CN205050566U - 具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器，包括顶部设有烟道出口的氢复合器本体、风电转换模块、热电转换模块和储能模块；氢复合器本体上方侧壁设有开口，风电转换模块设在开口处；热电转换模块置在烟道出口处；储能模块包括保护壳，内置在保护壳中的蓄电池，以及设在保护壳内壁与蓄电池之间的石棉层；风电转换模块和热电转换模块均通过导线与蓄电池连接。本实用新型能同时在事故状态下消除氢气和产生电能供其他应急设备使用，缓解了事故状态应急能源紧张的状况，因此，本实用新型在保障安全壳氢安全的同时，并提高了核电安全壳的安全性，有效地将危险的氢气和烟道气流循环的动能均转化为了电能，实现了能源的综合利用。

Description

具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器

技术领域

本实用新型涉及一种核电氢安全设备，具体涉及的是一种具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器。

背景技术

日本福岛核事故以后，核电安全壳内的氢风险控制越来越受到重视，对氢安全设备的要求也越来越高，特别是在严重事故工况下，氢安全设备是否仍然能发挥氢气控制或消除的功能便成了设备的重要考核依据。尤其是作为主要消氢手段的非能动氢复合器(PARs)，更是要考核其在各种严重事故工况的运行性能。

一般地，PARs可描述为底部装填催化剂的竖直通道(俗称“烟道”)。事故发生后，氢分子和空气中的氧分子在催化剂表面接触，发生如下反应：

该反应为强放热自由基反应。当使用活性组分为铂或钯的催化剂后，该反应活化能会大大地减小，从而能够在低温条件下开始反应。反应遵循Langmuir–Hinchelwood两步法机理：首先是反应物向催化剂表面的扩散，然后是吸附在催化剂上的反应物发生反应。反应放出的热量为催化元件周围的气流上升提供推动力：气体温度升高，密度降低，在浮力驱动下向上流动，同时从PARs下方吸入低温高浓度混合气，如此形成自然对流。催化反应区出口的高温低密度气体将在复合器上部形成烟囱效应，提高复合器自然对流能力，增加单位时间内流过复合器的气体，从而提高复合器的消氢能力，这个过程就是烟道效应。最后，反应后的气体经过复合器顶部排出。PARs与安全壳大气环境的自然对流循环有效地促进了易燃气体混合，避免了氢气的累积。

从以上描述可知，非能动氢复合器通过催化氧化的方式降低了安全壳氢爆的风险，但同时也消耗了大量氢气，释放出大量的热量。一台氢复合器的消氢容量是2.4kg/h，按放热238KJ/mol计算，一台氢复合器满负荷工作一小时放出热量为285.6MJ。氢气本身是一种清洁能源，其单位质量燃烧释放出的热量是所有燃料中最高的，但由于结构设计不够合理，在氢复合器消氢的过程中，这些热能被白白浪费，并没有得到有效的利用。同时，通过一台复合器的气体总流量约1000m³/h，平均线速度在2m/s以上。氢复合器消氢过程这些热能和气体循环的动能同样被浪费掉了，也没有得到有效利用。

另外，在安全壳严重事故状态时，喷淋、测氢装置等许多安全设备的使用均需要能源，福岛事故发生的一个重要原因即是备用发电机未正常启动，无法为安全设备提供充足的工作电源。

因此，如何将氢复合器浪费的氢能源和气流循环动能均有效地利用起来，并进一步提高核电安全壳内的氢风险控制能力，是一个需要解决的问题。

实用新型内容

针对上述技术不足，本实用新型提供了一种具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器，其能够在实现氢复合器消氢功能的同时，将释放的热量以及气流循环的动能均转化为电能，然后供其他安全设备使用。

为实现上述目的，本实用新型解决问题的技术方案如下：

具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器，包括顶部设有烟道出口的氢复合器本体，还包括风电转换模块、热电转换模块和储能模块；所述氢复合器本体上方侧壁设有开口，所述风电转换模块设置在开口处；所述热电转换模块设置在烟道出口处；所述储能模块包括保护壳，内置在该保护壳中的蓄电池，以及设置在保护壳内壁与蓄电池之间、用于隔热的石棉层；所述风电转换模块和热电转换模块均通过导线与蓄电池连接。

进一步地，所述热电转换模块与烟道出口尺寸相同。

具体地说，所述风电转换模块为风力发电机组。

作为优选，所述蓄电池为铅酸电池。

再进一步地，所述氢复合器本体的高度为1.2米～2米。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型在充分考虑到安全的基础上，通过合理的结构设计，巧妙地将风电转换模块、热电转换模块和储能模块应用到了非能动氢复合器上，使得氢复合器消氢时释放的大量热量以及烟道气流循环的动能均可以有效地转化为电能并进行存储，从而供其它安全设备使用。如此一来，本实用新型既可以用作核电安全壳内的消氢设备，又可以在消氢的同时成为支持其它安全设备工作的电源，并且电能十分充足，因而不仅实现了能源的综合利用，减轻了核电事故状态时对备用能源的依赖，缓解了事故状态应急能源紧张的状况，提高了核电站的安全性，而且节约了成本，真正做到了技术与安全、成本之间的平衡。

