СИСТЕМА ГИДРИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕАКТОРА С ВОДОЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ
HYDROGENATION SYSTEM FOR PRESSURED WATER REACTOR AND CORRESPONDING METHOD

Настоящее изобретение относится к реактору с водой под давлением, содержащему первый контур теплоносителя реактора, связанную с ним систему контроля водно-химического режима, а также соответствующую систему гидрирования. Изобретение также относится к соответствующему способу работы реактора с водой под давлением.
Реактор с водой под давлением содержит первый контур теплоносителя реактора, внутри которого теплоноситель первого контура реактора циркулирует под высоким давлением. Система контроля водно-химического режима (CVCS) гидравлически связана с первым контуром теплоносителя реактора. CVCS содержит участок низкого давления, который обычно обеспечивает точку входа или нагнетания различных текучих сред в теплоноситель первого контура реактора. В частности, может потребоваться нагнетание водорода в первый контур реактора, чтобы, например, связывать растворенный кислород.
В документе EP 0 852 800 B1 описан реактор с водой под давлением в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения. В описываемой системе линия подачи водорода выходит в участок низкого давления CVCS выше по потоку от нагнетательного насоса высокого давления (то есть на его стороне всасывания), тем самым реализуя подачу водорода при низком давлении (типичное рабочее давление: 3 бара).
Кроме того, существуют системы мокрой химии для закачки гидразина или перекиси водорода в линии низкого давления.
Недостатки этих подходов обычно связаны с ограничением скорости подачи водорода. Процесс подачи является временно инертным, и его воздействие задерживается во времени. Кроме того, жидкие химические растворы могут быть токсичными, злокачественными, коррозионными и/или в целом вредными для окружающей среды и обслуживающего персонала и могут не обеспечивать свободный водород.
Следовательно, задача, лежащая в основе настоящего изобретения, состоит в том, чтобы предложить реактор с водой под давлением с системой гидрирования и соответствующий способ работы, которые подходят для эффективной и быстрой подачи водорода в теплоноситель первого контура реактора. Устройство и соответствующий процесс должны быть надежными и устойчивыми к возмущениям. Желательна модульная и компактная конструкция.
В соответствии с изобретением эти задачи решены с помощью реактора с водой под давлением по пункту 1 формулы изобретения. Соответствующий способ работы охарактеризован в пункте 7 формулы изобретения.
Следовательно, ключевым признаком является то, что в линии подачи газообразного водорода установлен подающий насос высокого давления для обеспечения давления подачи выше, чем давление на выходе (или выходное давление) нагнетательного насоса для теплоносителя первого контура реактора, и что линия подачи выходит в нагнетательную линию, то есть в точке ввода, расположенной ниже по потоку от нагнетательного насоса.
Предлагаемая техническая модификация общего подхода заключается в создании активного ввода высокого давления вместо пассивного ввода в участок низкого давления системы.
Эта конструкция основана на необходимости иметь систему подачи водорода, способную подавать точно определенное количество водорода за определенное время. В современных конструкциях количество газообразного водорода в баке регулирования объема (VCT) или в газовом сепараторе зависит от конструкции станции. В обоих случаях максимальное рабочее давление соответствующих частей системы варьируется от 1 до 4 бар (выше в случае переходных процессов). Для подачи водорода под высоким давлением в соответствии с настоящим изобретением точка ввода находится ниже по потоку от нагнетательных насосов высокого давления. С точки зрения физики преимуществом ввода водорода является диффузия при определенном давлении за определенное время через определенную поверхность, в то время как давление составляет приблизительно в 40 раз выше, чем для ввода низкого давления.
Вместо пассивных механизмов (например, ввода на станции гидрирования или распылителе в VCT) предпочтительно использовать поршневой компрессор для повышения давления газа в трубопроводе, чтобы обеспечить ввод ниже по потоку от нагнетательных насосов высокого давления.
