Turbočerpadlo a systém dlouhodobého odvodu tepla z hermetické zóny obsahující toto turbočerpadlo

Oblast techniky

Předložený vynález se týká turbočerpadla a systému dlouhodobého odvodu tepla z hermetické zóny obsahujícího toto turbočerpadlo.

Dosavadní stav techniky

Snahy o neustálé zvyšování bezpečnosti atomových elektráren a zkušenosti již překonaných havárií vedou k již propracované typologii poruch a havárií, které jsou označovány za předvídatelné ajsou určitým způsobem standardizovány. Pro tyto události, obvykle menšího rozsahu, jsou vyřešeny systémy, které jsou implementovány do technologického zařízení elektrárny již v samotném proj ektu j ademé elektrárny.

Podmínky a fýzikální parametry v hermetické části jaderného reaktoru jsou na hranici varu kapalné náplně směsi vody a kyseliny borité (HBO3). Havarijní systém však musí zajistit čerpání této směsi, její intenzívní chlazení a následné skrápění částí hermetické zóny reaktoru s odvodem tepla. Funkce systému musí být nepřetržitá a dlouhodobá v řádu měsíců.

Pro případy těžké havárie na jaderném bloku, které jsou nad rámec zvládnutí standardními havarijními prostředky, současná legislativa požaduje po provozovateli jaderného zařízení přijmout taková opatření, která budou předcházet případně zmírňovat následky těžkých havárií. Pro řešení těžkých havárií byl definován soubor opatření a jedním z těchto opatření je vytvoření nového funkčně a energeticky autonomního systému dlouhodobého efektivního odvodu tepla z hermetické zóny, tzv. kontejnmentu. Požadavek na vytvoření takového systému je ten, že tlaková nádoba reaktoru postiženého těžkou havárií, jez vnějšku chlazena vodou, která natéká do šachty reaktoru z bazénu vytvořeného na podlaze hermetické zóny. Ohřátá voda se odpařuje a pára uniká do prostoru hermetické zóny, čímž dochází k jeho postupnému tlakování a k prohřívání stavební konstrukce. Neřešením uvedeného stavu hrozí riziko narušení integrity hermetické zóny tlakem překračujícím bezpečnostní limit stavební konstrukce. Je tedy třeba, aby bylo zabráněno natlakování daného prostoru na hodnotu bezpečnostního limitu, a aby byl udržován tlak v hermetické zóně na nízké úrovni.

Existují různá technická řešení a návrhy způsobů odvodu tepla z uvedených prostorů.

Z dosud známých řešení jsou podobné systémy pro případ těžké havárie v jaderném reaktoru popsány například ve spisech CN 204229849, CN 103383865 a US 4064002. Je zde ovšem rozdíl v provedení a zapojení komponent, kdy jako zdroj energie je často využívána parní turbína, případně není oddělena cirkulace chladicí kapaliny v primárním okruhu.

Systém dlouhodobého odvodu tepla popisuje například i spis EP 3451346 AI. Ten obsahuje studený okruh a horký okruh, kde studený okruh obsahuje čerpací stanici na jedné straně propojenou se zdrojem chladivá studeného okruhu a na druhé straně s turbínou, odkud je chladivo vedeno přes studený okruh chladiče zpět do zdroje chladivá studeného okruhu. Horký okruh obsahuje čerpadlo horkého okruhu propojené na vstupu se zdrojem chladivá horkého okruhu, tj.dnem kontejnmentu, a na svém výstupu s horkým okruhem chladiče, odkud je chladivo vyvedeno do sprchy. Nevýhodou takového řešení je, že v případě, když chladivo na dně kontejnmentu dosáhne bodu varu, je její čerpání obtížné, jelikož je čerpána nejen voda ale i plyn, což způsobí i zhoršení výměny tepla ve výměníku.

