CN106384607B - 一种长期非能动运行的安全壳过滤排放系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长期非能动运行的安全壳过滤排放系统，安全壳内的预过滤器的出口管路与安全壳隔离阀的一端连接，安全壳隔离阀的另一端同时与能动通道和非能动通道连接，二者还同时与水洗过滤器入口连接，水洗过滤器的出口与蒸汽冷凝器的管程入口连接，蒸汽冷凝器的管程出口与汽水分离器连接，蒸汽冷凝器的壳侧沿竖直方向安装有冷却风道，汽水分离器的上方出口依次连接有排放隔离阀、限流孔板和放射性检测仪后与大气相通，蒸汽冷凝器的下方出口和汽水分离器的凝液回流口分别依次连接有疏水阀、一号止回阀后与主回流管连接，主回流管的端部依次连接二号止回阀、二号隔离阀后与水洗过滤器连接。本发明在严重事故下可满足安全壳长期过滤排放。

Description

一种长期非能动运行的安全壳过滤排放系统

技术领域

本发明涉及一种长期非能动运行的安全壳过滤排放系统，属于反应堆安全设施技术领域。

背景技术

反应堆发生堆芯熔毁的严重事故后，堆芯熔融物与混凝土底板发生反应产生大量的不凝性气体，该不凝性气体与冷却剂汽化产生的蒸汽混合后进入安全壳内，会造成安全壳的升温升压，当安全壳内部压力超过安全限值时，如果不及时对其进行卸压将会使安全壳的完整性遭到破坏，大量的放射性物质将会释放到环境中，从而造成对周围环境的放射性污染，危及周围民众安全。

当事故条件下安全壳内压力超过安全限值时，为保护安全壳的完整性，需对其进行主动排放卸压。在进行排放的同时，需要对排放气体中的放射性物质进行过滤，以减轻放射性物质释放到环境中所造成的放射性污染。为达到上述目的，国内外研究学者通过研究提出了安全壳过滤排放系统，通过在核电站中设置该系统可以将安全壳内的气体经过滤后排放到环境中，以防止安全壳超压，确保安全壳的完整性。安全壳过滤排放系统中常用的过滤技术包括砂堆过滤器、金属纤维过滤器、水洗过滤器和干式过滤器等等。在众多的过滤技术中，采用湿式过滤技术的水洗过滤器，以其结构设计简单、操作方便、衰变热承载能力强等优点，被国内外广泛应用。例如，在专利号为201210174006.1中，提出了一种安全壳过滤排放系统，该系统主要由水洗过滤器和金属纤维过滤器组成，通过水洗过滤器及金属纤维过滤器过滤的气体经烟囱最终排入大气；在专利号为201210191958.4中，提出了一种双堆核电厂安全壳过滤排放系统，该过滤排放系统采用湿式过滤器对排放的气体进行过滤，最终经过过滤的气体同样经烟囱排入大气。以上所述这种过滤排放系统，均采用水洗过滤的方式，并能达到较好的过滤效果，但随着系统运行时间增加，安全壳内的高温高压气体以及放射性气溶胶的衰变热会对水洗溶液进行加热，当溶液温度达到饱和温度后，水洗溶液将会被蒸发并随安全壳排气一起被带到环境中。当水洗溶液减少到一定程度时将影响系统的过滤效果。为了回收水洗器内蒸发损失的水洗液，在题为《长期过滤排放系统换热器研究》的学位论文中提出了利用冷凝换热的方式回收水洗液，以延长过滤排放系统运行时间的概念设计。但其研究仅侧重于换热器的结构设计和分析，而非针对过滤排放系统长期运行的可行性和合理性进行研究。因此，所提出的系统概念还无法满足严重事故下过滤排放系统长期运行的需求。而且，在过滤排放系统长期运行过程中，除水洗液会蒸发损失外，大量的放射性气溶胶和元素碘会随着排气一同进入水洗器中。被滞留在水洗液中的气溶胶颗粒会在气流的搅动作用下运动。随着系统运行时间的延长，滞留的气溶胶增多，将会发生滞留气溶胶的二次携带现象，严重影响系统的过滤效率。而且，在长期过滤过程中，水洗液中的化学物质将与排气中大量的放射性碘发生反应而消耗，化学溶液的浓度会不断降低。这些系统长期运行产生的累积效应将导致系统的过滤效率降低，甚至会使系统失去过滤作用。因此，采用这种技术的过滤排放系统尽管具有很多突出的优点，但其无法保证长期地有效过滤，目前核电站上所应用的文丘里水洗器也仅能保证连续工作24小时。从最近发生的日本福岛核事故来看，这么短的运行时间无法满足严重事故条件下安全壳长期排放卸压的需求。因此为了克服现有专利的不足，本发明期望提供一种可以满足安全壳长期过滤要求的过滤排放系统。

