполнение воздухозаборной кольцеобразной щели 4 на верхней поверхности 3 торообразного воздушного коллектора 2. Это вызвано сложной картиной обтекания воздушным потоком главного корпуса атомной станции и значительным количеством возникающих неопределенностей в характеристиках потока, так как форма главного корпуса функциональна по назначению и не оптимальна по аэродинамике. Поскольку защитная оболочка представляет собой цилиндр (отношение диаметр к высоте 1,5-1,8), с верхнего торца закрытый эллипсоидом - куполом, на стыке цилиндра с куполом смонтирован торообразный воздушный коллектор 2, и так как купольная часть вносит меньше аэродинамических возмущений (полусфера), чем цилиндрическая, и было принято решение выполнить воздухозаборную кольцеобразную щель 4 на верхней поверхности 3 торобразного воздушного коллектора 2. Приземной возмущенный слой воздуха не воздействует на воздухозаборную кольцеобразную щель 4 и значительно меньше воздействует на нее полусфера купола 7, чем цилиндрическая наружная стенка 1. Так, например, для плоскопараллельного потока идеальной жидкости при обтекании тел цилиндра и сферы существует зависимость изменения безразмерного давления от скорости и угла обтекания потока в криволинейных координатах, минимум определен при обтекании в зоне миделевого сечения - углы 90 и 270 гр., где

Sin ²90^о=1:

1. На сфере и Pmin=-5/4.

2. При поперечном обтекании цилиндра и Pmin=-3.

3. Зависимость безразмерного давления

Следовательно, возмущений, вызываемых цилиндром в поперечном потоке, намного больше, чем при обтекании сферы. Следует отметить, что реальная жидкость и турбулизация потока вызовет еще большие различия в возмущениях между сферой и цилиндром.

Технико - экономическим обоснованием использования устройства для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора является обеспечение стабильной подачи воздуха к воздушным теплообменникам СПОТ за счет формирования воздушного потока перед воздухозаборной щелью и воздушного проектного потока перед входами в теплообменники.

В целом, конструкторские решения устройства позволяют за счет естественной циркуляции в воздуховодах отводить необходимую мощность от теплообменников СПОТ, защитить воздуховоды от воздействий атмосферных осадков, ветра и дополнительных вихрей, вызванных от планировки и высотных отметок главного корпуса, от застройки промплощадки и топографии местности. Эти мероприятия позволяют повысить надежность работы СПОТ, безопасность энергоблоков и атомных станций в целом, при плановых и аварийных остановах.