CN109074881A - 无源的料位调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无源的料位调节系统，其带有：容纳介质(M)的容器(4)，其中，所述容器(4)中的介质(M)在运行期间具有液相(6)和蒸汽相(8)；与所述容器(4)连接的用于所述介质(M)的馈送管路(10)，在该馈送管路上连接有控制所述介质(M)的流入的调节配件(14)和/或切换馈送泵(44)；作为连通管与所述容器(4)连接的且可被所述介质(M)流过的立管(18)；和与所述立管(18)热耦接的用于导阀(16)的无源的操纵装置，该操纵装置控制所述调节配件(14)和/或所述馈送泵(44)。本发明的目的是，对这种无源的料位调节系统加以改进，从而在与目前相比构造成本低廉且占用空间较小的情况下保证了稳健的、可靠的、快速响应的且符合需要的料位调节。根据本发明，这通过如下方式得以实现：所述导阀(16)是电操纵的阀，所述操纵装置至少包括第一热电的发电机(20)，该发电机给所述导阀(16)馈送与所述容器(4)中的液相(6)的料位有关的运行电压。

Description

无源的料位调节系统

技术领域

本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的无源的料位调节系统。

因此，本发明基于一种无源的料位调节系统，其带有：

·容纳介质的容器，其中，容器中的介质在运行期间具有液相和蒸汽相；

·连接到容器上的、用于介质的馈送管路，控制介质的流入的调节配件和/或馈送泵被连接到该馈送管路中；

·作为连通管被连接到所述容器上的且可被介质流过的立管；和

·与所述立管热耦接的、用于导阀的无源的操纵装置，该导阀操控调节配件(Regelarmatur)和/或馈送泵。

在核电站中，存在相当多的充有液体的容器，针对这些容器必须实现料位调节，一方面用于正常运行，另一方面用于干扰情况。这例如包括压水反应堆或沸水反应堆的反应堆压力容器或者包括蒸汽产生器，这些蒸汽产生器对于压水反应堆而言形成在一次冷却回路与二次冷却回路之间的热接口。

目前的正常运行的例如用于蒸汽产生器的料位调节通常通过有源的引导技术的调节来设计，且需要料位传感器、电导线、带控制软件的处理计算机和电的电源。

目前，可以通过无源的气动的/液压的脉冲发生器、特别是针对干扰情况进行无源的料位跟踪。为此，Neumann博士的公开文献“The passive safety Systems of the SWR1000(SWR 1000无源安全系统)”(第9届核工程国际会议议程，ICONE-9，法国尼斯，2001年4月8-12日)记载了一种所谓的无源压力脉冲变送器(PPPT)。这在原理上是一种热传递器，其在一次侧与容器连接，该容器要在其料位方面予以监视。在一次料位下降时，通过把热量传递到二次侧，在二次侧建立压力，利用该压力形成用于提高料位的切换信号。于是通过在“料位高”时的第二PPPT(带有相关的扩展回路)，对通过在“料位低”时的PPPT触发的信号进行复位。由此需要两个无源的脉冲发生器，其带有用于区间调节的相关的导线和接头，这在构造上繁琐，并且需要相当多的地方。

本发明的目的是，提出开篇所述类型的一种无源的料位调节系统，其在与目前相比构造成本低廉且占用空间较小的情况下保证了稳健的、可靠的、快速响应的且符合需要的料位调节。

根据本发明，该目的通过一种具有权利要求1的特征的料位调节系统得以实现。

在此，本发明的要点是，导阀是可电操纵的阀，操纵装置至少包括第一热电的发电机，该发电机给导阀馈送与容器中的液相的料位有关的运行电压或操纵电压。

本发明的主要贡献在于，采用热电的作用原理，一方面作为监视和调节参数，另一方面作为能量源。也就是说，一方面，采用把热量转变为电能的热电的效应用来识别出料位，且用于在低于触发值时引起补给，另一方面，与此相组合地，为相关执行器提供辅助能量，特别是用于激活电磁阀。这些热电的发电机因而将传感机构和能量供应机构集为一身。也就是说，该系统本身是自主的，而不是指望着辅助系统，进而在使用时注定作为无源的安全系统的一部分。通过几乎彻底放弃机械的组件，相比于以前的调节系统，在运行安全性方面预期有明显的收获。

