RU2225646C2

RU2225646C2 - Device for condensing and cleaning steam-gas mixture primarily during accidents at nuclear power plants

Info

Publication number: RU2225646C2
Application number: RU2002114095/06A
Authority: RU
Inventors: вцев Б.К. Кудр; Б.К. Кудрявцев; А.А. Бордюговский; В.Д. Булынин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации АЭС"
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2004-03-10

Abstract

FIELD: nuclear power engineering; chemical, metallurgical, petrochemical, gas, and other industries. SUBSTANCE: device intended for cleaning steam or gas and also their mixtures has thin-walled vertical ferrule in the form of body of revolution disposed in drain tank yoke with water- and gas-outlet pipes, its hollow incorporating tangential steam-gas mixture inlet. The latter is made in the form of tangential scroll case enclosing external part of ferrule with perforated holes. Ferrule is installed in a spaced relation to tank bottom and drain tank is provided with means for condensate storage whose free surface level is above upper level of ferrule perforated holes and below its upper end. EFFECT: augmented steam condensation, enhanced amount of radionuclides and foreign inclusions entrapped, extended operating range and facilitated manufacture of device. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в химической, металлургической, нефтехимической, газодобывающей и других отраслях промышленности, когда необходима конденсация и очистка пара или газа, а также их смесей от посторонних примесей и токсичных включений. The invention relates to the field of nuclear energy and can be used in the chemical, metallurgical, petrochemical, gas and other industries, when condensation and purification of steam or gas, as well as their mixtures from foreign impurities and toxic inclusions, is necessary.

Известно устройство локализации аварии на атомной электростанции, имеющее герметичную оболочку, в которой размещены реактор с оборудованием, бассейн для охлаждающей жидкости и оборудование для конденсации пара. (См. авторское свидетельство СССР 537389, МПК G 21 С 13/20, 1974.) Оборудование для конденсации пара выполнено в виде барботера - опущенных в охлаждающую воду патрубков, сообщенных с полостью оболочки. A device is known for localizing an accident at a nuclear power plant, which has a sealed enclosure in which a reactor with equipment, a pool for coolant, and equipment for condensing steam are located. (See USSR author's certificate 537389, IPC G 21 С 13/20, 1974.) Equipment for steam condensation is made in the form of a bubbler - pipes lowered into cooling water connected to the shell cavity.

Недостатком указанного устройства является снижение эффективности конденсации пара при превышении значения его расхода через барботер над расчетным, необходимость строго вертикальной установки элементов оборудования и размещения патрубков на одном уровне, что усложняет технологию изготовления устройства. The disadvantage of this device is the decrease in the efficiency of steam condensation when the value of its flow rate through the bubbler exceeds the calculated one, the need for strictly vertical installation of equipment elements and placement of nozzles at the same level, which complicates the manufacturing technology of the device.

Известна также система локализации аварии на атомной электростанции, содержащая герметичную оболочку, в которой размещены реактор с оборудованием, бассейн для охлаждающей жидкости, воздушная ловушка, сообщенная с бассейном, паропроводы, сообщенные с полостью оболочки, и насадки, взаимодействующие с паропроводом своими входными участками и сообщенные с полостью бассейна своими выходными участками. (См. патент США 402655, НКИ G 176-38, 1977.)
Недостатком указанного устройства является снижение эффективности конденсации пара при превышении значения его расхода через насадки над расчетным расходом.There is also a known system for localizing an accident at a nuclear power plant, which contains a sealed enclosure containing a reactor with equipment, a coolant pool, an air trap in communication with the pool, steam pipelines communicating with the shell cavity, and nozzles interacting with the piping with their inlet sections and communicating with a pool cavity with its output sections. (See US patent 402655, NKI G 176-38, 1977.)
The disadvantage of this device is the decrease in the condensation efficiency of the steam when the value of its flow rate through the nozzle exceeds the calculated flow rate.

При увеличении расхода пара воздух и неконденсированный пар создают вокруг насадок газовую оболочку, препятствующую всасыванию воды через отверстия в зоне между входными и выходными участками насадок, что способствует увеличению количества неконденсированного пара и снижает надежность устройства в целом. With increasing steam consumption, air and non-condensed steam create a gas envelope around the nozzles, which prevents the absorption of water through the holes in the area between the inlet and outlet portions of the nozzles, which increases the amount of non-condensed steam and reduces the reliability of the device as a whole.

