CN111322437A - 减压阀 - Google Patents

Abstract

一种用于冷却剂系统的减压阀；包括：具有主阀的主腔室、先导管线和具有次级阀的泄放管线；主阀被定位成密封冷却剂系统的冷却剂管线。主腔室被定位在冷却剂系统的下游，主腔室填充有来自冷却剂系统经由先导管线的流体，主腔室中的流体的压力作用在主阀的活塞头上，并且导致主阀取决于主腔室中的流体压力而打开或关闭。流体可经由泄放管线从主腔室逸出，其具有取决于次级阀的操作状态可变的流体压力，并且其中次级阀取决于冷却剂系统内的条件自动打开。

Description

减压阀

技术领域

本公开涉及一种用于核反应堆的被动减压阀。

背景技术

由于核反应堆呈现为理想的基本负载站，核反应堆是对电网的期望的添加。这是因为它们被认为是低碳的电来源，并且不依赖于可变的天气条件（其是其它低碳来源的限制因素）。这些特征允许它们被用作完整的电网的支柱。在全世界使用的最常见类型的核反应堆中的一种是加压水反应堆（PWR），在其中主回路的加压水用作冷却剂、缓和剂以及到蒸汽发生器的热传输流体。系统的相对简单性为它们提供了这些系统可以改变规模的优点。因此，它们适用于大规模发电厂以及小规模模块化反应堆两者。然而，与所有核电站一样，它们需要稳定的安全系统来防止事故。

用于核反应堆的现代安全系统的目标是成为主动的和被动的两者。主动系统在操作者和/或运行系统（诸如泵和发电机）的控制下操作，所述泵和发电机在正常操作中与紧急控制相关联。被动安全系统不需要任何外部操作者输入或主动系统运行以便操作。此后者的系统是有益的，因为其允许对不需要外部电力或用户输入的系统的自动自控制。在紧急情况下，这是期望的，因为在某些情况下，到反应堆的电力可能被中断，或者操作者可能不能手动地控制系统，在这种情况下，被动控制系统允许系统保持安全。

在加压水反应堆的情况下，主要的安全顾虑之一是冷却剂损失事故（LOCA）的情况，在其中进入到反应堆中的冷却水损失并且如未被改正则将导致核反应堆的故障。这是因为在没有冷却剂的情况下，由反应堆的燃料棒内的放射性衰变产生的热量将增加到反应堆被损坏的点。这可能导致严重的核事件。这可发生的方式之一是如果冷却剂沸腾，其能够导致燃料包壳的熔化和裂变产物的释放。因此，为了防止发生这种情况，核反应堆配备有紧急冷却系统，如果存在故障，该紧急冷却系统可以替换冷却水。在PWR中，防止这种情况的系统被称为紧急堆芯冷却系统（ECCS）。这些系统典型地涉及打开管道以排放本反应堆冷却剂。用于此的排放工程管工业设计成提供足够的容量以去除加热的冷却剂，同时维持低的反应堆回路压力。为了替换此排放的冷却剂，新鲜的冷却剂在重力下被注入到系统中。这些排放管道通常使用隔离阀与反应堆隔离，所述隔离阀可在检测到LOCA时打开。典型地，这涉及用来监控厂的参数的仪器、用来在到达设定点时生成启动信号的控制系统以及用来改变阀位置的阀致动器。

