CN109155160A - 无源的料位调节系统 - Google Patents

Abstract

一种无源的料位调节系统，带有：容纳一次介质(P)的容器(4)，其中，所述容器(4)中的一次介质(P)在运行期间具有液相(6)和蒸汽相(8)；与所述容器(4)连接的用于所述一次介质(P)的馈送管路(10)，在该馈送管路上切换调节配件(14)；作为连通管与所述容器(4)连接的且可被所述一次介质(P)流过的立管(18、18')，其中，所述立管(18、18')在部分区段中形成热传递器(20)的一次侧，该热传递器的二次侧具有容纳二次介质(S)的二次管路(30)，在该二次管路上切换作用到所述调节配件(14)上的导向阀(16)，其特征在于，所述热传递器(20)具有主要竖直朝向的、长形的热传递面(32)，所述导向阀(16)和/或所述调节配件(14)可连续地调节，从而流经所述馈送管路(10)的流量连续地随着所述容器(4)中的液相(6)的料位而改变。

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：

·容纳一次介质的容器，其中，容器中的一次介质在运行期间具有液相和蒸汽相；

·与容器连接的用于一次介质的馈送管路，在该馈送管路上连接有调节配件(Regelarmatur)；以及

·作为连通管与容器连接的且可被一次介质流过的立管，

其中，该立管在部分区段中形成热传递器的一次侧，该热传递器的二次侧具有容纳二次介质的二次管路，在该二次管路上连接有作用到调节配件上的导向阀。

背景技术

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 SWR 1000(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独立的切换信号。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所属的导线和端子，这在构造上繁琐，并且需要相当多的地方。此外，突变式的开关特性会导致系统的并非所愿的负荷。

总之，PPPT是一种极限信号发生器，其在达到料位极限值时突然(脉冲式地)产生信号。PPPT不能调节料位，而是在达到极限值时打开(料位低于标高)，并且信号也未复位。在达到所调节的二次压力时，导向阀和调节配件完全打开。此外，PPPT为了打开配件而需要辅助系统，比如压缩空气，由此进一步减小了无源的程度，因为该辅助系统增强了关联性，并且可能失灵。

发明内容

因此，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，其在构造成本相比于目前低廉的情况下保证了可靠的、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，热传递器具有竖直朝向的、长形的热传递面，导向阀和/或调节配件可连续地/无级地调节，从而流经馈送管路的流量连续地/无级地随着容器中的液相料位而改变。

本发明的主要贡献在于，通过特殊地设计热传递器，结合以为此设计的、可无级地调节的导向阀，在料位下降时，由于热传递增强，引起了一个直接的行程调节信号，旨在进一步打开调节配件，进而增大流量。相反，在料位又上升时，热传递急剧减弱，由此又降低了二次压力，并且调节配件朝关闭方向移动。这种调节是自适应性的，也就是说，每单位时间补给的液体量适配于当前的实际需求，其中，避免了调节回路的并非所愿的突变和振荡。此外，仅仅还需要一个唯一的带有所属立管的热传递器。

总之，根据本发明提出的无源的料位调节系统可以具有如下特征：

·该无源的料位调节系统包括竖直的热交换器(热传递器)，其覆盖从低料位到高料位的整个调节范围，也就是说，长形的热交换器竖直地朝向，必要时可以长于(高于)1米。

·热交换器连同其外管和内管在下面的实施例中只是粗略地绘出，在具体实现时需要详细设计，其一方面可特定于应用进行设计，另一方面不超过本发明的主要特征的说明范围。

·在一种有利的设计中完全可行的是，内管在较长的区段上具有变化的直径，以便调剂的热量输入。另外，外管可以具有冷却肋，以便把供应的热量排放至外界，由此可以缩短反应时间。

·在达到高料位时，馈送管路封闭，而在低料位时完全打开。其间是调节配件的无级的中间状态，由此也改变了馈送流量。

·无源的料位调节系统是自主的，而无需用于在调节范围内保持料位的辅助能量或辅助系统。

·无源的料位调节系统实施导向阀的连续的打开和关闭过程。

·无源的料位调节系统非常紧凑，需要很少的用于安装在立管区域中的地方。

·无源的料位调节系统只有很小的质量，因此不必针对地震载荷而坚固地固定。

附图说明

从属权利要求以及结合附图的后续详细说明所述为本发明的有利设计和替代方案。

在此，图1～图3分别以极其简化的示意性的视图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，连同用于无源的料位调节的所属的组件。图1表示正常的(高)料位，图2表示略微下降的料位，图3表示低料位。

相同的部分在全部的附图中都标有相同的附图标记。

具体实施方式

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具有相对于外界压力密封地封闭的容器4，在运行期间一次介质P——这里主要为水——位于该容器中。在容器4的下部分中，一次介质P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。

