СПОСОБ И СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА И ВОДОРОДА В РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКЕ И ЯДЕРНАЯ РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА
METHOD AND SYSTEM FOR CONTROL OF CONCENTRATION OF OXYGEN AND HYDROGEN IN REACTOR AND NUCLEAR REACTOR PLANT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ядерной энергетики и ядерных реакторных установок, в частности, к ядерным реакторным установкам с жидкометаллическими теплоносителями. В то же время настоящее изобретение также может применяться и в реакторных установках различного рода, не являющихся ядерными.
Уровень техники
Одной из основных проблем ядерных реакторных установок с жидкометаллическими теплоносителями является коррозия конструкционных материалов, из которых выполнен реактор. Для предотвращения коррозии может применяться метод формирования защитных оксидных покрытий, от целостности которых зависит коррозионная стойкость материалов, из которых выполнен реактор, например, стали.
Отметим, что указанная проблема также может появляться как в ядерных реакторных установках с теплоносителями, не являющимися жидкометаллическими, так и в реакторных установках, не являющихся ядерными. Хотя настоящее изобретение описано по отношению к ядерным реакторным установкам с жидкометаллическими теплоносителями, оно также может применяться как в ядерных реакторных установках с теплоносителями, не являющимися жидкометаллическими, так и в реакторных установках, не являющихся ядерными.
Для формирования оксидных пленок может применяться кислород. В патенте RU 2246561 (опубликован 20.02.2005) раскрыты способ и устройство для растворения оксидов теплоносителя в виде гранул в теплоносителе, что обеспечивает повышение концентрации кислорода в теплоносителе. Ввиду того, что железо, хром и другие компоненты конструкционных материалов имеют большее химическое сродство к кислороду, чем компоненты теплоносителя, такие как свинец и/или висмут, кислород, введенный в жидкометаллический теплоноситель в виде оксидов компонентов теплоносителя, будет окислять компоненты конструкционных материалов и при соответствующей концентрации кислорода образовывать защитные оксидные пленки на поверхности стенок реактора. Для обеспечения такого эффекта концентрация кислорода в теплоносителе должна поддерживаться в соответствующих пределах, зависящих от конструкции реактора и использованных в ней конструкционных материалов, а также от вида и состава теплоносителя.
В том случае, если концентрация кислорода в теплоносителе будет иметь чрезмерно высокое значение, может начаться кислородная коррозия конструкционных материалов, что приводит к снижению срока эксплуатации реактора, появлению риска протечки теплоносителя, повышенному накоплению в теплоносителе твердофазных отложений и т.п. Для снижения чрезмерно высокой концентрации кислорода в теплоносителе, к которой могла привести, например, разгерметизация реактора и проникновение внутрь него атмосферного воздуха или выполнения регламентных работ, в ходе которых было допущено чрезмерное повышение концентрации кислорода в теплоносителе, или для проведения очистки теплоносителя возможно использовать газообразный водород, вводимый в теплоноситель. Подобное решение и устройство для его реализации представлены в патенте RU 2247435 (опубликован 27.02.2005).
При вводе в теплоноситель водорода концентрация кислорода снижается вследствие взаимодействия кислорода с водородом и образования паров воды. В том случае, если концентрация кислорода в теплоносителе принимает чрезмерно низкое значение, а это может произойти как вследствие чрезмерного объема водорода, введенного в теплоноситель, так и диффундирования компонентов конструкционных материалов в теплоноситель и их взаимодействия с растворенным в теплоносителе кислородом, может произойти растворение защитных оксидных покрытий, что резко усилит коррозию конструкционных материалов реактора компонентами теплоносителя. Для предотвращения коррозии и повышения концентрации кислорода вновь могут быть использованы вышеуказанные способ и устройство по патенту RU 2246561.
Таким образом, для надлежащего регулирования концентрации кислорода достаточно применения двух способов, в частности, повышения концентрации в теплоносителе кислорода и повышения концентрации в теплоносителе водорода, при котором концентрация кислорода в теплоносителе снижается. Однако для устройств, реализующих эти способы, известных из уровня техники, характерна проблема, заключающаяся в возможности совместного выполнения этих способов, что приводит к невозможности изменения концентрации кислорода в таком совместном режиме осуществления способов, а значит к сохранению риска коррозии конструкционных материалов реактора, а также к бесполезному и неоправданному расходу запасов оксидов компонентов теплоносителя, предназначенных для повышения концентрации кислорода в теплоносителе. Объем оксидом компонентов теплоносителя внутри реактора (в теплоносителе) ограничен, а его пополнение связано со снижением безопасности реактора в связи с необходимостью его разгерметизации, а также с выведением реактора из эксплуатации. Таким образом, недостатки уровня техники приводят к снижению безопасности и сроков эксплуатации реакторных установок.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства регулирования концентрации водорода и/или кислорода в реакторной установке, в частности, в теплоносителе ядерной реакторной установки, не имеющих недостатков, присущих уровню техники. В частности, задачей настоящего изобретения предотвращение бесполезного и неоправданного расхода запасов оксидов компонентов теплоносителя, предназначенных для повышения концентрации кислорода в теплоносителе. В связи с этим перед изобретением стоит задача предотвращения подачи водорода в теплоноситель во время осуществления насыщения теплоносителя кислородом, а также предотвращение насыщения теплоносителя кислородом при вводе в теплоноситель водорода.
Задача настоящего изобретения решается с помощью способа регулирования концентрации кислорода и/или водорода в теплоносителе реакторной установки, имеющей в своем составе реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя, массообменный аппарат, установленный в теплоносителе, вмещающий твердофазные оксиды теплоносителя (или его компонентов) и выполненный с возможностью протекания через него теплоносителя, устройство ввода газа в теплоноситель (например, диспергатор), установленное частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненное с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, и датчик концентрации кислорода в теплоносителе.
Указанный способ содержит следующие шаги: оценивают концентрацию кислорода в теплоносителе на основании данных от датчика концентрации кислорода в теплоносителе; сравнивают оценку концентрации кислорода в теплоносителе с верхним и нижним допустимыми значениями; в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе больше верхнего допустимого значения, проверяют, активирован ли массообменный аппарат и/или деактивируют его и/или подают сигнал о необходимости его деактивации, а из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя подают газ, содержащий водород и/или активируют устройство ввода газа в теплоноситель; в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше нижнего допустимого значения, проверяют, деактивировано ли устройство ввода газа в теплоноситель и/или прекращена ли подача ли в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, и/или деактивируют устройство ввода газа в теплоноситель и/или прекращают подачу в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, и/или подают сигнал о необходимости деактивации устройства ввода газа в теплоноситель и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, и/или подачи в объем около теплоносителя газа, не содержащего водород, и активируют массообменный аппарат.
В дополнение к прекращению подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего водород, в объем около теплоносителя из газовой системы в некоторых вариантах могут подавать газ, не содержащий водород.
В том случае, если после подачи газа, содержащего водород, и/или активации устройства ввода газа в теплоноситель оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или ниже верхнего допустимого значения, возможно осуществление деактивации устройства ввода газа в теплоноситель и/или прекращение подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего водород. В дополнение к прекращению подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего водород, в объем около теплоносителя из газовой системы в некоторых случаях могут подавать газ, не содержащий водород.
В том случае, если после активации массообменного аппарата оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или выше нижнего допустимого значения, то возможна деактивация массообменного аппарата.
На решение задачи настоящего изобретения также направлена система регулирования концентрации кислорода и/или водорода в теплоносителе реакторной установки, имеющей в своем составе реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя, массообменный аппарат, установленный в теплоносителе, вмещающий твердофазные оксиды теплоносителя (или его компонентов) и выполненный с возможностью протекания через него теплоносителя, устройство ввода газа в теплоноситель (например, диспергатор), установленное частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненное с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, и датчик концентрации кислорода в теплоносителе.
Система регулирования содержит: модуль оценки концентрации кислорода в теплоносителе, выполненный с возможностью получения данных от датчика концентрации кислорода в теплоносителе, оценки на основании полученных данных концентрации кислорода в теплоносителе и передачи оценки концентрации кислорода в теплоносителе в модуль сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением; модуль сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением, выполненный с возможностью получения оценки концентрации кислорода в теплоносителе из модуля оценки концентрации кислорода в теплоносителе и сравнения ее с верхним и нижним допустимыми значениями; модуль управления массообменным аппаратом, выполненный с возможностью активации массообменного аппарата в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше нижнего допустимого значения и если деактивировано устройство ввода газа в теплоноситель и/или в объем около теплоносителя не подают газ, содержащий водород; и модуль управления газовой системой и/или устройством ввода газа в теплоноситель, выполненный с возможностью обеспечения подачи из газовой системы газа, содержащего водород, в объем около теплоносителя и/или активации устройства ввода газа в теплоноситель в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе выше верхнего допустимого значения и если деактивирован массообменный аппарат.
Система регулирования в некоторых вариантах осуществления может содержать модуль формирования сигнала предупреждения, выполненный с возможностью формирования сигнала предупреждения о необходимости деактивации массообменного аппарата, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе выше верхнего допустимого значения, а массообменный аппарат находится в активированном состоянии, и/или с возможностью формирования сигнала предупреждения о необходимости деактивации устройства ввода газа в теплоноситель и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, и/или подачи в объем около теплоносителя газа, не содержащего водород, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше нижнего допустимого значения, а устройство ввода газа в теплоноситель активировано и в объем около теплоносителя подают газ, содержащий водород.
В некоторых вариантах осуществления модуль управления массообменным аппаратом может быть выполнен с возможностью деактивации массообменного аппарата в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или выше нижнего и/или верхнего допустимого значения, и/или в том случае, если из модуля управления газовой системой и/или устройством ввода газа в теплоноситель получен сигнал о необходимости деактивации массообменного аппарата.
Модуль управления газовой системой и/или устройством ввода газа в теплоноситель в некоторых вариантах осуществления может быть выполнен с возможностью деактивации устройства ввода газа в теплоноситель и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего водород, в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или ниже верхнего и/или нижнего допустимого значения, и/или в том случае, если из модуля управления массообменным аппаратом получен сигнал о необходимости деактивации устройства ввода газа в теплоноситель и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа. Кроме того, модуль управления газовой системой и/или устройством ввода газа в теплоноситель может быть выполнен с возможностью подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, не содержащего водород.
На решение задачи настоящего изобретения также направлена ядерная реакторная установка, имеющая в своем составе: реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя, массообменный аппарат, установленный в теплоносителе, вмещающий твердофазные оксиды теплоносителя (или его компонентов) и выполненный с возможностью протекания через него теплоносителя, устройство ввода газа в теплоноситель (например, диспергатор), установленное частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненное с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, датчик концентрации кислорода в теплоносителе. В соответствии с изобретением реакторная установка выполнена с возможностью управления концентрацией водорода в теплоносителе в соответствии со способом по любому из вышеописанных вариантов и/или с помощью системы по любому из вышеописанных вариантов.