发明内容

本发明的目的是为了满足安全壳长期过滤排放卸压需求，以克服现有安全壳过滤排放系统无法长期工作的缺陷与不足而提供一种长期非能动运行的安全壳过滤排放系统，是一种在严重事故下可满足安全壳长期过滤排放的系统。

本发明的目的是这样实现的：安全壳内设置有预过滤器，预过滤器的出口管路通过安全壳贯穿件伸出至安全壳外并与安全壳隔离阀的一端连接，安全壳隔离阀的另一端同时与能动通道和非能动通道连接，在能动通道上设置有一号隔离阀，非能动通道上设置有爆破膜，能动通道和非能动通道同时与水洗过滤器入口连接，水洗过滤器的出口与蒸汽冷凝器的管程入口连接，蒸汽冷凝器的管程出口与汽水分离器连接，所述蒸汽冷凝器的壳侧沿竖直方向安装有冷却风道，冷却风道末端设置有调节风门，汽水分离器的上方出口依次连接有排放隔离阀、限流孔板和放射性检测仪后与大气相通，蒸汽冷凝器的下方出口和汽水分离器的凝液回流口分别依次连接有疏水阀、一号止回阀后与主回流管连接，主回流管的端部依次连接二号止回阀、二号隔离阀后与水洗过滤器连接，主回流管还与氢氧化钠溶液罐、硫代硫酸钠溶液罐连接，氢氧化钠溶液罐、硫代硫酸钠溶液罐同时与高压氮气瓶连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述水洗过滤器是圆形压力容器，沉积静置段设置在水下过滤器的下部，沉积静置段上方设置有蜂窝型通道，水洗过滤器的与能动通道和非能动通道连接的入口接管是倒U型，位于水洗过滤器内的入口接管的端部连接有水平设置的流量分配母管，流量分配母管上设置有至少三个的子通道，高速气流从子通道流出与水之间发生剧烈冲击后依次形成冲击水洗段和鼓泡过滤段。

2.在汽水分离器的上方布置两级分离孔板。

3.蒸汽冷凝器的位置高于水洗过滤器，低于汽水分离器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、所述安全壳过滤排放系统采用预过滤器和水洗过滤器的串联结构，以及水洗过滤器内采用的多段过滤的布置方案，可以有效去除安全壳排气中的放射性碘、气溶胶、甲基碘等放射性物质。2、在水洗过滤器后设置蒸汽冷凝器，可以将水洗过滤器内蒸发的水冷凝，并通过相应回流管线回流至水洗器内，从而保证水洗过滤器长期连续甚至无限期运行，并且可以减小水洗过滤器的体积及内部化学溶液的初装量。3、通过设置安全壳内的预过滤以及水洗过滤器内的沉积静置段，有效地增加了水洗器的容尘能力，减小了气溶胶的再悬浮，延长了水洗过滤器的运行时间。4、蒸汽冷凝器采用完全非能动的运行方式，依靠空气侧自然循环，将水洗过滤器内蒸发的溶液冷凝，并通过多级汽水分离设计，保证了凝液被充分回收，延长了系统的运行时间，保证了安全壳长期过滤排放的需求。5、增设非能动的化学添加系统，有效地保证了化学溶液浓度的恒定，使水洗过滤器长期保持高效过滤的运行状态。

