УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СИСТЕМЫ ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ОТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
DEVICE FOR AIR-COOLING SYSTEM FOR PASSIVE HEAT DISSIPATION FROM NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к области эксплуатации атомных электростанций повышенной безопасности, а именно к системам пассивного отвода тепла (СПОТ) от ядерного реактора, и может быть использовано в этих системах в случаях, когда при работающем ядерном реакторе теплообменники СПОТ должны находиться в нагретом состоянии.
В процессе работы атомной электростанции, которая имеет систему безопасности, выполненную в виде элементов, пассивно отводящих тепло от ядерного реактора, предполагается, чтобы теплообменники этой системы были постоянно нагреты с целью при необходимости максимально быстрого включения в работу всех элементов отвода тепла. В то же время в режиме ожидания системы безопасности нагретые теплообменники излучают тепло в атмосферу, снижая тем самым экономичность атомной электростанции.
Известна энергетическая установка, содержащая водо-водяной реактор с циркуляционными трубопроводами для горячего и охлажденного теплоносителя и систему для пассивного отвода тепла от парогенератора, имеющую воздуховод. В воздуховоде расположен теплообменник, подсоединенный к парогенератору, и верхний шибер, укрепленный над теплообменником, служащим для регулирования воздушной тяги [см., например, Патент Российской Федерации №2108630, МКИ G21C 15/18, публикация 10.04.98].
Данное техническое решение экономит тепло при закрытых лопатках верхних шиберов, но из-за технологических зазоров между лопатками и лопатками и корпусом шибера вследствие протечек горячего воздуха имеют место потери тепла в атмосферу.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора, содержащее вертикальные воздуховоды, радиально смонтированные на защитной цилиндрообразной оболочке, и установленные внутри воздуховодов теплообменники для охлаждения ядерного реактора. Над теплообменником и под теплообменником укреплены соответственно верхний шибер и нижний шибер, которые имеют поворотные лопатки [Патент Российской Федерации №2271585, МКИ G21C 15/18, публикация 10.03.2006].
Установка нижнего шибера, помимо верхнего, в воздуховоде системы пассивного отвода тепла позволила сократить протечки воздуха и, соответственно, потери тепла, выносимого протечками воздуха в атмосферу. Однако требования к экономии тепла энергоблоком таковы, что достигнутая экономия тепла при установке нижних шиберов недостаточна.
Задачей данного изобретения являются максимальное сокращение потери тепла, теряемого через воздуховоды системы пассивного отвода тепла в режиме ожидания, повышение эффективности работы атомной электростанции и сохранение первоначальной экологии окружающей среды в районе расположения атомной электростанции.
Для выполнения поставленной задачи предложено устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора, содержащее вертикальные воздуховоды, радиально смонтированные на защитной цилиндрообразной оболочке, и установленные внутри воздуховодов теплообменники для охлаждения ядерного реактора с верхним и нижним шиберами, имеющими поворотные лопатки. Согласно изобретению устройство снабжено приспособлением для теплоизоляции теплообменников, представляющим собой узел для подачи теплоизоляционного материала и узел для вытягивания теплоизоляционного материала с фиксатором, которые укреплены на воздуховоде снаружи на противоположных стенках, и направляющую для теплоизоляционного материала, установленную в воздуховоде между верхним шибером и теплообменником, один конец которой соединен с узлом для подачи теплоизоляционного материала, а другой конец соединен с узлом для вытягивания теплоизоляционного материала. Кроме этого, узел для подачи теплоизоляционного материала может состоять из установленного на витой пружине кручения барабана, на котором закреплен один конец теплоизоляционного материала, а узел для вытягивания теплоизоляционного материала может состоять из электролебедки с тросом, к которому закреплен другой конец теплоизоляционного материала. Кроме этого, фиксатор узла для вытягивания теплоизоляционного материала может быть кинематически связан с поворотными лопатками верхнего шибера.