Регулирование давления на выходе поршневого компрессора должно быть ограничено условиями эксплуатации в нагнетательной линии. Благодаря такой конструкции скорость диффузионного процесса значительно увеличивается из-за высокого давления. Пузырьки газа будут вводиться непосредственно в нагнетательный поток, где растворимость водорода в ~50 раз выше, чем на участке системы низкого давления. Это также позволяет легче контролировать процесс гидрирования (т.е. время ожидания действия регулирования меньше).
Еще одним преимуществом конструкции является то, что загрязнение азотом не будет происходить в такой степени, как в случае ввода низкого давления через станцию гидрирования (с подключенным VCT и продуваемым азотом). Это ограничивает образование C14 в активной зоне, тем самым ограничивая количество радиоактивных отложений.
С точки зрения времени и стоимости важным моментом является сокращение времени, затрачиваемого во время запуска на ожидание повышения концентрации водорода для достижения 100% режима мощности.
Конструкцию также можно легко продублировать (обеспечить резервирование) в любой точке, чтобы гарантировать высокую доступность.
Таким образом, в настоящем изобретении используется подающий насос высокого давления, предпочтительно поршневой компрессор или мембранный компрессор, для ввода водорода в любом подходящем месте CVCS ниже по потоку от нагнетательного насоса (который может быть любого подходящего типа). Эту концепцию можно также сформулировать как независимое от противодавления гидрирование теплоносителя первого контура реактора из-за в целом более низкого давления в первом контуре реактора по сравнению с давлением нагнетания подающего насоса и нагнетательного насоса.
Следует напомнить, что предлагаемый ввод под высоким давлением с точкой ввода, расположенной ниже по потоку от нагнетательного насоса (типичное давление на выходе 185 бар) обеспечивает, помимо прочего, следующие преимущества:
- помимо трубопроводов нет полостей, содержащих газообразный водород;
- следовательно, меньший риск взрыва благодаря улучшенному обнаружению/предотвращению утечек;
- контроль водорода с более коротким временем отклика;
- более высокие возможные и более стабильные концентрации водорода в первом контуре реактора благодаря устойчивости к возмущениям;
- инертизация VCT в CVCS посредством азота больше не требуется;
- модульная конструкция.
Недостатками являются необходимость в подающем насосе высокого давления в линии подачи газа и высокое давление водорода в линии подачи.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения запорный клапан расположен на участке линии подачи между подающим насосом и точкой ввода в нагнетательную линию.
Предпочтительно, линия подачи газа содержит трубу с двойными стенками с вакуумным промежутком между внутренней стенкой и внешней стенкой, при этом система обнаружения утечек предназначена для контроля давления внутри промежутка и, предпочтительно, для изоляции протекающего участка трубопровода.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения система гидрирования содержит систему управления с датчиком водорода, который измеряет содержание водорода в теплоносителе первого контура реактора в нагнетательной линии ниже по потоку от точки ввода, при этом система управления предназначена для закрытия запорного клапана, если упомянутое измеренное содержание водорода не соответствует установленной скорости подачи водорода в систему гидрирования.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения система гидрирования содержит систему управления с датчиком водорода, который измеряет содержание водорода в теплоносителе первого контура реактора в линии отбора, при этом система управления предназначена для управления скоростью подачи водорода путем установки мощности подающего насоса на основе разницы между упомянутым измеренным содержанием водорода и заданным значением упомянутого содержания водорода.
Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи обсуждаются примеры вариантов осуществления изобретения.
На фиг. 1 показан схематический общий вид реактора с водой под давлением;
на фиг. 2 – схема трубопроводов и контрольно-измерительного оборудования системы гидрирования, соединенной с системой контроля водно-химического режима реактора с водой под давлением;
на фиг. 3 – блок-схема соответствующих контрольно-измерительных функций;
на фиг. 4 – система обнаружения утечки на трубе с двойными стенками или баке для использования в системе, показанной на фиг. 2.