在LOCA的情况下实现冷却剂与冷却流体的紧急供应的这种隔离的系统在本领域中是已知的。在正常操作期间，当反应堆回路中存在压力减小时，使用累积器隔离被动阀（AIPV）来隔离处于55巴的加压累积器和处于70巴的堆芯，该阀与位于上游的累积器和下游的反应堆回路和堆芯之间的压力差成比例地打开。对于AIPV，由于阀位置与压力差成比例，所以一旦压力均衡，由于反应堆回路压力的恢复或累积器压力的排放，则阀闭合，再次隔离管线。因此，阀不会保持锁定打开以允许完全的系统减压。备选地，用于累积器减压的自动安全阀（ASVAD）的阀可以被使用。当由系统中的压力施加的力下降到低于由作用在阀柱塞上的弹簧施加的力设定的水平时，这些被用于通过打开阀来从累积器的气体空间排出气体。ASVAD阀不是通常意义上的隔离阀，而是专门设计用于气体的排出。因此，其不适合于高压、高温水的隔离。由于阀既不基于温度操作，也不能在其中系统压力和温度升高的完整回路故障瞬变的情况下打开，因此需要改进。Westinghouse的AP1000反应堆设计的特征是用于排放加热的冷却剂的阀——被称为爆管（squib）阀。爆管阀配备有用于打开阀的爆炸性填料；然而，爆管阀的谬误操作可能导致较大的放射危害。因此，厂的设计的安全调整依赖于高度可靠的控制和仪器（C&I）系统以防止谬误操作，并且因此为厂的设计添加了显著成本。因此，期望开发简化的被动阀，以允许冷却剂回路的减压。

发明内容

根据第一方面，提供了一种用于冷却剂系统的减压阀；包括：具有主阀的主腔室、先导管线和具有次级阀的泄放管线；其中主阀被定位成密封冷却剂系统的冷却剂管线，主腔室被定位在冷却剂系统的下游，主腔室填充有来自冷却剂系统经由先导管线的流体，主腔室中的流体的压力作用在主阀的活塞头上，并且导致其取决于主腔室中的流体压力而打开或关闭，并且其中流体可经由泄放管线从主腔室逸出，其具有取决于次级阀的操作状态可变的流体阻力，并且其中次级阀取决于冷却剂系统内的条件自动打开。

冷却剂系统可以例如是用于核反应堆的冷却剂系统。

这种设计的益处是，在冷却剂管线中存在蒸汽的情况下，阀可以自动打开。这允许ECCS起作用并且因此增加系统的安全。

次级阀可以取决于冷却剂的状态而打开。

次级阀可以在冷却剂系统中存在蒸汽的情况下打开。

次级阀可以是浮动装置。

浮动阀可以具有保持框的特征。

主阀可以定位在自动隔离阀的上游。

自动隔离阀可以由厂控制和仪器系统操作。

主阀可以是弹簧致动的。

减压阀可以在核反应堆的冷却剂系统使用。

本发明的第二方面是一种冷却剂系统，其包括如前讨论的减压阀。

技术人员将领会的是，除了相互排斥的情况之外，关于以上方面中的任何一个描述的特征可在作出必要的修正后应用于任何其它方面。此外，除了在相互排斥的情况下，本文中描述的任何特征可以应用于任何方面和/或与本文中描述的任何其它特征组合。

附图说明

现在将仅作为示例参考以下附图来描述实施例，在所述附图中：

图1是本公开的减压阀的示意图；以及

图2是本公开的备选减压阀的示意图。

具体实施方式

提供紧急堆芯冷却系统（ECCS）以确保当事故条件出现时核反应堆的安全停机。冷却系统被配置为在多种事故条件的情况下提供安全机构。存在多个进入形成ECCS的子系统，其各自具有冗余，使得即使子系统之一中存在故障，也可以安全地使反应堆停机。这里特别感兴趣的是被动系统，诸如自动减压系统（ADS），其由打开以使主冷却剂系统减压并且允许较低压力紧急冷却剂系统起作用的两个阀构成。因为低压力冷却剂注入系统具有比高压力系统更大的冷却能力，所以这些在使反应堆停机中的有效操作是非常重要的。

被动减压（PaD）阀是通常闭合的阀，其位于从反应堆回路延伸的排放管道中。其提供与位于同一排放管线中的其它控制系统启动/致动的隔离阀隔离的第二且不同的方法。PaD阀被设计成在检测到冷却剂中的状态改变时打开。这可以是冷却剂从为流体到为气体的改变，例如，这可以是从水到蒸汽的转变。图1示出了如在本公开中呈现的浮力操作的减压阀BOPaD的示例。BOPaD阀定位在核反应堆的加压的水系统的下游。它与自动隔离阀（AIV）联接，所述自动隔离阀（AIV）由厂控制和仪器（C&I）系统操作。BOPaD阀典型地配置成处于关闭位置，并且因此阀的自动打开作用为加压的水系统内的安全机构。这允许主冷却剂回路中的水被排放，使得其可以被紧急冷却流体替代。