Благодаря настоящему изобретению удается обеспечить способ и устройство регулирования концентрации водорода и/или кислорода в реакторной установке, в частности, в теплоносителе ядерной реакторной установки, не имеющих недостатков, присущих уровню техники. Достигается такой технический результат, как предотвращение бесполезного и неоправданного расхода запасов оксидов компонентов теплоносителя, предназначенных для повышения концентрации кислорода в теплоносителе. В частности, обеспечивается получение таких технических результатов, как предотвращение подачи водорода в теплоноситель во время осуществления насыщения теплоносителя кислородом, а также предотвращение насыщения теплоносителя кислородом при вводе в теплоноситель водорода. Кроме того, обеспечено безопасное переключение между режимами регулирования состава и концентрации примесей, таких как водород и кислород, в теплоносителе. Это позволяет повысить безопасность, надежность и срок эксплуатации реакторной установки.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен схематичный вид реакторной установки в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 показан вариант выполнения массообменного аппарата.
На фиг. 3 показан вариант выполнения диспергатора.
На фиг. 4 показан вариант выполнения датчика концентрации кислорода в теплоносителе.
На фиг. 5 показана блок-схема способа регулирования концентрации водорода и кислорода в теплоносителе в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 6 показана структурная схема одного из вариантов выполнения устройства регулирования концентрации водорода и кислорода в теплоносителе в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение применимо в реакторной установке (например, ядерной реакторной установке), имеющей в своем составе, как показано в одном из примеров в схематичном виде на фиг. 1, реактор 101, теплоноситель 104, газовую систему 108, массообменный аппарат 114, диспергатор 112 с выводом 113 питания и управления, и датчик 110 концентрации кислорода в теплоносителе 104 с выводом 111.
Реактор 101 представляет собой емкость, стенки 102 которой выполнены из конструкционных материалов, обладающих достаточной механической, термической, радиационной и другими видами стойкостей, необходимых для безопасной работы реакторной установки, например, таких как сталь. Безопасность работы реакторных установок имеет особое значение ввиду того, что в реакторе 101 в активной зоне 103 располагаются радиоактивные материалы, которые в ходе радиоактивного деления высвобождают энергию. По меньшей мере, часть этой энергии в виде тепла передается в теплоноситель 104, имеющийся в реакторе и контактирующий с активной зоной (то есть, радиоактивные материалы преимущественно располагаются в теплоносителе), и далее переносится в теплообменник 107, в котором тепловая энергия передается другим материалам (например, воде, пару или другим теплоемким материалам), в некотором удалении от источника радиоактивного излучения. Теплообменник может представлять собой в некоторых вариантах парогенератор, предназначенный для производства пара, который может использоваться далее для нагрева других сред или для приведения в действие турбин. Далее, после теплообменника 107 в коммуникациях за пределами реактора, тепловая энергия передается без опасности радиационного заражения, которая, таким образом, концентрируется в пределах реактора. В связи с этим, ввиду тяжелых, нежелательных и длительных последствий радиоактивного заражения окружающих территорий прочности и безопасности эксплуатации реактора придается особое значение. Для обеспечения продолжительного и эффективного процесса передачи тепла из активной зоны 103 в теплообменник 107 в реакторе предпочтительно осуществляют циркуляцию теплоносителя в реакторе 101 - в контуре, охватывающем активную зону и теплообменник. Для обеспечения циркуляции могут использоваться насосы (на фиг. 1 не показаны).
Одним из важных факторов сохранения прочности реактора 101 во времени является предотвращение или ослабление до допустимого уровня коррозии конструкционных материалов, из которых выполнены его стенки 102 и арматурные, крепежные, прочностные и другие элементы реактора 101. Указанный фактор должен учитываться и в том случае, если в качестве теплоносителя 104 используется теплоноситель из жидких металлов, таких как натрий, литий, свинец, висмут и т.п. Тяжелые металлы (свинец, висмут) имеют преимущество перед легкими ввиду их повышенной безопасности, в частности, по критерию пониженной пожароопасности.
Кроме того, теплоносители, выполненные с использованием тяжелых металлов, имеют также такое преимущество, как устойчивость их свойств при попадании в них воды. Естественно, что физико-химический свойства такого теплоносителя будут изменяться при попадании в него воды, однако такие изменения будут незначительными и позволят продолжать эксплуатацию и далее. Это может быть полезно для повышения безопасности реакторной установки ввиду возможных аварий или протечек оборудования, в котором находится или протекает вода в жидком виде или в виде пара - например, такого оборудования, как теплообменники или парогенераторы. Даже если теплообменник или парогенератор будет иметь неисправность в виде течи, то реакторная установка может эксплуатироваться далее до того момента, когда настанет удобный момент для ремонта или замены неисправного (протекающего) оборудования, поскольку теплоноситель с использованием тяжелых металлов допускает такой режим работы в силу незначительной (некритичной) зависимости своих физико-химических свойств от привнесения воды в жидком или парообразном виде.
Для уменьшения коррозионного воздействия на конструкционные материалы реактора перспективным считается создание оксидных пленок на границе теплоносителя и конструкционного материала, например, с помощью подачи в теплоноситель кислорода или кислородосодержащих материалов, которые могут быть перенесены теплоносителем к стенкам реактора, где кислород может вступить в химическое соединение с конструкционным материалом (которым может быть, например, сталь) и образовать оксид в форме оксидной пленки на поверхности конструкционного материала. Дополнительным преимуществом использования такой защиты от коррозии является снижение интенсивности теплообмена между теплоносителем и стенками реактора за счет пониженной теплопроводности оксидов. Ввод кислорода (в частности, кислородосодержащих соединений) в теплоноситель и повышение его концентрации могут быть обеспечены с помощью массообменного аппарата 114, установленного в теплоносителе 104.
Массообменный аппарат может представлять собой контейнер, в котором расположены твердофазные оксиды теплоносителя. Например, в том случае, когда теплоноситель состоит из свинца и/или висмута, массообменный аппарат может содержать твердофазные оксиды свинца и/или висмута, например, в форме гранул. Указанные твердофазные оксиды могут растворяться в теплоносителе и благодаря тому, что они представляют собой оксиды компонентов теплоносителя, эффект будет в определенной степени аналогичен проникновению кислорода из газовой среды и окисления указанных компонентов, однако в данном случае имеется возможность управления интенсивностью этого процесса. Для того, чтобы происходило растворение твердофазных оксидов компонентов теплоносителя в теплоносителе необходимо, чтобы теплоноситель протекал через массообменный аппарат. Для обеспечения этого корпус массообменного аппарата, в котором вмещаются оксиды компонентов теплоносителя, например, в гранулированной форме, имеет отверстия, через которые протекает теплоноситель.
Эффективность (скорость) растворения твердофазных оксидов компонентов теплоносителя в теплоносителе зависит, в частности, от скорости протекания теплоносителя через массообменный аппарат. Для регулирования скорости протекания теплоносителя через массообменный аппарат в нем или в той части емкости реактора, в которой расположен массообменный аппарат, может быть предусмотрен, например, насос, который может прокачивать теплоноситель с различной скоростью, и работа этого насоса может регулироваться извне (дистанционно). Скорость протекания теплоносителя через массообменный аппарат может регулироваться нагревателем, который нагревает теплоноситель и благодаря этому осуществляется его конвекция. Работа нагревателя может регулироваться извне (дистанционно). Применение нагревателя имеет преимущество перед насосом ввиду того, что нагреватель не имеет движущихся элементов, что особенно важно для повышения срока службы массообменного аппарата и безопасности реактора в целом ввиду работы массообменного аппарата (а значит и нагревателя или насоса) в горячем теплоносителе при высокой радиационной активности.
Эффективность (скорость) растворения твердофазных оксидов компонентов теплоносителя в теплоносителе также зависит, в частности, от объема и площади поверхности твердофазных оксидов компонентов теплоносителя, с которыми контактирует теплоноситель, и объем емкости, в которой находятся указанные оксиды (например, в форме гранул) и через которую протекает теплоноситель, может регулироваться с помощью клапанов или вентилей, которые могут управляться дистанционно, например, с помощью электропривода.
Кроме того, эффективность (скорость) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе также зависит, в частности, от температуры взаимодействующих теплоносителя и/или твердофазных компонентов теплоносителя. Их температура может также регулироваться, например, с помощью нагревателя, работа которого может регулироваться извне реактора (дистанционно).
Таким образом, существует множество различных способов регулирования эффективности (скорости) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе, некоторые из которых описаны выше. В настоящем изобретении все эти способы собирательно описываются как «активация» («активировать») массообменного аппарата, поскольку при этом происходит повышенное растворение твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе. В «неактивированном» («деактивированном») состоянии, то есть, например, когда насос или нагреватель, увеличивающие поток теплоносителя через массообменный аппарат, отключены, или когда, например, клапаны или вентили переведены в такое положение, что теплоноситель омывает минимальное количество твердофазных компонентов теплоносителя или не омывает их совсем, или когда нагреватель, предназначенный для повышения температуры теплоносителя и/или твердофазных компонентов теплоносителя с целью повышения эффективности их взаимодействия, отключен (приведены примеры в соответствии с вышеописанными способами повышения эффективности (скорости) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе; при использовании других способов неактивированное или деактивированное состояние определяется по соответствующей минимальной эффективности (скорости) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе), эффективность (скорость) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе может быть минимальна или равна нулю (в общем случае она может иметь некоторое значение в силу того, что теплоноситель может проходить через массообменный аппарат в силу общей циркуляции в реакторе (а не за счет побуждения потока дополнительными вышеописанными способами), а текущая температура взаимодействия может обеспечивать некоторое растворение сама по себе (а не за счет, например, дополнительного нагрева)).
Следовательно, когда применяется термин «активировать» массообменный аппарат, это означает, что включаются средства, которые обеспечивают повышение эффективности (скорости) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе. В обратном случае, когда применяется термин «деактивировать» массообменный аппарат, это означает, что средства, которые обеспечивают повышение эффективности (скорости) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе, включаются или переводятся в положение, при котором указанная эффективность (скорость) имеет минимально возможное значение.
Активация/деактивация может обеспечивать два или более состояний активности оборудования. При двух состояниях, когда массообменный аппарат может иметь минимальную (или нулевую) активность и максимальную активность, регулирование поступающего в теплоноситель кислорода может регулироваться временем, в течение которого массообменный аппарат находится в состоянии максимальной активности. При большем количестве возможных задаваемых состояний активности массообменного аппарата также может регулироваться скорость поступления кислорода в теплоноситель (то есть объем растворяемых твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе за единицу времени). В предельном случае может быть предусмотрено не дискретное, а аналоговое, непрерывное по величине, регулирование активности массообменного аппарата, что еще больше увеличивает возможности по регулированию скорости (эффективности) растворения твердофазных компонентов теплоносителя в теплоносителе, что дополнительно повышает точность регулирования.
