CS215934B1 - Zařízení pro zvyšování a udržování tlaku teplonosného média v primárním okruhu jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem - Google Patents

Abstract

Zařízení pro zvyšování a udržování tlaku teplonosného média v primárním okruhu jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem řeší problémy snižování vlastní spotřeby a zvyšování provozní pružnosti u těchto elektráren. Aplikuje atraktivní tepelné čerpadlovou techniku v rozvojovém programu jaderné energetiky. Jaderné elektrárny s tlakovodním! reaktory, vzhledem k blízkým úrovním teplot udržovaným za provozu v primárních a sekundárních okruzích, jakož i v parních kompenzátorech objemn, umožňují dosáhnout vysoké porovnávací účinnosti v přiřazených tepelnš čerpadlových okruzích. Zařízení uvažuje samostatný uzavřený klasický termokompresorový okruh, jehož realizaci velmi přibližuje úspěšný a stále pokračující intenzivní vývoj vysokoteplotních ohladiv, jimiž jsou tzv. elektronové kapaliny. Podstatou těchto nejnovějšíoh ohladiv jsou vysokofluorizované chloridy. Podvariantní řešení a zapojení předmětného zařízení vedou k návrhu na změnu geometrie parního kompenzá toru objemu, což je obecně výhodné zejména z hlediska značných materiálových úspor.

Description

Vynález se týká zařízení pro zvyšování a udržování tlaku teplonosného média v primárním okruhu jaderné elektrárny s tlakovodním, respektive vodovodním reaktorem během jejího spouštění a při energetickém provozu této elektrárny.

Dosavadní systémy zařízení zabezpečující nezbytný vysoký tlak teplonosného média v primárních okruzích jaderných elektráren s tlakovodníml reaktory jsou reprezentovány kompenzátorem objemu, ve kterém je nad hladinou teplonosného média vytvořen a udržován vysokotlaký plynový-dusíkový, nebo parní polštář. Dnes ee používají už výhradně kompenzátory objemu s parním polštářem, jehož vznik a existence jsou zajištěny instalací a řízeným provozem vestavěných elektrických odporovýoh ohříváků. Pro přívod energie k vytvoření a udržování vysokotlaké parní fáze teplonosného média v nejvyšším míetě primárního okruhu, tj. uvnitř parního kompenzátoru, objemu, je kompenzátor ve své spodní části opatřen velkým počtem hrdel, ve kterých jsou odporové elektroohříváky uloženy. Celkový instalovaný výkon elektrického ohřívacího systému bývá většinou v rozmezí 1000 až 4500 kV. Podle velikosti výkonu jednoho elektroohříváku vychází pak jejioh počet a tím i počet pro ně vytvořených hrdel v rozmezí od několika desítek až do zhruba dvou set kusů. Realizace těohto hrdel patří k nejnáročnšjším technologickým operaoím při výrobě parního kompenzátoru objemu.

Z pevnostních důvodů je prstenec pl.' 'tě parního kompenzátoru objemu, ve kterém jeou ohříváková hrdla umístěna, zesílen oož je rovněž nevýhodné. Další nevýhodou je nutnost vestavění souosého nosného válcového pláště pro podepření vnitřních volných konoů elektroohříváků, jejichž životnost je i při těohto konstrukčních opatřeních poměrně nízká. Tato skutečnost vyvolává na jedné straně potřebu konstrukčního a provozního zajištění výměn poškozených elektroohříváků v mezikampaňovýoh provozních odstávkách a na druhé straně i instalaci záložních elektroohříváků na parním kompenzátoru objemu. Energetickou nevýhodou tohoto odporového elektroohřevu je skutečnost, že jeho plný příkon je kryt finální vysokopotenoiální formou energie, tj. energií elektrickou, která je právě v těohto elektrárnách vyráběna s nižší účinností v termodynamickém cyklu sekundárního okruhu než je účinnost dosahovaná v klasických tepelných elektrárnách.

