CN102820070A - 一种充氦气体颗粒物脱除系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了核电站安全和环境保护技术领域的一种充氦气体颗粒物脱除系统。在核电站出现严重事故时，安全壳内压力上升，连接阀门打开，颗粒物通过管道输运至氦气箱，氦气箱是具有水冷壁承压不锈钢箱体，由于热泳及湍流效应，颗粒物在箱内发生沉积；同时，氦容积箱有外部设备输水管进行冷却，以在氦容积箱内形成有一定梯度的温度场，并且氦气由于较高热导率促使热泳沉积具有较高效率。该脱除装置可安装核电站安全壳外，实施方便，控制简单，由此保障核电站安全高效可靠运行。

Description

一种充氦气体颗粒物脱除系统

技术领域

本发明属于核电站安全和环境保护技术领域，尤其涉及一种充氦气体颗粒物脱除系统。

背景技术

在世界能源紧缺的今天，除化石能源，核电是唯一可实现连续供电的能源。在2011年日本福岛发生人类第三次核电站严重事故之后，中国政府确定了“安全高效”发展核电的基本方针。因此，研制并发展有效的应对核电严重事故的措施是一项非常重要的工作。

核电站严重事故时产生的放射性颗粒物是人们最为担心的事项。众所周知，即使是没有放射性的颗粒物对人类都极具危害，PM₁₀、PM_2.5等细颗粒物已经是国际社会积极想办法处理的重要难题，核电站带有放射性的颗粒物更值得人们严重关切。无论现在已经在运行的第二代反应堆，还是正在设计的第三代先进反应堆，无论严重事故的概率如何低和如何先进，都是工程的概率安全性，严重事故不能完全避免，因此放射性细颗粒也不能完全避免。就先进堆而言，AP1000和EPR都有可能发生核电严重事故。即使是第四代超临界水堆，由于超临界水特性颗粒运动也存在特殊问题，影响周围环境安全。高温气冷堆中石墨粉尘的产生也会引发一系列的问题，并可能会影响反应堆的安全与正常运行。第四代堆钠冷快堆中，事故钠颗粒的迁移也会危及系统安全性以及周围人们的安全。因此，有效脱除在核电站的严重事故中可能产生大量放射性裂变颗粒，是关系到核电站的周边环境和人们的生命安全的重大事务。

核电站所产生的细颗粒主要是PM₁₀细颗粒物，不容易沉积。目前，核电站对颗粒物的脱除主要有法国制造的沙堆式过滤器、瑞典的卵石式过滤器以及德国文丘利管式水过滤器，这些措施对核电站严重事故产生的较大碎片过滤效果较好，但对细颗粒脱除效果不佳。细颗粒脱除难题在能源界也是一个难题，除了静电除尘器效果较好外，还没有形成产品的有效措施。而静电除尘器由于其功率较小等问题，无法大规模应用于核电站。二代及二代加核电主要通过喷淋来脱除碘的同时，来脱除细颗粒，甚至在使用自然沉降来处理颗粒的脱除。无论是二代核电站，还是先进反应堆，对于细颗粒物的脱除，都还是一个需要解决的难题。因此，必须寻找脱除细颗粒的新原理和新方法，来满足目前严格的核电安全法规和环保要求。

一种充氦气体颗粒物脱除装置能有效的脱除细颗粒物是一种新型核电先进安全装置，可以保障工作人员和公众健康，也就保护了环境。该装置可以直接应用于各代核反应堆，既可在核电大修时，安装在已经运行的反应堆；也可以与先进反应堆配套使用，具有广泛的实用性和适应性。

发明内容

本发明的目的是针对现有核电技术不足提出一种充氦气体颗粒物脱除系统。利用所引出的夹带颗粒物气体作为高温流体，并基于氦气是惰性气体并且有较大热导率，在所形成的混合气体温度梯度场中，利用细颗粒物热泳沉积效应和湍流效应，对核电站严重事故产生细颗粒进行脱除。

本发明采用的技术方案为：

该系统的核心部分为氦气箱，其结构为：由上至下分为上联箱、氦气箱箱体和下联箱三个部分；在氦气箱箱体内设置若干交错分布的颗粒脱除通道和水冷通道，氦气箱箱体的侧壁上部设置氦气充气口，下部设置排气口；在上联箱内设置网格状的进气管道，进气管道具有两个入口和若干个出口，两个入口分别是位于中心的进气口和位于边缘处的氦气回气口，若干个出口分别与颗粒脱除通道连接；上联箱的顶部还设置冷却剂出口；下联箱的底部设置冷却剂入口；