Снабжение устройства для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора приспособлением для теплоизоляции теплообменников позволяет сократить протечки воздуха через теплообменники за счет того, что теплоизоляционный материал, которым перекрывается воздуховод, увеличивает гидравлическое сопротивление в воздуховоде и увеличивает тепловое сопротивление между нагретым воздухом и воздухом в воздуховоде выше теплоизоляции. В этом случае охлаждаемые воздухом теплообменники в режиме ожидания находятся в условиях, близких к температурам конденсируемого пара.
Выполнение узла для подачи теплоизоляционного материала в виде барабана, установленного на витой пружине кручения, обеспечивает пассивное сворачиванне теплоизоляционного материала в момент открывания шиберов.
Выполнение узла для вытягивания теплоизоляционного материала в виде электролебедки обеспечивает с помощью тросов перекрытие сечения воздуховода материалом из теплоизоляции и одновременное закручивание пружины барабана. Установка фиксатора на узле для вытягивания теплоизоляционного материала обеспечивает после окончательного перекрытия воздуховода теплоизоляционным материалом включение зацепления и удержания перекрывающего теплоизоляционного материала в натянутом состоянии, а также отсоединение барабана с тросами от редуктора электролебедки.
Кинематическое соединение фиксатора с поворотными лопатками верхнего шибера обеспечивает синхронное открывание лопаток шибера и накручивание теплоизоляционного материала на барабан.
Ниже приводится описание одного из многочисленно возможных вариантов выполнения устройства для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла (СПОТ) с приспособлением для теплоизоляции теплообменников, каждый из многочисленно возможных вариантов которых подчинен единому изобретательскому замыслу, отображенному в нижеприведенной формуле изобретения.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показана принципиальная схема воздуховода с приспособлением для теплоизоляции теплообменников;
на фиг.2 дан вид теплоизоляционного материала в развернутом состоянии;
на фиг.3 вид барабана с намотанным на него теплоизоляционным материалом.
Устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора состоит из вертикально установленных воздуховодов 1, которые смонтированы на защитной цилиндрообразной оболочке 2 по ее периметру. Внутри воздуховодов 1 расположены теплообменники 3 для охлаждения ядерного реактора, Оребренные трубки 4 теплообменников с одной стороны соединены с входным паровым коллектором 5, опирающимся на консоль 6, а с другой стороны соединены с выходным коллектором 7, опирающимся на консоль 8. Над и под теплообменником 3 установлены соответственно верхний 9 и нижний 10 шиберы с поворотными лопатками 11 и 12, соединенными с приводами, выполненными в данном случае в виде силовых электромагнитов, верхнего 13 и нижнего 14, электрически подсоединенных соответственно к системе 15 и 16 электропитания. Лопатки 11 и 12 могут быть укреплены на осях с эксцентриситетом, обеспечивающим вертикальное положение лопаткам 11 и 12 при отключенном электропитании на электромагниты 13 и 14. Между верхним шибером 9 и теплообменником 3 установлено приспособление для теплоизоляции теплообменника 3, представляющее собой узел для подачи теплоизоляционного материала 17 и узел для вытягивания теплоизоляционного материала 17. Узел для подачи теплоизоляционного материала 17 укреплен на воздуховоде 3 снаружи. Он представляет собой установленный на витой пружине 18 кручения барабан 19, на котором закреплен одним концом 20 теплоизоляционный материал 17. Узел для вытягивания теплоизоляционного материала 17 укреплен на противоположной стороне воздуховода 1 снаружи. Он представляет собой электролебедку 21, имеющую обгонную муфту 22, и накрученный на барабан трос 23, к которому закреплен другой конец 24 теплоизоляционного материала 17. Приспособление для теплоизоляции теплообменника 3 имеет также направляющую 25 для теплоизоляционного материала 17, которая установлена в проемах 26 и 27 воздуховода 1 между верхним шибером 9 и теплообменником 3 и которая соединяет между собой узел для подачи теплоизоляционного материала 17 и узел для вытягивания теплоизоляционного материала 17. Направляющая 25 представляет