附图说明

图1是本发明的整体系统图；

图2是本发明蒸汽冷凝器效果图；

图3是本发明水洗器过滤器原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种长期非能动运行的安全壳过滤排放系统，是由预过滤器、水洗过滤器、水洗液回收系统和化学试剂添加系统以及相应的管道阀门等组成。

预过滤器2是一种由粗纤维组成的纤维过滤器，安装于安全壳1的内部，用于对排放气体内大直径的气溶胶颗粒进行初级过滤，这样可以将较大颗粒的气溶胶滞留在安全壳内，从而可以减少进入水洗过滤器的气溶胶数量，进而减少气溶胶颗粒在水洗过滤器内的积聚，有效缓解气溶胶的再悬浮，延长系统的使用时间。预过滤器2的出口通过安全壳贯穿件3穿出安全壳，并通过安全壳隔离阀4与壳外系统隔离。在安全壳隔离阀与水洗过滤器入口之间有两条并联通道，分别为能动通道和非能动通道。在能动通道上设置一道隔离阀5，若爆破膜出现故障无法及时打开，通过手动开启能动通道上的隔离阀也可使过滤排放系统投入运行；而在非能动通道上设置一个爆破膜6，用于在核电站严重事故条件下，非能动开启过滤排放系统。

所述水洗过滤器位于安全壳外，与预过滤器之间通过安全壳贯穿件、安全壳隔离阀、两个并联通道及U型进气管相连接，U型进气管利用水封原理，可有效防止水洗器内的水倒流进入蒸汽管道，与蒸汽大面积接触，发生剧烈的水锤现象。所述安全壳隔离阀用于在核电站正常运行期间，将安全壳与水洗过滤系统相互隔离。水洗过滤器7的进、出口与管道之间采用法兰连接。

本发明所述水洗液回收系统由蒸汽冷凝器、冷却风道、汽水分离器和水洗液回流管组成。其中蒸汽冷凝器布置于水洗过滤器与汽水分离器之间。如图1所示，蒸汽冷凝器的管侧入口与水洗过滤器的出口相连，管侧出口与汽水分离器的入口相连。含不凝性气体的水蒸汽从水洗过滤器进入冷凝器中并与管外空气换热，部分蒸汽冷凝成水，在换热管内形成汽水两相混合流动。本发明所述蒸汽冷凝器的出口联箱内布置初级汽水分离孔板，携带有液滴的高速气流与分离孔板撞击并改变流动方向，液滴会由于惯性碰撞和离心作用而被分离，起到初级汽水分离的作用。经过初级汽水分离的气流进入汽水分离器，在汽水分离器内依靠离心力和惯性力的作用进行二次汽水分离，通过两级汽水分离，保证充足的凝液被回收，延长系统的运行时间。

具体的说本发明的水洗过滤器7的出口与蒸汽冷凝器8的管程入口连接，蒸汽冷凝器8的管程出口与汽水分离器9连接。在蒸汽冷凝器8的壳侧沿竖直方向安装有冷却风道10，冷却风道10与蒸汽冷凝器8之间可以采用焊接或法兰的连接方式，在冷却风道10的末端安装有调节风门11。紧接着汽水分离器9的下游，依次装有排放隔离阀12、限流孔板13和放射性监测仪14，所述隔离阀能够在正常运行时将安全壳过滤排放系统与外界环境隔离，所述限流孔板能够确保排放过程中从安全壳向环境排放的气体维持稳定的体积流量。所述放射性监测仪能在事故条件下监测排放气体是否符合排放标准。本发明所述凝液回流管包括两条分回流管线和一条主回流管线。所述的两条分回流管线，一条连接于蒸汽冷凝器的出口联箱，另一条连接于汽水分离器的下方，在两条管线上均设置有自动疏水阀和止回阀。两条分回流管线汇流连接到主回流管线，通过主回流管线与水洗过滤器连接，保证凝液可以回流到水洗器内。所述主回流管线上设置有隔离阀和止回阀。