Как показано на фиг. 1, реактор 2 с водой под давлением (PWR) содержит первый контур 4 теплоносителя реактора, через который проходит теплоноситель первого контура реактора. Первый контур 4 теплоносителя реактора содержит корпус 6 высокого давления ядерного реактора (RPV), нагнетатель 8, парогенератор 10 и циркуляционный насос 12 теплоносителя реактора (RCP). Парогенератор 10 обеспечивает тепловое соединение со вторым контуром теплоносителя реактора. Объем, химический состав и другие физические свойства циркулирующего теплоносителя первого контура реактора можно контролировать с помощью системы 14 контроля водно-химического режима реактора (CVCS), которая гидравлически соединена с первым контуром 4 теплоносителя реактора. Это схематично показано на фиг. 1.
На фиг. 2 показана упрощенная схема трубопроводов и контрольно-измерительного оборудования (P&ID) системы 16 гидрирования, соединенной с CVCS 14 реактора PWR 2 на атомной электростанции (АЭС). Как объяснено выше, CVCS 14 гидравлически соединена с первым контуром 4 теплоносителя реактора PWR 2, чтобы непрерывно извлекать поток теплоносителя первого контура реактора из первого контура 4 теплоносителя реактора, обрабатывать его химически и/или физически и повторно нагнетать его в первый контур 4 теплоносителя реактора после упомянутой обработки. Обработка обычно выполняется при низком давлении (например, 4 бар изб.) по сравнению с высоким давлением в первом контуре 4 теплоносителя реактора (например, 185 бар изб.) во время работы.
Через линию 18 отбора, сокращенно отбор, проходит поток теплоносителя первого контура реактора низкого давления после снижения давления с помощью редуктора давления (здесь не показан). Для отвода тепла от потока теплоносителя первого контура реактора в линии 18 отбора установлен теплообменник 20, через который проходит охлаждающая среда (см. следующий абзац). Ниже по потоку от теплообменника 20 теплоноситель первого контура ректора с низким давлением и низкой температурой проходит через основную линию 22 CVCS 14 и может быть подвергнут химической и/или физической обработке. Основную линию 22 можно рассматривать как нижний по потоку участок линии 18 отбора. Например, если необходимо, для ввода борной кислоты и/или деминерализованной воды в поток теплоносителя первого контура реактора к основной линии 22 может быть подсоединена линия подачи борной кислоты и/или линия подачи деминерализованной воды (здесь не показаны). Кроме того, имеется бак 24 регулирования объема (VCT), сообщающийся с основной линией 22 CVCS 14 и предназначенный для работы в качестве компенсационного резервуара. Кроме того, к VCT 24 может быть присоединена линия 28 выпуска текучей среды, например, для облегчения удаления газообразных отходов или в целом для дегазации.
Ниже по потоку от тройникового соединения 30 с VCT 24 находится нагнетательный насос 32 высокого давления, подключенный к основной линии 22, чтобы довести давление протекающего теплоносителя первого контура реактора обратно до уровня, соответствующего первому контуру 4 теплоносителя реактора (например, 185 бар изб.), и заново вводить или нагнетать его в упомянутый контур или петлю через последующую нагнетательную линию 34. Более конкретно, в показанном примере есть два нагнетательных насоса 32 высокого давления, подключенных параллельно для резервирования. Кроме того, имеется теплообменник 20, через который проходит нагревающая среда который и расположен в нагнетательной линии 34 для повышения температуры теплоносителя первого контура ректора перед вводом в первый контур 4 теплоносителя реактора. Предпочтительно, горячий поступающий теплоноситель первого контура реактора, проходящий через линию 18 отбора, выступает в качестве нагревающей среды, так что достигается рекуперативный нагрев и охлаждение.
