CZ34446U1 - Chlazený kolektor pro odvod vodíku - Google Patents

Description

Chlazený kolektor pro odvod vodíku

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení k odvodu vodíku z prostor ohrožených hromaděním vodíku, zejména z potrubí a armatur navazujících na parní polštář kompenzátoru objemu jaderných elektráren s tlakovodními reaktory (PWR a WER). Tento typ reaktorů je používán i na jaderných elektrárnách v Cechách a na Slovensku. Současně s vodíkem jsou odváděny i ostatní nekondenzující plyny, nejsou však tak důležité a nebezpečné, a proto bude dále v textu jmenován jen vodík jako jejich hlavní složka.

Dosavadní stav techniky

Reaktor a celý navazující primární okruh je naplněn vysokotlakou vodou, jejíž teplota je bezpečně nižší než teplota varu. V této vodě je rozpuštěn vodík, který v ní zůstává rozpuštěný, dokud se voda nezačne vařit.

Aby bylo možno udržovat v primárním okruhu požadovaný tlak, je na primární okruh připojen kompenzátor objemu, což je tlaková nádoba v jejíž spodní části (spojené s potrubím primárního okruhu) je voda a nad vodní hladinou, v horní části, je parní polštář. Jestliže je potřeba tlak v primárním okruhu zvýšit, zapnou se ve spodní části kompenzátoru objemu topná tělesa, která uvedou vodu v kompenzátoru objemu do varu, část vody se odpaří, tím se zvýší tlak v parním polštáři a tím i tlak v celém primárním okruhu. Jestliže je potřeba tlak snížit, vstřikne se do parního polštáře voda, část páry zkondenzuje a tlak klesne.

Při varu vody však dojde k odplynění vody, vodík je z ní vypuzen a přejde do parního polštáře. Protože se při regulaci tlaku v primárním okruhu var a vstřik neustále opakují, dostává se do parního polštáře stále další vodík a jeho parciální tlak v parním polštáři stoupá. V parním polštáři kompenzátoru objemu tak není pára, ale páro vodíková směs.

Na kompenzátor objemu jsou v jeho horní části, v oblasti parního polštáře, připojena potrubí k odlehčovacímu ventilu, pojistným ventilům a impulzním ventilům.

Za normálního provozu jsou tyto ventily uzavřeny a potrubí jsou slepá. Do těchto potrubí vstupuje parovodíková směs z parního polštáře a vlivem tepelných ztrát potrubí a ventilů zde pára zkondenzuje. Kondenzát odteče zpět do kompenzátoru objemu, vodík zde zůstane a do potrubí vstoupí další parovodíková směs. Pára opět kondenzuje, vodík zůstane, a to se neustále opakuje a tím zde stoupá množství a parciální tlak vodíku a tím klesá teplota až do úplného vychladnutí.

To je nebezpečné z následujících důvodů:

1. Vychladlé pojistné ventily mohou selhat a neotevřít, nebo po tepelném šoku zůstat otevřené a zhoršit průběh havárie.

2. Velké množství stlačeného vodíku bude vpuštěno do nízkotlaké barbotážní nádrže, protrhne pojistné membrány a vodíková bublina se vyvalí do kontejmentu, kde může způsobit explozi.

Na některých elektrárnách se snažili řešit problém tak, že na místa s největší koncentrací vodíku umístili odběrová místa, trubičky od nich spojili do společného sběrače a z něj do vysokoprůtočného škrticího orgánu s kaskádou clonek a periodickým otevíráním připojeného ventilu vodík a posléze páru vypouštěli do barbotážní nádrže. Tím však docházelo k opakovanému ohřívání a ochlazování materiálu potrubí a ventilů a k nízkocyklické únavě, až do vzniku trhlin.

- 1 CZ 34446 UI

Proto bylo od tohoto způsobu upuštěno.

Nyní se odpouštění vodíku řeší kontinuálním odpouštěním, při němž se z odběrových míst, umístěných na místech s největší koncentrací vodíku, odvádí parovodíková směs odběrovými potrubími, v nichž jsou vloženy odměřovací clonky, do společného kolektoru, na který je připojen společný nízkoprůtočný škrticí orgán a z něj se parovodíková směs odvádí do barbotážní nádrže.

I tento způsob však přináší problémy:

Má-li se na ventilech a potrubích ohrožených hromaděním vodíku udržet teplota sytosti jako v kompenzátoru objemu, není možno odvádět vodík, to už by bylo pozdě a potrubí by bylo zcela vychladlé. Je nutno odvádět parovodíkovou směs, ve které je jen nepatrné množství vodíku, tak, aby parciální tlak páry ve směsi se blížil celkovému tlaku. Musí se proto odvádět velké množství syté páry.

