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CN113874956A - 用于压水反应堆的氢化系统和相应方法 - Google Patents

用于压水反应堆的氢化系统和相应方法 Download PDF

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CN113874956A CN201980096498.7A CN201980096498A CN113874956A CN 113874956 A CN113874956 A CN 113874956A CN 201980096498 A CN201980096498 A CN 201980096498A CN 113874956 A CN113874956 A CN 113874956A
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Abstract

本发明涉及一种压水反应堆(2)，其包括初级反应堆冷却剂回路(4)和用于所述初级反应堆冷却剂的化学与容积控制系统(14)，所述初级反应堆冷却剂回路(4)在运行期间由初级反应堆冷却剂流过，所述化学与容积控制系统(14)沿着所述初级反应堆冷却剂的流动方向包括下调管线(18)、具有给定排放压力的高压充料泵(32)、以及通向所述初级反应堆冷却剂回路(4)的充料管线(34)，所述化学与容积控制系统(14)还包括具有氢供应装置(16)和氢进料管线(38)的氢化系统(16)。为了实现到初级反应堆冷却剂中的有效且快速的氢注入，高压进料泵(40)布置在所述氢进料管线(38)中，以提供高于所述充料泵(32)的排放压力的气体压力，其中所述进料管线(38)排放到所述充料管线(34)中。