2
Для облегчения ввода водорода (H) в теплоноситель первого контура реактора, проходящий через CVCS 14, имеется система 16 гидрирования, сообщенная с CVCS 14. В соответствии с изобретением система 16 гидрирования предназначена для ввода водорода под высоким давлением в поток высокого давления теплоносителя первого контура реактора, проходящий через нагнетательную линию 34. Для этого имеется подвод 36 водорода или источник водорода, в частности электролитическая ячейка или водородный баллон, обеспечивающий подачу водорода при низком или среднем давлении, например 40 бар изб. Линия 38 подачи водорода (газа) проходит от источника 36 водорода к нагнетательной линии 34, причем точка ввода находится ниже по потоку от нагнетательного(ых) насоса(ов) 32. Подающий насос 40 высокого давления расположен в линии 38 подачи для обеспечения давления подачи, которое незначительно превышает давление на выходе нагнетательного(ых) насоса(ов) 32 и, таким образом, превышает давление, преобладающее в нагнетательной линии 34.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения имеется необязательная линия перепуска, проходящая в обход подающего насоса 40 и, предпочтительно, ведущая в выпускную систему в случае, если запорный клапан 44 представляет собой соленоидный клапан, а мембранному компрессору подающего насоса 40 требуется некоторое время, чтобы не допустить повышения давления в линии 38 подачи газа выше, чем необходимо, и/или для предотвращения ненужных переходных процессов давления в подающем насосе 40.
Соединение между подающей линией 38 и нагнетательной линией 34, предпочтительно простое тройниковое соединение 42 или патрубок, предпочтительно, расположено на участке нагнетательной линии 34, расположенном между нагнетательным(и) насосом(ами) 32 и теплообменником 20. Запорный клапан 44, расположенный в линии 38 подачи между подающим насосом 40 и тройниковым соединением 42, позволяет перекрывать линию 38 подачи независимо от состояния подающего насоса 40, тем самым отсоединяя систему 16 гидрирования от CVCS 14 и перекрывая поток водорода в нагнетательную линию 34, если это желательно или требуется.
Подающий насос 40, предпочтительно, представляет собой поршневой компрессор или мембранный компрессор, сокращенно компрессор 70, предпочтительно с регулируемой скоростью двигателя. Это означает, что мощность откачки и, следовательно, скорость подачи водорода можно регулировать. Скорость подачи водорода регулируется мощностью откачки с помощью соответствующей системы 46 управления (см. фиг. 3 и описание, приведенное ниже). В качестве альтернативы, на основе компрессорной технологии, для управления может быть предусмотрено решение, содержащее регулирующий клапан в подающей линии 38 и дополнительные приборы. Система 46 управления также регулирует запорный клапан 44 или управляет им. Следовательно, подающий насос 40 и запорный клапан 44 можно рассматривать как исполнительные объекты системы 16 гидрирования. Подходящая схема управления будет более подробно описана ниже.
Предпочтительно, соединение от распределения водорода низкого давления к подающему насосу 40 будет выполнено рядом с тройниковым соединением 42 с нагнетательной линией 34, чтобы сократить длину трубы трубопровода высокого давления. Соединение предпочтительно располагать за пределами здания реактора, чтобы обеспечить возможность обслуживания и снизить квалификационные требования. В существующих системах нет необходимости в дополнительных изменениях нагнетательной линии 34, за исключением тройникового соединения 42 для подключения линии 38 подачи газа.
Время простоя может быть уменьшено с помощью второго (резервного) компрессора, позволяющего проводить техническое обслуживание второй нагнетательной цепи во время работы станции на полной мощности. Хотя в настоящее время VCT 24 можно легко использовать в любой атмосфере, его также можно использовать для средства дегазации, не влияя на гидрирование.
2
Сенсорный ввод в систему 46 управления обеспечивается рядом датчиков концентрации водорода, сокращенно датчиков водорода или датчиков H.
2
Первый датчик 48 водорода выполнен с возможностью измерения содержания или концентрации водорода в потоке теплоносителя первого контура реактора с низким давлением и низкой температурой в линии 18 отбора или последующей основной линии 22 CVCS 14. Его также называют датчиком на линии отбора или "датчиком H на линии отбора". В показанном примере точка измерения находится ниже по потоку от теплообменника 20 и выше по потоку от тройникового соединения 30 с VCT 24. По практическим соображениям измерения предпочтительно проводить в байпасе от основного потока. Другими словами, имеется короткое ответвление 50, проходящее параллельно основной линии 22, при этом вход 52 в байпас и выход 54 выполнены посредством тройниковых соединений, так что поток теплоносителя первого контура реактора отклоняется от основного потока, а затем снова объединяется с ним. Датчик 48 водорода расположен либо непосредственно в упомянутом ответвлении 50, либо во вторичном ответвлении.