На фиг. 2 показан один из возможных вариантов выполнения массообменного аппарата. В состав массообменного аппарата входит емкость, образованная корпусом 201, ограниченная днищем 202 и крышкой 203. В емкости размещены, проточная реакционная камера 210, расположенная внутри емкости ниже уровня теплоносителя и ограниченная сверху перфорированной решеткой 204. Ограничивающая решетка 204 предназначена для удерживания твердофазного гранулированного средства окисления 206 от всплытия под действием выталкивающей силы. Через ограничивающую решетку 204 и отверстия 207 в стенке корпуса 201, размещенные в верхней части стенки корпуса 201 над ограничивающей решеткой 204, обогащенный кислородом теплоноситель выходит из массообменного аппарата и смешивается с теплоносителем основного контура установки.
Твердофазное средство окисления 206 (в частном варианте твердофазные оксиды компонентов теплоносителя), помещенное под решеткой 204, при взаимодействии с теплоносителем растворяется, обогащая теплоноситель кислородом. Нагреватель 205, расположенный в реакционной камере 210 и проходящий через перфорированную решетку 204, предназначен для подогрева теплоносителя в реакционной камере 210. Входные отверстия 208 расположены в стенке корпуса 201 на уровне нижнего торца электрического нагревателя 205 для того, чтобы при работе массообменного аппарата теплоноситель двигался в основном через слой твердофазного средства окисления, размещенный в реакционной камере 210 в зазоре между корпусом 201 и электрическим нагревателем 205. Выходные отверстия 207, входные отверстия 208 и перфорация в решетке 204 выполнены, предпочтительно, в виде узких щелей с размером меньше гранул твердофазного средства окисления.
В рабочем положении массообменный аппарат погружен в теплоноситель так, чтобы выходные отверстия 207 находились в теплоносителе. Массообменный аппарат размещается в реакторе так, чтобы через место установки обеспечивался проток теплоносителя. Если высота слоя теплоносителя недостаточна для погружения в него корпуса массообменного аппарата, место установки оснащают карманом, в который утапливается корпус массообменного аппарата. Проток теплоносителя через карман может обеспечиваться за счет конвективного течения жидкометаллического теплоносителя через реакционную камеру при работе электрического нагревателя 205.
Массообменный аппарат, показанный на фиг. 2, работает следующим образом. При включении электрического нагревателя 205 за счет естественной конвекции создается расход теплоносителя через гранулированное твердофазное средство окисления 206, размещенное в проточной реакционной камере 210 в зазоре между корпусом 201 и электрическим нагревателем 205. Теплоноситель 104 (предпочтительно жидкометаллический) из окружающего объема поступает в массообменный аппарат через входные отверстия 208 и движется снизу вверх (показано стрелочками) через гранулированное твердофазное средство окисления 206, размещенное в реакционной камере 210. Гранулы твердофазного средства окисления при взаимодействии с теплоносителем растворяются в нем, обогащая теплоноситель кислородом. Обогащенный кислородом теплоноситель выходит из массообменного аппарата через выходные отверстия 207 и смешивается с теплоносителем основного контура реактора. Величина производительности, то есть количество кислорода, поступающего из массообменного аппарата в единицу времени, регулируется путем изменения мощности электрического нагревателя. При повышенной температуре повышается растворение твердофазного средства окисления. Поскольку плотность твердофазного средства окисления (например, оксида свинца) меньше плотности теплоносителя (например, свинцового или свинцово-висмутового), то твердофазные оксиды компонентов теплоносителя стремятся вверх и удерживаются в корпусе теплоносителя решеткой 204, которая при этом пропускает поток теплоносителя.
В верхней части нагревательного элемента 205 выводятся провода 115, с помощью которых подводится электрическое напряжение в нагревательный элемент 205. Благодаря тому, что для активации массообменного аппарата достаточно нагревать теплоноситель с помощью нагревателя 205, то для обеспечения работоспособности массообменного аппарата 114 на фиг. 1 через корпус 102 реактора достаточно провести лишь провода (кабель 115), по которым будет протекать электрический ток, обеспечивая нагрев нагревательного элемента 205 массообменного аппарата и, тем самым, его активацию. Таким образом обеспечивается безопасное дистанционное управление работой массообменного аппарата (а значит и регулирование концентрации кислорода в теплоносителе), поскольку такое устройство минимизирует количество и размеры отверстий в корпусе реактора и устраняет необходимость проникновения в корпус реактора или разгерметизации реактора для регулирования концентрации кислорода в теплоноситель, в результате чего обеспечивается высокая степень герметичности и прочности корпуса реактора, что положительно сказывает на сроке и безопасности эксплуатации реакторной установки.
Массообменный аппарат обеспечивает возможность регулирования концентрации кислорода в теплоносителе, однако имеет недостаток, заключающийся в том, что запас расходного материала - твердофазных оксидов компонентов теплоносителя - ограничен. В реакторе может быть установлено несколько массообменных аппаратов увеличенной емкости, но может появиться ограничение по объему реактора и месту, требующемуся для другого оборудования реакторной установки. Пополнение или обновление запасов расходного материала связано со снижением безопасности реактора в связи с необходимостью его разгерметизации, а также с выведением реактора из эксплуатации, что приводит к снижению безопасности и сроков эксплуатации реакторных установок. В связи с этим желательно, чтобы твердофазные оксиды компонентов теплоносителя тратились лишь в том время, когда это необходимо, и не расходовались бесполезно и неоправданно.
Бесполезный и неоправданный расход твердофазные оксиды компонентов теплоносителя может происходить в случае одновременного нахождения массообменного аппарата в активном состоянии и при вводе в теплоноситель газообразного водорода, предназначенного для снижения чрезмерно высокой концентрации кислорода в теплоносителе, к которой могла привести, например, разгерметизация реактора и проникновение внутрь него атмосферного воздуха или выполнения регламентных работ, в ходе которых было допущено чрезмерное повышение концентрации кислорода в теплоносителе, или для проведения очистки теплоносителя. Снижение повышенной концентрации кислорода в теплоносителе имеет высокое значение ввиду того, что слишком высокая концентрация кислорода влечет за собой опасность кислородной коррозии стенок реактора.
Водород может вводиться в теплоноситель несколькими способами. Для реализации одного из них реакторная установка содержит газовую систему 108, имеющую выход в реактор 101 в объем 106 около теплоносителя 104 (в предпочтительном варианте, показанном на фиг. 1, над теплоносителем). Теплоноситель 104 занимает только часть емкости реактора для снижения опасности разгерметизации реактора ввиду теплового расширения теплоносителя при разогреве. Верхняя часть 106 емкости реактора, находящаяся над поверхностью 105 («уровнем») теплоносителя 104, для предотвращения коррозии и нежелательных химических реакций заполняется газом, представляющим собой инертный газ (He, Ne, Ar) или смесь инертных газов. Для подачи газа в объем над теплоносителем или около теплоносителя, который в других вариантах может представлять собой отдельный объем от емкости, в которой находится теплоноситель, и предусмотрена газовая система 108.
Газовая система 108 содержит трубопроводы (трубы), запорную арматуру 109 (вентили, клапаны и т.п.), фильтры, насосы и прочее оборудование, обычно применяемое в газовых системах и известное из уровня техники. Газовая система соединена с источниками инертных газов и водорода и может осуществлять их смешивание. Таким образом, газовая система может подавать не только инертный газ или смесь инертных газов. Для обеспечения коррозионной стойкости в реактор в объем около теплоносителя может подаваться газ, содержащий водород - например, газовая смесь инертного газа с водородом (водород в чистом виде может создавать опасность чрезмерно быстрого и неконтролируемого снижения концентрации кислорода в теплоносителе и разрушения оксидных пленок, что приводит к коррозии). Газовая смесь может содержать долю водорода, например, от 1/3 до 1/5 (или меньше) от своего объема - в таком соотношении наблюдается достаточная активность водорода, содержащегося в газе, без излишних рисков резкого снижения концентрации кислорода в теплоносителе и начала коррозии конструкционных материалов.
В частности, в трубопроводы или смесительные емкости газовой системы могут подаваться инертные газы и водород из емкостей, в которых газы находятся в сжатом состоянии под давлением, благодаря регулированию запорной арматуры (например, вентилей, клапанов с помощью электро- или гидроприводов), или благодаря воздействию побудительных насосов, перекачивающих указанные газы из емкостей, в которых они хранятся, в требуемые смесительные емкости или трубопроводы, при соответствующих состояниях запорной арматуры на соединительных трубах/трубопроводах. Указанные газы или их смеси могут подаваться в реактор в объем около теплоносителя посредством трубопроводов из емкостей, в которых хранятся газы, или из смесительных емкостей вследствие соответствующего управления запорной арматурой (например, вентилями, клапанами) и/или насосами (если насосы не активируются, то подача газов может осуществляться благодаря повышенному давлению, под которым они находятся в соответствующих емкостях).
В том случае, когда газ, содержащий водород, подается в объем реактора около теплоносителя, водород может диффундировать в теплоноситель, связываться с кислородом или восстанавливать оксиды составляющих теплоносителя, например, висмута или свинца. Водород, частично продиффундировавший в теплоноситель за счет конвекции или циркуляции теплоносителя в реакторе может уноситься в глубь реактора, где он также может связываться с кислородом или восстанавливать оксиды составляющих теплоносителя. Образующиеся молекулы воды могут испаряться с поверхности теплоносителя в объем над ним. Для того, чтобы предотвратить разрушительное воздействие водорода на защитные оксидные пленки на поверхности стенок реактора, в газ, содержащий кислород, могут добавляться пары воды (например, при помощью увлажнителя), которые при попадании в теплоноситель будут создавать помимо водорода и кислород, предохраняющий оксидные пленки от взаимодействия с водородом.
Описанный способ пассивного насыщения теплоносителя водородом для снижения излишней концентрации кислорода и, тем самым, предотвращения коррозии может применяться, например, в стационарных режимах, когда требуемая скорость снижения концентрации кислорода невысока и поступающий через поверхность теплоносителя из объема около теплоносителя водород достаточен для этого (реализация такого способа регулирования концентрации водорода и кислорода в теплоносителе может учитываться регулирующей системой реакторной установки). Однако такой способ обладает такими недостатками, как инерционность и малая управляемость процессом вследствие незначительной эффективности пассивного проникновения водорода из газа в жидкий теплоноситель. Таким образом, ввод водорода в теплоноситель за счет диффундирования через поверхности теплоносителя является не очень точным, медленным и неуправляемым. В то же время в некоторых случаях, например, при проведении водородной очистки теплоносителя от твердофазных оксидов конструкционных материалов или при избыточно высокой концентрации кислорода в теплоносителе, создающей риск кислородной коррозии, требуется управляемый и более быстрый способ повышения концентрации водорода в теплоносителе.