安全壳的顶部通过输气管道与氦气箱的进气口连接，在输气管道上设置并联的自动启动阀门和电动启动阀门；储气箱的出口与氦气箱的氦气充气口连接；氦气箱下部的排气口分两路，一路与氦气分离装置的入口连接，另一路与氦气分离装置的氢气出口连接；氦气分离装置的氦气出口与氦气箱的氦气回气口连接，氦气分离装置的氢气出口分两路，一路与安全壳下部的入口连接，另一路与氢气复合器串联后再与安全壳下部的入口连接；氦气箱的冷却剂出口与冷却水储存箱的上部连接；冷却水储存箱底部的出口分两路，一路直接与氦气箱底部的冷却剂入口连接，另一路串联备用循环水泵后与氦气箱底部的冷却剂入口连接。

所述氦气箱在高温颗粒气体及水冷壁形成的温度梯度场中，由于氦气的高热导率，产生热泳效应和湍流效应脱除细颗粒。

所述水冷通道内的水流方向与颗粒脱除通道内的高温气体流动方向相反。

所述氦气箱箱体的下部设置两个对称分布的清除口，用于清除沉积的细颗粒。

本发明的有益效果为：

（1）具有能动和非能动双阀门特点，满足单一故障准则，细颗粒物在该氦气箱内有较高的沉积率。

（2）氦气箱内高温氦气和冷却水形成温度梯度场，有利于细颗粒沉积。

（3）氦气分离装置可以采用深度冷冻、吸附、膜分离等方法，从氦气箱排出的水蒸气、空气、氢气、氦气等混合气体中分离出氦气，使氦气得以循环再利用。

（4）可安装于各类型核电站中，可有效脱除核电站严重事故产生的PM₁₀等细颗粒物，达到保护公众健康和环境的目的。该装置实施方便，控制简单，具有安全、高效、可靠、可模块化组装等特点。

附图说明

图1为本发明所述系统的结构示意图；

图2为氦气箱剖面图；

图3为输气管道立体示意图；

图4为氦气箱A-A面俯视图。

图中标号：

1-自动启动阀门；2-电动启动阀门；3-输气管道；4-储气箱；5-氦气箱；6-清除口；7-冷却水储存箱；8-备用循环水泵；9-氦气分离装置；10-氢气复合器；11-安全壳；12-氦气回气口；13-进气管道；14-氦气箱箱体；15-颗粒脱除通道；16-排气口；17-冷却剂入口；18-下联箱；19-水冷通道；20-氦气充气口；21-上联箱；22-冷却剂出口；23-进气口。

具体实施方式

本发明提供了一种充氦气体颗粒物脱除系统，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

该系统的核心部分为氦气箱5，其结构如图2所示：氦气箱5由上至下分为上联箱21、氦气箱箱体14和下联箱18三个部分；在氦气箱箱体14内设置若干交错分布的颗粒脱除通道15和水冷通道19（如图4），氦气箱箱体14的侧壁上部设置氦气充气口20，下部设置排气口16；在上联箱21内设置网格状的进气管道13，进气管道13具有两个入口和若干个出口，两个入口分别是位于中心的进气口23和位于边缘处的氦气回气口12，若干个出口分别与颗粒脱除通道15连接，其结构如图3所示；上联箱21的顶部还设置冷却剂出口22；下联箱18的底部设置冷却剂入口17。氦气箱箱体14的下部还设置两个对称分布的清除口6，用于清除沉积的细颗粒。

该系统的整体结构如图1所示：安全壳11的顶部通过输气管道3与氦气箱5的进气口23连接，在输气管道3上设置并联的自动启动阀门1和电动启动阀门2；储气箱4的出口与氦气箱5的氦气充气口20连接；氦气箱5下部的排气口16分两路，一路与氦气分离装置9的入口连接，另一路与氦气分离装置9的氢气出口连接；氦气分离装置9的氦气出口与氦气箱5的氦气回气口12连接，氦气分离装置9的氢气出口分两路，一路与安全壳11下部的入口连接，另一路与氢气复合器10串联后再与安全壳11下部的入口连接；氦气箱5的冷却剂出口22与冷却水储存箱7的上部连接；冷却水储存箱7底部的出口分两路，一路直接与氦气箱5底部的冷却剂入口17连接，另一路串联备用循环水泵8后与氦气箱5底部的冷却剂入口17连接。