(2)本实用新型采用了现有的氢复合器作为主体结构设计，只需通过合理的结构改动就能实现风电和热电转换，改动小，对现有设备的力学结构可靠性和热学可靠性影响非常小。

(3)本实用新型使用消氢释放的热量作为能源，可以完全安装在安全壳内，不需要贯穿件，在发生事故状态时，也不需要打开安全壳就可以给安全壳内的设备提供能源，并且能够有效阻止放射性物质的外泄，进一步提高了核电站的安全性。

(4)本实用新型设计严谨、安全性高、改造成本低廉，其有效地拓宽了非能动氢复合器的应用范围，使其更加适用于核电事故状态下的消氢，因此，本实用新型为非能动氢复合器的设计能够达到相应实际工况的技术标准提供了非常有价值的参考，其很好地顺应了科技的发展潮流，因而具有非常良好的应用前景和推广前景。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中储能模块的结构示意图。

图3为本实用新型消氢时的气体流速CFD模拟结果示意图。

图4为本实用新型进行低氢浓度消氢启动试验时的实际氢浓度与温度测量曲线图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-氢复合器本体，2-风电转换模块，3-热电转换模块，4-储能模块，401-保护壳，402-石棉层，403-蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本实用新型提供了一种具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器，其包括氢复合器本体1、风电转换模块2、热电转换模块3以及储能模块4。本实用新型中的氢复合器本体1，其结构与中国专利申请号：201510293745.6公开的氢复合器结构一致，并且高度为1.2米～2米，该氢复合器本体1在安全壳严重事故时，可以消除锆水分解产生的氢气，本实施例在此不再详细介绍。

所述氢复合器本体1上方侧壁设有开口，而所述风电转换模块2设置在该开口处，并且高度为氢复合器本体1烟道出口的1/2～1/3。本实施例中，该风电转换模块2选用风力发电机组，其启动风速小于2m/s，转换效率在40％以上，能较好地实现风电转换功能。

所述热电转换模块3设置在氢复合器本体1的烟道出口上，其尺寸与烟道出口尺寸相同，并且材料可选用热电转换性能较好的Bi₂Te₃等半导体材料(Bi₂Te₃在300℃以下仍具有10％以上的热电转换效率,能较好地实现热电转换功能)。

所述储能模块4设置在氢复合器本体1的侧壁，如图2所述，该储能模块4包括保护壳401，内置在该保护壳401中的蓄电池403，以及设置在保护壳401内壁与蓄电池403之间、用于隔热的石棉层402；所述风电转换模块2和热电转换模块3均通过导线与蓄电池403连接。保护壳401采用不锈钢制成，用于起到抗压、抗冲击的功能，石棉层402可以防止氢复合器工作时的高温损伤蓄电池。而蓄电池403则优选采用铅酸电池，具有维护简单、使用寿命长、质量稳定、可靠性高的优点。

本实用新型在安全壳严重事故时，可以将烟道气流循环的气体动能，通过风电转换模块2转化为电能；同时，将消除氢气产生的大量热量通过热电转换模块3转化为电能。典型的氢复合器流场CFD模拟结果如图3所示，在通入4％的氢气时，在复合器出口位置流速能达到2.2m/s，该动能可用来进行风电转换。而典型的氢复合器试验结果如图4所示，只通入2％的氢气时，氢复合器就能在15分钟内启动消氢反应，温度最高超过300℃(烟道出口处)，该热量即可用来进行热电转换。转换后的两部分电能一同被储存至储能模块4中，然后可以提供给诸如氢浓度检测、喷淋等应急安全设备使用。

本实用新型通过巧妙的结构设计，使得氢复合器在实现消氢功能的同时，能够将释放的热量和烟道气流循环的动能均转化为电能，然后供其他安全设备使用，从而实现能量最大化的利用，避免了能源的浪费。另外，本实用新型的系统结构如果稍加改动后，同样也能够用在其他核电氢安全设备的研制和性能检测上。由此可见，本实用新型能够很好地实现非能动氢气复合器的消氢和能源的综合利用，进而为复合器的研究和设计能够达到相应的技术标准提供有意义、有价值的参考。因此，本实用新型与现有技术相比，技术进步明显，具有实质性的特点和进步。

上述实施例仅为本实用新型的优选实施方式之一，不应当用于限制本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器，包括顶部设有烟道出口的氢复合器本体（1），其特征在于，还包括风电转换模块（2）、热电转换模块（3）和储能模块（4）；所述氢复合器本体（1）上方侧壁设有开口，所述风电转换模块（2）设置在开口处；所述热电转换模块（3）设置在烟道出口处；所述储能模块（4）包括保护壳（401），内置在该保护壳（401）中的蓄电池（403），以及设置在保护壳内壁与蓄电池之间、用于隔热的石棉层（402）；所述风电转换模块（2）和热电转换模块（3）均通过导线与蓄电池连接。

2.根据权利要求1所述的具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器，其特征在于，所述热电转换模块（3）与烟道出口尺寸相同。

3.根据权利要求1或2所述的具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器，其特征在于，所述风电转换模块（2）为风力发电机组。

4.根据权利要求3所述的具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器，其特征在于，所述蓄电池（403）为铅酸电池。

5.根据权利要求4所述的具有风电、热电转换功能的非能动氢复合器，其特征在于，所述氢复合器本体（1）的高度为1.2米～2米。