Для обеспечения такого способа повышения концентрации водорода в теплоносителе с указанными свойствами осуществляется ввод газа в теплоноситель из объема над теплоносителем. Для ввода газа в теплоноситель в реакторе предусмотрено устройство ввода в теплоноситель, установленное частично в теплоносителе и частично в объеме над теплоносителем. Устройство обеспечивает возможностью подачи газа из объема над теплоносителем в теплоноситель благодаря тому, что в нем есть отверстия, соединенные между собой каналом и расположенные одно в объеме над теплоносителем, а другое в теплоносителе. В одном из вариантов это может быть трубка, имеющая внутри канал, соединяющий отверстия на концах трубки, причем один конец которой находится над теплоносителем, а другой в теплоносителе. В другом варианте подобная трубка может быть снабжена насосом, закачивающим газ из объема над теплоносителем в трубку и, тем самым, в теплоноситель. Устройство ввода газа в теплоноситель может быть выполнено в виде диспергатора, устройство и принцип действия которого описан далее, или же комбинацией этих или других устройств (также как и другим устройством), обеспечивающих возможность ввода газа в теплоноситель.
Газ может быть введен в теплоноситель, например, двумя способами. Во-первых, для того, чтобы газ попадал в теплоноситель, в объеме над теплоносителем может создаваться повышенное давление по сравнению с давлением внутри теплоносителя (например, в том случае, если газ в объеме над теплоносителем давит не на всю поверхность теплоносителя, и/или если теплоноситель может перетекать в объем, в котором отсутствует повышенное давление, создаваемое газом в объеме над теплоносителем), которое может приводить к вынужденному проникновению газа в теплоноситель, обладающий меньшим внутренним давлением, через устройство ввода газа в теплоноситель. Величина давления может определяться датчиками давления в этом объеме или имеющим с ним соединение трубопроводом газовой системы, или по количеству закачанного в этот объем газа, которое может быть определено с помощью расходомеров. Недостатком подобного способа является склонность устройства ввода газа в теплоноситель к засорению выпускного отверстия (отверстий), находящихся в теплоносителе, вследствие образования пленок и твердофазных частиц или из-за проникновения твердофазных примесей, пыли из газа над теплоносителем в устройство ввода газа в теплоноситель. Для того, чтобы выпускное отверстие (отверстия) устройства ввода газа в теплоноситель не засорялось, оно преимущественно выполнено на движущихся элементах устройства ввода газа в теплоноситель, устанавливаемых в теплоносителе, например, на нижнем конце вращающегося элемента устройства ввода газа в теплоноситель.
Во-вторых, ввод газа в теплоноситель может обеспечиваться за счет создания в теплоносителе локальной зоны низкого давления, например, около устройства ввода газа в теплоноситель (увлечения газа теплоносителем). Например, это может быть сделано с помощью вращающихся или перемещающихся в теплоносителе элементов устройства ввода газа в теплоноситель. В одном из вариантов это могут быть, в том числе, диски в нижней части диспергатора, которые могут иметь лопасти и при вращении создают область пониженного давления в теплоносителе за счет центробежных сил. Применение диспергатора имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием пассивного устройства ввода газа в теплоноситель (т.е. устройства, обеспечивающего ввод газа только при повышенном давлении газа в объеме над теплоносителем) или другого активного устройства. Далее настоящее изобретение описано в отношении диспергатора, однако он может быть заменен на общий термин «устройство ввода газа в теплоноситель» и наоборот.
В соответствии с вариантом реализации изобретения, показанным на фиг. 1, в реакторе 101 установлен диспергатор 112, который также обеспечивает управляемый способ повышения концентрации водорода в теплоносителе 104 с помощью ввода газа, который может содержать водород, из объема 106 над поверхностью 105 теплоносителя 104 в теплоноситель 104. Для этого диспергатор 112 устанавливают частично в теплоносителе 104 и частично в объеме около теплоносителя 104. Газ, содержащий водород, может вводиться в теплоноситель непосредственно из трубопровода газовой системы, однако в этом случае указанный трубопровод должен быть опущен в теплоноситель, что может привести к засорению и забиванию трубопровода и, тем самым, к снижению безопасности и срока реакторной установки.
В преимущественном варианте, показанном на фиг. 1, диспергатор 112 устанавливается вертикально, поскольку в этом случае возможно использовать в качестве объема около теплоносителя объем 106 над теплоносителем 104 (в связи с чем не требуются дополнительные меры по организации отдельного объема для газа), а диспергатор 112 находится в положении, продлевающим срок его эксплуатации, так как теплоноситель и имеющиеся в нем твердофазные оксиды не проникают в диспергатор (что потребовало бы их перемещения вверх) и не приводят к засорению диспергатора, что продлевает срок его эксплуатации. Поскольку диспергатор обладает возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, газ, захватываемый через отверстие в верхней части диспергатора, находящейся в частном случае в объеме над теплоносителем, проходит через канал в диспергаторе (например, в вале) сверху вниз и выпускается нижней частью диспергатора, находящейся в теплоносителе (при других видах расположения диспергатора названия направлений меняются соответственно).
Для того, чтобы газ попадал в теплоноситель, в объеме около теплоносителя может создаваться повышенное давление, которое приводило бы к вынужденному проникновению газа в теплоноситель, обладающий меньшим внутренним давлением, через диспергатор. Величина давления может определяться датчиками давления в этом объеме или имеющим с ним соединение трубопроводом газовой системы, или по количеству закачанного в этот объем газа, которое может быть определено с помощью расходомеров. Для того, чтобы выпускное отверстие (отверстия) диспергатора не засорялись, они преимущественно выполнены на движущихся элементах диспергатора, устанавливаемых в теплоносителе, например, на нижнем конце вращающегося диспергатора.
Помимо создания повышенного давления газа в объеме около теплоносителя ввод газа в теплоноситель может обеспечиваться за счет создания в теплоносителе локальной зоны низкого давления, например, около диспергатора (увлечения газа теплоносителем). Например, это могут быть сделано с помощью дисков в нижней части диспергатора, которые могут иметь лопасти и при вращении создают область пониженного давления в теплоносителе за счет центробежных сил. В указанную область пониженного давления и устремляется газ, проходящий из объема над теплоносителем через продольный канал в нижние отверстия около дисков. Благодаря градиенту скорости теплоносителя около диспергатора, в частности, дисков, то есть ситуации, когда теплоноситель около диспергатора движется быстрее, чем в отдалении от него, газ, поступающий в теплоноситель в виде пузырьков, дробится на более мелкие пузырьки, образуя тем самым мелкодисперсную двухкомпонентную взвесь газ-теплоноситель. В том случае, когда газ содержит водород, образуются условия для эффективного повышения концентрации водорода в теплоносителе. Благодаря тому, что диспергатор имеет движущиеся (вращающиеся) элементы, обеспечивается перемещение (омывание) теплоносителя около поверхностей диспергатора, благодаря чему твердые частички и пленки смываются с диспергатора и таким образом осуществляется его автоматическое самоочищение. Это свойство повышает срок службы как самого диспергатора, так и срок и безопасность эксплуатации реакторной установки в целом.
В предпочтительном варианте, показанном на фиг. 3, диспергатор может иметь два диска, один из которых вращается, а другой нет - благодаря такой комбинации между дисками образуется область пониженного давления теплоносителя, в которую из отверстий в валу или одном или двух дисках может поступать газ. Поскольку между дисками возможно обеспечить достаточно малое расстояние, а один из дисков вращается относительно другого, давление снижается сильнее, чем в том случае, когда вращаются оба диска. Благодаря этому повышается эффективность ввода газа в теплоноситель и газовые пузырьки становятся еще меньше, то есть повышается эффективность растворения газа, в частности, водорода, в теплоносителе и, тем самым, повышение концентрации водорода.
Управление вводом водородосодержащего газа в теплоноситель, и тем самым регулирование концентрации водорода в теплоносителе, достигается благодаря возможности управления работой газовой системы, которая может создавать повышенное давление в объеме около теплоносителя, и благодаря возможности управления работой диспергатора, который в пассивном состоянии (без вращения диска) не вводит газ из объема над теплоносителем в теплоноситель, а в активном состоянии (с вращением диска) вводит в теплоноситель кислородосодержащий газ из объема над теплоносителем, и скорость (эффективность) ввода газа в теплоноситель может зависеть от скорости вращения диска. Применение диспергаторов с вращающимися дисками более привлекательно, поскольку для обеспечения ввода газа из объема около теплоносителя в теплоноситель не требуется создавать в этом объеме повышенное давление, а достаточно привести в действие (активировать) диспергатор, что упрощает и тем самым повышает надежность работы системы регулирования.
Для приведения в действие («активации») диспергатора требуется приведение во вращение валов и дисков (или одного из валов и одного из дисков). Это возможно сделать с помощью, например, электродвигателя. Для снижения разрушительного воздействия высоких температур и паров теплоносителя на электродвигатель и, соответственно, продления срока его службы, он предпочтительно располагается снаружи реактора (хотя в некоторых вариантах может быть расположен и внутри). Для приведения во вращение частей диспергатора через стенку реактора от электродвигателя может проходить вал, для чего в стенке должно быть выполнено отверстие. Однако в предпочтительном варианте для повышения конструкционной прочности реактора и, тем самым, безопасности его эксплуатации возможна передача вращения от электродвигателя элементам диспергатора с помощью магнитной муфты, части которой установлены преимущественно напротив друг друга с разных сторон стенки реактора. Магнитное поле, формируемое одной магнитной полумуфтой, может передавать усилие вращение другой полумуфте, расположенной с другой стороны стенки реактора, тем самым приводя в действие диспергатор. При расположении двигателя диспергатора снаружи реактора управление им может осуществляться через провод (кабель) 113, показанный на фиг. 1 и предназначенный для подведения электроэнергии к электродвигателю, путем подачи/неподачи питающего напряжения или изменения его параметров.
Приведение в действие диспергатора, достигаемое с помощью электродвигателя, в настоящем изобретении обозначается как «активация» диспергатора, а остановка электродвигателя, при которой диспергатор прекращает свою работу, в настоящем изобретении называется «деактивация» диспергатора. Скорость вращения электродвигателя может регулироваться различным образом: бинарно (отключен/включен), с несколькими скоростями вращения или с возможностью придания любой скорости вращения в определенном диапазоне скоростей. При этом, чем выше скорость вращения, тем больше газа (в т.ч. кислорода) растворяется в теплоносителе и тем более мелкие пузырьки газа образуются.
