CN104919530A - 用于利用ves气源储存能量生成动力的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量生成系统，其用于在核反应堆发电厂中的事故情形期间，当非能动主控制室可居留系统被激活时，将非能动主控制室可居留系统中的压缩空气转换成能量。该能量生成系统包括用于降低压缩空气的压力以产生压力降低的加压空气的压力调节器、用以向主控制室输送空气的喷射器、以及用以将罐连接至压力调节器和喷射器以允许压缩空气流入其中的管道。所述能量生成系统包括位于喷射器上游的接收转换机构，该接收转换机构用于接收来自压力调节器的压力降低的加压空气并将所述压力降低的加压空气的至少一部分转换成能量。

Description

用于利用VES气源储存能量生成动力的系统及方法

技术领域

本发明总的来说涉及用于在事故或包含损失所有交流电力的事件之后利用来自非能动动力主控制室可居留系统(VES)的储存能量生成动力的系统和方法。

背景技术

核反应堆发电厂中用于发电的各种功能需要两个重要资源，即水和动力。例如，水用于冷却反应堆和废燃料池内部的燃料，动力用于各种设备功能，包括泵送、阀门致动、仪表和设备监测。在诸如工作站停电的事故情形期间或在导致损失所有交流电力的其他事件期间，可能难以获得或向核电厂现场提供外部资源来处置事故。因此，有利的是，核电厂现场具有备用装置以在损失交流电力的情形期间产生动力并提供冷却水。

通常，核反应堆发电厂中的主控制室可居留系统(VES)是非能动动力系统，其在事故或包含损失所有交流电力的其他事件之后利用空气为控制室环境提供通风、冷却和过滤。图1示意性显示了依照现有技术的VES系统10。压缩空气储存在罐2中并被加压。典型地，空气储存的最高压力为4000psi。在正常情况下空气为60℉时，罐的最低压力为3333psi。此外，VES系统典型采用多于一个的罐来储存压缩空气。例如，在有些商业核反应堆发电厂，例如WestinghouseAP1000发电厂，使用了32个罐，每个罐的自由容积为约46.1ft³。压缩空气流4从罐2流经压力调节器6。压力调节器6的最低入口压力为200psi。压力调节器6降低压缩空气流4的压力，使得低压压缩空气流8经过出口7，进给至喷射器喷嘴11并用来为喷射器9提供动力，所述压缩空气流8的容积流率为65 SCFM。出口7处的空气压力降低至中间压力。对于AP1000发电厂来说，该中间压力即低压压缩空气流8的压力为120psi。进给至喷射器喷嘴11的流为控制室提供新鲜空气，喷射器9提供了控制室空间13内气流的循环。

对于AP1000发电厂来说，在事故或包含损失所有交流电力的其他事件之后，核反应堆发电厂中储存的压缩空气足够以65±5 SCFM的容积流率向主控制室区域提供至少72小时。该压缩空气带有大量的势能。

本领域中已知的是采用各种非能动动力设计(例如VES)来减轻核反应堆意外事件而不用操作员干预或不用场外动力。这些非能动动力设计着重于依赖诸如加压气体、重力流、自然循环流和对流的自然力而不依赖能动部件(例如泵、风扇或柴油发电机)的安全措施。此外，非能动系统设计成能在没有安全级支持系统(例如交流电力、部件冷却水、生活用水和HVAC)的情况下起作用。

所希望的是，开发进一步的非能动措施和减轻策略供核反应堆发电厂中使用。例如，所希望的是，当不能容易地得到资源时，从核电厂流程中回收能量供事故及其他事件程序期间使用。因此，本发明提供了用于从VES中的压缩空气提取大量有用能量的系统和方法。该能量可以在核电厂中用来处置事故及其他损失交流电力的事件程序，其中，VES被激活。

发明内容

在一个方面中，本发明提供一种能量生成系统，用于在核反应堆发电厂中包含损失所有交流电力的情形期间，当非能动主控制室可居留系统被激活时，将非能动主控制室可居留系统中的压缩空气转换成能量。所述主控制室可居留系统包括：用于储存压缩空气的至少一个罐；具有入口和出口的压力调节器，用于降低压缩空气的压力以从所述压力调节器的出口产生低压压缩空气流；具有喷射器喷嘴的喷射器，用以将压缩空气输送至主控制室；以及用以将所述罐连接至所述压力调节器和所述喷射器以允许压缩空气流入其中的管道。所述能量生成系统包括位于喷射器上游的接收转换机构，用于接收来自所述压力调节器的出口的低压压缩空气流并将所述低压压缩空气流转换成能量。