相比于以前的PPPT型的气动/液压的系统，也产生了一些优点。也就是说，PPPT为了操控导阀而采用了用于二次侧压力建立的热量输入。为此，必须针对一次侧的运行条件来设计该二次侧。由于要予以操控的系统通常不能直接构造在附近，所以还中间连接了气动系统。因此，该结构在整体上相当复杂。本发明的系统明显地简化了系统结构。对电磁阀的操控通过简单的电缆进行，而无需引导压力的管路和附加的辅助系统。无论如何，本发明的方案相比于PPPT提供了一种多样化的选择。

从属权利要求以及结合附图的后续详细说明为本发明的有利设计和替代变型方案。

在这些极其简化且示意性的视图中：

图1示出蒸汽产生器的纵剖视图，作为填充有液体的容器的范例，连同用于简单的无源料位调节的所属的组件，其中，该两部分式的视图以左半图表示具有高料位的状态，并以右半图表示具有低料位的状态；

图2示出图1的变型，其针对容器中的料位范围调节略微复杂；

图3示出图1或2的细节，用于在构造上实现调节系统的主要组件，即把热电的发电机安置在与容器连通的立管上；以及

图4示出用于无源地紧急馈送蒸汽产生器的系统的概况，作为所述技术的具体应用范例。

相同的部分在全部的附图中都标有相同的附图标记。

图1所示为核反应堆、例如欧洲压水反应堆类型(EPR)的蒸汽产生器2的示意性的纵剖视图。蒸汽产生器2具有压力密封地相对于外界封闭的容器4，在运行期间流体介质M(这里主要为水)位于该容器中。在容器4的下部分中，介质M处于液态的物态下，即液相6中。根据当前的运行条件，液相6的一部分蒸发，且在容器4的位于其上面的部分中形成蒸汽相8。在该图的左半部示出了容器4中的液相6的料位相对高的情况，在右半部(准镜对称的视图)中示出了料位较低的情况。

为了可靠地运行，规定：容器4中的液相6的料位或液位(带有液位高度h)至少不低于预给定的最小料位，并且优选不超过预给定的最大料位，换句话说，即在由此规定的范围或区间内移动。因此，在料位下降的情况下，最晚在达到最小料位时，规定通过连接到容器4上的馈送管路10来补给或馈入液态的介质M。仅仅局部地示出的馈送管路10的至容器4的接头12仅在图1的左半部中示意性地示出。这种馈送可以例如由蓄存器借助于有源的泵进行，或者采用无源的方式(例如通过测地学的水槽、压力蓄存器或蒸汽喷射泵)进行。由此又提高了料位。在达到最大料位时，优选又结束所述馈送。

为了调节流量，例如将调节阀/调节配件14连接到馈送管路10中。它在当前情况下优选是“开/闭”配件，其在一定程度上以数字方式在两种状态“开”和“闭”(相应于最大流量或没有流量)之间来回切换，进而引起馈送的开始或停止。该调节配件14在这里所示的例子中由也称为控制阀或预控阀的导阀16予以操控。该导阀16也接入到无源的调节系统中，下面详述其结构和运行方式。

为了实现无源的料位调节，将立管18连接到容器4上，并与其内腔按照连通管的原理在流动方面连接。立管18的下端在最小料位的下方、特别是在底部区域中通入到容器4中的液相6内。在立管18的至容器4的下部接头与立管18的竖直的管路区段之间，设置了在这里所示的例子中为U形的虹吸管。立管18的上端在最大料位的上方、特别是在顶部区域中通入到容器4中的蒸汽相8内。在位于上面的和下面接头之间的区段中，立管18沿着竖直方向伸展。由于立管18可顺畅地流过，立管18中的液相的液位始终都大致等于容器4中的料位。但由于在立管中产生介质M的较低的温度，立管18中的料位相比于容器4下降。因此，在微调这些调节范围时，要考虑到相应的矫正。