Показанный на фиг. 3 диспергатор состоит из следующих основных элементов: корпус 301 диспергатора с неподвижным верхним диском; полый вал 302, соединенный с нижним вращающимся диском 303; фланец 304 крепления диспергатора к корпусу реактора; электродвигатель 307 с ведущей магнитной полумуфтой 306, передающий вращение полому валу 302 при помощи ведомой магнитной полумуфты 305. Электродвигатель 307 с полумуфтой 306 установлен на стенке 102 реактора с внешней стороны, а полумуфта 305 установлена с внутренней стороны стенки 102 реактора.
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг. 3, верхний диск (статор) диспергатора соединен неподвижно с корпусом 301 диспергатора. Нижний вращающийся диск 303 соединен с вращающимся валом 302. Нижний диск и вал - полые, полости соединены между собой. В верхней части полость вала соединена с газовым контуром через отверстия. Поверхность нижнего диска, образующая зазор, перфорирована отверстиями (например, по меньшей мере, двенадцатью) малого диаметра, расположенными по окружности. Верхний диск также может быть перфорирован небольшими отверстиями для доступа жидкого металла в полость между дисками. В верхней части вращающийся вал соединен с валом герметичного электродвигателя 307, запитанного от частотного преобразователя, при помощи магнитных полумуфт 305, 306.
Диспергатор погружается в теплоноситель таким образом, чтобы отверстия в верхней части вала были над уровнем, а верхний и нижний диски - под уровнем жидкости. При включении герметичного электродвигателя нижний диск вращается с заданной угловой скоростью. При этом в результате движения теплоносителя относительно нижнего диска в зазоре образуется зона пониженного давления, что вызывает впрыск газа из полости нижнего диска через отверстия в верхней части нижнего диска в зазор. В зазоре благодаря градиенту скоростей теплоносителя пузырьки дробятся и мелкодисперсная газовая фаза вместе с теплоносителем поступает из зазора в основной поток теплоносителя.
В других вариантах выполнения диспергатора неподвижным диском может быть нижний диск, а вращающимся верхний. Кроме того, полость, соединяющая объем около теплоносителя и отверстия в диске, может быть как в вале, так и в корпусе. При этом сами отверстия могут быть выполнены как во вращающемся диске, так и в неподвижном (или одновременно в этих дисках).
Как уже отмечалось, принцип действия диспергатора газа основан на дроблении газовых пузырей в жидкости при попадании их в поток с большим градиентом скоростей. В таком потоке благодаря неравномерности сил скоростного напора, приложенных к элементам поверхности, происходит разрушение больших пузырей с образованием мелких. Создание высокоградиентного потока жидкости в диспергаторе газа в предпочтительном варианте выполнения диспергатора осуществляется в зазоре между вращающимся и неподвижным дисками. Степень дисперсности газовой фазы при прочих равных условиях зависит от градиента скоростей в потоке. Увеличение градиента скоростей осуществляется уменьшением зазора между дисками или увеличением линейной скорости относительного движения дисков.
В реакторе 101 также располагается датчик 110 концентрации кислорода в теплоносителе 104. В предпочтительном варианте осуществления он выполнен в виде датчика термодинамической активности кислорода в теплоносителе, один из вариантов которого показан на фиг. 4. Показанный на фиг. 4 твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода содержит керамический чувствительный элемент 401, герметично размещенный в корпусе 405, электрод сравнения 402 и центральный электрод, состоящий из двух частей - нижней 406 и верхней 111, размещенных в полости датчика.
Керамический чувствительный элемент 401 выполнен целиком из твердого электролита в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и части сферы. Для изготовления элемента 401 могут использоваться, например, частично стабилизированный диоксид циркония, полностью стабилизированный диоксид циркония или оксид гафния. Боковая поверхность цилиндрического элемента соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса 405 посредством соединительного материала 404, который может представлять собой, например, ситалл или прессованное углеграфитное волокно.
Датчик снабжен пробкой 403 из оксида металла, например, алюминия, имеющей отверстие и перекрывающей поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента 401. Пробка предназначена для фиксирования электрода сравнения 402 во внутренней полости керамического чувствительного элемента 401. Электрод сравнения 402 расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента 401 и поверхностью пробки 403, и занимает по меньшей мере ее часть. Электрод 402 может быть выполнен, например, из висмута, свинца, индия или галлия.
Обращенный в сторону части сферического элемента свободный конец нижней части центрального электрода 406 выведен в объем электрода сравнения 402 через отверстие в пробке 403. При этом обеспечен электрический контакт между электродом сравнения 402 и нижней частью центрального электрода 406. По меньшей мере часть сферы керамического чувствительного элемента 401 выступает за пределы корпуса 405, выполненного, например, из стали. В процессе работы датчика эта выступающая часть погружена, например, в расплав жидкого металла, в котором определяется активность кислорода.
Материалы корпуса 405, керамического чувствительного элемента 401 и соединительного материала 404 имеют одинаковый коэффициент температурного расширения и являются химически стойкими по отношению к рабочей среде, например к расплаву свинца при температурах, не превышающих 650°C. Это позволяет сохранить работоспособность датчика при скоростях изменения температур (термоударах) в жидком металле до 100°C/с в диапазоне температур 300-650°C.
К свободной части корпуса 405 приварена втулка 408. Из полости втулки 408 выходит верхняя часть центрального электрода 111, которая на фиг. 1 в виде кабеля или провода проходит через стенку 102 корпуса реактора. Кольцевая полость между втулкой 408 и верхней частью центрального электрода 111 заполнена диэлектрическим материалом 410, в качестве которого предпочтительно используется ситалл. Материал 410 обеспечивает герметичность внутренней полости датчика. Это необходимо для предотвращения попадания кислорода из воздуха во внутреннюю полость датчика и изменения свойств электрода сравнения 402. Нижняя часть центрального электрода 406, расположенная во внутренней полости корпуса 405, помещена в изолятор 407, предпочтительно выполненный из оксида алюминия.
2
2
3
2
3
Принцип действия датчика термодинамической активности кислорода основан на измерении разности электрических потенциалов между двумя электродами, разделенными твердым электролитом (например, ZrO÷YO) с селективной кислородоионной проводимостью. Величина разности электрических потенциалов между двумя электродами формируется за счет разницы в кислородных потенциалах контролируемой среды и среды с заранее известным кислородным потенциалом (электрод сравнения). В качестве электрода сравнения могут быть использованы системы «жидкий металл - твердый оксид», например, {Bi}-<BiO>. Получаемое от датчика значение разности потенциалов может быть пересчитано в значение термодинамической активности кислорода, его концентрации или другой удобной величины. В другом варианте управление средствами повышения концентрации кислорода может регулироваться непосредственно в зависимости от получаемого от датчика значения разности потенциалов (например, по таблице соответствия или через установленное эмпирическим или теоретическим путем формульное соответствие).
Непосредственные или преобразованные показания датчика концентрации кислорода (например, термодинамической активности кислорода) могут сравниваться с пороговыми значениями и в соответствии с результатом сравнения могут приниматься решения по активации массообменного аппарата или диспергатора. Например, может быть определено, что концентрация кислорода ниже порогового значения, и тогда принимается решение об активации одного из указанных устройств с целью повышения концентрации кислорода (например, его термодинамической активности).
В соответствии с настоящим изобретением способ регулирования концентрации кислорода и водорода, позволяющий достичь вышеуказанные технические результаты, может содержать следующие шаги, показанные на фиг. 5.
Во-первых, получают показания датчика концентрации кислорода (шаг 501) и оценивают концентрацию кислорода в теплоносителе (шаг 502) на основании данных от датчика концентрации кислорода в теплоносителе и далее сравнивают оценку концентрации кислорода в теплоносителе с верхним и нижним допустимыми значениями. В частности, на шаге 503 сравнивают оценку концентрации с верхним допустимым значением. В том случае, если концентрация кислорода больше верхнего допустимого значения (например, больше максимально допустимого значения, то есть находится вне диапазона допустимых значений), проверяют, деактивирован ли массообменный аппарат (шаг 504).
Для принятия решения о подаче из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя газа, содержащего водород и/или активации диспергатора в преимущественном варианте необходимы положительные ответы на оба вопроса: больше ли концентрация кислорода в теплоносителе верхнего допустимого значения и деактивирован ли массообменный аппарат. Если определено, что массообменный аппарат находится в активном состоянии, на шаге 505 осуществляют его деактивацию и далее на шаге 506 осуществляют подачу из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя газа, содержащего водород и/или активацию диспергатора. Если же массообменный аппарат находился в неактивном состоянии, то есть был деактивирован, то шаг 506 возможно осуществить непосредственно после проверки состояния массообменного аппарата, то есть после шага 504, без деактивации массообменного аппарата ввиду отсутствия в этом необходимости. В любом из этих вариантов будет достигнут технический результат настоящего изобретения, заключающийся в предотвращении одновременного нахождения массообменного аппарата в активном состоянии и ввода газа, содержащего водород, в теплоноситель.
Вышеописанная последовательность действий может осуществляться автоматически, например, с помощью специализированной системы или устройства. Однако могут быть такие ситуации, когда требуется срочно снизить концентрацию кислорода в теплоносителе, например, путем ввода в теплоноситель газа, содержащего водород, а отключить массообменный аппарат автоматически не представляется возможным. В таком случае может быть начата подача из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, и/или активирован диспергатор, а для обеспечения деактивации массообменного аппарата может быть подан сигнал о необходимости его деактивации, например, в визуальной, звуковой или другой воспринимаемой человеком форме. В этом случае квалифицированный и высокомотивированный персонал, обслуживающий реактор и отслеживающий его состояние, восприняв такой сигнал, может отключить (деактивировать) массообменный аппарат, тем самым обеспечив получение технического результата настоящего изобретения.
В том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше верхнего допустимого значения, после шага 503 осуществляется переход на шаг 507, на котором сравнивают оценку концентрации кислорода в теплоносителе с нижним допустимым значением. В том случае, если концентрация кислорода меньше нижнего допустимого значения (например, меньше минимально допустимого значения, то есть находится вне диапазона допустимых значений), проверяют, деактивирован ли диспергатор и/или отсутствует ли (прекращена ли) подача ли в объем около теплоносителя газа, содержащего водород (шаг 508).