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)一方面不低于预定的最小料位，另一方面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，规定通过与容器4连接的馈送管路10来补给或馈入液态的一次介质P。馈送管路10的与容器4连接的端子12仅在图1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或蒸汽喷射泵)进行。由此又提高了料位。最晚在达到最大料位时，又结束所述馈送。

为了调节流量，将调节阀/调节配件14连接到馈送管路10上。该调节配件14由也称为控制阀或预控阀的导向阀16予以控制。该导向阀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中。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中。在位于上面的和下面端子之间的区段中，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中的液相的料位始终都大致等于容器4中的料位。在仔细观察的情况下，立管18中的料位由于在那里产生的、略低的介质温度而相比于容器4中的料位略微下降。

在竖直区段的区域中，立管18形成热传递器20的一次侧。在这里所示的例子中，确切地说，为此设置了从立管18分叉出来的、在流动方面与其并联布置的第二立管18’——但热传递器20替代地也可以直接内置到立管18中。在该区段中，立管18’形成了竖直朝向的、长形地延展的套管或外管22，在其内腔中设置了同样竖直朝向的、长形地延展的内管24。在外管22的内壁与内管24的外壁之间的、横截面基本上为环形的中间腔26可被一次介质P流过。

形成热传递器20的二次侧的内管24在两端压力密封地封闭。由该内管在下端分叉出来一个管路28，该管路穿过中间腔26且穿过外管22的壁、在此例如沿径向向外伸展，在该管路的另一端设置着导向阀16，该导向阀作用到馈送管路10中的调节配件14上，并在此形成了管路28的一端的封闭件。由内管24和管路28形成的关联的管路系统在总体上也称为二次管路30。该二次管路30被填充了二次介质S，优选主要为水。内管24的壁因而形成基本上竖直朝向的长形的、优选套筒形的或套锥形的热传递面32，用于从一次介质P向二次介质S传递热量(或者反之亦然)。

根据在热传递器20中的当前压力状况和温度状况，内管24和管路28中的二次介质S的或多或少的部分处于液相34中，而在该液相上面，在内管24的上端，可以由蒸发的二次介质S形成蒸汽相36。由此在导向阀16的可无级地调节的阀柱塞38上，产生随着运行条件而改变的操纵压力，该操纵压力导致与用作复位机构的弹簧部件40相逆地(或者利用该弹簧部件)相应地连续地改变阀位置。可无级地/连续地调节的调节配件14的位置——以及经由馈送管路10流入到容器4中的一次介质P的流量相应地——由此也连续地改变。

下面详细地介绍组件设计和方法技术的过程。

如果容器4中的液相6的料位下降，则立管18、18’中的料位也下降，并且蒸汽从上面流入到热传递器20的外管22中。在这种情况下，蒸汽在较冷的、充有液体的内管24上冷凝，并且，传递的热量提高了二次介质S的温度(见图2)。在料位进一步下降时，有更多的蒸汽流入到热传递器20中。在达到二次介质S的饱和温度之后，增加的输送热量允许提高二次压力，进而提高作用到导向阀16上的操纵压力。如果二次压力由于输入热量而提高，则在达到二次介质S的饱和温度之后产生蒸汽气泡。由此出现进一步的压力提高。这种压力提高一直延续到导向阀16中，并在那里产生力，该力用作调节配件14中的调节力。该调节力使得调节配件14产生无级的位置变化，并且无需其它的辅助能量(见图3)。

如果容器4中的料位上升，则立管18中的料位也上升，并且，液态的一次介质P从下面流入到热传递器20的外套中。在这种情况下，在充有液体的内管24上的蒸汽冷凝结束，传递的热量明显减少。在低于二次介质S的饱和温度之后，二次压力又下降。如果二次压力因输入热量减少而下降，导向阀16就会由于弹簧部件40的弹簧复位而朝关闭方向移动，调节配件14同样无级地朝关闭方向移动(见图1)。

在这些附图中，调节配件14的封闭位置以如下方式示出：把相应的符号填满黑色。在部分地或完全地打开的位置，仅部分地存在填充，或者根本就不存在填充。此外，与相应的配件位置对应的流过馈送管路10的体积流(在图2和3中)用相应大小的流动箭头来表示。

有效的热传递面32的竖直长度(高度)通过料位调节范围来确定。调节参数比如响应值和梯度通过对热传递器20和所属的调节阀/配件14、16的设计来确定。

结果，通过所述措施，实现了用于容器4的无源的料位调节系统，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极限值或触发值起无级地打开调节配件14，以便提高料位。在进行馈送并且料位又上升之后，料位调节系统自动地减小调节配件14的位置，并在达到或超过料位极限值时自动地关闭该调节配件。