Výše uvedené nevýhody jsou odstraněny nebo podstatně zmenšeny při realizaol a provozu zařízení pro zvyšování a udržování tlaku teplonosného média v primárním okruhu jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem podle tohoto vynálezu, který spočívá v tom, že zařízení sestává z uzavřeného samostatného tepelně čerpadlového okruhu, tj. z parního kompenzátoru objemu s vestavěným kondenzátorem vysokoteplotního ohladiva, z výpamíku vysokoteplotního chladivá s vestavěným tepelným výměníkem napojeným pomocným potrubím na zdroj nížepoteneiálního tepla, z kompresoru, z redukčního ventilu a ze spojovacího potrubí, jehož prostřednictvím jsou propojeny výstup výpamíku vysokoteplotního ohladiva se sáním kompre/ eoru, výtlak kompresoru se vstupem kondensátoru vysokoteplotního ohladiva, výstup kondensátoru vysokoteplotního ohladiva se vstupem redukčního ventilu a výstup redukčního ventilu se vstupem výpamíku vysokoteplotního ohladiva, přičemž zdrojem nížepotenoiálního tepla je přímo primární okruh respektive reaktor.

Teohnioký pokrok v tomto oboru jaderné energetiky lze charakterizovat těmito hlavními výhodami, které poskytuje předmětné chráněné zařízení. Energeticky je tepelně čerpad2

215 934 lovy ohřev a var vody v parníoh kompenzátorech objemu atraktivní vzhledem k dobrým relacím mezi spodními a berními i nejvyššími teplotami teplonosného média existujícími za provozu v příslušných místech primárních okruhů dnešních jaderných elektráren s tlakovodními reaktory. Proto je rarfiné dosáhnout podstatná zmenšení elektrického příkonu i značné snížení spotřeby elektrické energie pro zajištění funkce parních kompenzátorů objemu. Za druhé, odpadá entropická ztráta při sdílení tepla za vysokého rozdílu teplot, která existuje při dosavadním elektrickém ohřevu a varu vody v parních kompenzátorech objemu. Za třetí, u uzavřeného samostatného tepelně čerpadlového okruhu je možné i účelné odebírat nížepotenciální teplo až ze sekundárního okruhu. Přitom lze 3 výjimkou kondenzátoru vysokoteplotního chladivá umístit celý okruh do prostoru přístupného za provozu. Za čtvrté, podstatně se zjednoduší konstrukce a tím i výroba vysokotlaké nádoby parního kompenzátoru objemu, neboí odpadne převážná většina z celkového počtu hrdel na této nádobě umístěných. Za páté, při využití současně navrhované změny geometrického tvaru vysokotlaké nádoby parního kompenzátoru objemu, tj. při přechodu z válcového tvaru na tvar kulový, se podstatně změní hmotnost parního kompenzátoru objemu, čímž dojde ke značné úspoře vysoce kvalitního konstrukčního materiálu. K výše uvedeným výhodám nutno připojit i zmínku o orčité průvodní nevýhodě chráněného zařízení, kterou je odpovídajíoí snížení pasivnosti funkce u těchto systémů zařízení a to vlivem použití aktivních členů, jimiž jsou kompresor a redukční ventil, případně i pomocné čerpadlo. Tato zařízení jsou určující z hlediska spolehlivosti celku a proto sama musí být vysoce spolehlivá a/nebo náležitě zálohovaná.

