CN113874092A - 用于核电站的脱气系统和对反应堆冷却剂流进行脱气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种核电站，包括核反应堆和含有反应堆冷却剂的反应堆冷却剂回路，并还包括用于所述反应堆冷却剂的脱气系统(2)。本发明的目的是提供一种具有脱气系统(2)的核电站，所述系统可以很容易地集成到周围的系统中，空间需求小，在现有工厂的情况下可以适应各种需要，并且可以可靠和有效地工作。为此，所述脱气系统(2)是超声波脱气系统，包括超声波发生器簇(11)，其中所述超声波发生器簇有至少一个超声波发生器(10)设置在所述反应堆冷却剂回路的管线中或与所述反应堆冷却剂回路流体连接的管线中。

Description

用于核电站的脱气系统和对反应堆冷却剂流进行脱气的方法
技术领域
本发明涉及一种核电站，包括核反应堆和含有特别是基于水或类似于水(例如轻水或重水)的反应堆冷却剂的反应堆冷却剂回路，还包括用于反应堆冷却剂的脱气系统。本发明还涉及一种对核反应堆的反应堆冷却剂进行脱气的相应方法。
背景技术
核电站包括核反应堆和相关的反应堆冷却剂回路，反应堆冷却剂在反应堆冷却剂回路中循环。由于各种原因，可能有必要从液体反应堆冷却剂中去除溶解的气体。这个过程被称为“脱气”或“脱气作用”。一个原因可能是去除氧气，以避免在封闭的管线或管道系统中出现腐蚀。另一个原因可能是为核反应堆的维护做准备，使放射性核素的数量尽可能低，以达到反应堆容器的开放限制。
根据权利要求1的前序部分，现有技术文件EP 2 109 114A2公开了一种带有反应堆冷却剂脱气系统的核电站。所述脱气系统是基于汽化(应用汽提气)。
US 4 647 425A公开了一种具有真空脱气仪器的核电站。
US 2016/225470 A1公开了一种基于膜的脱气仪器的核电站。
核电站中现有的这些脱气系统被认为是昂贵的、耗能的、低效的和对空间有要求的。
因此，本发明的目的是为了提供具有脱气系统的核电站，所述系统可以很容易地与周围的系统集成，空间需求小，在现有的工厂中可以适应各种需要，并且可以可靠和有效地工作。此外，本发明应提供一种用于对核反应堆的反应堆冷却剂流进行脱气的相应方法。
发明内容
根据本发明，与装置有关的目的是由具有权利要求1的特征的核电站来实现的。
因此，本发明提出了一种核电站，包括核反应堆和含有反应堆冷却剂的反应堆冷却剂回路，并还包括反应堆冷却剂的脱气系统，其中脱气系统是一种超声波脱气系统，包括超声波发生器簇，所述超声波发生器簇有至少一个超声波发生器(sonotrode)设置在反应堆冷却剂回路的管线中或与反应堆冷却剂回路流体连接的管线中，优选地对反应堆冷却剂进行连续脱气。
在超声波脱气系统中，溶解在液体中的气体由于超声波能量的作用而形成小的空化气泡。在分离容器或罐中，小气泡聚集成较大的气泡，并上升到液体的表面，使得分离气体可以被提取出来。超声波振荡器也被称为超声波发生器。
本发明基于这种已知的技术，这种技术在商业上是可用的，并在其他工业部门得到证实和测试，并将所述技术转化为适用于核电站反应堆冷却剂脱气的应用。其优点包括：节省成本和能源、节省空间、低维护、易于安装和操作、模块化设计、可按需扩展(可扩展)。
在优选的实施方式中，超声波发生器簇包括多个并流配置的超声波发生器。优选地，借助于相应的控制阀，流过(活化)的超声波发生器可以调整。
对于连续操作，每个超声波发生器优选地设置在流通池内，所述流通池可以是任何适合流通操作的器皿、管道或罐。
虽然原则上可以将所述超声波发生器放在发生气体分离的同一容器、罐或管道中，但对于本文所述的应用来说，有利的是将超声波子系统和分离子系统在空间上相互分离，使得超声波发生器簇的下游有分离容器。