如图1中所示出的PaD阀100通过具有先导管线104来工作，先导管线104将来自主反应堆回路的加压的水系统的流体供应到主腔室105中。主腔室105包含主阀101，其中其相关联的致动机构包括活塞头和阀杆102和压缩弹簧103。从主反应堆回路沿着先导管线104供应到主腔室105中的流体的高压力推动用于阀的阀活塞和杆102；这压缩作用在主阀上的压缩弹簧103并关闭阀。与主腔室105连接的是泄放管线106，其具有比先导管线的流体阻力更高的流体阻力。泄放管线具有更高的流体阻力，而泄放管线填充有液体，这导致浮子被压靠在密封件上，并且因此限制出口流面积并增加阻力。压缩弹簧103被设定使得如果主腔室中的压力降低到弹簧的力之下，则弹簧将克服作用在活塞头上的流体压力，从而迫使活塞头移动以及主阀打开。因此，这允许反应堆回路减压。

主腔室顶部处的泄放管线106具有浮力操作的次级阀107的特征。阀包括用于密封泄放管线中的开口的中空球浮子108。在正常操作下，泄放管线和浮动腔室109中的流体的存在导致球浮动并且覆盖在泄放管线的顶部处的孔110。这是因为浮子在水中是正浮力的并且在气体中是负浮力的。典型地在次级阀中的水的存在确保阀保持关闭。因此，主腔室中的压力被维持并且主阀关闭。然而，在流体管线中存在蒸汽或气体的情况下，则这将导致球由于重力的作用而下降，并且泄放管线中的次级阀将打开。在阀被打开的情况下，流体流阻力减小到先导管线阻力的流体流阻力之下，使得存在比进入流更大的输出流。因此，主腔室中的压力受通过先导管线进入的限制，并且因此主腔室中的流体压力下降，这导致主阀打开。在浮动腔室109内还可以存在框111，以在浮子108从其原始位置下降之后容纳浮子108，并且因此去除了浮子下落到通至浮动腔室109中的泄放管线开口112中的机会。穿孔的浮动密封件113可用于在正常使用中密封阀。

通过选择关于联接到主阀的弹簧常数的设计考虑，弹簧可以被设定为在恰当低于操作压力的完整范围的压力下打开阀，使得在正常情况下阀保持关闭。此设计的优点在于，阀的打开取决于在主腔室内的流体所处状态，而不是回路压力。这导致阀在操作压力的宽范围内适当地起作用，而不影响阀性能。

在LOCA导致上游流体压力变低的情况下，这将导致上游流体从水改变为蒸汽。AIV将被设定为由C&I打开/跳闸并且被断电，这将导致其打开。在这种情况下，蒸汽然后行进通过先导管线到主腔室中并从那里且到泄放管线中。在到达浮动腔室时，在浮动腔室中的蒸汽的存在将导致浮动球阀下降并因此打开阀。浮动阀的打开将导致主腔室中的压力下降，并且因此打开主阀。这将允许系统减压，因为系统中的流体可以经由排放管线逸出。如果LOCA事件在不存在蒸汽的情况下发生，则反应堆回路压力将下降，因此减小作用在阀活塞上的压力；因此，允许主阀打开。

在AIV的谬误打开的情况下，系统仍将在正常条件下操作，并且加压的流体将不会变成蒸汽。由于在系统中不存在蒸汽，所以在浮动腔室中将不存在气体。所以浮子的正浮力被维持并且主阀保持在关闭位置。少量的流体可能从系统泄漏，但是故障应该被突出显示给操作者，使得故障被呈现并且因此他们可以采取行动以减轻较小的危害。