Na výkresu je uvedeno principiální schéma chráněného zařízení, představující uzavřený tepelně čerpadlový okruh i jeho vazbu na hlavní komponenty Či okruhy jaderné elektrárny, Na obr. je zjednodušeně schematicky nakresleno zařízení pro zvyšování a udržování tlaku teplonosného média v primárním okruhu jaderné elektrárny spolu s vazbami na primární respektive sekundární okruh elektrárny. Je znázorněna jedna z několika smyček primárního okruhu, který sestává z reaktoru £ z parogenerátorů 2, z cirkulačních čerpadel £ a z primárního potrubí £, které okruhově propojuje v uvedeném pořadí tyto komponenty primárního okruhu, k jehož horké větvi je vždy připojen i parní kompenzátor 2 objemu. Dále je znázorněno nové zařízení, jímž jsou: kondenzátor 6 vysokoteplotního chladivá, který je vestavěn ve vodním prostoru parního kompenzátoru 2 objemu, výparník £ vysokoteplotního chladivá s vnitřním tepelným výměníkem 11 napojeným prostřednictvím pomocného potrubí 12 na primární, případně sekundární okruh jaderné elektrárny, kompresor 8 a redukční ventil £ a také spojovací potrubí £0, které spojuje uvedená nová zařízení do samostatného uzavřeného tepelného okruhu. Pro větší názornost je k parogenerátorů 2 přikresleno i stávající napájecí potrubí 21 a parovod 22. Funkce primárního okruhu je všeobecně známa z odborné literatury, takže je zbytečné ji uvádět. Stačí jen poznamenat, že z provozních důvodů je nezbytné vytvořit a udržovat v nejvyšším místě primárního okruhu, jímž je vnitřní prostor parního kompenzátoru 2 objemu vysokotlaký stav sytosti s dostatečně velkým parním polštářem. Dodávání potřebného výšepotenoiálního tepla do kapalné fáze teplonosného média v parním kompenzátoru 2 objemu zajišíuje právě předmětné chráněné zařízení, jehož funkce je následující. Pomocným potrubím 12 a tepelným výměníkem 11 protéká velmi malá část teplonos215 934 ného média obíhajícího v primárním okruhu, čímž ee přenáší teplo o potenciálu odpovídájícímu teplotě na výstupu z reaktoru £ do výpamíku £ vysokoteplotního chladivá. V tomto aparátu ee dodaným teplem odpařuje vysokoteplotní chladivo, jehož pára se vede spojovacím potrubím 10 na sání kompresoru 8 a po příslušném stlačení déle do kondenzátoru 6 vysokoteplotního chladivá, v němž pára vysokoteplotního chladivá kondenzuje, přičemž odevzdává svá zejména skupenská teplo horké respektive vroucí vodě v parním kompenzátoru £ objemu. Kapalná fáze či kondenzát vysokoteplotního chladivá teče dále spojovacím potrubím 10 k redukčnímu ventilu 2t ^v9 kterém doohází k jeho škrcení na tlak odpařovací, který existuje ve výpamíku £ vysokoteplotního ohladiva. Okruh s vyznačeným směrem prouděni vysokoteplotního chladivá je znázorněn čerohovaně. Popsaný proces přenosu tepla za současného zvyšování jeho potenoiálu umožňuje vytvoření a udržování horkého místa v primárním okruhu, tj. vytvoření a udržování parního polštáře v parním kondenzátoru £ objemu a to s využíváním významného podílu primární tepelné formy energie. Je zřejmé, že nížepotenoiální teplo dodávané do výpamíku £ vysokoteplotního chladivá m&že být odebíráno i ze sekundárního okruhu, což je znázorněno čárkovaně. Využívá se pak kondenzačního tepla páry vyrobená v parogenerátoru 2. Je evidentní, že s příslušným poklesem potenciálu nížepotenciálního tepla, daného rozdílem teplot při přestupu -;pla v parogenerátoru 2, se poněkud snižuje i efektivnost tepelně čerpadlového okruhu. Výhodou je ale neaktivní teplonosné médium, jímž je kondenzující sytá vodní pára, takže všechna zařízení uzavřeného tepelně čerpadlového okruhu včetně výpamíku £ vysokoteplotního ohladiva jsou přístupná za provozu. Výjimkou je jedině kondenzátor 6 vysokoteplotního ohladiva, který je instalován uvnitř parního kompenzátoru 2 objemu. Při spouštění jaderného droje páry ze studeného stavu bude výpamík £ vysokoteplotního ohladiva zásobován teplem z druhého pracujícího bloku nebo z vnějšího najlžděoího energetického zdroje. Redukovat odpovídající méně příznivé tepelně napjatostnl poměry jde cestou minimalizace síly stěny u parního kompenzátoru 2 objemu a to především změnou jeho stávajíoí geometrie, tj. přechodem z válcového na kulový tvar jeho tlakové nádoby.