优选地，分离容器包括气体空间，所述气体空间与用于提取气流的吸入管线相连。因此，在操作过程中，气体空间优选保持在相对于大气的负压下。气体分离也可以通过分离容器的气体吹扫来实现或支持。
在优选的实施方式中，超声波冷却系统优选地具有在开放或封闭的冷却回路内循环的流体传热介质或冷却剂。此外，或者说，特别是在较大的超声波发生器簇的情况下，流动冷却系统，优选同类的，用于冷却离开超声波发生器的液体流。
特别有利的实施方式涉及具有压水反应堆(PWR)的核电站，并具有一级反应堆冷却剂回路和二级反应堆冷却回路，其中，待脱气的反应堆冷却剂是一级反应堆冷却剂回路的一级反应堆冷却剂。然而，对二级反应器冷却剂回路的二级反应器冷却剂进行脱气也是可行的。在这种情况下，术语“压水反应堆”应被理解为，广义上地，包括轻水反应堆，如欧洲压水反应堆(EPR)或德国的“压水反应堆(Druckwasserreaktor)”(DWR)，也包括重水反应堆，如CANDU。CANDU，即加拿大氘-铀，是加拿大著名的加压重水反应堆设计。
通常，通过相关的反应堆化学和容积控制系统(CVCS)可以接触到一级反应堆冷却剂回路的冷却剂，所述系统包括下泄管线和容积控制罐。优选地，供应管线从下泄管线通向超声波发生器簇，这样，通过CVCS控制系统的所述流的分支流就由超声波子系统处理。
在这种情况下，当容积控制罐被设置作为离开超声波发生器簇的一级反应堆冷却剂流的分离容器时，特别有用。
更为普遍的是，核电站内的任何液体都可以通过这里描述的那种超声波脱气系统进行脱气，例如，在注入循环反应堆冷却剂之前的硼酸和/或软化水。
关于该方法，本发明提出了一种对核反应堆的反应堆冷却剂流进行脱气的方法，该方法包括以下步骤：
(a)借助于至少一个超声波发生器，对所述流施加超声波振动，然后
(b)引导气流进入分离容器，其中，气流与液相分离。
优选地，步骤(a)和(b)是连续执行的。
上述与装置有关的说明也同样适用于该方法。
简而言之，根据本发明的系统意在且适用于对连接到反应堆冷却剂回路的辅助系统内的反应堆冷却剂流进行脱气。为了提高扩展性和模块化，在并流配置中的几个超声波发生器簇被切换到主流管线中。进一步，可选组件包括用于超声波发生器和/或主流的冷却装置以及超声波发生器设置下游的减压气体分离器。整个超声波发生器布置可以位于可移动的容器内。
附图说明
接下来将参照附图对本发明的示例性实施方式进行描述。
图1显示了用于气态液体的脱气系统的示意图。
图2显示了根据图1的脱气系统在核电站内的第一具体应用，这里用于对压水反应堆的一级反应堆冷却剂进行脱气。
图3显示了根据图1的脱气系统的第二具体应用。
图4显示了根据图1的脱气系统的第三具体应用，在这种情况下是移动应用。
图5给出了带有一级冷却剂回路和相关辅助系统的压水反应堆(PWR)的图示。
类似的技术元件在整个附图中被赋予相同的附图标记。
图1显示了液体脱气系统2的示意图，即，所述液体是一种含有溶解气体或蒸汽的液体。待脱气的液体的流入物4或流经由进料管线或管道或供应管线6进入超声波子系统8，所述系统包括超声波发生器10的组，即，超声波发生器簇11。更确切地说，供应管线6分成若干平行的支管线12或分支，使得在操作过程中，液体流入物4被相应地分成部分流体或流。每条支管线12包括超声波流通池14，所述超声波流通池包括超声波发生器10。在这种情况下，术语“池”是广义上地，包括任何适合流通操作的器皿、容器、罐或管道。
具体实施方式