To má následující nebezpečné důsledky:

1. Odváděním velkého množství páry do barbotážní nádrže dochází k nutnosti odpouštět pro udržení hladiny velké množství kondenzátu z této páry a dále dochází ke snižování koncentrace kyseliny borité v barbotážní nádrži. Současně je nutno vodní náplň barbotážní nádrže chladit, protože v ní odpouštěná pára kondenzuje a předává jí své kondenzační teplo.

2. Pára v systému odvodu vodíku kondenzuje a tento kondenzát se musí protlačit společným škrticím orgánem, v němž způsobuje erozi, změnu odporu a snížení životnosti.

3. Množství vznikajícího vodíku je neznámé a mění se podle způsobu regulace tlaku v kompenzátoru objemu a podle chemizmu primární vody.

Proměnné je i množství kondenzátu vznikajícího v systému odvodu vodíku.

Obě tyto nestability mohou způsobit zahlcení společného škrticího orgánu a selhání odvodu vodíku. To se projevilo například roku 2017 v Temelíně, kde odvod vodíku selhal a nepodařilo se zjistit, zdaje příčinou zahlcení vodíkem, zahlcení kondenzátem, nebo něco jiného. Pomohla až změna clonek ve společném škrticím orgánu, což byl zásah naslepo.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje společný chlazený kolektor, jehož podstata spočívá v tom, že mezi j eho sběrač, do kterého j sou zavedeny odběrová potrubí a j eho rozdělovač, na němž je vytvořeno škrtičové hrdlo a odvodňovací hrdlo, je vložen chladič. Na škrtičové hrdlo je přes ventil připojen společný škrticí orgán. Na odvodňovací hrdlo je připojeno odvodňovací potrubí, které je zavedeno sifonem do některého z potrubí mezi kompenzátorem objemu a pojistnými ventily, nebo přímo do systému kompenzátoru objemu pod hladinu vodní náplně kompenzátoru objemu.

Chladicím mediem přiváděným do chladiče může být jakákoliv voda, například voda používaná na chlazení barbotážní nádrže, nebo i vzduch.

Chladič může být množstvím chladicího media regulován od úplného vyřazení z provozu až do plného výkonu.

Chlazení parovodíkové směsi a odvodu kondenzátu přináší následující výhody:

1. Společný škrticí orgán nebude muset odvádět kondenzát a zvýší se tím jeho životnost.

- 2 CZ 34446 UI

2. V případě potřeby zvýšit výkon odpouštění vodíku se zvolené množství páry v chladiči přemění na kondenzát a společný škrticí orgán nebude muset zbytečné odvádět páru a zbude mu kapacita na parovodíkovou směs s větším podílem vodíku. Výkon se zvýší i snížením teploty a zvýšením měrné hmotnosti.

3. Nebude už docházet k zahlcení a selhání odpouštění vodíku kondenzátem nebo vodíkem.

4. Zmenší se množství páry odpouštěné do barbotážní nádrže a tím i kondenzátu a zmenší se problémy s udržováním hladiny a se snižováním koncentrace H3BO3 v barbotážní nádrži.

I v případě úplného vyřazení chladiče z fúnkce zůstává výhoda toho, že nemůže dojít k zahlcení společného škrticího orgánu kondenzátem, a výhoda, že nebude snižována životnost společného škrtiče průtokem kondenzátu. Chladič však zůstává připraven k najetí pro případ zvýšené produkce vodíku, nebo pro jinou mimořádnou událost. Maximální výkon chladiče musí být navržen s ohledem na průřez odměřovacích clonek a na výšku sifonu, aby nedošlo k profouknutí sifonu.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 je zjednodušené schéma začlenění chlazeného kolektoru do schéma jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem.

Příklady uskutečnění technického řešení

Na obr. 1 je zjednodušené schéma začlenění chlazeného kolektoru do schéma jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem.

Vodík se uvolňuje varem vody v kompenzátoru 101 objemu při potřebě zvýšit tlak v primárním okruhu zapnutím topných těles 102. Při snižování tlaku se vstřikem 103 přivede nová neodplyněná voda.

