CN103405945A - 脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气装置及其方法 - Google Patents

脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气装置，包括用于储存冷却剂的前置贮存箱、与所述前置贮存箱相连通且位于其下游的脱气膜单元，以及与所述脱气膜单元相连通的真空泵、供氮装置，所述脱气膜单元用于接收所述冷却剂并脱除所述冷却剂中的溶解气体，所述脱气膜单元具有气体通道，所述真空泵用于对所述气体通道抽真空，所述供氮装置用于向所述气体通道输入氮气。该脱气装置的能耗少、制造成本低、设备简单、脱除率高。本发明还提供一种脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气方法。

Description

脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气装置及其方法
技术领域
本发明涉及核工业技术，尤其涉及脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气装置及其脱气方法。
背景技术
反应堆冷却剂中存在着由运行产生的溶解的、不可冷凝的气体，例如氢气、氧气、氮气及多种放射性气体，如氙气（Xe）和氪气（Kr）。这些气体在冷却剂中的存在大都是有害的：氢气是易燃易爆气体，在反应堆冷却剂循环系统启动时存在爆炸风险；冷却剂中溶解的氧气只允许有极低的浓度（例如5ppb），因为在高温运行条件下氧气会对管道和其他设备造成严重的腐蚀；同时，在环保指标日益严格的要求下，对能够经过中子轰击转化为14C的溶解氮也开始格外关注，务必减少产生14C的源头；而放射性气体对人的身体有害。因此，有必要对反应堆冷却剂中溶解的、不可冷凝的气体的含量加以控制。尤其是在开启反应堆顶盖之前时，必须脱除会对人体造成伤害的放射性气体及易燃易爆的氢气，及关闭反应堆盖后或反应堆初次运行注入冷却剂时，需对冷却剂深度脱氧。另外，脱除冷却剂中的溶解气体也是压水堆核电站硼酸回收系统的一个关键步骤，硼酸回收系统接收化学和溶剂控制系统、核岛排气和疏水系统的可复用反应堆冷却剂，即含硼酸的水，并对其进行净化（过滤和除盐）、除气和硼水分离处理。
大多数核电站，例如大亚湾核电站，目前采用热力法脱气技术来脱除冷却剂中的溶剂气体。即将冷却剂输送至脱气塔的顶部，其由于重力在塔内从上往下滴，而同时蒸汽从下往上升，冷却剂与蒸汽相遇，在接触过程中进行气液传质，将溶解于冷却剂中的气体，例如氢气、氧气和放射性气体等被蒸汽带走并向上传送至塔顶，从而实现冷却剂的脱气过程。
然而热力法脱气技术存在如下缺陷：（1）会消耗反应堆约为3MW的热功率，这些热功率可转化约为1MW的电功率，即每小时浪费约1/1000百万千瓦级压水堆核电站发电量；（2）虽然热力法脱气技术为上个世纪70年代的技术，但因为脱气塔及其附属设备制造成本高，设计工艺及鉴定方法难度大，尚未实现国产化，一直依赖进口。为此，需要寻求技术突破，并进一步降低反应堆冷却剂中溶解的放射性气体、氧气、氮气的指标，低能耗的深度脱气成为技术发展的方向。
所以亟待一种能耗少、制造成本低，设备简单，脱除率高的脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气装置及其脱气方法。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种能耗少、制造成本低，设备简单，脱除率高的脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气装置。
本发明的另一个目的在于提供一种能耗少、运行成本低，配套设备简单，脱除率高的脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气方法。
为实现上述目的，本发明提供一种脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气装置，用于脱除可复用的冷却剂中的溶解气体，包括用于储存所述冷却剂的前置贮存箱、与所述前置贮存箱相连通且位于其下游的脱气膜单元，以及与所述脱气膜单元相连通的真空泵及供氮装置，所述脱气膜单元用于接收所述冷却剂并脱除所述冷却剂中的溶解气体，所述脱气膜单元具有气体通道，所述真空泵用于对所述气体通道抽真空，所述供氮装置用于向所述气体通道输入氮气。