一般来说，超声波发生器是一种产生超声波振动并将振动能量应用于气体、液体、固体或组织的装置。超声波发生器通常由一组连接到锥形金属棒的压电换能器组成。杆的末端被施加到工作材料上。单独的供电单元将以超声波频率振荡的交流电施加到压电换能器上。所述电流使它们膨胀和收缩。有利的是，电流的频率被选择为工具的共振频率，因此整个超声波发生器作为半波长的共振器，以其共振频率的驻波进行纵向振动。超声波发生器使用的标准频率范围为20kHz至70kHz。通常情况下，振动的振幅很小，约为13至130微米。
在本发明的背景下，每个超声波发生器10对流经相应的流通池14的液体施加振动能量。这导致了空化现象，在这种现象中，液体中压力的快速变化导致了局部汽化，从而形成了充满蒸汽的小空腔。换句话说，溶解的气体被夹在微小的气泡中，所述气泡可以很容易地从液体中分离出来，优选在下游的分离容器16中。
为此，流通池14下游的支管线12被合并到共同的收集管线18或管道中，通过连接管线20或管道，通向分离子系统22。分离子系统22包括分离容器16或罐，其被设计成在流通操作过程中充满从连接管线20进入的液体23，直到给定的设计填充水平24。在液体23上方有气体空间26，其在操作过程中优选保持在负压(低于大气压)。这是通过在气体空间26区域的附接到分离容器16的抽出管线或吸入管线28实现的(这里没有显示相应的吸入泵)。这样，包含在液体23中的气泡上升到液体23的表面30，并进入气体空间26，在气体空间收集的气体通过吸入管线28作为气流31被抽出。因此，分离容器16对先前在上游超声波发生器簇11中处理过的液体起到了气体分离器的作用。脱气后的液体通过排放管线32作为液体流出物34或流从分离容器16中排出。
连接管线20优选在气体空间26下面的区域进入分离容器16，排放到在其中聚集的液体23中。为了支持高分离效率，进入分离容器16的入口开口36优选地设计为支持切向内流。同样地，进入排放管线32的出口开口38优选支持切向外流动。
除了由负压引起的吸力外，聚集在液相上方的气体空间26中的分离气体可由吹扫气流40(此处未显示吹扫气体供应)从分离容器16中抽出，所述吹扫气流通过附接的吹扫气体管线42进入气体空间26。
根据操作条件和操作目标，一些超声波发生器10可以被关闭，进入非活动状态。也可以借助于超声波子系统8的相应支管线12中的关闭阀或控制阀44来关闭或控制流经各流通池14的液体流。优选地，控制阀44被设置在由超声波发生器10组成的流过单元14的上游。
根据系统的规格和操作条件，为超声波发生器10提供冷却可能是有利的。在优选的实施方式中，集成到超声波子系统8中的冷却管线系统46，与超声波发生器10有热接触，特别是用水作为流动的冷却剂。冷却剂在冷却剂入口48处作为冷却剂流入物50，在被超声波发生器10的废热加热后，在冷却剂出口52处作为冷却剂流出物54排出。冷却剂的再冷却优选由外部再冷却系统(此处未显示)提供，使得在操作期间具有封闭的冷却回路。冷却回路中的冷却剂优选由冷却剂泵驱动，所述冷却剂泵可以集成到超声波子系统8中，也可以在外部安装。
除了所述的超声波发生器冷却系统56外，还可以具有用于离开超声波发生器10的液体流的流动冷却系统58。所述流动冷却系统58优选地作为带有循环流体冷却剂的冷却回路来实现的，就像先前段落中描述的超声波发生器冷却系统56。优选地，冷却回路包括热交换器，所述热交换器与收集管线18热接触。另外，所述热交换器也可以与超声波发生器10下游的一些或所有单独的支管线12进行热接触。特别是，用于从超声波发生器10流出液体的流动冷却系统58可以是超声波发生器冷却系统56的部分或分支，或者可以与超声波发生器冷却系统56共享共同的组件。