具体说是在蒸汽冷凝器8的出口联箱以及汽水分离器9的下方分别连接一条凝液回流管线，在两条管线上均设置有自动疏水阀16和止回阀17。两条分回流管线汇流连接到主回流管线，通过主回流管线与水洗过滤器7连接，在主回流管线上也安装有止回阀17和隔离阀18，止回阀17可以在系统运行时，防止水洗过滤器7内的化学溶液反冲进入蒸汽冷凝器8或者汽水分离器9内，化学添加系统的出口与主回流管线连接。化学添加系统由高压氮气瓶19，氢氧化钠溶液罐20、硫代硫酸钠溶液罐21以及相应的管道阀门组成。当水洗液中的化学物质缺少而造成溶液浓度降低时，依靠氮气瓶19内的压力，将罐中的氢氧化钠和硫代硫酸钠以一定的速率注入到主回流管线上，并与凝液混合后进入到水洗过滤器中。通过化学试剂添加系统的及时补充，保证了水洗过滤器的长期高效运行。

下面参照附图1对安全壳过滤排放系统的运行过程加以说明：当反应堆发生严重事故，安全壳发生超压需要排气卸压时，打开安全隔离阀4，待系统压力达到爆破膜6的爆破压力时，爆破膜自动打开，安全壳过滤排放系统投入运行。若爆破膜出现故障无法及时打开，则采用与之并联的能动通道，通过手动开启隔离阀使系统投入运行。水洗过滤器7接收来自安全壳的排气，排气与水洗溶液发生高速搅混，产生气泡，其中的放射性碘、甲基碘与水洗器内的化学溶液发生化学反应而被去除；其中所携带的气溶胶颗粒被液膜包裹，形成含尘液滴而被去除。被过滤的排气离开水洗过滤器7时将部分溶液蒸发带走，进入蒸汽冷凝器8。在蒸汽冷凝器8内，管外的低温空气依靠自然循环的作用将管内高温蒸汽的热量带走，部分蒸汽冷凝成水。汽水两相混合物在蒸汽冷凝器8的出口联箱内进行初级汽水分离，然后进入到汽水分离器9进行细分离。

所述的汽水分离器包括离心分离和惯性分离两段。汽水分离器的入口与蒸汽冷凝器的出口相连。汽水分离器入口沿筒体的切线方向布置于筒体下部。在汽水分离器的上方布置两级分离孔板。经过初级汽水分离的气流沿切线方向进入汽水分离器，在汽水分离器的筒体内形成旋转流动，依靠离心力的作用分离凝液。然后再进入惯性分离段，依靠孔板的作用进一步分离凝液。通过多级分离保证充足的凝液被回收，延长系统的运行时间。汽水分离器9的下段是离心分离段，上段是两层分离孔板15。分离后的凝液通过凝液回流管返回到水洗过滤器7内，分离后的汽体经汽水分离器的出口流出，依次经过限流孔板13和放射性监测仪14后排入大气。

过滤排放系统的上游设置有安全壳隔离阀4、下游设置有排放隔离阀12，这可以在反应堆正常运行期间，实现对所述系统的封闭隔离，期间加以充氮保护，使系统内的压力略高于大气压力，可以防止水洗过滤器7内的化学溶液因受自然环境的影响而造成的变质或由于自然蒸发而造成水洗溶液量的减少。

与排放隔离阀12依次相连的为限流孔板13和放射性监测仪14。限流孔板13可以限制事故条件下的最大体积排放流量，在一段时间内维持系统内流速保持恒定，从而使系统流速与设计流速基本一致，长期保证系统的过滤能力。放射性监测仪14可以监测释放到环境中的放射性量，一方面可以监测系统过滤能力，另一方面可以为环境受到放射性污染程度评估提供一定的参考依据。