Для принятия решения об активации массообменного аппарата в преимущественном варианте необходимы положительные ответы на оба вопроса: меньше ли концентрация кислорода в теплоносителе нижнего допустимого значения и прекращена ли подача из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, и/или деактивирован ли диспергатор. Если определено, что из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя подают газ, содержащего водород, а диспергатор находится в активном состоянии (то есть газ, содержащий водород, вводится в теплоноситель), на шаге 509 деактивируют диспергатор и/или прекращают подачу в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, и далее на шаге 510 осуществляют активацию массообменного аппарата. Если же подача в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, не осуществлялась (была прекращена) и/или диспергатор находился в неактивном состоянии, то есть был деактивирован, то шаг 510 возможно осуществить непосредственно после проверки состояния диспергатора и газовой системы, то есть после шага 508, без деактивации диспергатора и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, ввиду отсутствия в этом необходимости. В любом из этих вариантов будет достигнут технический результат настоящего изобретения, заключающийся в предотвращении одновременного нахождения массообменного аппарата в активном состоянии и ввода газа, содержащего водород, в теплоноситель.
Вышеописанная последовательность действий может осуществляться автоматически, например, с помощью специализированной системы или устройства. Однако могут быть такие ситуации, когда требуется срочно повысить концентрацию кислорода в теплоносителе, например, путем растворения в теплоносителе оксидов компонентов теплоносителя, а отключить диспергатор и/или прекратить подачу в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, автоматически не представляется возможным. В таком случае массообменный аппарат может быть активирован, а для обеспечения прекращения подачи из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, и/или деактивации диспергатора может быть подан сигнал о необходимости прекращения и/или деактивации соответственно, например, в визуальной, звуковой или другой воспринимаемой человеком форме. В этом случае квалифицированный и высокомотивированный персонал, обслуживающий реактор и отслеживающий его состояние, восприняв такой сигнал, может отключить (деактивировать) диспергатор и/или прекратить подачу из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, тем самым обеспечив получение технического результата настоящего изобретения.
После осуществления шага 510 активации массообменного аппарата или шага 506 подачи газа, содержащего водород, и/или активации диспергатора проверяют концентрацию кислорода, например, тем же способом, что и ранее, то есть путем оценки указанной концентрации. Как показано на фиг. 5, это может быть сделано возвратом на шаг 501. Кроме того, на шаг 501 происходит переход с шага 507 в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе показывает, что концентрация больше нижнего допустимого значения. В таком случае концентрация кислорода в теплоносителе находится в допустимом диапазоне (диапазоне допустимых значений), то есть, меньшей верхнего допустимого значений и больше нижнего допустимого значения, а это означает, что никаких мер по изменению концентрации кислорода в теплоносителе (или изменению или отказу от ранее предпринятых мер) не требуется. После этого способ, изображенный на фиг. 5, циклически повторяется. В то же время при повторах способа по фиг. 5 возможны исключения или замены. Например, если массообменный аппарат уже активирован, то на шаге 510 такая активация не осуществляется или осуществляется символически, фиктивно (например, подается сигнал запуска в схему запуска, однако эта схема не осуществляет запуск ввиду того, что аппарат уже запущен), или если диспергатор активирован и/или обеспечена подача газа, то на шаге 506 подача газа и/или активация не осуществляются или осуществляются символически или фиктивно. Способ по фиг. 5 может быть модифицирован введением проверки необходимости выполнения шагов 506 и 510 ввиду их возможного выполнения до этого, соответственно.
На шаге 506 возможны пять альтернатив, которые приведут к достижению необходимого результата, заключающегося в повышении концентрации водорода в теплоносителе (ввода в него водорода). В одной из альтернатив в объем около теплоносителя из газовой системы подают газ, содержащий водород, например, в объеме, не приводящем к повышению давления, а просто вытесняющим газ без водорода (например, во второй трубопровод газовой системы, имеющий выход в объем реактора около теплоносителя). Для того, чтобы водород попал в теплоноситель, диспергатор должен быть в активном состоянии. Следовательно, эта альтернатива используется в том случае, если до подачи газа, содержащего водород, диспергатор находился в активном состоянии, например, использовался для ввода в теплоноситель газа, не содержащего водород (например, инертный газ или смесь таких газов).
Во второй альтернативе в объеме около теплоносителя до активации диспергатора уже мог находиться газ, содержащий водород, и для достижения результата, т.е. ввода водородосодержащего газа в теплоноситель и, тем самым, повышения концентрации водорода в теплоносителе, достаточно активировать диспергатор.
В третьей альтернативе до получения необходимого результата газ в объеме около теплоносителя не содержал водород, а диспергатор был отключен, и для повышения концентрации водорода в теплоносителе требуется как подать в объем около теплоносителя водородосодержащий газ (в предельном случае это может быть и чистый водород, предназначенный для смешивания с газом в указанном объеме), так и активировать диспергатор.
В четвертой альтернативе диспергатор не активируют, а в объем около теплоносителя из газовой системы подают газ, содержащий водород, в количестве (объеме) или под давлением, достаточным для создания в объеме около теплоносителя такого давления, которое привело бы к проникновению газа в теплоноситель через диспергатор даже при неактивном диспергаторе.
В пятой альтернативе в объем около теплоносителя из газовой системы подают газ, содержащий водород, в количестве (объеме) или под давлением, достаточным для создания в объеме около теплоносителя такого давления, которое привело бы к проникновению газа в теплоноситель через диспергатор, и активируют диспергатор - это позволяет продлить срок эксплуатации диспергатора.
Общим для всех этим альтернатив является то, что результат, заключающийся в повышении концентрации водорода, достигается только при наличии в объеме около теплоносителя газа, содержащего водород, под давлением, превышающим внутреннее давление в теплоносителе в месте расположения выходного отверстия (отверстий) диспергатора, а различаются они лишь способом создания требуемой разницы давлений и начальными условиями: активирован или деактивирован диспергатор и имеется ли в объеме около теплоносителя газ, содержащий водород, и под каким давлением. Таким образом, настоящее изобретение должно считаться использованным в случае выполнений любого из вышеуказанных действий, если они приводят к подаче через диспергатор (или диспергатором) газа, содержащего водород, из объема около теплоносителя в теплоноситель.
Как уже отмечалось, попадание газа (в том числе водородосодержащего) в теплоноситель возможно и в том случае, если в объеме около теплоносителя создается повышенное давление газа, а диспергатор не активируется. Однако в этом случае вероятно засорение выходного отверстия (отверстий) диспергатора, в связи с чем для повышения надежности и срока службы оборудования реактора, что приводит к повышению безопасности и срока эксплуатации реакторной установки, при таком способе ввода газа в теплоноситель (за счет повышенного давления газа в объеме около теплоносителя) диспергатор все равно предпочтительно должен быть активирован для того, чтобы его выходное отверстие (отверстия) на нижнем конце, погруженном в теплоноситель, омывалось теплоносителем, предотвращая скапливания в/на нем оксидов, отложений, пленок и т.п. Таким образом, на шаге 506 даже в случае подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего водород, в таком объеме, что повышается давление газа в объеме около теплоносителя, что приводит к проникновению газа (с с водородом) в теплоноситель даже без активации диспергатора, диспергатор предпочтительно также активируется (хотя случай и без активации диспергатора также входит в объем настоящего изобретения).
Кроме того, само по себе регулирование давления газа в объеме около теплоносителя так, чтобы он сам по себе начал проникать в теплоноситель через диспергатор даже без его активации может быть нежелательным ввиду образования пузырьков больших размеров и является гораздо менее точным ввиду меньшей точности регулирования давления в газовой системе, чем регулирование скорости вращения диспергатора, и, соответственно, локального снижения давления в теплоносителе около вращающегося конца (дисков) диспергатора, в связи с чем предпочтительно применение регулирования концентрации кислорода в теплоносителе с помощью активируемого диспергатора.
В том случае, если регулирования концентрации кислорода в теплоносителе осуществляется лишь способами, в которых применяется активируемый диспергатор, в настоящем изобретении предпочтительно применяются только первые три ранее описанные альтернативы шага 506, которые объединяет то, что результат, заключающийся в повышении концентрации водорода, достигается только при наличии в объеме около теплоносителя газа, содержащего водород, и активации диспергатора, вводящего газ из объема около теплоносителя в теплоноситель, а различаются они лишь начальными условиями: активирован или деактивирован диспергатор и имеется ли в объеме около теплоносителя газ, содержащий водород. Таким образом, настоящее изобретение должно считаться использованным в случае выполнений любого из вышеуказанных действий, если они приводят к подаче диспергатором газа, содержащего водород, из объема около теплоносителя в теплоноситель. При этом следует учитывать, что подача в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, как с созданием в этом объеме давления, превышающего внутреннее давление теплоносителя (не только локально около диспергатора, но и во всем объеме), так и без создания такого давления, в любом случае будет считаться происходящим в результате подачи в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, и, тем самым, являться одним из вариантов настоящего изобретения, входить в объем охраны формулы изобретения и подпадать под действие настоящего патента.
В отношении шага 509, на котором предусматривается прекращение подачи газа, содержащего водород и/или деактивация диспергатора, необходимо отметить, что при выполнении любого из этих действий или их комбинации, то есть прекращения подачи газа, содержащего водород, и/или деактивации диспергатора, результат, заключающийся в прекращении ввода водорода в теплоноситель и повышения его концентрации в нем, может быть достигнут при использовании любой из пяти альтернатив, описанных по отношению к шагу 506 и приводящих к повышению концентрации водорода в теплоносителе (ввода в него водорода).
После прекращения подачи газа, содержащего водород, в объем около теплоносителя водород может еще некоторое время вводиться в теплоноситель за счет диспергатора, находящегося в активном состоянии, или за счет диффундирования водорода в теплоноситель через границу раздела сред, однако водород, находящийся в объеме через некоторое время будет исчерпан без поступления газа, содержащего водород. Если естественный расход водорода в объеме около теплоносителя происходит не достаточно быстро или требуется исключить водород из этого объема вообще, то в объем около теплоносителя из газовой системы может быть осуществлена подача газа, не содержащего водород. Подача из газовой системы газа, не содержащего водород, в объем около теплоносителя, может осуществляться сразу, как только будет принято решение о прекращении ввода водорода в теплоноситель, и это будет подразумевать, что подача газа, содержащего водород, прекратилась, так как подаваемый (замещающий) газ не содержит водород.
В том случае, когда оцененная на шаге 502 и сравненная на шаге 503 концентрация кислорода в теплоносителе становится равной или ниже верхнего допустимого значения (в других вариантах подходит к нижней границе или пересекает нижнюю границу допустимого диапазона), могут осуществлять шаг деактивации диспергатора и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего водород (при необходимости в дополнение к прекращению подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего водород, в объем около теплоносителя из газовой системы могут подавать газ, не содержащий водород). Это позволяет поддерживать концентрацию кислорода в теплоносителе в допустимом диапазоне, то есть не ниже нижней границы допустимого диапазона концентрации кислорода в теплоносителе. Отслеживание условия «концентрация кислорода в теплоносителе равна или ниже допустимого значения» связано с тем, что в данном случае настоящее изобретение направлено на борьбу со излишне высокой концентрацией кислорода. Поэтому для решения задач изобретения может оказаться достаточно с помощью введения диспергатором водорода в теплоноситель обеспечить концентрацию кислорода в теплоносителе, равной или меньшей верхнему допустимому значению, и при превышении концентрацией кислорода верхнего допустимого значения может быть вновь активирован диспергатор.