собой пару швеллеров, верхние 28 и нижние 29 полки которых расположены горизонтально и направлены в каждой паре швеллеров в противоположные стороны. Теплоизоляционный материал 17 выполнен в виде мата, основа которого состоит из сетки 30 с закрепленным на ней наполнителем 31, обшитой с обеих сторон прочным высокотемпературным тканым материалом 32. Края 33 теплоизоляционного материала 17 усилены П-образными скобами 34, на нижнем конце 35 которых закреплены парные подпружиненные ролики 36. Теплоизоляционный материал 17 расположен на верхних поверхностях верхних полок 28 швеллеров и поджат к ним со стороны нижней поверхности верхней полки 28 подпружиненными парными роликами 36. Ось 37 барабана 19 установлена таким образом, что его цилиндрическая поверхность 38 расположена несколько ниже уровня направляющей 25. На участке соединения теплоизоляционного материала 17 с тросом 23 электролебедки 21 установлен фиксатор, выполненный в виде Г-образной планки 39, отогнутый конец 40 которой предназначен для зацепления с кромкой 41 наклонной пластины 42, расположенной на выходе теплоизоляционного материала из воздуховода 1 у узла для вытягивания теплоизоляционного материала 17. Г-образная планка 39 кинематически соединена с поворотными лопатками 11 верхнего шибера 9 при помощи поводка 43, тяги 44, рычага 45 первого рода и толкателя 46. Узел для подачи теплоизоляционного материала 17 и узел для вытягивания теплоизоляционного материала 17 закрыты соответственно прочными и плотными коробами 47 и 48, которые являются одновременно и корпусом уплотнителя, исключающим протечки воздуха в воздуховод 1. Между направляющей 25 и теплообменником 3 в воздуховоде 1 установлен регулирующий шибер 49 с лопатками 50, поворачиваемыми при помощи силового цилиндра 51, подсоединенного к системе 52 подачи пара.
Устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора работает в двух режимах: в режиме ожидания и аварийном режиме.
В режиме ожидания предусматривается сокращение протечек воздуха через технологические зазоры между лопатками 11 и лопатками 11 и корпусом воздуховода 1 верхнего шибера 9 и лопатками 12 и лопатками 12 и корпусом воздуховода 1 нижнего шибера 10. В этом случае все лопатки повернуты в горизонтальное положение, которое поддерживается посредством прохождения электрического тока через верхний 13 и нижний 14 электромагниты. Оребренные трубки 4 теплообменника 3, входной 5 и выходной 7 паровые коллекторы заполнены паром и пароводяной смесью и находятся при температуре около 280-300°С. Лопатки 50 регулировочного шибера 49 повернуты в вертикальное положение. Теплоизоляционный материал 17 смотан с барабана 19 и полностью перекрывает сечение воздуховода 1. Для предотвращения парусности теплоизоляционного материала 17 от восходящего теплого потока воздуха на нем могут быть установлены с определенным шагом поперечные элементы, выполненные, например, в виде тавра жесткости 53. Отогнутый конец 40 Г-образной планки 39 фиксатора находится в зацеплении с кромкой 41 наклонной пластины 42, барабан с тросом 23 отсоединен от редуктора электролебедки 21 посредством обгонной муфты 22, а винтовая пружина 18 кручения барабана 19 находится в заведенном положении, обеспечивая тем самым натяжение теплоизоляционного материала 17. Тепловой поток воздуха, нагретый от теплообменника 3, проходит между лопатками 50 регулировочного шибера 49 и тормозится матами теплоизоляционного материала 17. Температура на внутренней поверхности мата со стороны теплообменника 3 не превышает 280°С, а температура на наружной поверхности мата находится в пределе 50-60°С. В этом режиме подсос атмосферного воздуха в воздуховод 1 и его выход из воздуховода 1 практически отсутствует благодаря закрытым верхним 9 и нижним 10 шиберам и перекрывающим воздуховод матам из теплоизоляционного материала 17. Происходит эффект тепловой блокировки теплообменника 3, в результате чего оребренные трубки 4 находятся при температуре нагрева, большей, чем при аварийной работе теплообменника 3. Этот эффект очень полезен при быстром включении в работу системы пассивного отвода тепла. Перегретые оребренные трубки 4 практически моментально и с большей эффективностью включаются в работу при экстренном раскрытии всего сечения воздуховода 1.