较佳地，所述溶解气体包括氧气、氮气、氢气及放射性气体中的一种或几种。
具体地，所述脱气膜单元内装有呈中空结构且可供气体分子穿过的中空纤维膜，所述冷却剂在所述中空纤维膜的外壁流动，所述中空结构形成所述气体通道。
较佳地，所述脱气膜单元包括并联的至少一组脱气膜组，每一所述脱气模组包括串联的至少一个脱气膜。
作为一优选实施例，所述真空泵为水环真空泵，所述脱气装置还包括设置在所述水环真空泵出口的用于分离气和水的气水分离器。
较佳地，所述气水分离器包括一气出口及一水出口，所述水出口与所述水环真空泵相连通以将分离出的所述水供应给所述水环真空泵。
较佳地，所述水口出与所述水环真空泵之间设有一换热器。
具体地，所述脱气装置还包括一设置在所述输送泵与所述脱气膜单元之间的一超滤反渗透组件，用于净化所述冷却剂。
较佳地，所述脱气装置还包括一设置在所述前置贮存箱与所述脱气膜单元之间的一输送泵，用于提供所述冷却剂进入所述超滤反渗透组件及所述脱气膜单元的动力。
较佳地，所述脱气装置还包括与所述脱气膜单元相连通且位于其下游的一中间贮存箱，用于储存脱除了所述溶解气体的所述冷却剂。
更佳地，所述中间贮存箱内填充有惰性气体层，用于防止大气中的气体溶解至所述冷却剂。
本发明还提供一种核技术装置，包括压水反应堆和所述脱气装置。
本发明进一步提供一种脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气方法，用于脱除可复用的冷却剂中的溶解气体，包括如下步骤：
（1）将冷却剂输送至一脱气膜单元，所述脱气膜单元内形成有气体通道；
（2）对所述气体通道抽真空，并向所述气体通道输入氮气，以脱除所述冷却剂中的溶解气体。
较佳地，所述溶解气体包括氧气、氮气、氢气及放射性气体中的一种或几种。
较佳地，在所述步骤（1）前还包括贮存所述冷却剂。
较佳地，在贮存所述冷却剂的步骤前还包括将所述冷却剂的温度降至50摄氏度以下。
具体地，所述脱气膜单元内装有呈中空结构且可供气体分子穿过的中空纤维膜，所述冷却剂在所述中空纤维膜的外壁流动，所述中空结构形成所述气体通道。
较佳地，所述脱气膜单元由并联的至少一组脱气膜组构成，所述脱气膜组由串联的至少一个脱气膜构成。
作为一优选实施例，使用水环真空泵对所述气体通道抽真空。
较佳地，在所述步骤（2）后还包括将所述水环真空泵输出的气水混合物进行气水分离。
较佳地，还包括对所述气水分离步骤中分离的水进行冷却。
较佳地，还包括将所述冷却的水输送至所述水环真空泵。
较佳地，在所述步骤（2）前还包括对所述冷却剂进行净化。
具体地，所述净化步骤由超滤反渗透组件执行。
具体地，还包括向所述冷却剂提供动力以使其进入所述超滤反渗透组件及所述脱气膜单元。
较佳地，所述步骤（2）后还包括贮存脱除了所述溶解气体的所述冷却剂。
较佳地，在脱除了所述溶解气体的所述冷却剂的表面覆盖一惰性气体层，以防止大气中的气体溶解至所述冷却剂。
与现有技术相比，本发明使用一脱气膜单元脱除冷却剂中的溶解气体，获得的有益效果有：（1）不仅可脱除溶解的氧气、氢气及氮气，还可脱除放射性气体，如氙气、氪气，其中对氮气的脱除降低了其转化为放射性废物14C的风险，保护了环境，可应用在打开反应堆盖之前，脱除对人有伤害的放射性气体和易燃易爆的氢气，也可用于关闭反应堆盖之后或反应堆初次运行注入冷却剂时对冷却剂深度脱氧，以保护管道和设备免被腐蚀，更可用于处理压水堆核电站硼酸回收系统的冷却剂以重复利用；（2）可在室温下完成脱气过程，消耗热功率极小，能耗少；（3）脱气膜的成本低，脱气装置的构造简单，设计工艺难度低，可成批生产，降低了脱气成本；（4）脱气膜单元内装有中空纤维，真空泵对气体通道抽真空，同时向气体通道内输入氮气而不断地将溶解气体从冷却剂中脱除，其脱除率高。
附图说明
图1为本发明脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气装置的示意图。
图2为本发明脱气装置的脱气膜单元的组成示意图。
图3为本发明脱气装置的单个脱气膜的结构示意图。
图4为图3所示脱气膜的部分剖视图。
图5为图4所示脱气膜的中空纤维膜的工作原理图。