Известно также устройство для конденсации пара, содержащее бассейн, пароподводящий канал, имеющий вертикальный участок с торцевой горизонтальной пластиной, закрепленной с зазором относительно его выходного торца, который размещен под зеркалом воды, заполняющей бассейн. Вертикальный участок паропроводящего канала, размещенный под зеркалом воды, окружен цилиндрической обечайкой, которая своим нижним торцем образует кольцевой зазор с днищем бассейна. (См. авторское свидетельство СССР 1060053, МПК G 21 С 9/012, 1985.)
Хотя предложенное устройство позволяет интенсифицировать теплообмен в объеме бассейна за счет циркуляции воды в бассейне, но эффективность конденсации пара и степень улавливания радионуклидов в условиях аварий на АЭС остается здесь недостаточно высокой и полной.It is also known a device for condensation of steam, containing a pool, a steam supply channel having a vertical section with a horizontal end plate fixed with a gap relative to its output end, which is located under a mirror of water filling the pool. The vertical section of the vapor-conducting channel, placed under the water mirror, is surrounded by a cylindrical shell, which with its lower end forms an annular gap with the bottom of the pool. (See USSR author's certificate 1060053, IPC G 21 C 9/012, 1985.)
Although the proposed device allows to intensify heat transfer in the pool volume due to the circulation of water in the pool, the efficiency of steam condensation and the degree of capture of radionuclides in accident conditions at nuclear power plants remains insufficiently high and complete.

Известно также устройство для конденсации пара, содержащее емкость, в которой размещена вертикальная тонкостенная обечайка в виде тела вращения, с запасом воды, имеющая внутри тангенциальные наклонные патрубки. (См. патент США 4801424, НКИ 73-861.32, 1980.)
При вращательном движении пара относительно стенок обечайки в слое воды-конденсата, излишки которой сливаются в емкость, происходит более интенсивная конденсация пара и обеспечивается более высокая степень его очистки от радионуклидов, однако возможности использования данного метода конденсации пара и его очистки могут быть значительно расширены за счет мелкодисперсного дробления парогазовой смеси.A device for condensation of steam is also known, containing a container in which a vertical thin-walled shell in the form of a body of revolution is placed, with a supply of water, having tangential inclined nozzles inside. (See US Pat. No. 4,801,424, NKI 73-861.32, 1980.)
During the rotational movement of steam relative to the walls of the shell in the water-condensate layer, the excess of which merges into the tank, more intense condensation of the steam occurs and a higher degree of its purification from radionuclides is provided, however, the possibilities of using this method of steam condensation and its purification can be significantly expanded due to fine crushing of gas-vapor mixture.

Благодаря своим достаточно высоким эксплуатационным характеристикам и наличию ряда общих признаков последнее устройство выбрано в качестве прототипа. Due to its sufficiently high operational characteristics and the presence of a number of common features, the latter device is selected as a prototype.

В основу изобретения положены задачи интенсификации конденсации пара, более полного улавливания радионуклидов и посторонних включений. The basis of the invention is the task of intensifying condensation of steam, more complete capture of radionuclides and impurities.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для конденсации и очистки парогазовой смеси, преимущественно при авариях на атомных электростанциях, содержащее вертикальную тонкостенную обечайку в виде тела вращения, полость которой имеет тангенциальный подвод парогазовой смеси, размещенную в объеме сливной емкости с водоотводящем и газоотводящим патрубками, подвод парогазовой смеси выполнен в виде тангенциальной улитки, охватывающей наружную часть обечайки, снабженную перфорационными отверстиями, причем нижний торец обечайки образует кольцевой зазор с дном сливной емкости, которая снабжена средством для создания запаса конденсата с зеркалом свободной поверхности выше верхнего уровня перфорационных отверстий обечайки, но ниже ее верхнего торца. The essence of the invention lies in the fact that a device for condensation and purification of a gas-vapor mixture, mainly during accidents at nuclear power plants, containing a vertical thin-walled shell in the form of a body of revolution, the cavity of which has a tangential inlet of a gas-vapor mixture, placed in the volume of a drain tank with a water outlet and gas outlet pipes, the gas-vapor mixture is supplied in the form of a tangential scroll, covering the outer part of the shell equipped with perforations, the lower end of the shell ki forms an annular gap with the bottom of the downcomer barrel, which is provided with means for creating a reserve condensate free surface mirror above the upper level of the sleeve the perforations, but below its upper end.