在立管18上热耦接了热电的发电机(简写为TEG)20，其在加热时按照塞贝克效应产生热电的电压——在接入到闭合的电路中时产生相应的热电流。为此，原则上可以使用市面上常见的特别是基于半导体的热电的元件。如此产生的热电流用于操纵被构造成电磁阀的导阀16。在热电的发电机20与导阀16之间的对于电路设计所需要的电导线22在该图中仅示意性地示出。

导阀16通常具有被施加以所产生的热电流的电磁铁作为升降磁铁，其在超过临界电流强度时使得阀柱塞克服由弹性部件引起的复位力偏转离开静止位置。由此，在给热电的发电机20充分地加热时，导阀16受到操纵，由此操纵调节配件14。

根据本发明实现的料位测量的基本构思因而可以如下表现特性：

在一定程度上，在压力容器的“冷的”立管18上测量料位。也就是说，立管18中的液体柱24比较冷，而位于其上面的蒸汽柱26却是热的。如上所述，因此在立管18中产生了相比于容器4中的液位较低的液位。

对液体柱24的探测通过流至外界的所产生的热量流进行。如果立管18中的液体柱24的液位高于热电的发电机20的安装高度，则温度降较小，由此引起的从液体柱24流至外界、特别是流至热电的发电机20的热量流较小。于是并不产生明显的热电流。而在液位下降时，如果立管18中的蒸汽相位于热电的发电机20的安装高度，则热量流大小相应于(饱和蒸汽温度相对于外界温度的)温度降。在即将产生热量流时，即当立管18中的液相的液位低于由热电的发电机20的安装高度规定的料位标记时，热电的发电机20产生用于操纵执行器的电流。

对于根据图1的(简单的)料位调节，由热电的发电机20产生的热电流直接用于操控被构造成电磁阀的导阀16。导阀16又用作调节配件14的预控配件或预控阀，其优选是自有介质操纵的截止配件。如果立管18中的液位下降到热电的发电机20的安装高度以下，所采用的热量流就会引起产生热电流，这导致对导阀16的操纵，最终导致先前闭合的在馈送管路10中的调节配件14打开。开始把介质M补给到容器4中。如果液位由于补给又上升超过热电的发电机20的安装高度，则热量流中断，进而电流的产生中断。导阀16又关闭，借此，主要配件即这里的调节配件14关闭。馈送中断。只要还有介质M可供补给之用，该循环就可以任意频繁地重复。

对于根据图2的范围调节，使用了两个热电的发电机20、28，它们在不同的安装高度与立管18热耦接。

下面的热电的发电机20位于最小液位(简写为“低料位”或“level low”)的高度，并且给用作导阀16的电磁阀的、也称为操纵磁铁的升降磁铁供电。如已结合图1所述，在优选的设计中，这是一种电磁阀，其在激活时使得电磁阀的阀锥克服由弹簧引起的复位力偏转离开静止位置。

为了即使操纵磁铁断电、也使得阀锥保持在偏转的位置，电磁阀具有独立的保持磁铁，其被上面的、位于最大液位高度(简写为“高料位”或“level high”)的高度的热电的发电机28施加以热电流。通常，在偏转位置所需要的保持力略小于偏转本身所需要的力，因而相比于第一个且相应地小尺寸设计的热电的发电机，第二热电的发电机28必定提供较小的电流。

如果料位下降到“低料位”以下，则馈送系统被激活，就像前述简单的调节一样，其方式为，在第一热电的发电机20上产生的热量流导致热电流的产生，进而导致借助升降磁铁操纵导阀16。通过同样遭受热量流的第二热电的发电机28，导阀16的保持磁铁(已经)激活，其使得电磁阀在打开过程之后继续保持打开(但电磁阀不能独自打开)。开始把介质M馈送或补给到容器4中。如果料位又上升到“低料位”以上，则电磁阀的升降磁铁断电，但它被保持磁铁继续保持打开，该保持磁铁通过第二热电的发电机28被馈送以热电流。这种馈送暂且保持有效。当料位达到标记“高料位”时，两个热电的发电机20、28才断电，并且导阀16由于弹簧复位力而关闭。由导阀16控制的主阀即这里的调节配件14关闭，并且停止将介质M馈送到容器4中。