图6为本发明脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气方法的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图阐述本发明几个不同的最佳实施例，其中不同图中相同的标号代表相同的部件。下面结合附图，详细阐述本发明的实施例。
本发明实质在提供一种脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气装置100，用于脱除可复用的冷却剂中的溶解气体。如图1所示，以冷却剂的流动路线为顺序，该脱气装置100依次包括前置贮存箱1、输送泵2、超滤反渗透组件3、脱气膜单元5、中间贮存箱6。具体地，待处理的冷却剂A经冷却降温使其低于50摄氏度后输送至前置贮存箱1中暂存。输送泵2提供冷却剂A进入超滤反渗透组件3和脱气膜单元5内的压力，该压力通常为1MPa，即在输送泵2的作用下，暂存的冷却剂A被送入超滤反渗透组件3。超滤反渗透组件3内装有反渗透膜，反渗透膜的过滤通径小于5微米，并可根据反应堆冷却剂的参数来设置反渗透膜，以达到过滤、除盐等净化效果，例如可脱除Cl离子和Co等金属离子，其中溶解在冷却剂中的Cl离子的浓度可降至1ppb以下。随后被净化的冷却剂A进入脱气膜单元5。脱气膜单元5脱除冷却剂中溶解的气体，如氧气、氮气、氢气及放射性气体，被脱除溶解气体的冷却剂输送至中间贮存箱6，中间贮存箱6的容积与前置贮存箱1相同，且其内填充有惰性气体层，如氩气层，用于防止大气中的气体再次溶解至冷却剂。
下面将具体介绍脱气膜单元5，如图2所示，脱气膜单元5包括若干个脱气膜522，几个脱气膜522首尾串联而形成一脱气膜组52，几组脱气膜组52并联而构成脱气膜单元5。具体的，脱气膜组52或脱气膜522具有一入水管524及一出水管526，冷却剂A经入水管524而分别进入每一脱气膜组52，之后依次流过该脱气膜组52的每一脱气膜522，经脱气的冷却剂B从出水管526流出。采用多级脱气膜组52并联的方式可增加冷却剂处理量，而采用多级脱气膜522串联的方式可提高冷却剂的脱氧率。实际应用中，脱气膜单元5的具体构成可根据需要而变化，以下面这个实例具体说明。前置贮存箱1的容积为300m3，输送泵2的流量为30m3/h，即在不补充冷却剂A至前置贮存箱1的情况下，其最长可供输送泵2输送10h。以某型号脱气膜522为例，其处理量为10m3/h，膜传质面积为135m2，而输送泵2的流量为30m3/h，因此需要3组脱气膜组52并联，每一脱气膜组52接收10m3/h的处理量，3组脱气膜组52才可满足输送泵2的要求。每一脱气膜组52包括的串联脱气膜522越多，膜传质面积越大，脱气效果越好，如果采用4级脱气膜522串联，可以实现将溶解的放射性气体减少1000倍以上，并能将冷却剂中的溶解氧降低至ppb数量级，减少对设备的腐蚀，同时能将水中的溶解氮脱除80%，降低其转化为放射性废物14C的风险，能满足核电站压水反应堆冷却剂的脱气要求。该例一共使用了12个脱气膜522。
如图3～5所示，脱气膜522内装有大量呈中空结构的中空纤维膜5223，如图5所示，中空结构构成一气体通道5225，中空纤维膜5223的壁上有微小的排气孔5224，仅气体分子可穿过该排气孔5224，而水分子不能穿过，中空纤维膜5223的两端分别与进气管527和出气管528相连通，冷却剂在中空纤维膜5223的外壁流动。具体地，脱气膜522内还装有一与入水管524及出水管526相连通的布水管525，及一用以分散水流的挡水板529。布水管525与中空纤维膜5223并列排布，且布水管525上开有若干个靠近入水管524端的布水孔5252及若干个靠近出水管526端的集水孔5254，冷却剂自入水管524进入布水管525，然后从布水孔5252流出，此时冷却剂在中空纤维膜5223的外壁流动，溶解在冷却剂中的气体，如氢气、氧气、氮气及放射性气体，穿过中空纤维膜5223的排气孔5224而进入气体通道5252，经过脱气的冷却剂经集水孔5254再次进入布水管525，之后再流出出水管526。挡水板529的设置方向与布水管525垂直，且位于其中央位置，如此可分散水流，延长冷却剂的流经路线，增大冷却剂与中空纤维膜5223的接触时间，提高了脱气效果。脱气膜单元5设置冲洗功能，将定期酸洗模内冷却剂流道，并将酸洗剂排污至核岛疏水与排气系统。