Целесообразно для упрощения монтажа средство для создания запаса конденсата выполнить в виде вертикальной трубы, окружающей в сливной емкости водоотводящий патрубок, высота которой превышает верхний уровень перфорационных отверстий обечайки, но ниже ее верхнего торца. It is advisable to simplify the installation of the means for creating a stock of condensate in the form of a vertical pipe surrounding a drain pipe in the drain tank, the height of which exceeds the upper level of the perforation holes of the shell, but below its upper end.

Целесообразно для улучшения тангенциальной закрутки потока парогазовой смеси перфорационные отверстия обечайки выполнить в виде щелей, перпендикулярных к ее образующей. It is advisable to improve the tangential swirl of the vapor-gas mixture flow to perforate the shell holes in the form of slots perpendicular to its generatrix.

Целесообразно для улучшения тангенциальной закрутки потока парогазовой смеси перфорационные отверстия обечайки выполнить эллиптическими, причем большие оси эллиптических отверстий перпендикулярны к ее образующей. It is advisable to improve the tangential swirl of the vapor-gas mixture flow to make the perforation holes of the shell elliptical, with the large axis of the elliptical holes perpendicular to its generatrix.

Целесообразно для уменьшения гидравлического сопротивления перфорационные отверстия обечайки разместить в шахматном порядке. It is advisable to reduce the hydraulic resistance of the perforation holes of the shell to be staggered.

Мелкодисперсное дробление парогазового потока в перфорационных отверстиях обечайки многократно увеличивает площадь его взаимодействия с конденсатом (водой) во вращающемся воронкообразном слое внутри обечайки, что обеспечивается благодаря совместному использованию тангенциальной улитки и щелеподобных отверстий обечайки, которые создают хордообразный заход парогазового потока внутрь обечайки, сопровождающийся более интенсивной конденсацией пара. Finely dispersed crushing of the gas-vapor flow in the perforation holes of the shell many times increases the area of its interaction with condensate (water) in the rotating funnel-like layer inside the shell, which is ensured by the combined use of the tangential cochlea and the slit-like holes of the shell, which create a chordate gas-vapor flow inside the shell, accompanied by a more intense condensation couple.

Кроме того, поскольку в обечайке создана циркуляция конденсата (воды), увеличивается поверхность контакта примесей с водой, улучшается качество очистки пара от радионуклидов и посторонних примесей. In addition, since condensate (water) circulation is created in the shell, the contact surface of impurities with water increases, and the quality of steam cleaning from radionuclides and foreign impurities improves.

Отличительными признаками предлагаемого устройства по сравнению с прототипом являются следующие: подвод парогазовой смеси выполнен в виде тангенциальной улитки, охватывающей наружную часть обечайки, снабженную перфорационными отверстиями, причем нижний торец обечайки образует кольцевой зазор с дном сливной емкости, которая снабжена средством для создания запаса конденсата с зеркалом свободной поверхности выше верхнего уровня перфорационных отверстий обечайки, но ниже ее верхнего торца. Distinctive features of the proposed device in comparison with the prototype are the following: the vapor-gas mixture is made in the form of a tangential scroll, covering the outer part of the shell equipped with perforations, and the lower end of the shell forms an annular gap with the bottom of the drain tank, which is equipped with a means for creating a reserve of condensate with a mirror free surface above the upper level of the perforation holes of the shell, but below its upper end.

Особенностью предложенного устройства является также выполнение средства для создания запаса конденсата в виде вертикальной трубы, окружающей в сливной емкости водоотводящий патрубок, высота которой превышает верхний уровень перфорационных отверстий обечайки, но ниже ее верхнего торца. A feature of the proposed device is also the implementation of the means for creating a stock of condensate in the form of a vertical pipe surrounding a drain pipe in the drain tank, the height of which exceeds the upper level of the perforation holes of the shell, but below its upper end.

Особенностью предложенного устройства является также то, что перфорационные отверстия обечайки выполнены в виде щелей, перпендикулярных к ее образующей. A feature of the proposed device is also that the perforation holes of the shell are made in the form of slots perpendicular to its generatrix.

Особенностью предложенного устройства является также то, что перфорационные отверстия обечайки выполнены эллиптическими, причем большие оси эллиптических отверстий перпендикулярны к ее образующей. A feature of the proposed device is also that the perforation holes of the shell are elliptical, with the large axis of the elliptical holes perpendicular to its generatrix.