Кроме того, если после активации массообменного аппарата оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или выше нижнего допустимого значения, возможно осуществить деактивацию массообменного аппарата, поскольку концентрация кислорода уже находится в допустимом диапазоне значений. После прекращения увеличения концентрации кислорода в теплоносителе путем растворения твердофазных оксидов компонентов теплоносителя его концентрация в теплоносителе будет падать к нижней границе допустимого диапазона значений и когда концентрация кислорода в теплоносителе (оценка этой величины) станет вновь меньше нижней допустимой величины (которая предпочтительно является нижней границей допустимого диапазона значений), массообменный аппарат может быть активирован вновь.
Благодаря цикличности способа может обеспечиваться его повторяемость и автоматическое регулирование концентрации кислорода в теплоносителе, что позволяет снизить необходимость вмешательства квалифицированного персонала и, в пределе, вообще исключить его участие в процессе регулирования работы реакторной установки. Однако возможен и вариант, в котором способ по настоящему изобретению циклически не повторяется. Например, завершение ввода водорода или оксидов теплоносителя в теплоноситель может осуществляться не по условию восстановления допустимой концентрации кислорода, а по таймеру, через некоторое время активной работы массообменного аппарата или диспергатора. Далее система регулирования может переходить в режим ожидания запуска способа с шага 501 или же запускать способ с этого шага автоматически, тем самым также обеспечивая цикличность и автоматизм работы. Это может быть полезно, когда оценка концентрации кислорода должна быть свободной от влияния различных факторов и требует нахождения массообменного аппарата или диспергатора в неактивном состоянии и, значит, не оказывающими влияния на показания датчика в момент получения его показаний.
Верхние и нижние допустимые значения, а также величина (диапазон) допустимого значения концентрации кислорода в теплоносителе могут определяться на основе предварительных теоретических или расчетных величин или же могут быть получены экспериментально в ходе пусконаладочных или поверочных работ (или в комбинации указанных способов). Конкретные значения порогов и допустимых значений зависят от конструкции реакторной установки и особенностей ее изготовления, и могут меняться от установки к установке даже для одного типа реактора и в зависимости от режимов эксплуатации или подготовки к эксплуатации реакторной установки. Критерием для определения конкретных значений порогов и допустимых значений может считаться обеспечение коррозионной стойкости конструкционных материалов реактора, его безопасность и достаточность концентрации кислорода или характеристик ее увеличения для обеспечения коррозионной стойкости, безопасности и длительного срока эксплуатации реактора. В некоторых случаях для упрощения верхнее и нижнее допустимое значение могут быть приняты равными друг другу.
Например, в одном из возможных вариантов нижнее допустимое значение концентрации растворенного в теплоносителе кислорода может быть определено расчетно-экспериментальным путем, и иметь значение, вычисляемое по следующей формуле:
LgC=-0,33-2790/T+lgCs+lgjCPb,
где C - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода, мас. %;
T - максимальная температура теплоносителя в контуре, K;
Cs - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, мас. %;
j - коэффициент термодинамической активности свинца в теплоносителе, обратные мас. %;
CPb - концентрация свинца в теплоносителе, мас. %;
lg - математическая операция взятия десятичного логарифма (то есть логарифма по основанию 10).
-10
Например, при выполнении корпуса реактора из нержавеющей стали Х18Н10Т и применении в качестве теплоносителя эвтектического сплава свинца с висмутом, при максимальной температуре в реакторе 623 K (например, в активной зоне или около стенок корпуса) предельно низкая концентрация кислорода может составлять 2,6·10 мас % (значение определено на основании указанных данных и данных, определенных опытным или расчетным путем для конкретной реализации реакторной установки). Несмотря на то, что предельно низкая концентрация кислорода допустима для эксплуатации реакторной установки и может использоваться в качестве нижнего допустимого значения, например, при условии быстрого наращивания концентрации кислорода без временных задержек после снижения измеренной концентрации кислорода ниже значения предельно низкой концентрации кислорода или приближении к этому значению, желательно не допускать подобных ситуаций для повышения безопасности эксплуатации реактора.
-8
-7
-8
-7
В связи с этим могут быть приняты пороги или допустимые значения, имеющие значения выше предельно низкой концентрации кислорода. Например, может быть поставлена задача поддерживать концентрацию кислорода в диапазоне от 6·10 до 6·10 мас. %. При уменьшении концентрации растворенного кислорода до уровня 6·10 мас. % может быть определено, что достигнуто нижнее допустимое значение, и принято решение о повышении концентрации кислорода в теплоносителе. После выполнения этого решения концентрация растворенного в теплоносителе кислорода увеличивается и при достижении значения 6·10 мас % может быть определено достижение верхнего допустимого значения и, соответственно, может быть принято решение о снижении концентрации кислорода в теплоносителе путем ввода водорода. В некоторых вариантах окончание изменения концентрации кислорода может определяться не по достижению верхнего или нижнего допустимого значения, а на основе временных или других характеристик процесса изменения концентрации кислорода (например, изменение концентрации кислорода может быть прекращено после того, как длительность этого процесса с момента его начала достигнет заданного значения).
Шаги способа предпочтительно выполняются в показанной и описанной последовательности, но в некоторых вариантах, там, где это возможно, шаги могут выполняться и в другой последовательности или параллельно.
Преимущества настоящего способа регулирования концентрации кислорода и водорода в теплоносителе основаны на следующем. Благодаря тому, что перед началом ввода в теплоноситель водорода или кислорода проверяется то, что в теплоноситель уже не вводится кислород или водород, соответственно, предотвращается бесполезный расход материала, когда вводимые компоненты взаимодействуют друг с другом, образуя воду, не изменяя концентрацию водорода и кислорода (хотя именно для этого они и предназначены). Ввиду того, что водород вводится в газообразном виде и он может вводиться в теплоноситель весьма больших объемах, предотвращение бесполезного расхода в основном относится к твердофазным оксидам компонентов теплоносителя, запас которых в массообменных аппаратах в реакторе ограничен, а замена массообменных аппаратов или пополнение запаса оксидов сопряжено с остановкой реактора и его разгерметизацией, что связано с рисками радиоактивного заражения окружающей среды. Таким образом, настоящий способ увеличивает срок эксплуатации реакторной установки и повышает ее безопасность.
Кроме того, на повышении безопасности эксплуатации реакторной установки также сказывается и то, что благодаря предотвращению одновременного ввода в теплоноситель кислорода и водорода обеспечивается незамедлительное изменение примесного состава теплоносителя (то есть содержания в нем кислорода и водорода) в необходимую сторону, поскольку при одновременном вводе кислорода и водорода такое изменение бы не происходило, а, в лучшем случае, оставалось бы не месте. Вследствие этого развивалась бы коррозия конструкционных материалов - кислородная или компонентами теплоносителя, а настоящий способ позволяет избежать этого и своевременно изменять подаваемые материалы для удержания концентрации кислорода в теплоносителе в допустимых пределах, максимизирующих срок и безопасность эксплуатации реактора.
Указанные преимущества также обеспечиваются и отключением оборудования (например, массообменного аппарата), предназначенного для ввода другого материала (например, кислорода в составе оксидов компонентов теплоносителя), перед активацией оборудования (например, газовой системы и/или диспергатора), предназначенного для ввода требуемого материала (например, водорода) - и наоборот. Кроме того, предусмотрен режим, также направленный на достижение технического результата настоящего изобретения и обеспечение указанных преимуществ, в соответствии с которым необходимое оборудование может быть активировано даже в том случае, если другое оборудование, которое должно быть деактивировано, по-прежнему находится в активном состоянии. Задачи настоящего изобретения решаются благодаря активации средств сигнализации, которые обеспечивают привлечение внимания персонала к этому обстоятельству и, в результате, позволяют принять ему необходимые меры.
Для реализации вышеописанного способа управления реакторным оборудованием может быть использована система управления в соответствии с настоящим изобретением. Такая система управления, один из вариантов выполнения которой показан на фиг. 6, содержит: модуль 601 оценки концентрации кислорода в теплоносителе, модуль 602 сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением, модуль 603 управления массообменным аппаратом и модуль 604 управления газовой системой и/или диспергатором.
Модуль 601 оценки концентрации кислорода в теплоносителе выполнен с возможностью получения данных от датчика 110 концентрации кислорода в теплоносителе, оценки на основании полученных данных концентрации кислорода в теплоносителе и передачи оценки концентрации кислорода в теплоносителе в модуль 602 сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением.
Модуль 602 сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением выполнен с возможностью получения оценки концентрации кислорода в теплоносителе из модуля 601 оценки концентрации кислорода в теплоносителе и сравнения ее с верхним и нижним допустимыми значениями. Результаты сравнения с допустимыми значениями в варианте, показанном на фиг. 6, передаются в модуль 603 управления массообменным аппаратом и модуль 604 управления газовой системой и/или диспергатором.
Модуль 603 управления массообменным аппаратом может активировать массообменный аппарат 114 в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше нижнего допустимого значения и если деактивирован диспергатор и/или в объем около теплоносителя не подают газ, содержащий водород.
Модуль 604 управления газовой системой и/или диспергатором может активировать газовую систему с обеспечением подачи газа, содержащего водород, в объем около теплоносителя и/или активировать диспергатор (в зависимости от того, что необходимо сделать для того, чтобы водородосодержащий газ стал поступать в теплоноситель) в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе выше верхнего допустимого значения и если деактивирован массообменный аппарат. Для активации газовой системы модуль 604 может управлять запорной арматурой (например, вентилями, клапанами) и насосами, входящими в состав газовой системы.
Кроме того, модуль 603 управления массообменным аппаратом может деактивировать массообменный аппарат, в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или выше нижнего и/или верхнего допустимого значения, и/или в том случае, если из модуля 604 управления газовой системой и/или диспергатором получен сигнал о необходимости деактивации массообменного аппарата.
Модуль 604 управления газовой системой и диспергатором может деактивировать диспергатор и/или прекратить подачу в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего водород (или даже обеспечить подачу в объем около теплоносителя из газовой системы газа, не содержащего водород), в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или ниже верхнего и/или нижнего допустимого значения, и/или в том случае, если из модуля 603 управления массообменным аппаратом получен сигнал о необходимости деактивации диспергатора и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа.