图3示意性地示出了技术实施的细节，即，把相应的热电的发电机20或28安置在立管18上。在所示例子中，在净宽为DN40的局部地以纵剖视图示出的立管18内部的蒸汽相(饱和蒸汽)具有286℃的温度(在70巴的系统压力情况下的饱和温度)。流至外界的热量流在15×4cm的管壁的表面区段内具有大约200W的功率。涨圈式地贴靠在管壁周围上的热电的发电机20或28以5％的热效率从中吸取了大约10W的转化为电功率的目标功率。剩下的190W被周围的具有大约50℃的温度的空气吸取。若立管18中的液相具有与外界相等的大约50℃的温度，则在所述蒸汽温度情况下，可以预见有数秒钟的触发时间，如果液相的料位下降到热电的发电机20或28的安装高度以下的话。所有这些当然是纯示范性的值，这些值只是要给出一种相关热动力学参数的数量级的感觉。实际上，热电的发电机20或28的参数根据所连接的电磁阀的功率需求和所需反应时间予以调整。

结果，通过所述措施，实现了用于容器的无源的热电的料位调节系统，该料位调节系统自动地且无需其它辅助能量地从确定好的料位下限值或触发值起打开调节配件(或者操纵另一个用于提高料位的装置)。在进行馈送并且料位又上升之后，料位调节系统在达到或超过料位上限值时自动地关闭该调节配件。

即使在大多数应用情况下将热电的发电机如所述地设置在平行于容器伸展的、竖直朝向的立管上是特别有益的，但与此不同的设计仍是可行的。若有两个用于范围调节的热电的发电机，则这些热电的发电机无需安置在同一个立管上，而是可以在不同的高度分布在两个不同的立管上。

此外可考虑的是，比如对于蒸汽压力蓄存器或分层蓄存器，彻底放弃立管，替代地将相应的热电的发电机直接安置在容器中。然而对于沸水反应堆的压力容器或压水反应堆的蒸汽产生器，通常需要“冷的”立管，因为在容器本身中存在饱和的两个相，也就是说，不存在温度差。

在有些情况下，代替由导阀(预控阀)和调节配件(主配件)构成的两级的阀装置，可以存在单级的、电操纵的阀特别是电磁阀作为电流调节阀，其根据调节要求而定地通过一个或两个热电的发电机予以驱动/操纵。

替代地，热电地受控的电磁阀也可以用于控制气动系统或液压系统，其在概念上必须与电磁阀的功率等级(通常约<10至50W)兼容。

结合以蒸汽产生器的紧急情况下的馈送，所述无源的料位调节系统的特别有利地应用在于压水反应堆中，特别是与靠蒸汽运行的馈送泵相组合。通过这种组合，可以纯无源地掌控某些事件比如全厂断电。此外，可以在反应堆压力容器紧急冷却时应用。与此无关地，这种无源的料位调节器当然也可以用于在核电厂和传统的电厂技术中的应用。

图4示出针对蒸汽产生器2的、结合图2描述的范围调节的一个具体应用场景。在此，在容器4的顶盖区域中、即在带有蒸汽相8的蒸汽室上，连接了蒸汽吸取管路或简称为蒸汽管路40，其中的一个分支管路通至蒸汽涡轮机42(卸载阀54和隔离阀56在这里所述的内容中并非关注点)。蒸汽涡轮机42驱动着接入到馈送管路10中的馈送泵44，并与其共同地形成了用于把介质M输送到容器4中的靠蒸汽运行的泵46。当然，对于靠蒸汽运行的泵46来说，其它设计也是可行的，比如设计成蒸汽喷射泵。通过接入到蒸汽管路40中的调节阀48，按照“开/闭”调节方式来调节、即接通或切断蒸汽流至靠蒸汽运行的泵46，进而调节、即接通或切断介质M流入到容器4中。调节阀48为此通过被构造成电磁阀的导阀16予以操控。