所述氦气箱5在高温颗粒气体及水冷壁形成的温度梯度场中，由于氦气的高热导率，产生热泳效应和湍流效应脱除细颗粒。

所述水冷通道19内的水流方向与颗粒脱除通道15内的高温气体流动方向相反。

核电站发生严重事故时，安全壳11内可能会产生高温高压的蒸汽、空气等混合气体并夹带细颗粒；在达到一定压力后，自动启动阀门1或者电动启动阀门2开启，混合气体夹带细颗粒经输气管道3进入带有水冷壁的氦气箱5；在氦气箱5内的颗粒物由于温度梯度场和湍流作用，发生沉积；除去细颗粒的气体经氦气分离装置9之后，经过氢气复合器10将氢气从混合气体中分离出去，再继续被输送回安全壳11，由此完成一个循环。也可以将氦气箱5输出的含有氦气的混合气体直接输送回安全壳11，这样利用氦气的高热导率特性可以在安全壳11内继续实现颗粒脱除，但需要向氦气箱补充氦气以确保装置的颗粒物脱除效率。

所涉及启动阀门在受到高压力时开启，开启时电动阀门和非能动阀门是两种不同路径，非能动自动启动阀门1优先自动开启，需要时再打开电动启动阀门2。

氦气箱5在高温颗粒气体及水冷管壁形成的温度梯度场中，利用氦气的高热导率，利用热泳效应和湍流效应脱除细颗粒。储气箱4为氦气体颗粒物脱除装置提供氦气原始气源，当启动氦气体颗粒物脱除装置时投入。必要时也可以向氦气箱提供氦气补充气源。混合气体进气管道3采用多管道连接的栅格布置，可为来自安全壳11的夹带细颗粒的混合气体、来自氦气分离装置9的氦气提供充分的混合。冷却水储存箱7采用高水位布置，与氦气箱的冷却剂通道一侧共同组成氦气箱冷却回路。正常情况下依靠冷却水储存箱与氦气箱高度差而形成的驱动压头实现非能动运行。水冷通道19与高温气体成顺流或逆流的水，并优先逆流，用以冷却氦气箱。上联箱21与下联箱18用于确保水冷通道19中的冷却剂分布均匀。

Claims (4)

1.一种充氦气体颗粒物脱除系统，其特征在于，核心部分为氦气箱（5），其结构为：由上至下分为上联箱（21）、氦气箱箱体（14）和下联箱（18）三个部分；在氦气箱箱体（14）内设置若干交错分布的颗粒脱除通道（15）和水冷通道（19），氦气箱箱体（14）的侧壁上部设置氦气充气口（20），下部设置排气口（16）；在上联箱（21）内设置网格状的进气管道（13），进气管道（13）具有两个入口和若干个出口，两个入口分别是位于中心的进气口（23）和位于边缘处的氦气回气口（12），若干个出口分别与颗粒脱除通道（15）连接；上联箱（21）的顶部还设置冷却剂出口（22）；下联箱（18）的底部设置冷却剂入口（17）；

安全壳（11）的顶部通过输气管道（3）与氦气箱（5）的进气口（23）连接，在输气管道（3）上设置并联的自动启动阀门（1）和电动启动阀门（2）；储气箱（4）的出口与氦气箱（5）的氦气充气口（20）连接；氦气箱（5）下部的排气口（16）分两路，一路与氦气分离装置（9）的入口连接，另一路与氦气分离装置（9）的氢气出口连接；氦气分离装置（9）的氦气出口与氦气箱（5）的氦气回气口（12）连接，氦气分离装置（9）的氢气出口分两路，一路与安全壳（11）下部的入口连接，另一路与氢气复合器（10）串联后再与安全壳（11）下部的入口连接；氦气箱（5）的冷却剂出口（22）与冷却水储存箱（7）的上部连接；冷却水储存箱（7）底部的出口分两路，一路直接与氦气箱（5）底部的冷却剂入口（17）连接，另一路串联备用循环水泵（8）后与氦气箱（5）底部的冷却剂入口（17）连接。

2.根据权利要求1所述的一种充氦气体颗粒物脱除系统，其特征在于，所述氦气箱（5）在高温颗粒气体及水冷壁形成的温度梯度场中，由于氦气的高热导率，产生热泳效应和湍流效应脱除细颗粒。

3.根据权利要求1所述的一种充氦气体颗粒物脱除系统，其特征在于，所述水冷通道（19）内的水流方向与颗粒脱除通道（15）内的高温气体流动方向相反。

4.根据权利要求1所述的一种充氦气体颗粒物脱除系统，其特征在于，所述氦气箱箱体（14）的下部设置两个对称分布的清除口（6），用于清除沉积的细颗粒。

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