进一步地，如图1、4及5所示，脱气装置100还包括与脱气膜单元5相连通的真空泵8和供氮装置4。具体地，真空泵8与脱气膜522的出气管528相连通，以对中空纤维膜5223的气体通道5225抽真空，使气体通道5225内的真空度小于绝对压力0.01MPa。同时，供氮装置4提供氮气，少量氮气从进气管527进入中空纤维膜5223的气体通道5225，氮气裹挟着来自冷却剂中的溶解气体一同被真空泵8从出气管528排走。其中，供氮装置4为高纯制氮机，更具体地为无油型PSA型变压吸附制氮机，其提供的氮气的纯度高于99.99%，且提供氮气的量为1Nm3/h。
如图1所示，在真空泵8为水环真空泵，其出口设有一气水分离器9，用于分离气和水。气水分离器9包括一气出口92及一水出口94。从出气管528排出的氮气及其裹挟的溶解气体经真空泵8输送至气水分离器9，气水分离器9分离的氮气及溶解气体，如氧气、氢气及放射性气体，经气出口92进入核岛废气处理系统TEG。水出口94与真空泵8相连通以将分离出的水供应给真空泵8重复利用。较佳地，在水出口94的下游设一换热器10，以冷却被分离出的水。真空泵8首次注入的水取自核岛除盐水供应系统SED。换热器10采用核岛设备冷却水系统RRI提供冷源。较佳地，与真空泵8配套的设有一真空缓冲罐7，起到缓冲的作用，以保证真空泵8能够平稳的工作，它还可以防止意外停泵造成真空泵8的倒吸。
反应堆冷却剂的脱气装置100不仅可脱除冷却剂中溶解的氧气、氢气及氮气，还可脱除放射性气体，如氙气、氪气，其中对氮气的脱除降低了其转化为放射性废物14C的风险，保护了环境。可应用在打开反应堆盖之前，脱除对人有伤害的放射性气体和易燃易爆的氢气，也可用于关闭反应堆盖之后或反应堆初次运行注入冷却剂时对冷却剂深度脱氧，以保护管道和设备免被腐蚀，更可用于处理压水堆核电站硼酸回收系统的冷却剂。其中，硼酸回收系统的可复用的冷却剂由化学和容积控制系统、及核岛排水与排气系统产生，硼酸回收系统的处理流程包括净化（过滤和除盐）、脱气及硼水分离，因此脱气过程是硼酸回收系统的一个重要环节，脱除了溶解气体的冷却剂可进入硼水分离装置。该脱气装置100可在室温下完成脱气过程，所需要的能量不到热力法脱气技术的1/10，处理同等量的冷却剂仅需要电功率100kW，能耗少。另外，脱气膜522的成本低，脱气装置100的构造简单，设计工艺难度低，可成批生产，降低了脱气成本。而且，该脱气装置100能满足核电站对冷却剂深度脱气的要求，能将冷却剂中溶解的放射性气体减少1000倍，使得溶解氧含量从ppm数量级降低至ppb数量级，脱除率高。而且该脱气装置100的空间体积小，适用于船载小型核动力堆和核潜艇的冷却剂脱气。
本发明还提供一种核技术装置，包括有压水反应堆和上述脱气装置100。
本发明进一步提供一种脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气方法，用于脱除可复用的冷却剂中的溶解气体，如图6所示，包括如下步骤：
S601：将冷却剂输送至一脱气膜单元，脱气膜单元内形成有气体通道；
S602：对气体通道抽真空，并向气体通道输入氮气，以脱除冷却剂中的溶解气体。
较佳地，溶解气体包括氧气、氮气、氢气及放射性气体中的一种或几种。
较佳地，在步骤S601前还包括贮存冷却剂。
较佳地，在贮存冷却剂的步骤前还包括将冷却剂的温度降至50摄氏度以下。
具体地，脱气膜单元内装有呈中空结构且可供气体分子穿过的中空纤维膜，冷却剂在中空纤维膜的外壁流动，中空结构形成气体通道。
较佳地，脱气膜单元由并联的至少一组脱气膜组构成，脱气膜组由串联的至少一个脱气膜构成。
作为一优选实施例，使用水环真空泵对气体通道抽真空。
较佳地，在步骤S602后还包括将水环真空泵输出的气水混合物进行气水分离。
较佳地，还包括对气水分离步骤中分离的水进行冷却。
较佳地，还包括将冷却的水输送至水环真空泵。
较佳地，在步骤S602前还包括对冷却剂进行净化。
具体地，净化步骤由超滤反渗透组件执行。
具体地，还包括向冷却剂提供动力以使其进入超滤反渗透组件及脱气膜单元。
较佳地，步骤S602后还包括贮存脱除了溶解气体的冷却剂。
较佳地，在脱除了溶解气体的冷却剂的表面覆盖一惰性气体层，以防止大气中的气体溶解至冷却剂。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (27)

1.一种脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气装置，包括：