2
Второй датчик 56 водорода предназначен для измерения содержания или концентрации водорода на участке высокого давления, но, предпочтительно, низкотемпературного потока теплоносителя первого контура реактора внутри нагнетательной линии 34 ниже по потоку от точки ввода системы 16 гидрирования (т.е. тройникового соединения 42). Его также называют датчиком на линии нагнетания или "датчиком H на линии нагнетания". В показанном примере точка измерения находится выше по потоку от теплообменника 20. Как и первый датчик 48 водорода, второй датчик 56 водорода может быть расположен в байпасе от основного потока. То есть может иметься ответвление 58, отходящее от нагнетательной линии 34, так что второй датчик 56 водорода расположен в указанном ответвлении 58 или во вторичном ответвлении. Как показано на фиг. 2, ответвление 58 может вести к участку низкого давления основной линии 22 или к ответвлению 50 с первым датчиком 48 водорода, при этом его выход, предпочтительно, расположен ниже по потоку от первого датчика 48 водорода. Таким образом, реализуется обратный поток отбора проб из участка высокого давления в участок низкого давления CVCS 14. Редукционный клапан (здесь явно не показан) в линии 60 обратного потока компенсирует разные уровни давления.
Описание функций КИПиА и концепции управления
2
Схема контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), представленная на фиг. 3, показывает упрощенную логику, которая должна быть интегрирована для управления системой 16 гидрирования. Оборудование (в частности, датчики, клапаны, компрессоры) также может быть интегрировано в собственные КИПиА станции или может быть поставлено с автономными КИПиА в виде черного ящика. Вход схемы содержит заданное значение концентрации H и столько сигналов обратной связи компонентов, сколько требуется оператору станции. Сама КИПиА будет основана на стандартных компонентах КИПиА, поэтому ее легко внедрить в любую существующую структуру КИПиА. Дополнительные компоненты, например электролизер в качестве источника водорода, также могут быть реализованы в черном ящике по запросу.
Измерения
Как обсуждалось выше, предпочтительно, имеется два средства измерения водорода в режиме реального времени: одно подключено к линии 18 отбора (включая последующую основную линию 22), а второе – к нагнетательной линии 34. Средство измерения линии отбора расположено на участке низкого давления/температуры CVCS 14, чтобы физически упростить сопряжение для измерения в режиме реального времени. Предпочтительно, чтобы измерения проводились в байпасе от основного потока. По причинам доступности в каждом месте в нагнетательной линии 34 и/или линии 18 отбора датчики 48, 56 водорода могут быть реализованы два или три раза с простой логикой голосования, обеспечивающей, например, сигнал 1-из-2 или 2-из-3.
Исполнительные механизмы
Как обсуждалось выше, в конструкции станции гидрирования предусмотрено по существу два исполнительных механизма. Поршневой или мембранный компрессор 70, который используется в качестве подающего насоса 40 для нагнетания водорода в основную нагнетательную линию 34 CVCS 14, и запорный клапан 44, расположенный ниже по потоку от компрессора 70 и предназначенный для выполнения функций изоляции либо для случаев нормальной работы, либо для функций ограничения. В зависимости от технологии компрессора в линии 38 подачи газа может быть необходим или полезен дополнительный регулирующий клапан.
Управление
Управление системой 16 гидрирования основано на измерении водорода в линии 18 отбора. Концентрация водорода в линии 18 отбора по существу такая же, как и в первом контуре 4 теплоносителя реактора, при условии, что основные первичные насосы (то есть насосы 12 теплоносителя реактора) работают, и, следовательно, первый контур 4 теплоносителя реактора находится в гомогенизированном состоянии.
2
2
2
2
Заданное значение (обозначенное на схеме как "Заданное значение") системы 16 гидрирования устанавливает оператор в виде константы и вместе с концентрацией H в линии 18 отбора (H в отборе), регулируемое отклонение получают путем вычитания концентрации H в линии 18 отбора из заданного значения (по сути, заданное значение является целевым значением в основном первом контуре). ПИД-регулятор 66 регулирует реактивность управления с помощью переменного регулирования усиления на основе разницы между заданным значением и концентрацией водорода, измеренной в линии 18 отбора. Чем выше отклонение между заданным значением и концентрацией H в линии 18 отбора, тем более реактивным будет регулятор из-за усиления, которое увеличивают пропорционально отклонению.