总之，在脱气系统2的运行过程中，携带溶解气体成分的液体的流或流入物4通过供应管线6进入超声波子系统8，然后被分流或分配到平行的支管线12，并被引导通过流通池14，其中超声波发生器10导致液体内形成小气泡。然后，来自不同支管线12的通过这种处理过的液体被收集到收集管线18中。由此产生的液体流通过连接管线20被引向分离子系统22，其中所述液体被注入分离容器16。在分离容器16内，液相与气相分离。气相作为气流31从分离容器26中通过吸入管线28或其他合适的抽出管线抽出，或借助于吹扫气流40。脱气后的液体流出物34通过液体排放管线32离开分离容器16。
在操作过程中，超声波发生器10和/或来自超声波发生器10的液体流优选地由冷却剂流，优选水来冷却。
整个系统和相应的工艺优选被设计成在气态液体连续流入、气体和脱气液体连续流出的情况下连续运行。液体的输送优选由一些泵来完成，这些泵可以集成到超声波子系统8中和/或放在引导液体的管线系统中的其他地方。
模块化结构是通过将超声波子系统8集成到外壳60中来实现的，所述外壳包括流通池14和超声波发生器10、带有相应分支和接头的支管线12，以及(如果存在的话)内部冷却管线46。与脱气系统2的外部组件和装置连接的接口包括用于气态液体流入和脱气液体流出的管线连接器，以及(如果适用的话)用于冷却剂流入物和流出物的管线连接器。另外，只有单个的流通池14(每个包括至少一个超声波发生器10)和(如果适用的话)相应的冷却系统被放置在单个的壳体内，而相应的管线分支和接头则位于这些单个外壳的外面。
整个超声波子系统8可以被设计成移动装置，例如带有运输辊62，考虑到地震载荷和类似的资格，固定的安装可能是有利的。
带有分离容器16的分离子系统22优选被设置为超声波子系统8外的外部设施。特别地，分离容器16可以是现有技术设施的现有组件。需要简单的连接管线20(例如软管或管道)来连接超声波子系统8到分离子系统22。管线连接可以实现为可拆卸的连接，例如通过插头和/或夹紧方法，或实现为永久连接，例如通过焊接。
为了避免气泡在进入分离容器16之前从超声波发生器10流出的液体流出物中重新溶解，优选根据主管道的公称直径和流速，将连接管线20的长度选择得尽可能短。从超声波发生器10进入分离容器16的传输时间应在2至3秒的数量级上，最多不超过3秒。
超声波子系统8中的分支管线12和超声波发生器10的数量是根据实际应用的需求来选择的。在特殊情况下，超声波发生器10就足够了(即术语“超声波发生器簇”是指包括只有一条支管线的下限)，而在一般情况下，可能需要许多平行的支管线12和相应的超声波发生器10来处理大体积的流量。在大多数情况下，液体管线中的相关压降可以忽略不计，没有任何实际问题。
也可以将几个上述的超声波子系统8平行排列，从而相应地增加平行的超声波发生器分支的数量。同样地，如果提供相应的管线分支和接头，也可以平行设置几个分离容器16。
对于现有的脱气系统，特别是不同类型的脱气系统，也可以通过简单地提供适当的管线分支和接头来实现冗余和/或性能的提高。
相应的控制系统可以控制各个超声波发生器10(特别是引入液流中的超声波功率)、活动分支的数量(通过关闭阀或控制阀44)、冷却能力(通过冷却剂流，例如冷却水)和/或分离容器16内的液面。
图2显示了上述概念在核电站内的第一具体应用。
加压水反应堆包括携带一级反应堆冷却剂的一级反应堆冷却剂回路90。一级反应堆冷却剂回路90包括反应堆压力容器(RPV)92，加压器94，蒸汽发生器96，和一级冷却剂泵98。蒸汽发生器96提供与二级冷却剂回路的热连接。循环一级反应堆冷却剂的体积、化学成分和其他物理特性可以由反应堆化学和容积控制系统(CVCS)70控制，所述系统与一级反应堆冷却剂回路90流体连接。这在图5中被示意性地显示出来。