Особенностью предложенного устройства является также то, что перфорационные отверстия обечайки размещены в шахматном порядке. A feature of the proposed device is also that the perforation holes of the shell are staggered.

На фиг. 1 схематически изображено устройство для конденсации и очистки паровоздушной смеси в его фронтальном сечении. На фиг.2 схематически изображено устройство конденсации и очистки паровоздушной смеси в его горизонтальном сечении. In FIG. 1 schematically shows a device for condensation and purification of a vapor-air mixture in its frontal section. Figure 2 schematically shows a device for condensation and purification of the vapor-air mixture in its horizontal section.

Обозначения позиций на чертежах:
1 - защитная оболочка;
2 - реактор с оборудованием;
3 - сливная емкость;
4 - конденсат (вода);
5 - водоотводящий патрубок;
6 - газоотводящий патрубок;
7 - вертикальная тонкостенная обечайка;
8 - перфорационные отверстия;
9 - тангенциальная улитка;
10 - трубопровод подвода паровоздушной смеси;
11 - кольцеобразный зазор;
12 - средство для создания запаса конденсата (вертикальная труба).Designations of positions in the drawings:
1 - a protective shell;
2 - reactor with equipment;
3 - drain tank;
4 - condensate (water);
5 - drain pipe;
6 - gas outlet pipe;
7 - vertical thin-walled shell;
8 - perforation holes;
9 - tangential snail;
10 - pipeline for supplying steam-air mixture;
11 - an annular gap;
12 - means for creating a stock of condensate (vertical pipe).

В защитной оболочке 1, где находятся реактор с оборудованием 2, расположена емкость 3 для конденсата (воды) 4 с водоотводящим 5 и газоотводящим 6 патрубками, внутри которой размещена вертикальная тонкостенная обечайка 7 в виде тела вращения, внутренняя полость которой сообщается через ряды поясов перфорационных отверстий 8 с полостью тангенциальной улитки 9, соединенной с подводящим паровоздушную смесь трубопроводом 10. Верхний торец обечайки 7 возвышается над уровнем конденсата 4, а нижний торец образует с днищем емкости 3 кольцеобразный зазор 11, так что внутренняя полость обечайки 7 является проточной трубой. В качестве средства для создания запаса конденсата 4 в емкости 3, которое обеспечивает необходимой его уровень, служит вертикальная труба 12, окружающая водоотводящий патрубок 5. Форма, расположение и размеры перфорационных отверстий во многом определяют работу устройства. Они могут быть эллиптическими, щелеобразными и расположенными на поверхности обечайки 7 в шахматном порядке (который выгоден с точки зрения более плотной компоновки отверстий 8). При необходимости газоотводящий патрубок 6 может быть соединен с воздушной ловушкой (не показана). In the protective shell 1, where the reactor with equipment 2 is located, there is a condensate (water) tank 3 with a water outlet 5 and gas outlet 6 pipes, inside of which there is a vertical thin-walled shell 7 in the form of a body of revolution, the inner cavity of which communicates through the rows of perforation holes 8 with the cavity of the tangential cochlear 9 connected to the pipeline 10 supplying the steam-air mixture 10. The upper end of the shell 7 rises above the level of the condensate 4, and the lower end forms an annular gap with the bottom of the tank 3 p 11, so that the inner cavity of the shell 7 is a flow pipe. As a means to create a reserve of condensate 4 in the tank 3, which provides its necessary level, is a vertical pipe 12 surrounding the drain pipe 5. The shape, location and size of the perforations largely determine the operation of the device. They can be elliptical, slit-like and located on the surface of the shell 7 in a checkerboard pattern (which is advantageous in terms of a denser arrangement of holes 8). If necessary, the exhaust pipe 6 can be connected to an air trap (not shown).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При возникновении аварии, в результате натекания пара из первого контура реактора 2 под герметичную оболочку 1, давление под оболочкой 1 и в паропроводе 10 растет, вода вытесняется из полости тангенциальной улитки и смесь аварийного пара с воздухом через перфорационные отверстия 8 тонкостенной обечайки 7 поступают в ее полость. Тангенциальный вдув паровоздушной смеси через перфорационные отверстия 8 в полость обечайки 7 создает на внутренней поверхности обечайки 7 вращающийся кольцевой слой воды с внутренней газовой полостью. В слое воды на выходе из каждого перфорационного отверстия 8 образуются паровоздушные пузыри, в которых в условиях интенсивной циркуляции смеси происходит полная конденсация пара с одновременным отводом воздуха во внутреннюю газовую полость воронки, образованную вращающейся водой. In the event of an accident, as a result of the leakage of steam from the primary circuit of the reactor 2 under the hermetic shell 1, the pressure under the shell 1 and in the steam line 10 increases, water is displaced from the cavity of the tangential cochlea and the mixture of emergency steam with air through the perforations 8 of the thin-walled shell 7 enters it cavity. The tangential injection of the vapor-air mixture through the perforations 8 into the cavity of the shell 7 creates a rotating ring layer of water with an internal gas cavity on the inner surface of the shell 7. Steam bubbles form in the water layer at the outlet of each perforation hole 8, in which, under the conditions of intensive circulation of the mixture, complete condensation of the steam takes place with the simultaneous removal of air into the internal gas cavity of the funnel formed by the rotating water.