- 1 CZ 308879 B6

Jinou variantou je systém dlouhodobého odvodu tepla z hermetické zóny podle patentové přihlášky CZ PV 2019-576 AI, představený na obr. 1 a obsahující studený okruh a horký okruh. Studený okruh obsahuje podávači čerpací stanici 1 na jedné straně propojenou se zdrojem chladivá studeného okruhu a na druhé straně s filtrem 2 drobných nečistot, který je propojen s hlavní čerpací stanicí 3, která je propojena přes vstupní uzavírací ventil 4 s turbínou 5 a následně přes studený okruh chladiče 6 a výstupní uzavírací ventil 7 se zdrojem chladivá studeného okruhu, čímž je okruh uzavřen. Horký okruh obsahuje čerpadlo 8 horkého okruhu, na svém výstupu propojené přes horký okruh chladiče 6 se sprchou 9 umístěnou v hermetické zóně 10. a na vstupu přes mechanické síto 11 se zdrojem chladivá horkého okruhu. Hlavní čerpací stanice 3 je dále pomocí primární dochlazovací větve 19a studeného okruhu, obsahující uzavírací ventil 20a, propojena se vstupem čerpadla 8 horkého okruhu, čímž je umožněno dochlazení chladivá horkého okruhu vstupujícího do čerpadla 8, a to do stavu, který zaručuje jeho správnou funkci.

Studený okruh může být opatřen odkalovací větví 14 vyvedenou z filtru 2 drobných nečistot do odkalovací nádrže 15. V případě, že čidla umístěná ve filtru 2 zaznamenají jeho zanešení, dojde k automatickému výplachu a odvodu nečistot do odkalovací nádrže 15. Odkalovací větev 14 je opatřena odkalovacím ventilem 16.

Studený okruh je výhodně opatřen jednou nebo dvěma dochlazovacími větvemi 17a a 17b studeného okruhu. Primární dochlazovací větev 17a studeného okruhu propojuje vstup do filtru 2 drobných nečistot se zdrojem chladivá studeného okruhu. Sekundární dochlazovací větev 17b studeného okruhu propojuje výstup z hlavní čerpací stanice 3 se zdrojem chladivá studeného okruhu. Obě tyto větve 17a, 17b mohou být prostřednictvím regulačních ventilů 18a, 18b uvedeny do provozu v momentě, kdy je teplota chladivá studeného okruhu nad předem stanovenou hodnotou.

Oproti spisu EP 3451346 AI je tento systém opatřen sekundární dochlazovací větví 19b horkého okruhu, obsahující uzavírací ventil 20b. vyvedenou z výstupu horkého okruhu chladiče 6 na vstup čerpadla 8. Tím je řešena limitovaná kapacita chladicí kapaliny v hermetické zóně 10, jež je nedostatečná pro dlouhodobý odvod tepla. Bez této dochlazovací větve by došlo k překročení kritické teploty v řádu hodin.

Princip funkce systému dlouhodobého odvodu tepla z hermetické zóny podle tohoto vynálezu je dle příkladu následující:

Studená voda je odebírána z bazénu 12 pod chladicí věží 13 elektrárny, respektive z jímek ventilátorových chladicích věží 13, za pomoci podávači čerpací stanice 1 a je dopravována přes vodní filtr 2 zajišťující požadovanou kvalitu vody do hlavní čerpací stanice 3. Obě čerpací stanice 1 a 3 obsahují čerpací agregáty s termickým dieselovým pohonem. Tlaková voda je z hlavní čerpací stanice 3 vedena na vstup do hermetické zóny 10 reaktorového bloku. Následně je přiváděna do turbíny 5 hydrodynamického čerpacího agregátu a odpadní voda z turbíny 5 hydrodynamického agregátu je pak vedena do studeného okruhu tepelného výměníku, respektive chladiče 6, kde odebírá tepelnou energii z čerpané kapaliny horkého okruhu, a ohřátá vystupuje z hermetické zóny 10 reaktorového bloku a vrací se zpět do bazénu 12 pod chladicí věží 13 nebo do jímek ventilátorových chladicích věží 13. Čerpadlo 8 horkého okruhu nasává horkou směs vody a kyseliny borité z podlahy hermetické zóny 10. přefiltrovává ji přes mechanické síto 11 a odvádí do tepelného horkého okruhu tepelného výměníku, respektive chladiče 6, a dále do systému zkrápění, tj. sprch 9, umístěných uvnitř hermetické zóny 10, kde zajišťuje požadovaný chladicí účinek důležitých komponentů hermetické zóny 10 reaktoru.

Nevýhodou představeného systému je, obtížné čerpání směsi vařící vody a kyseliny borité, a to zvláště v nej kritičtějším okamžiku, jakým je start, tj. počátek čerpání, kdy je směs v interiéru čerpadla 8 v zapařeném stavu.