回到图2，反应堆化学和容积控制系统(CVCS)70包括用于一级反应堆冷却剂的下泄管线72，所述管线通向高压送料泵74，用于将一级反应堆冷却剂重新注入一级反应堆冷却剂回路中。容积控制罐(VCT)76在送料泵74上游的管线段中，在三通管线分支78处与下泄管线72进行流体连接。
为了支持一级反应器冷却剂分支流的脱气，使用了带有上述种类的超声波发生器簇11的超声波子系统8。超声波子系统8的供应管线6在入口侧与下泄管线72流体连接。所述的三通管线分支80被设置在管线分支78的上游，所述管线分支将VCT 76与下泄管线72连接起来。另外，全部流都可以通过这个支路进行输送。在出口一侧，超声波子系统8通过连接管线20与VCT 76流体连接。连接管20排放到VCT 76的下部区域，所述区域在运行期间通常包含一级反应器冷却剂的液相。在液相上方有气体空间26，吸入管线28与之相连。吸入管线28在运行期间保持在负压下，通向排气系统(未显示)。此外，还可以有吹扫气体管线42排放到VCT 76的气体空间26，向VCT 76提供含有氮气或其他合适的汽提气的汽提气流。
因此，部分或全部流经下泄管线72的一级反应器冷却剂流被引向超声波子系统8，然后被引入VCT 76，所述VCT在上述意义和方式上充当分离容器16。从VCT 76中，脱气量通过作为排放管线32和三通管线分支78的管线再次被引入放空管线72。因此，超声波子系统8和VCT 76构成了反应器化学和容积控制系统70内的脱气系统2，所述系统能够连续地对一次反应器冷却剂流的分支流进行脱气，或者根据需要，也可以对整个流进行脱气。
为了将这样的脱气系统2改造成现有的工厂，原则上只需要提供超声波子系统8的连接，如果有必要，还需要提供吸入管线28和吹扫气体管线42的连接。因此，在规划阶段，超声波子系统8可以被视为“黑匣子”系统。
与传统的基于真空汽化的脱气系统(72m3/h的体积流量，功率大于2MW)相比，根据本发明的脱气系统的能效要高得多(72m3/h的体积流量，功率为0.1MW)。
图3显示了上述概念在核电站中的第二个具体应用。该图显示了超声波子系统8在容积控制罐76上游的主流中的簇。全部流量将通过超声波子系统8，所述系统作为固定的系统部分被内置。这种应用适用于例如德国或法国的老式工厂，包括容积控制罐76内的氢化。似乎没有必要对管道进行改造，主流将通过容器头喷入汽提气流中。然而，在这种情况下，主冷却剂中的汽提气的浓度似乎可能会大大增加。作为合乎逻辑的结果，对分离容器16进行重新改造，在容器中的流体表面以下增加连接，以尽量减少这种影响。
图4显示了上述概念在核电站中的第三具体应用，其中超声波子系统8的移动版本是按需使用的。除了设备可以很容易地随意连接和断开之外，该应用的工作方式与图3中的应用相同。
虽然上述描述侧重于核领域的应用，但所提出的脱气系统和相应的方法或工艺也可用于常规(非核)发电厂或工业厂房，只要有必要对液体进行脱气。特别是，图4的移动应用也适用于此类应用，无需进行重大修改。
附图标记列表
2 脱气系统
4 液体流入物
6 供应管线
8 超声波子系统
10 超声波发生器
11 超声波发生器簇
12 分支管线
14 流通池
16 分离容器
18 收集管线
20 连接管线
22 分离子系统
23 液体
24 填充水平
26 气体空间
28 吸入管线
30 表面
31 气流
32 排放管线
34 液体流出物
36 入口开口
38 出口开口
40 吹扫气流
42 吹扫气体管线
44 控制阀
46 冷却管线
48 冷却剂入口
50 冷却剂流入物