所述接收转换机构可以包括发电机以及具有入口和排气口的涡轮。在进一步的实施例中，所述接收转换机构可以包括气动泵。

所述至少一个罐中的压缩空气的最高压力可以为约4000psi。所述至少一个罐中的最低压力可以为约3333psi。低压压缩空气流的压力可以为约120psi。

所述涡轮的排气口与所述喷射器的入口之间的压差为25psi，该压差可用来操作所述气动泵。

在另一个方面中，本发明提供一种通过在核反应堆发电厂中的被激活的非能动主控制室可居留系统中回收压缩空气而生成能量的方法。该方法包括：加压至少一个储存罐中的压缩空气；使压缩空气流经压力调节器，以产生低压压缩空气流；将所述低压压缩空气流输送至用于将该低压压缩空气流转换成能量的转换机构。

所述转换机构可以包括发电机以及具有入口和排气口的涡轮。在进一步的实施例中，所述转换机构可以包括气动泵。

附图说明

图1显示了依照现有技术的主控制室可居留系统(VES)的示意图。

图2显示了依照本发明的某些实施例的VES动力生成系统的示意图，其中转换机构包括涡轮发电机。

图3显示了依照本发明的某些实施例的另一VES动力生成系统的示意图，其中转换机构包括气动泵。

图4显示了依照本发明的某些实施例的又一VES动力生成系统的示意图，其中转换机构包括涡轮发电机和气动泵。

图5显示了依照本发明的某些实施例的供如图3和4所示的VES中使用的气动泵的泵特性曲线。

具体实施方式

本发明涉及用于在诸如事故或包含损失所有交流电力的其他事件的处置情形期间，当核反应堆(例如加压水冷反应堆和沸水反应堆)发电厂中的非能动动力主控制室可居留系统(VES)被激活时，从VES中的压缩空气提取能量并生成动力的系统和方法。尤其是，本发明的动力生成系统和方法于压缩空气从初始压力(即在压缩空气罐中)到喷射器入口处的压力的压差中提取能量。该储存的能量例如通过涡轮和/或泵转换成有用动力。此外，压缩空气(处于低压下)可用来经过喷射器流入核反应堆发电厂的控制室中。VES通常供给压缩空气，用于在处置情形期间对控制室环境进行通风、冷却和过滤。因此，本发明用于将VES的压缩空气库存中的储存能量转换成有用能量，以在延长的损失交流电力的事故之后延长发电厂处置的能力。

图2示意性地显示了依照本发明的某些实施例的VES动力生成系统20。图2包括如图1所示的罐2、压缩空气流4、压力调节器6、出口7、低压压缩空气流8、喷射器9、喷射器喷嘴11和控制室13。如前所示，压力调节器6降低进入的压缩空气流4的压力，使得低压压缩空气流8流经出口7。另外，图2包括空气涡轮15和交流发电机/发电机17。这两个部件设置在喷射器9和喷射器喷嘴11的上游。当VES被激活时，低压压缩空气流8离开压力调节器出口7，被进给到空气涡轮15和交流发电机/发电机17中以将压缩空气的储存能量转换成诸如电力的有用能量，该有用能量可用于在核反应堆发电厂发生事故情形期间的处置功能。低压压缩空气8的压力基本上等于空气涡轮15所需的压力。在符合VES设计要求的同时，在VES中实现储存能量的回收以及储存能量向有用能量的转换。压缩空气的压力可以变化。在某些实施例中，压缩空气的初始压力为约3333psig，例如，在罐2中。空气从该初始压力绝热且等熵地膨胀至约200pisg的最终压力。该膨胀通过空气涡轮15进行，因而空气涡轮15下游的压力为约200psig。在某些实施例中，可使用辅助压力调节器(未显示)来使压力进一步降低至喷射器9或位于空气涡轮15下游的其他部件(例如图3所示的气动泵)所需的压力。在某些实施例中，该辅助压力调节器(未显示)可设置在空气涡轮15与喷射器喷嘴11之间。通过初始压力状态与最终压力状态之间的焓差乘以膨胀的空气的质量来估算可利用能量。该转换的细节在后面提供。该能量能够在事故情形处置阶段期间用于各种有用功能，例如但不限于为蓄电池充电或为仪器及其他设备供电。

依照某些实施例，本发明还包括图3中示意性所示的VES动力生成系统25。图3包括如图1所示的罐2、压缩空气流4、压力调节器6、出口7、低压压缩空气流8、喷射器9、喷射器喷嘴11和控制室13。另外，图3包括位于压力调节器6及其出口7的下游且位于喷射器9及其喷嘴11的上游的气动泵27。在该实施例中，压力调节器6被设定来输送气动泵27(代替如图1所示的空气涡轮15)所需的入口压力。