Cílem vynálezu je proto vytvořit systém, který by výše uvedené nevýhody stavu techniky odstranil.

-2 CZ 308879 B6

Podstata vynálezu

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry turbočerpadlo, obsahující turbínu a čerpadlo, kde turbína dále obsahuje turbínovou skříň s v ní umístěným oběžným kolem turbíny, a čerpadlo dále obsahuje čerpadlovou skříň s v ní umístěným oběžným kolem čerpadla, přičemž oběžné kolo turbíny a oběžné kolo čerpadla jsou vzájemně propojeny hřídelí, a mezi turbínovou skříní a čerpadlovou skříní je umístěna spojovací skříň, jehož podstata spočívá v tom, že ke vstupnímu hrdlu čerpadlové skříně je připojen vstřikovací nástavec ve tvaru prstence, obsahující na ploše přilehlé k čerpadlové skříni obvodovou drážku, jež po přisazení vstřikovacího nástavce k čerpadlové skříni vytváří obvodovou dutinu, jež obsahuje dva protilehlé přívodní otvory a trysky.

Ve výhodném provedení jsou trysky blíže k vyústění do obvodové dutiny rozšířeny.

V jiném výhodném provedení jsou trysky k ose rotace hřídele pod úhlem a = 52°.

V jiném výhodném provedení jsou trysky radiálně rozmístěné v úhlové periodě po 10°.

V jiném výhodném provedení jsou čelní stěny spojovací skříně v oblasti hřídele opatřeny těsnicími ložiskovými soubory.

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry rovněž systém dlouhodobého odvodu tepla z hermetické zóny, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje turbočerpadlo podle některého z nároků.

Objasnění výkresů

Předložený vynález bude dále přiblížen pomocí obrázků, kde obr. 1 představuje schéma zapojení systému dlouhodobého odvodu tepla podle stavu techniky, obr. 2 představuje turbočerpadlo podle vynálezu ve složeném stavu, obr. 3 představuje turbočerpadlo podle obr. 2 v rozloženém stavu, obr. 4 představuje příčný řez vstřikovacím zařízení turbočerpadla podle vynálezu, a obr. 5 představuje podélný řez vstřikovacím zařízení turbočerpadla podle vynálezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Turbočerpadlo podle vynálezu, představené na obr. 2 a 3, obsahuje turbínu 5 obsahující turbínovou skříň 101 s v ní umístěným oběžným kolem 102 turbíny 5, a čerpadlo 8 obsahující čerpadlovou skříň 104 s v ní umístěným oběžným kolem 105 čerpadla 8, kde oběžné kolo 102 turbíny 5 a oběžné kolo 105 čerpadla 8 jsou vzájemně propojena hřídelí 103. Hřídel 103 tvoří s oběžnými koly 102 a 105 jednorotorovou soustavu.

Mezi turbínovou skříní 101 a čerpadlovou skříní 104 je umístěna spojovací skříň 106 sloužící mimo jiné k jejich pevnému spojení. Celní stěny spojovací skříně 106 jsou v oblasti hřídele 103 výhodně opatřeny těsnicími ložiskovými soubory zajišťujícími, aby se do vnitřního prostoru spojovací skříně 106 nedostala kapalina ani z turbínové skříně 101, ani z čerpadlové skříně 104. Prostor spojovací skříně 106 je tedy hermeticky utěsněným prostorem výhodně vybaveným na obrázcích nezobrazenými čidly průsaku. Spojovací skříň 106 tedy slouží jako bezpečnostní a monitorovací zóna oddělující čistou část turbíny 5 a kontaminované části čerpadla 8.

Ke vstupnímu hrdlu čerpadlové skříně 104 je připojen vstřikovací nástavec 108 ve tvaru prstence, viz obr. 4 a 5, obsahující na ploše přilehlé k čerpadlové skříni 104 obvodovou drážku, jež po spojení vstřikovacího nástavce 108 a čerpadlové skříně 104 vytváří obvodovou dutinu 120.