蒸汽冷凝器8和冷却风道10的效果如图2所示，蒸汽冷凝器8是保证系统长期运行的关键设备。安全壳内排放的高温高压放射性气体进入水洗过滤器7内，会使水洗过滤器7内化学溶液温度升高，同时滞留在水洗过滤器7内的放射性物质在相当长的一段时间内会释放大量的衰变热，这些热量将导致水洗过滤器7内化学溶液蒸发。当水洗过滤器内化学溶液液位低于某一值时，水洗过滤器将无法继续起到过滤作用。为了防止这一现象的发生，在水洗过滤器7下游设置一个蒸汽冷凝器8，在蒸汽冷凝器8下游布置一个汽水分离器9，蒸汽冷凝器8的管侧进出口通过法兰与上、下游的设备连接。根据水洗过滤器的蒸发量不同，可以选择单组或多组并联的蒸汽冷凝器。离开水洗过滤器7的蒸汽与不凝结气体共同进入蒸汽冷凝器8的管侧，被蒸汽冷凝器8壳侧的空气冷却，其中一部分蒸汽凝结。蒸汽冷凝器8采用倾斜布置方式，其位置要高于水洗过滤器，低于汽水分离器，并保证凝液可以依靠重力作用回流，也即便于凝液可以依靠重力作用流出换热管进入出口联箱。

冷却风道10与蒸汽冷凝器8可以通过焊接或法兰连接的方式组成整体，依靠冷却风道产生的抽吸力使管外空气流动，完全为非能动的运行方式。冷却风道内安装有可调风门，通过水洗过滤器内的液位来反馈控制风门开度，从而可以通过改变冷却空气流量来控制蒸汽冷凝器内产生的凝液量，进而来维持水洗过滤器内液位的恒定。系统在运行过程中，离开水洗过滤器7的蒸汽与不凝性气体的混合气进入蒸汽冷凝器8的管程后，其中部分蒸汽被冷凝，释放大量的汽化潜热，蒸汽冷凝器外部的空气吸收释放的热量，温度升高，密度降低，依靠自身的浮升力向上运动进入冷却风道10，受热空气在冷却风道10内上升过程中会产生抽吸力，该抽吸力提供空气侧自然循环动力，因此，水洗过滤器内蒸发溶液的冷凝回收全部采用非能动的方式，不依靠外部提供动力。在进行凝液回收时，随时监测水洗过滤器7内溶液的液位。如果液位持续上升，则说明凝液量大于水洗过滤器7内的蒸发量，此时为避免多余的凝液稀释水洗过滤器7内的化学溶液，从而影响水洗过滤器7的过滤效率，需要利用液位变化信号来控制调节风门11的开度，进而维持水洗过滤器内化学溶液的液位，保持系统的长期连续运行。