Из модуля 602 в модули 603 и 604 могут подаваться как сигналы, дающие инструкции по активации/деактивации соответствующих устройств, разрешающие/запрещающие сигналы по активации/деактивации соответствующих устройств (например, в бинарной форме), так и сигналы, указывающие степень или величину требуемой активации соответствующих устройств, которая может иметь величину от нуля до максимума.
Между собой модули 603 и 604 могут обмениваться также информацией в бинарной форме, сообщая, например, о том, что соответствующее устройство активно или неактивно, или о том, что устройство необходимо деактивировать, или о том, что устройство возможно активировать (в некоторых случаях может подаваться сигнал, непосредственно запрещающий работу или управляющий подачей питания или управляющих сигналов на оборудование, управляемое другим модулем). В другом варианте модули могут обмениваться информацией о режимах работы оборудования, изменениях режимов и параметрах работы и изменений в работе - например, о том, что осуществляется активация или деактивация устройства с некоторой скоростью, которая может быть определена в мгновенных величинах или в величине изменения за определенный, единичный, частичный или полный промежуток времени. В некоторых вариантах осуществления модули 603 и 604 могут получать информацию об активации или деактивации (или степени активности) оборудования, управляемого соседними модулями (в частности, модулями 604 и 603, соответственно), непосредственно из оборудования или из драйверов или карт, управляющих этим оборудованием. Так, например, модуль 603 управления массообменным аппаратом может получать информацию о состоянии диспергатора (активирован, деактивирован и/или степень активации) и/или о состоянии оборудования, управляющего или диагностирующего газовую систему, такого как датчики, запорная арматура (клапаны, вентили и т.п.), насосы и др. (состояние этого оборудования может выражаться в положении закрыто/открыто, пропускной способности, расходе, активированном/деактивированном состоянии и/или степени активации), непосредственно с самого диспергатора и/или оборудования газовой системы (клемм питания или датчиков) и/или из плат/драйверов/карт управления указанным оборудованием, а также с управляющего оборудованием выхода модуля 604. И наоборот, модуль 604 управления газовой системой и диспергатором может получать информацию о состоянии массообменного аппарата (активирован, деактивирован и/или степень активации) непосредственно с самого массообменного аппарата (клемм питания или датчиков) и/или из плат/драйверов/карт управления аппаратом, а также с управляющего оборудованием выхода модуля 603.
В некоторых вариантах осуществления модуль 602 может подавать сигнал для индикации световым, звуковым или другими способами о превышении верхнего допустимого уровня, снижении ниже нижнего допустимого уровня, нахождении в допустимых пределах или о любых событиях изменения концентрации или нахождения ее в определенных диапазонах (пределах). Такая индикация может восприниматься персоналом, осуществляющим наблюдение и управление реакторной установкой, причем активация/деактивация оборудования или подача команд об активации/деактивации оборудования в модули 603 и 604 также может осуществляться персоналом, например, на основе решений, принятых после восприятия указанной индикации.
Для этого система регулирования может содержать в своем составе модуль формирования сигнала предупреждения, выполненный с возможностью формирования сигнала предупреждения о необходимости деактивации массообменного аппарата, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе выше верхнего допустимого значения, а массообменный аппарат находится в активированном состоянии, и с возможностью формирования сигнала предупреждения о необходимости деактивации диспергатора и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, и/или подачи в объем около теплоносителя газа, не содержащего водород, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше нижнего допустимого значения, а диспергатор активирован и в объем около теплоносителя подают газ, содержащий водород.
Структура управляющего устройства (системы регулирования) в соответствии с настоящим изобретением может иметь и другие конфигурации, которые могут являться вариантами, полученными путем дополнения, исключения или замены. Структурная схема, приведенная на фиг. 6, а также блок-схема способа регулирования на фиг. 5 и примеры реализации реакторной установки и приборов и устройств на фиг. 1-4, даны лишь в иллюстративных целях и не могут ограничивать объем защиты настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения. Любые действия, объекты, модули, элементы, оборудование и другие признаки, указанные в единственном числе, могут также считаться использованными, если их в установке или способе окажется несколько и наоборот, если указано множество, то для использования признака может оказаться достаточным одного объекта или действия.
Система регулирования может быть выполнена автоматической, то есть все решения могут приниматься на основании полученных и обработанных данных самой системой и ей самой же и выполняться. При такой автоматической работе появляется замкнутый цикл, в который входят теплоноситель, содержащий кислород, датчик содержания (концентрации) кислорода, модули обработки и принятия решений, модули управления исполнительными устройствами, которые оказывают воздействие на теплоноситель - и результаты этого воздействие вновь оценивается с помощью датчиков концентрации кислорода и вновь принимаются решения по регулированию содержания концентрации кислорода и/или водорода в теплоносителе.
Достоинством такого автоматического регулирования концентрации кислорода и/или водорода в теплоносителе является то, что может быть исключена необходимость участия квалифицированного персонала в управлении реакторной установкой. Однако при этом могут появляться и риск того, что режимы функционирования реакторной установки могут выйти за допустимые пределы ввиду замкнутости цикла управления при наличии неограниченной положительной обратной связи, при которой попытка регулирования нежелательного отклонения параметра приводит к еще большему отклонению параметра в нежелательную сторону (это может произойти как из-за несовершенства алгоритмов обработки, так и из-за сбоев в оборудовании).
В другом варианте система регулирования концентрации кислорода в теплоносителе может быть выполнена с участием в обработке данных и/или принятии решений персонала. В этом случае требуется обеспечение высокой квалификации персонала, но при этом обеспечивается учет всех возможных параметров и исключение выхода реакторной установки в опасные или критичные режимы работы благодаря тому, что человек, в отличие от автоматического устройства, может адаптивно оценивать складывающуюся ситуацию и менять алгоритмы действий с учетом вопросов безопасности и долгосрочности эксплуатации.
Для обеспечения персонала возможностью получения информации и воздействия на систему регулирования реакторная установка может иметь пульт управления, снабженный средствами индикации, такими как световые (индикаторы, световые панели, экраны, информационные табло и т.п.), звуковые (громкоговорители, сирены, системы оповещения и т.п.) и другие, например, тактильные средства индикации. Кроме того, пульт управления может быть снабжен средствами ввода информации для запросов необходимой информации, тестирования и ввода управляющих команд. Средства ввода могут представлять собой кнопки, тумблеры, рычаги, клавиатуры, сенсоры, тачпады, трекболы, мыши, сенсорные панели и другие известные из уровня техники средства ввода данных. Ввиду множества информационного оборудования пульт управления может быть протяженным и для того, чтобы персоналу было удобнее использовать пульт управления, в составе оборудования может быть предусмотрено кресло, снабженное колесиками, которое помимо обеспечения удобства работы персонала обеспечивает быстрый и удобный доступ лица, находящегося в кресле, к отдаленным частям пульта управления, поскольку персонал может легким движением ноги или руки оттолкнуться из текущего местонахождения и в результате поступательного движения кресла, обеспечиваемого колесиками, за короткий промежуток времени оказаться в желаемом местоположении.
В то же время необходимо отметить, что оба варианта выполнения системы регулирования - и автоматический, и с участием персонала, обладают недостатками. Так, например, в варианте ручного управления может быть такой недостаток, как не очень высокая скорость обработки данных и принятия решений персоналом по сравнения с требуемыми реакторной установкой. С другой стороны, полностью автоматическая система управления может быть небезопасной в случае сбоев или несовершенных алгоритмов обработки данных. В связи с этим возможна реализация комбинированного варианта системы регулирования, когда процессы обработки данных и регулирования выполняются в автоматическом режиме, но данные о них отображаются средствами индикации персоналу и, например, в случае выхода какого-либо параметра за допустимые пределы (или приближения к допустимым пределам), или произвольно при какой-либо необходимости квалифицированный персонал может корректировать работу автоматической системы регулирования или регулировать самостоятельно, вручную.
Модули системы регулирования могут быть выполнены аппаратно на основе дискретных электронных компонентов, интегральных микросхем, процессоров, сборок, стоек и т.п. Система регулирования может быть выполнена аналоговой, цифровой или комбинированной. Так, например, модули, имеющие электрические соединения с оборудованием, находящимся в реакторе или в пульте управления, и управляющие его работой или обрабатывающие данные из них, могут содержать преобразователи напряжений, токов, частоты, аналоговой формы сигналов в цифровую и наоборот, драйверы, источники токов или напряжений и элементы, управляющие ими. Все эти элементы и модули могут располагаться на одной или нескольких монтажных платах, совмещаться или делиться между разными компонентами или платам, или быть выполненными и размещенными без использования монтажных плат.
Модули системы регулирования также могут быть выполнены программным образом. Для этого в качестве аппаратной части могу применяться интегральные микросхемы с программируемой логикой, контроллеры, процессоры, компьютеры, а в качестве программной части используются программы, содержащие команды или коды, которые выполняются указанными микросхемами, контроллерами, процессорами, компьютерами и т.п., соединенных с устройствами и оборудованием реактора. Программы хранятся в запоминающих устройствах, которые могут быть выполнены в различных формах, известных из уровня техники и представлять собой считываемые компьютером носители информации: постоянные запоминающие устройства, жесткие и гибкие магнитные диски, флеш-память, оптические диски, оперативные запоминающие устройства и т.п. Программы могут содержать последовательности кодов или команд, обеспечивающих выполнение способа и алгоритмов в соответствии с настоящим изобретением по частям или полностью. Микросхемы, контроллеры, процессоры и компьютеры могут быть соединены со средствами ввода/вывода информации, которые могут быть отдельно расположенными или входить в состав пульта управления. Модули системы регулирования, описанные в качестве отдельных модулей, могут представлять собой программные модули или быть объединенными в одну или несколько программ, а также в один или несколько блоков или элементов программ.
Система регулирования и ее модули могут быть выполнены программно-аппаратным образом, то есть часть или все модули могут быть выполнены аппаратным образом, а часть модулей или устройства управления в программном виде. Например, в предпочтительном варианте осуществления модули управления оборудованием реактора (массообменным аппаратом, газовой системой, диспергатором) и модули преобразования датчиков могу быть выполнены аппаратно, а модули обработки данных и команд, отображения информации и регулирования параметров обработки (таких как пороги и допустимые значения) могут быть выполнены программно на основе компьютера, процесса или контроллера. Также могут быть изготовлены специализированные микросхемы, содержащие все необходимые аппаратные элементы и в которые могут загружаться программы или параметры обработки данных.
В предпочтительном варианте осуществления все электронные и другие элементы и компоненты преимущественно выполнены в радиационностойком исполнении для обеспечения возможности работы компонентов и работоспособности системы в целом в составе ядерной реакторной установки, которая может являться источником ионизирующего излучения, даже в аварийных условиях для сохранения возможности регулирования работы реактора и предотвращения возможных негативных последствий, тем самым обеспечивая повышенный уровень безопасности и длительный срок эксплуатации.