前置贮存箱，用于储存冷却剂；
与所述前置贮存箱相连通且位于其下游的脱气膜单元，用于接收所述冷却剂并脱除所述冷却剂中的溶解气体，所述脱气膜单元具有气体通道；
与所述脱气膜单元相连通的真空泵，用于对所述气体通道抽真空；
与所述脱气膜单元相连通的供氮装置，用于向所述气体通道输入氮气。
2.如权利要求1所述的脱气装置，其特征在于：所述溶解气体包括氧气、氮气、氢气及放射性气体中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的脱气装置，其特征在于：所述脱气膜单元内装有呈中空结构且可供气体分子穿过的中空纤维膜，所述冷却剂在所述中空纤维膜的外壁流动，所述中空结构形成所述气体通道。
4.如权利要求1所述的脱气装置，其特征在于：所述脱气膜单元包括并联的至少一组脱气膜组，每一所述脱气模组包括串联的至少一个脱气膜。
5.如权利要求1所述的脱气装置，其特征在于：所述真空泵为水环真空泵，所述脱气装置还包括设置在所述水环真空泵出口的用于分离气和水的气水分离器。
6.如权利要求5所述的脱气装置，其特征在于：所述气水分离器包括一气出口及一水出口，所述水出口与所述水环真空泵相连通以将分离出的所述水供应给所述水环真空泵。
7.如权利要求6所述的脱气装置，其特征在于：所述水口出与所述水环真空泵之间设有一换热器。
8.如权利要求1所述的脱气装置，其特征在于：还包括设置在所述前置贮存箱和所述脱气膜单元之间的一超滤反渗透组件，用于净化所述冷却剂。
9.如权利要求8所述的脱气装置，其特征在于：还包括设置在所述前置贮存箱和所述超滤反渗透组件之间的一输送泵，用于提供所述冷却剂进入所述超滤反渗透组件及所述脱气膜单元的动力。
10.如权利要求1所述的脱气装置，其特征在于：还包括与所述脱气膜单元相连通且位于其下游的一中间贮存箱，用于储存脱除了所述溶解气体的所述冷却剂。
11.如权利要求10所述的脱气装置，其特征在于：所述中间贮存箱内填充有惰性气体层，用于防止大气中的气体溶解至所述冷却剂。
12.一种核技术装置，包括压水反应堆及如权利要求1至11任一项所述的脱气装置。
13.一种脱除核电站反应堆冷却剂中溶解气体的脱气方法，包括如下步骤：
（1）将冷却剂输送至一脱气膜单元，所述脱气膜单元内形成有气体通道；
（2）对所述气体通道抽真空，并向所述气体通道输入氮气，以脱除所述冷却剂中的溶解气体。
14.如权利要求13所述的脱气方法，其特征在于：所述溶解气体包括氧气、氮气、氢气及放射性气体中的一种或几种。
15.如权利要求13所述的脱气方法，其特征在于：在所述步骤（1）前还包括贮存所述冷却剂。
16.如权利要求15所述的脱气方法，其特征在于：在贮存所述冷却剂的步骤前还包括将所述冷却剂的温度降至50摄氏度以下。
17.如权利要求13所述的脱气方法，其特征在于：所述脱气膜单元内装有呈中空结构且可供气体分子穿过的中空纤维膜，所述冷却剂在所述中空纤维膜的外壁流动，所述中空结构形成所述气体通道。
18.如权利要求13所述的脱气方法，其特征在于：所述脱气膜单元由并联的至少一组脱气膜组构成，所述脱气膜组由串联的至少一个脱气膜构成。
19.如权利要求13所述的脱气方法，其特征在于：使用水环真空泵对所述气体通道抽真空。
20.如权利要求19所述的脱气方法，其特征在于：在所述步骤（2）后还包括将所述水环真空泵输出的气水混合物进行气水分离。
21.如权利要求20所述的脱气方法，其特征在于：还包括对所述气水分离步骤中分离的水进行冷却。
22.如权利要求21所述的脱气方法，其特征在于：还包括将所述冷却的水输送至所述水环真空泵。
23.如权利要求13所述的脱气方法，其特征在于：在所述步骤（2）前还包括对所述冷却剂进行净化。
24.如权利要求23所述的脱气方法，其特征在于：所述净化步骤由超滤反渗透组件执行。
25.如权利要求24所述的脱气方法，其特征在于：还包括向所述冷却剂提供动力以使其进入所述超滤反渗透组件及所述脱气膜单元。
26.如权利要求13所述的脱气方法，其特征在于：所述步骤（2）后还包括贮存脱除了所述溶解气体的所述冷却剂。
27.如权利要求26所述的脱气方法，其特征在于：在脱除了所述溶解气体的所述冷却剂的表面覆盖一惰性气体层，以防止大气中的气体溶解至所述冷却剂。
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