在图2中呈现了此配置的备选方案。浮力操作的减压阀通过具有先导管线204来工作，先导管线204将来自主反应堆回路的加压的水系统的流体供应到主腔室205中。主腔室205包含主阀201，其中其相关联的致动机构包括活塞头和阀杆202。代替在图1中使用的压缩弹簧，使用累积器容器203，其部分填充有水、部分填充有气体、被设定为所需的启动压力。这允许准确控制用于阀的致动的压力值。从主反应堆回路沿着先导管线204供应到主腔室205中的流体的高压力推动用于阀的阀活塞和杆202；此压力大于由累积器容器供应的压力，并且因此关闭阀。与主腔室205连接的是泄放管线206，其具有比先导管线的流体阻力更高的流体阻力。累积器容器203存储水/气体体积，其用于推动活塞头的底侧并驱动主阀打开。因此，这允许反应堆回路减压。

类似于图1，主腔室顶部处的泄放管线206具有浮力操作的次级阀207的特征。阀包括用于密封泄放管线中的开口的中空球浮子208。在正常操作下，泄放管线和浮动腔室209中的流体的存在导致球浮动并覆盖在泄放管线的顶部处的孔210。这是因为浮子在水中是正浮力的并且在气体中是负浮力的。因此，主腔室中的压力被维持并且主阀关闭。然而，在流体管线中存在蒸汽或气体的情况下，将导致球由于重力的作用而下降，并且泄放管线中的阀将打开。在阀被打开的情况下，流体流阻力减小到先导管线阻力的流体流阻力之下，使得存在比进入流更大的输出流。因此，主腔室中的压力受通过先导管线进入的限制，并且因此主腔室中的流体压力下降，这导致主阀打开。在浮动腔室209内还可以存在框211，以在浮子208从其原始位置下降之后容纳浮子208，并且因此去除了浮子下落到通至浮动腔室209中的泄放管线开口212中的机会。穿孔的浮动密封件213可用于在正常使用中密封阀。

尽管所提出的减压阀已根据用于核动力反应堆的加压管线的阀来呈现，但是本领域技术人员将领会的是，可以在任何适合的系统中应用该阀。例如，这可以是任何工业应用，其中液体填充的系统需要在系统内容物的相从液体改变为气体/蒸气的情况下快速减压或排放内容物。例如，这可以是如果罐包含液体形式的挥发性有机成分且向气体状态的改变呈现为危害。在这种情况下，可能期望的是将内容物排放到不同的位置以减轻危害。在这种情况下，除了对尺寸以及将跳闸条件设定到适当的水平之外，将不需要修改。

将理解的是，本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本文中所描述的概念而是在以下权利要求的范围内的情况下，可以进行各种修改和改进。除了相互排斥的情况之外，任何特征可以单独地或与任何其它特征组合地采用，并且本公开延伸到并且包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (11)

1.一种用于冷却剂系统的减压阀；包括：

具有主阀的主腔室、先导管线和具有次级阀的泄放管线；所述主阀被定位成密封所述冷却剂系统的冷却剂管线，

所述主腔室被定位在所述冷却剂系统的下游，所述主腔室填充有来自所述冷却剂系统经由所述先导管线的流体，所述主腔室中的流体的压力作用在所述主阀的活塞头上，并且导致所述主阀取决于所述主腔室中的流体压力而打开或关闭，并且其中流体可经由所述泄放管线从所述主腔室逸出，所述泄放管线具有取决于所述次级阀的操作状态可变的流体压力，并且其中所述次级阀取决于所述冷却剂系统内的条件自动打开。

2.根据权利要求1所述的减压阀，其中所述次级阀取决于所述冷却剂的状态而打开。

3.根据权利要求2所述的减压阀，其中当所述冷却剂系统中存在蒸汽时，所述次级阀打开。

4.根据前述权利要求中任一项所述的减压阀，其中所述次级阀是浮动阀。

5.根据权利要求4所述的减压阀，其中，所述浮动阀具有保持框的特征。

6.根据前述权利要求中任一项所述的减压阀，其中所述主阀定位在自动隔离阀的上游。

7.根据权利要求6所述的减压阀，其中所述自动隔离阀由控制和仪器系统操作。

8.根据前述权利要求中任一项所述的减压阀，其中所述主阀是弹簧致动的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的减压阀，其中所述主阀由累积器容器致动。

10.根据前述权利要求中任一项所述的减压阀，其用于在核反应堆的冷却剂系统使用。

11.一种冷却剂系统，其包括根据前述权利要求任一项所述的减压阀。

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