УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СИСТЕМЫ ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ИЗ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
DEVICE FOR AIR COOLING OF PASSIVE HEAT RELEASE SYSTEM FROM NUCLEAR POWER PLANT CONTAINMENT

Изобретение относится к области энергетики, а именно к повышению безопасности эксплуатации атомных электростанций, и может быть использовано при отводе тепла и снижении давления в подкупольном пространстве защитной оболочки как при нормальной работе электростанции, так и при маловероятной аварии, проходящей с выделением большого количества тепла.
Известна система отвода тепла из защитной оболочки, содержащая смонтированный под защитной оболочкой теплообменник, вход и выход которого пропущены через защитную оболочку и подключены к замкнутому контуру циркуляции легкокипящего теплоносителя, включающему оборудование, обеспечивающее снижение температуры теплоносителя (патент РФ №2302674, МКИ G21C 9/00, от 20.12.2005 г.).
Данная система обеспечивает отвод тепла из защитной оболочки, неограниченный по времени и параметрам с привлечением активной принудительной работы оборудования системы. Однако при возможной, но маловероятной аварии, сопровождающейся мгновенным разрывом полного сечения трубопроводов главного циркуляционного контура высокотемпературного теплоносителя, требуется быстрое снижение параметров среды внутри защитной оболочки и при этом пассивное.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки атомной электростанции, содержащее концентрично установленный на наружной стенке защитной оболочки торообразный воздушный коллектор с радиально расположенными на куполе защитной оболочки воздухопроводами, покрытыми кровлей, и теплообменники, один из которых установлен внутри защитной оболочки, а другой снаружи, соединенные между собой подающим и отводящим трубопроводами (патент РФ №2271585, МКИ G21C 15/18, от 28.09.2004 г.).
В случае необходимости данное устройство обеспечивает пассивный отвод тепла от главного циркуляционного контура с высокотемпературным теплоносителем, который расположен в нижней части защитной оболочки, но в тоже время верхняя часть защитной оболочки остается под воздействием высоких температур, что снижает надежность работы аварийного оборудования, например спринклеров и сжигателей гремучей смеси.
Задачей данного изобретения является повышение безопасности эксплуатации атомной электростанции путем быстрого пассивного отвода избыточной тепловой энергии из-под купольного пространства защитной оболочки, тем самым сокращая время нахождения последнего барьера безопасности - железобетонной конструкции защитной оболочки - при предельных значениях давлений и температур.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки атомной электростанции, содержащем концентрично установленный на наружной стенке защитной оболочки торообразный воздушный коллектор с радиально расположенными на куполе защитной оболочки воздухопроводами, покрытыми кровлей, и теплообменники, один из которых установлен внутри защитной оболочки, а другой снаружи, соединенные между собой подающим и отводящим трубопроводами, новым является то, что наружный теплообменник установлен на куполе между воздухопроводами и кровлей, при этом под входным воздушным участком наружного теплообменника на верхней поверхности торообразного воздушного коллектора выполнено отверстие для забора воздуха, а на кровле над выходным воздушным участком наружного теплообменника укреплена вытяжная труба.
Кроме этого внутренний теплообменник может быть закреплен под куполом ниже уровня расположения наружного теплообменника.
Кроме этого у выходного воздушного участка наружного теплообменника может быть установлена поворотная заслонка с пневматическим механизмом, подсоединенным к подающему трубопроводу.
Расположение наружного теплообменника на куполе между наружными стенками соседних воздухопроводов под кровлей обеспечивает рациональное использование образовавшегося свободного пространства в виде дополнительного охлаждающего воздушного канала, что придает всей конструкции компактность.
Выполнение отверстия для забора воздуха на верхней поверхности торообразного воздушного коллектора обеспечивает подачу охлаждающего воздуха к наружному теплообменнику, а наличие на кровле вытяжной трубки обеспечивает интенсивную естественную тяговую продувку наружного теплообменника.