依照某些实施例，本发明还包括图4中示意性所示的VES动力生成系统30。图4包括如图1所示的罐2、压缩空气流4、压力调节器6、出口7、低压压缩空气流8、喷射器9、喷射器喷嘴11和控制室13。另外，图4包括空气涡轮15、交流发电机/发电机17和气动泵27。气动泵27设置在空气涡轮15的下游且设置在喷射器9及其喷嘴11的上游。在该实施例中，该系统将构造成：或者空气涡轮15排气的压力与气动泵27所需的入口压力相匹配，或者一辅助压力调节器(未显示)可以安装在空气涡轮15与气动泵27之间以实现至气动泵27的适当的入口压力。

在某些实施例中，压力调节器6被设定来在其出口7处提供120psig的压力，喷射器喷嘴11/喷射器9被设计成在110psig压力下操作。在其他实施例中，压力调节器6被设定在与空气涡轮的设计/入口压力对应的明显较高的压力下，涡轮排气被设定在气动泵的设计/入口压力下。应当明白，根据需要，可以包括附加的压力调节装置，用以产生至空气涡轮、气动泵或喷射器的所希望的入口压力。改变压力调节器6的设定，例如将其设定至约135psig的稍高压力，并使至喷射器的入口压力维持在110psig，由此提供25psi的压差来操作气动泵。该气动泵可用于例如将水从现场储存罐传送至对于在事故情形期间处置而言需要水的部位。

实例

下面的实例适用于Westinghouse Electric Company设计的AP1000发电厂。

实例1

任何物质的储存能量等于该物质的总焓。总有用能量等于做功之前的焓与最终状态下的焓之差。对于VES空气储存罐来说，压缩空气的初始压力随着空气储存罐室中的外界条件而变化。

在该实例中，在60℉和80℉的外界温度下计算得出的罐压力分别确定为3333psig和3504psig。空气在喷射器的入口处的压力确定为110psig。

储存空气中的总能量由下式获得：

E＝m_air*h₁  (等式1)

其中，E是罐中的储存能量，m_air是罐中空气的质量，h₁是罐中空气的焓，h₁由热力学表确定，罐中空气的总质量利用等式2得到，该等式2使比容积和总储存容积与空气总质量相关联：

$m_{air}=\frac{V}{v_{air}}$   (等式2)

其中，v_air是在系统温度和压力下空气的比容积，V是空气罐的总储存容积。

不是所有储存在罐中的能量都被提取并被转换成有用功。任何系统的总体能量平衡显示为等式3：

$\mathrm{\Δ}H+\frac{{\mathrm{\Δu}}^2}{2g_c}+g\mathrm{\Δ}z=Q+W_s$   (等式3)

等式3支配着任何系统的总能量传递，其中，是动能变化，gΔz是势能变化，ΔH是系统的焓变化，Q是热量，W_s是功。在系统的动能和势能与焓变化相比可以忽略不计的情况下，以及在假定系统是绝热(没有热量传递到系统中，也没有热量从系统中传递出去)的情况下，等式3被简化为：

H₁-H₂＝W_s  (等式4)

虽然最终的焓H₂不容易知道，但是最终的压力是已知的，并假定系统是完全可逆的(等熵)。该最终的焓通过对用于压缩空气的热力学表插值而确定。等熵膨胀使用了熵是常数的假定，即S₁＝S₂。

假定：

1.系统的动能和势能可忽略不计。

2.系统是绝热的。

3.系统是等熵的。

4.从罐压力到最低调节器入口压力的膨胀不影响总体系统性能标准。

5.压缩空气涡轮的发电效率为33％。

输入：

压缩空气罐的设计压力＝4000psig

压缩空气罐的设计温度＝60-80℉

压缩空气罐的总数量＝32

每个压缩空气罐的总自由容积＝46.1ft³

最低调节器入口压力设定值＝200psig

喷射器入口压力＝110psig

罐在60℉温度下的最低压力＝3333psig

罐在80℉温度下的最低压力＝3504psig

空气在68℉温度、200巴压力下的比容积＝0.00433m³/kg

所确定的压缩空气罐内部的空气质量

表1

空气的温度为60℉＝288.7K

空气的初始压力为3333psig＝3347.4psia＝230.8巴

在表数值之间插值如下：

焓

熵

比容积

计算得到的VES储存罐中的压缩空气质量

罐的容积＝46.1ft³＝1.305m³

压缩空气罐的总容积＝1.305*32＝41.76m³

$m_{air}=\frac{V}{v_{air}}$

$m_{air}=\frac{41.76m^3}{0.00396\frac{m^3}{kg}}=10545.45kg$

压缩空气罐中的初始储存能量

E＝m_air*h₁

$h_1=247.8\frac{kJ}{kg}$

$E=10545.45kg*247.8\frac{kJ}{kg}=2613.2MJ$

假定等熵膨胀，最终的焓

压力调节阀的最低入口压力为200psig(214.7psia)，并合理假定：在压缩空气膨胀至200psig的情况下，VES系统性能不受影响。

214.7psia＝14.8巴

表2

点间插值，得到214.7psia压力下的焓和5.136的熵

X＝127.4K

计算得到的通过使空气从3333psig(230.8巴)膨胀至200psig(14.8巴)而提取的总能量

$h_1=247.8\frac{kJ}{kg},$ 并且 $h_2=106.6\frac{kJ}{kg}$

E＝m_air(h₁-h₂)

