CZ34199U1 - Turbočerpadlo a systém dlouhodobého odvodu tepla z hermetické zóny obsahující toto turbočerpadlo - Google Patents

Description

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

Oblast techniky

Technické řešení 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 kjiž propracované typologii poruch a havárií, které jsou označovány za předvídatelné a jsou určitým způsobem standardizovány. Pro tyto události, obvykle menšího rozsahu, jsou vyřešeny systémy, které jsou implementovány do technologického zařízení elektrárny již v samotném projektu jaderné 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 standartními 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 kjeho postupnému tlakování a k přehřívání 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 jadrném 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 Al. 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 čerpání obtížně, jelikož je čerpána nejen voda, ale i plyn, což způsobí i zhoršení výměny tepla ve výměníku.

- 1 CZ 34199 U1

Jinou variantou je systém dlouhodobého odvodu tepla z hermetické zóny podle patentové přihlášky CZ PV 2019-576, představený na obr. 1, 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 opatřen 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 Al 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 řešení 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.

-2 CZ 34199 U1

Podstata technického řešení

Cílem tohoto technického řešení je vytvořit systém, který by výše uvedené nevýhody stavu techniky odstranil.

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, čerpadlo dále obsahuje čerpadlovou skříň s v ní umístěným oběžným kolem čerpadla, kde 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 skříně 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 těsnícími ložiskovými soubory.

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

Objasnění výkresů

Technické řešení bude dále přiblíženo pomocí obrázků, kde obr. 1 představuje schéma zapojení systému dlouhodobého odvodu tepla podle stavu techniky, obr. 2 představuje turbočerpadlo podle tohoto technického řešení ve složeném stavu, obr. 3 představuje turbočerpadlo podle obr. 2 v rozloženém stavu, obr. 4 představuje příčný řez vstřikovacím zařízení turbočerpadla podle tohoto technického řešení a obr. 5 představuje podélný řez vstřikovacím zařízení turbočerpadla podle tohoto technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Turbočerpadlo podle tohoto technického řešení, 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 těsnícími 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.

-3 CZ 34199 U1

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.

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 tohoto technického řešení je určeno především pro systém dlouhodobého odvodu tepla z hermetické zóny podle 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 tohoto technického řešení. 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 funkce turbočerpadla podle tohoto technického řešení je bezpečně zajištěna díky fúnkci 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 tohoto technického řešení. 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 tohoto technického řešení 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 podle tohoto technického řešení, respektive systému odvodu tepla podle tohoto technického řešení, je zajištění nej důležitější funkce havarijního bezpečnostního systému, kterou je čerpání směsi vařící vody a kyseliny borité, zvláště

-4 CZ 34199 U1 v nej kritičtějším okamžiku startu a počátku čerpání, kdy je nutné eliminovat zapářený stav směsi v interiéru čerpadla, které zajišťuje dlouhodobé čerpání této směsi s požadovaným hydraulickým výkonem.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Turbočerpadlo, obsahující turbínu (5) a čerpadlo (8), kde turbína (5) dále obsahuje turbínovou skříň (101) s v ní umístěným oběžným kolem (102) turbíny (5), čerpadlo (8) dále obsahuje 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 propojeny hřídelí (103), a mezi turbínovou skříní (101) a čerpadlovou skříní (104) je umístěna spojovací skříň (106), vyznačující se tím, že ke vstupnímu hrdlu čerpadlové skříně (104) je připojen vstřikovací nástavec (108) ve tvaru prstence, obsahující

   - na ploše přilehlé k čerpadlové skříni (104) obvodovou drážku, jež po přisazení vstřikovacího nástavce (108) k čerpadlové skříně (104) vytváří obvodovou dutinu (120), jež obsahuje dva protilehlé přívodní otvory (121a, 121b) a trysky (125).
2. 2. Turbočerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že trysky (125) jsou blíže k vyústění do obvodové dutiny (120) rozšířeny.
3. 3. Turbočerpadlo podle některého z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že trysky (125) jsou k ose rotace hřídele pod úhlem a = 52°.
4. 4. Turbočerpadlo podle některého z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že trysky (125) jsou radiálně rozmístěné v úhlové periodě po 10°.
5. 5. Turbočerpadlo podle některého z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že čelní stěny spojovací skříně (106) jsou v oblasti hřídele (103) opatřeny těsnícími ložiskovými soubory.
6. 6. Systém dlouhodobého odvodu tepla z hermetické zóny, vyznačující se tím, že obsahuje turbočerpadlo podle některého z nároků 1 až 5.