Крепление внутреннего теплообменника под куполом ниже уровня расположения наружного теплообменника обеспечивает вывод тепловой энергии из-под купола по принципу работы естественной циркуляции теплоносителя.
Наличие приводной заслонки с пневматическим механизмом необходимо для саморегулирования продувки наружного теплообменника при изменении давления во внутреннем теплообменнике и в подающем трубопроводе.
Ниже приводится описание одного из многочисленных вариантов выполнения устройства для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки атомной электростанции, каждый из вариантов которых подчинен единому изобретательскому замыслу, отображенному в нижеприведенной формуле изобретения.
Изобретение поясняется чертежами, где на
фиг.1 показана принципиальная конструкция отвода избыточного тепла в атмосферу из-под купола и дополнительного охлаждающего воздушного канала;
фиг.2 - план компоновки наружного теплообменника в дополнительном охлаждающем воздушном канале;
фиг.3 - поперечный разрез по А-А наружного теплообменника и его крепеж.
Устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки атомной электростанции состоит из концентрично установленного на наружной стенке 1 защитной оболочки торообразного воздушного коллектора 2 с радиально расположенными на куполе 3 защитной оболочки воздухопроводами 4. Воздухопроводы 4 сообщены в центре купола 3 с вертикальным воздуховодом 5, имеющим дефлектор 6. Между воздухопроводами 4 на куполе 3 установлены наружные теплообменники 7 с раздаточным 8 и собирающим 9 коллекторами. Под куполом 3 на внутренней стенке 10 внутренней защитной оболочки установлены внутренние теплообменники 11 с раздаточным 12 и отводящим 13 коллекторами. Коллекторы 13, 12 и 8, 9 внутреннего и наружного теплообменников соединены между собой подающим 14 и отводящим 15 трубопроводами для обеспечения циркуляции по ним легкокипящего теплоносителя. Наружные теплообменники 7 и воздухопроводы 4 покрыты кровлей 16 в виде полусферы, которая закреплена на воздухопроводах 4 с образованием дополнительного охлаждающего воздушного канала 17. Закреплены наружные теплообменники 7 под кровлей 16 посредством шарниров 18 и скользящих опор верхней 19 и нижней 20 для снятия температурных напряжений. Отводящий трубопровод 15 соединен с собирающим коллектором 9 посредством дугообразной трубки 21. При этом под входным воздушным участком 22 подачи воздуха в наружный теплообменник 7 на верхней поверхности 23 торообразного воздушного коллектора 2 выполнено отверстие 24 для забора охлаждающего воздуха. На кровле 16 над выходным воздушным участком 25 наружного теплообменника 7 укреплена вытяжная труба 26, а под вытяжной трубой 26 установлена поворотная заслонка 27 с пневматическим механизмом 28, который подсоединен к подающему трубопроводу 14, например, при помощи сильфона. Заслонка 27 смонтирована в коробе 29, конструкция которого выполнена в виде трехгранной призмы, расположенной вершиной 30 вниз, при этом шарнир 31 заслонки 27 закреплен в нижней части короба 29 у вершины 30. В боковых стенках 32 и 33 короба 29 относительно заслонки 27 выполнены отверстия 34 и 35 для вывода потока воздуха из наружного теплообменника 7 и/или из воздушного канала 17 в обход наружного теплообменника 7. Внутренний теплообменник 11, который закреплен под куполом 3, установлен ниже уровня расположения наружного теплообменника 7 для осуществления естественной циркуляции легкокипящего теплоносителя по оребренным трубкам 36 и 37 внутреннего 11 и наружного 7 теплообменников.
Устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки атомной электростанции работает следующим образом. Сначала заполняют трубки 36 внутреннего теплообменника 11 и подводящий 14 и отводящий 15 трубопроводы легкокипящей жидкостью S1, а затем ее парами заполняют трубки 37 наружного теплообменника 7, после чего систему герметизируют. Настраивают пневматический механизм 28 с учетом установки заслонки 27 в положение, при котором она закрывает выходное отверстие 34 для вывода воздушного потока из наружного теплообменника 7.