通过无级的特性，所述调节具有自适应性。在料位仅仅小程度地降低到触发值以下时，调节配件也仅仅略微打开，从而补给的体积流较小。但这种较小的补给在低于触发值时直接开始，而无明显的延迟，并且对于补偿通常的波动来说完全够用。而在料位降低很多时，比如在泄漏时，调节配件就会完全打开，从而补给的体积流起初最大，而随着料位上升又减小。如果料位又超过了触发值，则调节配件就完全关闭。该循环任意频繁地重复，只要待补给的储备未耗尽。

如由附图可见，热传递面32的上端的安装高度基本上等于容器4中的最大的料位，进而等于用于在料位下降时打开调节配件14的触发值。热传递面32的向下的竖直延展大小合乎目的地至少要保证在料位下降至热传递面32的下端时、调节配件14完全打开。

与先前已知的无源压力脉冲变送器(PPPT)——其特性类似于数字的限位开关——相反，本发明的方案与无级的滑动开关更相仿。

即使在大多数应用情况下将热传递器按所述设置在平行于容器伸展的、竖直朝向的立管中特别有益，但与此不同的设计仍是可行的。比如可考虑被设计成螺旋管(蜗旋管)的立管，其带有在其中被包围的内管。不同于上述布置，可以例如将热传递器的二次侧构造成包围一次的立管的套管或外管。这里重要的是，可被一次介质绕流的热传递面至少具有竖直的部分，该部分经过有利的延展，从而随料位高度改变的二次压力完全覆盖导向阀的行程范围或调节范围。此外可考虑的是，彻底放弃立管，替代地，把二次侧内管直接放置在容器中，该容器于是本身形成热传递器的一次侧。

在有些情况下，代替由导向阀和调节配件构成的两级的阀装置，可以存在单级的、在打开位置与关闭位置之间可无级地调节的调节阀。

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中的应用。

附图标记清单

2 蒸汽产生器

4 容器

6 液相(一次介质)

8 蒸汽相(一次介质)

10 馈送管路

12 端子

14 调节配件

16 导向阀

18、18' 立管

20 热传递器

22 外管

24 内管

26 中间腔

28 管路

30 二次管路

32 热传递面

34 液相(二次介质)

36 蒸汽相(二次介质)

38 阀柱塞

40 弹簧部件

h 料位高度

P 一次介质

S 二次介质

Claims (9)

1.一种无源的料位调节系统，带有：

·容纳一次介质(P)的容器(4)，其中，所述容器(4)中的一次介质(P)在运行期间具有液相(6)和蒸汽相(8)；

·与所述容器(4)连接的用于所述一次介质(P)的馈送管路(10)，在该馈送管路上连接有调节配件(14)；以及

·作为连通管与所述容器(4)连接的且能被所述一次介质(P)流过的立管(18、18')，

其中，所述立管(18、18')在部分区段中形成热传递器(20)的一次侧，该热传递器的二次侧具有容纳二次介质(S)的二次管路(30)，在该二次管路上连接有作用到所述调节配件(14)上的导向阀(16)，

其特征在于，

所述热传递器(20)具有主要竖直朝向的、长形的热传递面(32)，所述导向阀(16)和/或所述调节配件(14)能连续地调节，从而流经所述馈送管路(10)的流量连续地随着所述容器(4)中的液相(6)的料位而改变。

2.如权利要求1所述的料位调节系统，其被设计为：流经所述馈送管路(10)的流量单调地随着所述容器(4)中的上升的料位而减小。

3.如权利要求1或2所述的料位调节系统，其被设计为：流经所述馈送管路(10)的流量在达到所述容器(4)中的预给定的最大料位时复位至零。

4.如前述权利要求中任一项所述的料位调节系统，其中，所述立管(18、18')在一区段中形成外管(22)，在该区段中构造有所述热传递器(20)，该外管包围内管(24)，该内管形成所述二次管路(30)的区段，其中，所述外管(22)与内管(24)之间的中间腔(26)能够被所述一次介质(P)流过。

5.如权利要求中4所述的料位调节系统，其中，所述内管(24)具有柱形的或锥形的轮廓。

6.如前述权利要求中任一项所述的料位调节系统，其中，所述导向阀(16)具有弹簧加载的复位机构。

7.如前述权利要求中任一项所述的料位调节系统，其中，所述一次介质(P)和所述二次介质(S)主要是水。

8.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。

9.一种核反应堆，具有蒸汽产生器或反应堆压力容器和所属的根据前述权利要求中任一项所述的料位调节系统。