Vodík vytvoří s parou parovodíkovou směs v parním polštáři kompenzátoru 101 objemu a tato směs vstupuje do potrubí 15 a pojistných ventilů 16, kde tepelnými ztrátami pára kondenzuje a vodík zde zůstává. Na místo zkondezované páry vstupuje další parovodíková směs a vše se opakuje. Aby nedošlo k chladnutí potrubí 15 a ventilů 16, musí být v odběrovém místě 11 odebírána parovodíková směs, tvořená takřka jenom parou, protože kdyby se čekalo, až v ní bude více vodíku, došlo by již poklesem parciálního tlaku páry k poklesu teploty.

Paroplynová směs je vedena od odběrového místa 11 odběrovými trubičkami 9 do sběrače 1 kde se slučuje s paroplynovou směsí z ostatních odběrových míst 11. Do každé odběrové trubičky 9 je vložena odměřovací clonka 10. Jejím úkolem je zajistit, že z každého odběrového místa 11 bude odváděno požadované množství parovodní směsi bez ohledu na rozdílné délky jednotlivých odběrových trubiček 9 a dále brání pulzování a následnému selhání pojistných ventilů 16.

Ze sběrače 1 vstupuje paroplynová směs do chladiče 3, kde požadovaná část páry zkondenzuje a paroplynová směs změní své složení a stane se bohatší na vodík a ochladí se. Tím stoupne výkon odpouštění vodíku a zmenší se problémy, které způsobuje odpouštění v barbotážní nádrži 108.

Parovodíková směs a kondenzát z ochlazené páry z chladiče 3 vstupují do rozdělovače 2, kde se oddělí obohacená parovodíková směs do škrtičového hrdla 5 a kondenzát do odvodňovacího hrdla 6.

Na škrtičové hrdlo 5 je přes vstupní ventil 7 připojen společný škrticí orgán 4 a z něj je

- 3 CZ 34446 UI parovodíková směs vedena přes výstupní ventil 8 výstupním potrubím 18 do výfukového potrubí 17 a s ním do rozptylovače 110 v barbotážní nádrži 108, na níž je pojistná membrána 109, jejíž protržení stlačeným vodíkem nahromaděným před pojistnými ventily 16 by hrozilo výbuchem.

Kondenzát z odvodňovacího hrdla 6 je odváděn odvodňovací trubkou 12 přes zavodňovací clonku 13 do sifonu 14 a z něj do spodní stěnou potrubí 15 do kompenzátoru 101 objemu.

Je také možné zavést odvodňovací potrubí přímo do hrdla 6 na kompenzátoru 101 objemu, hrdlo 6 však musí být v oblasti pod hladinou vodní náplně kompenzátoru 101 objemu.

V zjednodušeném schéma je ještě zakreslen reaktor 104, parogenerátor 105 a čerpadlo 111, které cirkulací vody vynáší teplo z reaktoru 104 a tím chladí reaktor 104 a vyrábí páru v parogenerátoru 105. Pára z parogenerátoru 105 je potom potrubím 106 vedena do turbíny a potrubím 107 je parogenerátor 105 napájen vodou.

Claims (4)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Chlazený kolektor pro odvod vodíku, vyznačující se tím, že se skládá ze sběrače (1), do něhož jsou zavedeny alespoň dvě odběrové trubičky (9) s odběrovými clonkami (10) od odběrových míst (11) vytvořených na prostorách (15) ohrožených shromažďováním vodíku, a z rozdělovače (2), na němž je vytvořeno škrtičové hrdlo (5) a odvodňovací hrdlo (6), přičemž na odvodňovací hrdlo (6) je odvodňovací trubkou (12) se zabudovanou zavodňovací clonkou (13) připojen sifon (14) zaústěný zespodu do prostoru (15) ohroženého shromažďováním vodíku.

2. Chlazený kolektor pro odvod vodíku podle nároku 1, vyznačující se tím, že odvodňovací trubka (12) je bez sifonu zaústěna pod úrovní hladiny kompenzátoru (101) objemu přímo do kompenzátoru (101) objemu, nebo do trubky s vodním prostorem kompenzátoru (101) objemu spojené.

3. Chlazený kolektor pro odvod vodíku podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že mezi sběrač (1) a rozdělovač (2) je vložen chladič (3).

4. Chlazený kolektor pro odvod vodíku podle nároku 1 a 2 a 3, vyznačující se tím, že na škrtičové hrdlo (5) je prostřednictvím vstupního ventilu (7) připojen společný škrticí orgán (4), jehož výstup je prostřednictvím výstupního ventilu (8) spojen s výfukovým potrubím (17) pojistných ventilů (16) a jeho prostřednictvím do barbotážní nádrže (108).