При нормальной температуре под куполом у внутренней стенки 10 внутренней защитной оболочки атмосферный воздух посредством естественной тяги, создаваемой каналами 17, втягивается в торообразный воздушный коллектор 2, а затем через отверстия 24 попадает в каналы 17. Поскольку отверстие 34 выходного воздушного участка 25 наружного теплообменника 7 перекрыто заслонкой 27, то поток воздуха из канала 17 в обход наружного теплообменника 7 поступает через отверстие 35 в полость короба 29 и далее трубой 26 выводится в атмосферу. Наружный теплообменник 7 не охлаждается.
При повышении температуры под куполом у внутренней стенки 10 внутренней защитной оболочки легкокипящая жидкость, находящаяся в трубках 36 внутреннего теплообменника 11, начинает вскипать, повышая тем самым давление в подающем трубопроводе 14. Срабатывает пневматический механизм 28, который частично поворачивает заслонку 27, и часть охлаждающего воздуха из воздушного канала 17 начинает проходить через наружный теплообменник 7, охлаждая его оребренные трубки 37, и уже нагретым через трубу 26 выходить в атмосферу. При устойчивой работе, когда количество тепла, поступающего под купол к внутренней стенке 10 внутренней защитной оболочки, равно отводимому количеству тепла в атмосферу, заслонка 27 занимает промежуточное положение между боковыми стенками 32 и 33 короба 29, в этом случае часть охлаждающего потока воздуха проходит как через наружный теплообменник 7, так и минуя его в обход. Наступает равновесие системы, при котором происходит саморегулирование вывода энергии тепла из-под купола. Охлажденная легкокипящая жидкость поступает в собирающий коллектор 9 и оттуда по отводящему трубопроводу 15 направляется самотеком в раздаточный коллектор 12 на новый подогрев в трубках 36 внутреннего теплообменника 11.
В случае маловероятной аварийной ситуации, когда под куполом 3 защитной оболочки начнет собираться значительное количество тепловой энергии с повышенной температурой, например выше 60°С, то естественно повышается и температура легкокипящей жидкости в оребренных трубках 36 и, как следствие, повышается и давление в подающем трубопроводе 14, заставляющее пневматический механизм 28 заслонкой 27 полностью открыть отверстие 34 вывода потока воздуха выходного участка наружного теплообменника 7 и закрыть отверстие 35 для вывода потока воздуха из воздушного канала 17. В этом случае вся масса охлаждающего воздуха пропускается через наружный теплообменник 7 и обеспечивается максимальный отвод тепла из-под купола 3 в атмосферу.
Учитывая, что воздух окружающей среды (по проектным данным) может иметь температуру от +50 до -50°С, а легкокипящая жидкость S1 до 150-160°С, и наружный теплообменник 7 установлен на сферической поверхности из железобетона, причем коэффициенты линейного расширения железобетона и стальных конструкций отличаются в несколько раз, то для решения этой проблемы используется следующая схема крепления наружного теплообменника 7. Выходной воздушный участок 25 наружного теплообменника 7 крепят в верхней части на шарнирах 18. Это вызвано тем, что температура воздуха наиболее длительный период более стабильна на выходе, чем на входе, и тем, что здесь установлены поворотная заслонка 27 и вытяжная труба 26. Входной воздушный участок 22 подачи воздуха в наружный теплообменник 7 свободно устанавливают между верхней 19 и нижней 20 опорами. Дугообразная трубка 21 работает как сильфон, предохраняя отводящий трубопровод 15 от деформационных повреждений.
Технико-экономический эффект состоит в том, что повышается безопасность эксплуатации атомной электростанции путем обеспечения в случае необходимости быстрого самоотвода тепловой энергии из под купольного пространства защитной оболочки в окружающую среду.