导阀16本身如已述通过两个与立管18热耦接的热电的发电机20、28予以操控，所述发电机引起在“高料位”与“低料位”之间的范围调节。通过电导线50，由第一热电的发电机20产生的升降或操纵信号传递至导阀16，并通过电导线52传递由第二热电的发电机28产生的保持信号。在其它之处参见针对图2的说明。结果，通过热电的发电机20、28，利用导阀16操控蒸汽管路40上的调节阀48，由此(间接地)操控靠蒸汽运行的泵46/馈送泵44。

这里也可行的是，代替由导阀16和调节阀48构成的双级的阀组合，使用一种单级的调节阀，其为简单起见也可以称为导阀。换句话说，名称“导阀”在此应做广义理解，并且也包含单级的阀，其直接控制用于靠蒸汽运行的泵等的介质M或运行蒸汽的流动。

附图标记清单

2 蒸汽产生器

4 容器

6 液相

8 蒸汽相

10 馈送管路

12 接头

14 调节配件

16 导阀

18 立管

20 热电的发电机

22 导线

24 液体柱

26 蒸汽柱

28 热电的发电机

40 蒸汽管路

42 蒸汽涡轮机

44 馈送泵

46 靠蒸汽运行的泵

48 调节阀

50 导线

52 导线

54 卸载阀

56 隔离阀

h 当前的液位高度

M 介质

Claims (10)

1.一种无源的料位调节系统，带有：

·容纳介质(M)的容器(4)，其中，所述容器(4)中的介质(M)在运行期间具有液相(6)和蒸汽相(8)；

·连接到所述容器(4)上的用于所述介质(M)的馈送管路(10)，控制所述介质(M)的流入的调节配件(14)和/或馈送泵(44)连接到该馈送管路中；

·作为连通管而连接到所述容器(4)上且能够被所述介质(M)流过的立管(18)；和

·与所述立管(18)热耦接的、用于导阀(16)的无源的操纵装置，该导阀操控所述调节配件(14)和/或所述馈送泵(44)，

其特征在于，所述导阀(16)是电操纵的阀，所述操纵装置至少包括第一热电的发电机(20)，该第一热电的发电机(20)给所述导阀(16)馈送与所述容器(4)中的液相(6)的料位有关的运行电压。

2.如权利要求1所述的料位调节系统，其被配置为：一旦所述容器(4)中的液相(6)的料位下降到所述第一热电的发电机(20)的安装高度以下，就采用所述介质(M)的流入。

3.如权利要求1或2所述的料位调节系统，其中，所述导阀(16)是电磁阀。

4.如权利要求3所述的料位调节系统，其中，所述操纵装置包括第二热电的发电机(28)，其与所述立管(18)热耦接并且与所述第一热电的发电机(20)共同地作用到所述导阀(16)上，从而实现针对所述容器(4)中的液相(6)的料位的范围调节。

5.如权利要求4所述的料位调节系统，其中，所述导阀(16)具有操纵磁铁和保持磁铁，其中，所述第一热电的发电机(20)给所述操纵磁铁馈送相关的电压，所述第二热电的发电机(28)给所述保持磁铁馈送相关的电压。

6.如前述权利要求中任一项所述的料位调节系统，其中，相应的热电的发电机(20、28)至少部分地按照涨圈的方式包围所述立管(18)。

7.如前述权利要求中任一项所述的料位调节系统，其中，所述容器(4)是核反应堆的蒸汽产生器(2)或反应堆压力容器。

8.一种核反应堆，具有蒸汽产生器(2)或反应堆压力容器和相关的根据前述权利要求中任一项所述的料位调节系统。

9.如权利要求中8所述的核反应堆，其中，用于供应运行蒸汽的蒸汽管路(40)与靠蒸汽运行的泵(46)连接，该靠蒸汽运行的泵(46)接入到所述馈送管路(10)中，其中，所述导阀(16)控制运行蒸汽经由所述蒸汽管路(40)的流入。

10.如权利要求中9所述的核反应堆，其中，所述蒸汽管路(40)被连接到所述容器(4)上，从而在运行期间，所述运行蒸汽通过所述容器(4)中的蒸汽相(8)被提供给所述靠蒸汽运行的泵(46)。