如图3所示，水洗过滤器7是长期非能动运行的安全壳过滤排放系统中的另一个关键设备。水洗过滤器7是一个圆柱形压力容器，分为上、下两部分。两部分之间采用法兰连接。下部分是沉积静置段7.1、上部分包括冲击水洗段7.2和鼓泡过滤段7.3，通过多段设置即可以保证气溶胶的有效过滤，又有利于被过滤的气溶胶的稳定沉积，防止再悬浮，延长系统的使用时间。沉积静置段7.1的上半部分设置有蜂窝型通道7.4，蜂窝型通道的直径较小，能有效地抑制冲击水洗段的搅动作用，使沉积静置段的下半部分处于静止状态。因此通过蜂窝型通道的气溶胶颗粒可以沉积在容器底部，有效地降低了二次悬浮的可能。水洗过滤器的入口接管7.5采用倒U型设计，这样可以在入口处形成水封，阻止水洗过滤器内的水进入管道，与排气中的蒸汽接触而发生水击现象。凝液回流口7.7与主回流管线相连，可以确保蒸汽冷凝器8回收的凝液返回到水洗过滤器7内。通过液位控制器7.8来控制水洗过滤器内的液位。水洗过滤器的底端设置排水口7.9。严重事故时，安全壳内的排气经U型进气管7.5进入水洗过滤器内的流量分配母管7.6，在分配母管上设置多个子通道。高速气流从子通道流出与水之间发生剧烈冲击，形成冲击水洗段7.2，气液间的剧烈作用使气溶胶颗粒被液体捕集。由于高速气流与液相间存在较大的相对速度，因此气流在拖拽力的作用下逐渐降低速度，并会形成了很多的气泡，进入鼓泡过滤段7.3。在此阶段，大量气泡的存在增加了气液接触面积，进一步提高了对气溶胶和碘的过滤效率。在冲击水洗段和鼓泡过滤段内，气溶胶可以被高效地过滤。但由于两段内的溶液处于剧烈的搅浑状态，所以被过滤的气溶胶也随溶液一起运动，始终保持悬浮状态。随着过滤排放系统运行时间延长，水洗器内溶液里滞留的气溶胶逐渐增多，大量的悬浮气溶胶很可能被气流再一次带出，造成气溶胶的二次携带和对环境的破坏。因此，在水洗过滤器下方设置沉积静置段。沉积静置段的上半部分由一些蜂窝型通道组成。被过滤的气溶胶在重力和惯性力的作用下通过蜂窝型通道7.4，进入到沉积静置段7.1的下半部分，由于蜂窝型通道的直径较小，有效地抑制了冲击水洗段的搅动作用，使得沉积静置段的下半部分处于静止状态，因此通过蜂窝型通道气溶胶颗粒可以沉积在水洗过滤器7的底部，有效地降低了二次悬浮的可能，从而增加了水洗过滤器7的容尘能力，使过滤排放系统可以在更长的时间内保持较高的效率。

Claims (5)

1.一种长期非能动运行的安全壳过滤排放系统，其特征在于：安全壳内设置有预过滤器，预过滤器的出口管路通过安全壳贯穿件伸出至安全壳外并与安全壳隔离阀的一端连接，安全壳隔离阀的另一端同时与能动通道和非能动通道连接，在能动通道上设置有一号隔离阀，非能动通道上设置有爆破膜，能动通道和非能动通道同时与水洗过滤器入口连接，水洗过滤器的出口与蒸汽冷凝器的管程入口连接，蒸汽冷凝器的管程出口与汽水分离器连接，所述蒸汽冷凝器的壳侧沿竖直方向安装有冷却风道，冷却风道末端设置有调节风门，汽水分离器的上方出口依次连接有排放隔离阀、限流孔板和放射性检测仪后与大气相通，蒸汽冷凝器的下方出口和汽水分离器的凝液回流口分别依次连接有疏水阀、一号止回阀后与主回流管连接，主回流管的端部依次连接二号止回阀、二号隔离阀后与水洗过滤器连接，主回流管还与氢氧化钠溶液罐、硫代硫酸钠溶液罐连接，氢氧化钠溶液罐、硫代硫酸钠溶液罐同时与高压氮气瓶连接。

2.根据权利要求1所述的一种长期非能动运行的安全壳过滤排放系统，其特征在于：所述水洗过滤器是圆形压力容器，沉积静置段设置在水下过滤器的下部，沉积静置段上方设置有蜂窝型通道，水洗过滤器的与能动通道和非能动通道连接的入口接管是倒U型，位于水洗过滤器内的入口接管的端部连接有水平设置的流量分配母管，流量分配母管上设置有至少三个的子通道，高速气流从子通道流出与水之间发生剧烈冲击后依次形成冲击水洗段和鼓泡过滤段。

3.根据权利要求1或2所述的一种长期非能动运行的安全壳过滤排放系统，其特征在于：在汽水分离器的上方布置两级分离孔板。

4.根据权利要求1或2所述的一种长期非能动运行的安全壳过滤排放系统，其特征在于：蒸汽冷凝器的位置高于水洗过滤器，低于汽水分离器。

5.根据权利要求3所述的一种长期非能动运行的安全壳过滤排放系统，其特征在于：蒸汽冷凝器的位置高于水洗过滤器，低于汽水分离器。