$E=10545.45kg*\left(141.2\frac{kJ}{kg}\right)=1489018kJ=1489.0MJ$

估算的预计电力输出

存在多种有效使用压缩空气的能量的方式，但是，常见的方式是在涡轮中通过经由驱动发电机的涡轮膨胀而将能量转换成电。通过假定发电总效率的合理数值为33％，进行计算。

下表3提供了可由本发明的能量生成系统和方法提供电力的典型事故后负荷的列表。从可利用的电力输出和这些负荷中表明：在损失交流电力情形期间可以提供额外几小时的处置时间。

表3

实例2

在压力调节器下游，压缩空气压力预计为120psig，流速为65±5SCFM。喷射器入口压力为110psig，其不允许有更多的机会从压力调节器下游的压缩空气流提取有用能量。但是，在喷射器入口压力降低至～95psig的情况下研究压缩空气的另一种潜在应用。代替提取能量和发电，该相对较低的空气压力被用来为诸如空气操作隔膜泵的气动装置提供动力。

典型的泵特性曲线显示在图5中。利用图5，65SCFM容积速率、120psig压力的入口空气为约40加仑每分钟的水提供了约225英尺的排出压头。出口空气压力大于95psig。

潜在的水输送

VES运行最少72小时。

所泵送的水＝40gpm*60min/hr*72hr

＝172,800加仑。

得到的压缩空气罐中包含的能量总量是2613.2MJ。从压力调节器的预计工作压力到其设计压力的绝热等熵膨胀具有产生1489.0MJ的能力。假定发电总效率为33％，则预计从压缩空气涡轮系统产生136.5kwh的电。另外，利用典型的泵特性曲线，位于压力调节器下游的空气操作隔膜泵具有在～225英尺的排出压头下输送172,800加仑的水的潜力。

尽管本发明已经就各个特定实施例进行了描述，但是，本领域技术人员应当认识到，本发明可以通过在附带的权利要求的精神和范围之内的修改而实施。

Claims (12)

1.一种能量生成系统，其用于在核反应堆发电厂中损失所有交流电力的情形期间，当非能动主控制室可居留系统被激活时，将非能动主控制室可居留系统中的压缩空气转换成能量，所述主控制室可居留系统包括：

用于储存压缩空气的至少一个罐(2)；

用于降低压缩空气的压力以产生低压压缩空气流(8)的压力调节器(6)；

喷射器(9)；和

用以连接所述罐(2)、所述压力调节器(6)和所述喷射器(9)的管道，

所述能量生成系统包括：

位于所述喷射器上游的接收转换机构，用于接收来自所述压力调节器(6)的低压压缩空气流(8)并将所述低压压缩空气流(8)转换成能量。

2.如权利要求1所述的能量生成系统，其中，所述接收转换机构包括涡轮(15)和发电机(17)。

3.如权利要求1所述的能量生成系统，其中，所述接收转换机构包括气动泵(27)。

4.如权利要求1所述的能量生成系统，其中，所述接收转换机构包括涡轮(15)、发电机(17)和气动泵(27)。

5.如权利要求1所述的能量生成系统，其中，所述至少一个罐(2)中的压缩空气的最高压力为约4000psi。

6.如权利要求1所述的能量生成系统，其中，所述至少一个罐(2)中的最低压力为约3333psi。

7.如权利要求1所述的能量生成系统，其中，低压压缩空气流(8)为约120psi。

8.如权利要求3所述的能量生成系统，其中，低压压缩空气流(8)与喷射器(9)的设计压力之间的压差为25psi，该压差用来操作气动泵(27)。

9.一种通过在核反应堆发电厂中的被激活的非能动主控制室可居留系统中回收压缩空气而生成能量的方法，包括步骤：

在至少一个储存罐(2)中加压压缩空气；

使压缩空气(4)流经压力调节器(6)，以产生低压压缩空气流(8)；

将所述低压压缩空气流(8)输送至用于生成能量的机构。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述用于生成能量的机构包括涡轮(15)和发电机(17)。

11.如权利要求9所述的方法，其中，所述用于生成能量的机构包括气动泵(27)。

12.如权利要求9所述的方法，其中，所述用于生成能量的机构包括涡轮(15)、发电机(17)和气动泵(27)。