Вращающийся слой отработанной воды через верхний торец обечайки 7 сливается в емкость 3, а воздух поступает через газоотводящий патрубок 6 в воздушную ловушку. Подпитка вращающегося слоя жидкости холодной водой осуществляется через нижний торец обечайки 7, установленный с кольцевым зазором 11 относительно дна емкости 3. A rotating layer of waste water through the upper end of the shell 7 is discharged into the tank 3, and air enters through the gas outlet pipe 6 into the air trap. The rotating layer of liquid is fed with cold water through the lower end of the shell 7, which is installed with an annular gap 11 relative to the bottom of the tank 3.

Локализация аварии сопровождается изменением количества и состава паровоздушной смеси, протекающей через устройство, что влечет за собой изменение циркуляции охлаждающей жидкости и приводит к независимости процесса конденсации пара от концентрации воздуха в паровоздушной смеси. Localization of the accident is accompanied by a change in the quantity and composition of the vapor-air mixture flowing through the device, which entails a change in the circulation of the coolant and leads to the independence of the steam condensation process from the air concentration in the vapor-air mixture.

Благодаря размещению обечайки 7 с зазором относительно дна емкости 3, созданию в ней запаса воды 4 с определенной высотой зеркала свободной поверхности, снабжению обечайки 7 рядом поясов перфорационных отверстий 8, которые охвачены полостью тангенциальной улитки 9, соединенной с патрубком паропровода 10, интенсифицируется конденсация пара, отвод воздуха и повышается надежность работы системы в целом. Due to the placement of the shell 7 with a gap relative to the bottom of the tank 3, the creation of a reserve of water 4 with a certain height of the mirror of the free surface, the supply of the shell 7 with a number of belts of perforations 8, which are covered by the cavity of the tangential cochlear 9 connected to the pipe branch 10, steam condensation is intensified, air removal and increases the reliability of the system as a whole.

Кроме того, в качестве средств реализации поставленной цели используются простые конструкции, имеющие незначительную металлоемкость, а использование конденсата в качестве охлаждающей воды не требует больших ее запасов. In addition, simple constructions having insignificant metal consumption are used as a means of realizing the goal, and the use of condensate as cooling water does not require large reserves.

Claims

1. A device for condensation and purification of a gas-vapor mixture, mainly during accidents at nuclear power plants, containing a vertical thin-walled shell in the form of a body of revolution, the cavity of which has a tangential inlet of the gas-vapor mixture, placed in the volume of the drain tank with drainage and exhaust pipes, characterized in that the supply gas-vapor mixture is made in the form of a tangential cochlea, covering the outer part of the shell, equipped with perforations, and the lower end of the shell forms rings second gap with the bottom of the downcomer barrel, which is provided with means for creating a reserve condensate free surface mirror above the upper level of the sleeve the perforations, but below its upper end.

2. The device for condensation and purification of a gas-vapor mixture according to claim 1, characterized in that the means for creating a stock of condensate is made in the form of a vertical pipe surrounding a drain pipe in the drain tank, the height of which exceeds the upper level of the perforation holes of the shell, but below the upper end.

3. The device for condensation and purification of a gas-vapor mixture according to claim 1 or 2, characterized in that the perforation holes of the shell are made in the form of slots perpendicular to its generatrix.

4. A device for condensation and purification of a gas-vapor mixture according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the perforation holes of the shell are elliptical, with the large axis of the elliptical holes perpendicular to its generatrix.

5. A device for condensation and purification of a gas-vapor mixture according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the perforation openings of the shell are staggered.