Pro konkrétní příklady aplikace vynálezu byly použity parametry čs. jaderné elektrárny se dvěma vodovodními reaktory o tepelném výkonu 2x1375 MW, kde tlak a teploty vody obíhající v primárním okruhu jsou přibližně 12,5 MPa a 297/268 °C, přičemž v parním kompenzátoru objemu je stav sytosti, tj. teplota sytá páry a vroucí vody je 325 °C. S ohledem na nezbytná teplotní rozdíly na teplosměnných plochách byly uvažovány kondenzační a výparná teplota vysokoteplotního ohladiva 330 °C a 285 °C. Pro tyto teploty vychází topný faktor podle Carnota 13,4. Při napojení tepelného výměníku ve výpamíku vysokoteplotního ohladiva na sytou páru z parogenerátoru, jejíž teplota činí 257,6 °C, je uvažována výparná teplota vysokoteplotního ohladiva 252 °C, čímž Camotův topný faktor poklesne na hodnotu 7.73« Stanovení efektivnosti uzavřeného tepelně čerpadlového okruhu vycházejíoí z Ideálního Rankinova oyklu, které je víoe realistioká, neboí respektuje i teplofyzikální Vlastnosti ohladiva, nelze zatím provést pro dočasnou nedostupnost potřebných informací o dosud vyvíjených vysokoteplotních ohladiveoh. Pokud jde o přechod z válcového tvaru na kulový tvar u parního kompenzátoru objemu, jehož vlastní celkový objem je 44 ra³, vnitřní

215 934 průměr válcové části je 2880 mm a základní síla stěny válcové části je 160 mm, ukazuje se, po triviálním přepočtu, možnost snížení hmotnosti vlivem změny geometrie kompenzátoru zhruba o 40 %, což je přitažlivé vzhledem k vysoké kvalitě a tím i ceně příslušné oceli.

U kulového parního kompenzátoru objemu o stejném vlastním celkovém objemu 44 m^ vychází vnitřní průměr 4380 mm a základní síla stěny 121,5 mm a tím vnější průměr 4623 mm. Z hlediska transportu a montáže lze tento rozměr ještě akceptovat, nebol je menší než maximální průměr příslušné reaktorové nádoby, který je 4710 mm. Výrobní technologii kulového parního kompenzátoru objemu lze odvodit z již osvojené výroby den a vík pro reaktorové nádoby. Je zřejmé, že navržená změna tvaru pro nové parní kompenzátory objemu je atraktivní i při ponechání dosavadního elektrického systému ohřevu a varu vody v těchto zařízeních, nebol vedle značné úspory materiálu budou kulové parní kompenzátory objemu vykazovat též lepší hydraulioké a separační vlastnosti i menší ztráty tepla do okolí vlivem minimalizovaného vnějšího povrchu.

Závěrem lze konstatovat, že předmětný vynález se jeví cenným inovačním krokem ve vývojovém procesu u významného typu jaderných elektráren, které se stále více uplatňují v energetických prograoeoh mnoha zemí. Lze proto předpokládat, že po rozpracování, vývoji a provozním ověření nejdůležitějších komponent chráněného zařízení dojde zejména na bázi tvůrčí vědeckotechnické mezinárodní spolupráce k jeho relativně rychlému využití. Je zřejmé, že v relaci k neustále rostoucí úrovni výrobní technologie je možné a účelné realizovat jednotlivé body předmětu vynálezu etapově.

Claims (3)

1. Zařízení pro zvyšování a udržování tlaku teplonosného média v primárním okruhu jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem, vyznačené tím, že sestává buS z uzavřeného samostatného tepelně čerpadlového okruhu, tj. z parního kompenzátoru (5) objemu s vestavěným kondenzátorem (6) vysokoteplotního chladivá, z výparníku (7) vysokoteplotního chladivá s vestavěným tepelným výměníkem (11) napojeným pomocným potrubím (12) na zdroj nížepotenoiálního tepla, z kompresoru (8), z redukčního ventilu (9) a ze spojovacího potrubí (10), jehož prostřednictvím jsou propojeny výstup výparníku (7) vysokoteplotního chladivá se sáním kompresoru (8), výtlak kompresoru (8) se vstupem kondenzátorů (6) vysokoteplotního ehlaďiva, výstup kondenzátorů (6) vysokoteplotního chladivá se vstupem redukčního ventilu (9) a výstup redukčního ventilu (9) ee vstupem výparníku (7) vysokoteplotního chla· diyatvz^rojem nížepotenoiélního tepla je přímo primární okruh respektive reaktor (1).

2. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že uvnitř ve spodní polovině respektive ve vodním prostoru parního kompenzátoru objemu (5) je instalován kondenzátor (6) vysokoteplotního chladivá, který je napojen na vnější uzavřený tepelně čerpadlový okruh.

3* Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že parní kompenzátor objemu (5) je proveden ve středově symetrické sférické geometrii, tj. ve tvaru koule.