-3CZ 308879 B6

Tato obvodová dutina 120 obsahuje dva protilehlé přívodní otvory 121a. 121b. kde do jednoho ústí přívod 122 studené vody a do druhého přívod 123 ochlazené směsi, typu voda + H3BO3, z chladiče 7. Dále z obvodové dutiny 120 vystupují pod úhlem a, výhodně 52°, trysky 125, radiálně rozmístěné v úhlové periodě po 10°. Trysky 125 jsou válcového tvaru, blíže k vyústění s náhlým rozšířením pro docílení zvýšené turbulence výtokového paprsku.

Vstupní proud do oběžného kola 105 čerpadla 8 je přiváděn v ose vstřikovacího nástavce 108. ve směru šipky. Vnitřní průměr vstřikovacího nástavce 108 se na vstupu rozšiřuje. Křivka rotačně symetrického vstupu má tvar lemniskáty. Optimální geometrie vstřikovacího nástavce 108 získaná numerickým modelováním proudění minimalizuje spotřebu vnější studené zástřikové vody pro dosažení požadovaného účinku.

Turbočerpadlo dle vynálezu je určeno především pro systém dlouhodobého odvodu tepla z hermetické zóny podle patentové přihlášky PV 2019- 576, kde přívodní otvory 121 jsou vyvedeny do obvodové dutiny 120 vstřikovacího nástavce 108. Do prvního přívodního otvoru 121a ústí přívod 122 studené vody přivádějící primární dochlazovací větví 19a studeného okruhu studenou vodu do kruhové dutiny 120. která posléze vystupuje tryskami 125 do sacího prostoru turbočerpadla podle vynálezu. Ochlazením sacího prostoru a zrušením zapařeného stavu směsi je umožněn bezpečný start a náběh čerpání. Chladná voda pro vstřik přiváděná primární dochlazovací větví 19a studeného okruhu se použije v počátečních fázích startu a náběhu čerpání a následně se prostřednictvím ventilu 20a vypne. Funkci vstřiku přebírá ochlazená směs vody a kyseliny borité, která je přiváděna z chladiče 6 sekundární dochlazovací větví 19b horkého okruhu, tedy přívodem 123 ochlazené směsi, do druhého přívodního otvoru 121b a následně do kruhové dutiny 120 vstřikovacího nástavce 108. Uzavírací ventil 20b je pevně nastaven na požadovaný průtok (reflux) ochlazené směsi.

Čerpací fúnkce turbočerpadla podle vynálezu je bezpečně zajištěna díky funkci vstřikovacího nástavce 108 od počátku vstřiku studené vody a náběhu čerpání, kdy ještě není k dispozici reflux ochlazené směsi, a následně v časové periodě kombinované dotace studené vody a refluxu směsi do vstřikovacího nástavce 108, až po vypnutí vstřiku studené vody a provozu pouze s refluxem ochlazené směsi. Vstřik studené vody je nutné vypnout z důvodu nezvětšování množství kapalné náplně v hermetickém prostoru reaktoru nad stanovený limit, je ho však v případě nutnosti možno kdykoliv obnovit, neboť ventil 20b je ovládán vně budovy reaktoru.

Z bezpečnostních důvodů může být instalace uvnitř hermetické zóny 10 identicky zdvojena a paralelně napojena na studený okruh, tedy, mohou být použita dvě paralelně řazená turbočerpadla podle vynálezu. Hlavní čerpací stanice 3 je tak přes uzavírací ventily 4 propojena jak s čerpadlem 8 jedné horké větve, tak s čerpadlem 8 druhé horké větve. Provozována je však vždy pouze jedna vnitřní instalace, tj. horká větev. Druhá instalace tvoří stoprocentní provozní rezervu.

Systém podle vynálezu je plně autonomní, nezávislý na technologickém zařízení jaderného reaktoru a na vnějším energetickém zdroji, zejména elektrickém napájení. Výjimku tvoří komponenty systému, které jsou umístěny mimo hermetickou zónu a jsou volně dostupné i v podmínkách probíhající těžké havárie, byť jen třeba na omezenou dobu, zejména doplnění paliva pro termické motory.

Výhodou představeného turbočerpadla, respektive systému odvodu tepla podle vynálezu je zajištění nej důležitější funkce havarijního bezpečnostního systému, kterou je čerpání směsi vařící vody a kyseliny borité, a zvláště nej kritičtější okamžik startu a počátku čerpání, kdy je nutné eliminovat zapářený stav směsi v interiéru čerpadla, a zajišťuje dlouhodobé čerpání této směsi s požadovaným hydraulickým výkonem.