2
Компрессор 70 (с регулируемой скоростью) подающего насоса 40 регулируется с помощью ПИД-регулятора 66. Он отключается по паре различных сигналов, таких как: закрытый запорный клапан 44, ошибки датчика, низкое давление насоса теплоносителя реактора (RCP) или сигнал максимума H. Запорный клапан 44 работает аналогичным образом.
Сигнал от ПИД-регулятора 66 к компрессору 70 задерживается для запуска регулирования по сравнению с сигналом открытия запорного клапана 44. Чтобы не иметь непрерывного активного контура управления, запорный клапан 44 открывается только в случае определенного минимального управляющего отклонения. Если регулирование показывает, что в этом шаге нет необходимости, предел может быть установлен на 0.
Ограничения
В целом, имеется сигнал "Достигнута максимальная концентрация" и сигнал "Достигнута минимальная концентрация", причем оба эти сигнала генерируются на основе измеренной концентрации водорода в линии 18 отбора. Чтобы сделать схему более надежной в случае, если участки CVCS 14 не работают, также можно получить внешний сигнал от системы отбора проб.
Датчик 48 водорода в линии 18 отбора действует как рабочее защитное устройство, чтобы начать гидрирование в случае работы вслед за нагрузкой или других типов возмущений концентрации водорода в основной первичной системе или прекратить гидрирование, как только это будет технически определено, что достигнуты пределы концентрации.
Датчик 56 водорода в нагнетательной линии 34 используется для проверки возможности ввода. Если концентрация в нагнетательной линии 34 не повышается в течение заданного времени, несмотря на работу компрессора 70, то компрессор 70 отключается (например, в случае отключения линии подачи).
Безопасность при эксплуатации
Для обеспечения необходимой безопасности содержащего водород трубопровода предпочтительно использовать трубы 80 с двойными стенками с системой 82 контроля утечки для линии 38 подачи, в частности ее участка высокого давления, расположенного ниже по потоку от подающего насоса 40. Схематический пример показан на фиг. 4. В нормальных рабочих условиях в пространстве (промежутке) между внутренней стенкой 84 и внешней стенкой 86 будет поддерживаться вакуум с помощью небольшого вакуумного насоса 90. В случае протечки внутренней стенки 84 (или внешней стенки 86), связанной с повышением давления в промежуточном пространстве, которое должно быть обнаружено соответствующим манометром 88, сработает сигнал тревоги, позволяющий автоматически предпринять действия по изоляции трубы (проводной сигнал манометра 88 и подающего насоса является предпочтительным). В случае такого аварийного сигнала автоматическое действие будет включать в себя непосредственную остановку поршневого компрессора 70 на входе, тем самым ограничивая количество водорода в части трубы с двойными стенками.
Список ссылочных позиций
2 реактор с водой под давлением (PWR)
4 первый контур теплоносителя реактора
6 корпус высокого давления ядерного реактора (RPV)
8 нагнетатель
10 парогенератор
12 насос теплоносителя реактора (RCP)
14 система контроля водно-химического режима реактора (CVCS)
16 система гидрирования
18 линия отбора
20 теплообменник
22 основная линия
24 бак регулирования объема (VCT)
26 линия подачи жидкости
28 линия выпуска жидкости
30 тройниковое соединение
32 нагнетательный насос
34 нагнетательная линия
36 источник водорода
38 линия подачи газа
40 подающий насос
42 тройниковое соединение
44 запорный клапан
46 система управления
48 датчик водорода
50 ответвление
52 вход
54 выход
56 датчик водорода
58 ответвление
60 линия обратного потока
66 ПИД-регулятор
70 компрессор
80 труба с двойной стенкой
82 система контроля утечек
84 внутренняя стенка
86 внешняя стенка
88 манометр
90 вакуумный насос.