Аварийный режим (или режим плановой проверки работы устройства) включает в себя полное раскрытие сечения воздуховода 1. По превышению давления в парогенераторе или по команде с пульта обесточиваются электромагниты 13 и 14, удерживающие лопатки 11 и 12 верхнего и нижнего шиберов 9 и 10, вследствие чего лопатки 11 и 12 самопроизвольно поворачиваются и принимают вертикальное положение. По мере необходимости силовым цилиндром 51 регулирующего шибера 49 поворачивают лопатки 50, уменьшая или увеличивая между ними зазоры. При повороте лопаток 11 в вертикальное положение верхнего шибера 9 одновременно при помощи толкателя 46, рычага 45, тяги 44 и поводка 43 смещается отогнутый конец 40 Г-образной планки 39 с кромки 41 наклонной пластины 42, и теплоизоляционный материал 17 за счет реверса заведенной витой пружины 18 кручения обратно наматывается на барабан 19, полностью раскрывая сечение воздуховода 1. Трос 23 в этом случае самопроизвольно сматывается с барабана электролебедки 21.
Закрытие сечения воздуховода 1 осуществляется после ликвидации причин, вызвавших срабатывание приспособления для теплоизоляции теплообменника. При включении электрического двигателя электролебедки 21 обгонная муфта 22 вводит в зацепление барабан с редуктором электролебедки 21 и трос 23 начинает наматываться на барабан электролебедки 21. Теплоизоляционный материал 17 сматывается с барабана 19, заводя тем самым витую пружину 18 кручения, парные подпружиненные ролики 36 перекатываются по нижней поверхности верхних полок 28 швеллеров, перемещая маты теплоизоляционного материала 17. Теплоизоляционный материал 17 скользит по верхней поверхности верхних полок 28 до предварительной посадки Г-образной планки 39 отогнутым концом 40 под кромку 41 наклонной пластины 42, после чего концевым выключателем отключается электрический двигатель электролебедки 21 и происходит разъединение обгонной муфтой 22 барабана от редуктора электролебедки 21. Для более плавного окончания процесса сматывания теплоизоляционного материала 17 с барабана 19 они соединены между собой посредством пружинного амортизатора 54. Теплоизоляционный материал 17 полностью перекрывает сечение воздуховода 1 с постоянным натяжением матов и прижатием к нижним кромкам проемов 26 и27 с усилием, создаваемым пружиной 18 барабана 19. Торец барабана 19 усилен фланцем 55, к которому заделан один конец 56 витой пружины 18, а другой конец 57 витой пружины 18 заведен в отверстие оси 37 барабана 19. С целью ограничения поворота барабана 19 его ось 37 снабжена поворотной фиксирующей пластиной 58, служащей в крайних положениях барабана для прижатия к опоре 59, на которой укреплена ось 37 барабана 19. При повороте лопаток 11 в горизонтальное положение посредством толкателя 46, рычага 45 и тяги 44 поводок 43 окончательно подводит отогнутый конец 40 Г-образной планки 39 под кромку 41 наклонной пластины 42. Лопатки 12 нижнего шибера 10 и лопатки 11 верхнего шибера 9 поворачивают в горизонтальное положение и посредством силовых электромагнитов соответственно нижнего 14 и верхнего 13, подключенных к системе 16 и системе 15 электропитания, удерживаются. Таким образом фактически теплообменники 3 блокированы от окружающего воздуха матами теплоизоляционного материала 17, что способствует нормальному тепловому режиму работы строительных конструкций и уменьшению потерь тепла по сравнению с вышеописанным прототипом.
Технико-экономический эффект состоит в том, что АЭС, имеющая пассивную систему безопасности - «горячий» СПОТ, становится более экономичной.