52 冷却剂出口
54 冷却剂流出物
56 超声波发生器冷却系统
58 流动冷却系统
60 外壳
62 运输辊
70 反应堆化学和容积控制系统(CVCS)
72 下泄管线
74 送料泵
76 容积控制罐(VCT)
78 管线分支
80 管线分支
90 一级反应堆冷却剂回路
92 反应堆压力容器(RPV)
94 加压器
96 蒸汽发生器
98 一级冷却剂泵

Claims (15)

1.一种核电站，包括核反应堆和反应堆冷却剂回路，还包括用于在所述反应堆冷却剂回路中循环的反应堆冷却剂的脱气系统(2)，其特征在于，所述脱气系统(2)是超声波脱气系统，包括超声波发生器簇(11)，其中至少一个超声波发生器(10)设置在所述反应堆冷却剂回路的管线中或与所述反应堆冷却剂回路流体连接的管线中。
2.根据权利要求1所述的核电站，其中，所述超声波发生器簇(11)包括多个并流配置的超声波发生器(10)。
3.根据权利要求2所述的核电站，其中，流过的超声波发生器(10)的数量能借助于相应的控制阀(44)来调节。
4.根据前述权利要求中任一项所述的核电站，其中，每个超声波发生器(10)被设置在流通池(14)内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的核电站，其中，在所述超声波发生器簇(11)的下游存在分离容器(16)。
6.根据权利要求4所述的核电站，其中，所述分离容器(16)包括气体空间(26)，所述气体空间(26)与用于提取的气流(31)的吸入管线(28)相连。
7.根据前述权利要求中任一项所述的核电站，其中，存在超声波发生器冷却系统(56)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的核电站，其中，存在用于离开所述超声波发生器(10)的反应堆冷却剂流的流动冷却系统(58)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的核电站，其中，所述超声波发生器簇(11)被设计成移动装置。
10.根据前述权利要求中任一项所述的核电站，其中，所述核反应堆是压水反应堆或CANDU反应堆，具有一级反应堆冷却剂回路和二级反应堆冷却剂回路，并且其中，待脱气的反应堆冷却剂是所述一级反应堆冷却剂回路的一级反应堆冷却剂。
11.根据权利要求10所述的核电站，其中，存在反应堆化学和容积控制系统(70)，其具有下泄管线(72)和容积控制罐(76)，其中，供应管线(6)从所述下泄管线(72)通向所述超声波发生器簇(11)。
12.根据权利要求11所述的核电站，其中，所述容积控制罐(76)被设置作为分离容器(16)，用于离开所述超声波发生器簇(11)的一级反应堆冷却剂流。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的核电站，其中，所述核反应堆是压水反应堆或CANDU反应堆，具有一级反应堆冷却剂回路和二级反应堆冷却剂回路，并且其中，待脱气的反应堆冷却剂是所述二级反应堆冷却剂回路的二级反应堆冷却剂。
14.一种对核反应堆的反应堆冷却剂流进行脱气的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)借助于至少一个超声波发生器(10)，对所述流施加超声波振动，然后
(b)引导所述流进入分离容器(16)，其中，气流与液相分离。
15.根据权利要求14的方法，其中，步骤(a)和(b)是连续执行的。
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