Description

用于压水反应堆的氢化系统和相应方法
本发明涉及一种压水反应堆，其包括初级反应堆冷却剂回路、相关联的化学与容积控制系统和相应的氢化系统。本发明还涉及一种操作压水反应堆的相关方法。
压水反应堆包括初级反应堆冷却剂回路，初级反应堆冷却剂在高压下在初级反应堆冷却剂回路内循环。化学与容积控制系统(CVCS)流体连接到初级反应堆冷却剂回路。CVCS包括低压部分，该低压部分通常为各种流体提供进入初级反应堆冷却剂的进入点或注入点。特别地，可能需要将氢注入到初级反应堆冷却剂中，例如以键合溶解氧。
现有技术文献EP0852800B1公开了根据权利要求1前序部分所述的压水反应堆。在其所公开的系统中，氢进料管线排放到位于高压充料泵(charging pump)上游的CVCS的低压部分(即，在其吸入侧)，因此实现氢的低压注入(一般操作压力：3巴(bara))。
除此之外，存在用于将肼(hydrazine)或过氧化氢(hydrogen peroxide)注入低压管线的湿化学系统。
这些方法的缺点通常与氢进料速率的限制有关。注入过程是暂时惰性的，并且其效果是时间延迟的。此外，湿化学溶液可以是有毒的、癌性的、腐蚀性的和/或通常对环境和操作人员有害的，并且不提供游离氢。
因此，本发明的目的是提供一种具有氢化系统的压水反应堆和相应操作方法，其适合于将氢有效且快速地注入到初级反应堆冷却剂中。该设备和相应过程相对于扰动应当是可靠的和鲁棒的。模块化和节省空间的构造是令人满意的。
根据本发明，这些目标由根据权利要求1所述的压水反应堆实现。权利要求7明确了相关操作方法。
因此，关键特征是，高压进料泵(feeding pump)布置在氢气进料管线中以提供比充料泵(feeding pump)用于排放初级反应堆冷却剂的排放(或：出口)压力高的进料压力，并且进料管线排放到充料管线中，即，在充料泵下游的注入点处。
所提出的对常用方法的技术修改是在该系统的低压部分中产生主动高压注入而不是被动注入。
该设计基于氢注入的需要，该氢注入能够在限定的时间内提供精确定义量的氢。在当前设计中，基于核电厂设计，在容积控制箱(VCT)或气体分离器中存在气态氢的量的变化。在这两种情况下，相关系统部分的最大操作压力在1至4巴(bara)(在瞬态的情况下更高)之间。对于根据本发明的高压氢注入，注入点位于高压充料泵的下游。氢注入的物理方面的优点是在压力高于低压注入的大约40倍时经由特定表面在特定时间内用特定压力扩散。
代替被动机构(例如，氢化站中的注入或VCT中的喷枪)，活塞压缩机应当优选地用于升高管道中的气体压力，以确保在高压充料泵下游的注入。
活塞压缩机出口压力的调节将受到充料管线中的操作条件的限制。通过这种设计，扩散过程由于高压而大幅提升速度。气泡将被直接注入到充料流中，其中氢的溶解度比在该系统的低压部分中的溶解度高大约50倍。这使得氢化过程更容易控制(即，等待调节效果的时间较短)。
该设计的另一个好处是不会像在经由氢化站的低压注入(连接VCT并用氮气冲洗)中发生那么多氮污染。这限制了堆芯中C14的产生，从而限制了放射性沉积物的量。
在时间和成本方面，重要的一点是在开始等待氢浓度升高以达到100％功率条件期间花费时间的减少。
该设计也可以容易地在任何点加倍(冗余)设置，以保证高可用性。
总之，本发明使用高压进料泵，优选为活塞压缩机或膜压缩机，以在充料泵(其可以是任何合适的类型)下游的CVCS的任何合适位置注入氢。由于与进料泵和充料泵的排放压力相比的初级反应堆冷却剂回路的普遍较低压力，该概念也可以概括为初级反应堆冷却剂的反压独立氢化。
概括而言，现在提出的具有在充料泵下游的注入点的高压注入(通常排放压力：185巴(bar))尤其提供以下优点：
·除了管道之外，不存在含有气态氢的空腔；
·由于更好的泄漏检测/预防，因此爆炸风险更小；
·氢控制的响应时间较短；
·由于抵抗干扰的鲁棒性，初级反应堆冷却剂回路内的氢浓度可能更高且更稳定；
·使用氮的在CVCS内的VCT惰化处理不再必要；
·模块化构造。
缺点是需要在气体进料管线中的高压进料泵和在进料管线中普遍的高氢压。
在一个优选实施例中，隔离阀布置在进料泵和进入充料管线的注入点之间的进料管线的区段中。
优选地，气体进料管线包括具有在内壁和外壁之间排空的间隙的双壁管道，其中泄漏检测系统被设计成监测间隙内的压力，并且优选地隔离泄漏的管线区段。
在另一个有利实施例中，氢化系统包括具有氢传感器的控制系统，所述氢传感器测量在注入点下游的充料管线中的初级反应堆冷却剂的氢含量，其中所述控制系统被设计成当所述测得的氢含量与氢化系统的设定氢进料速率不匹配时闭合(close)隔离阀。
在又一有利实施例中，氢化系统包括具有氢传感器的控制系统，所述氢传感器测量下调管线中的初级反应堆冷却剂的氢含量，其中所述控制系统被设计用于通过基于所述测得的氢含量与所述氢含量的给定设定点之间的差设置进料泵的功率来控制氢供给速率。
随后参考附图论述本发明的示例性实施例。
图1提供了压水反应堆的示意性概览。
图2示出了联接到压水反应堆的化学与容积控制系统的氢化系统的示意性管道和仪器图。
图3示出了相应仪器和控制功能的流程图。
图4示出了在根据图2的系统中使用的双壁管道或箱上的泄漏感测系统。
根据图1，压水反应堆(PWR)2包括承载初级反应堆冷却剂的初级反应堆冷却剂回路4。初级反应堆冷却剂回路4包括反应堆压力容器(RPV)6、稳压器8、蒸汽发生器10和反应堆冷却剂泵(RCP)12。蒸汽发生器10提供到次级反应堆冷却剂回路的热连接。循环初级反应堆冷却剂的容积、化学组成和其他物理性质可由流体连接到初级反应堆冷却剂回路4的反应堆化学与容积控制系统(CVCS)14来控制。这在图1中被示意性地示出。
图2示出了联接到核能发电厂(NPP)中PWR 2的CVCS 14的氢化系统16的简化管道和仪器图(P&ID)。如上所述，CVCS 14流体联接到PWR 2的初级反应堆冷却剂回路4，以便从初级反应堆冷却剂回路4连续地提取初级反应堆冷却剂流，以对其进行化学处理和/或物理处理，并且以便在所述处理之后将其重新充入到初级反应堆冷却剂回路4中。在操作期间，与初级反应堆冷却剂回路4中的高压(例如185巴(barg))相比，该处理通常在低压(例如4巴(barg))下完成。
在短暂的下调中，下调管线18在由减压器(此处未示出)减压之后承载低压初级反应堆冷却剂流。冷却介质(见下一段)流过的热交换器20布置在下调管线18中，以便为初级反应堆冷却剂流去除热量。在热交换器20的下游，低压低温初级反应堆冷却剂被引导通过CVCS 14的主管线22，并且可以经受化学处理和/或物理处理。主管线22可以被认为是下调管线18的下游部分。例如，如果需要，硼酸供应管线和/或除盐水供应管线(这里未示出)可以连接到主管线22，以便将硼酸和/或除盐水注入到初级反应堆冷却剂流中。此外，存在流体连接到CVCS 14的主管线22的容积控制箱(VCT)24，容积控制箱(VCT)24旨在充当补偿储存器。此外，可以存在附接到VCT 24的流体排放管线28，例如以便于去除气体废物或通常用于去气化的目的。
在到VCT 24的三通接头30的下游，存在高压充料泵32，高压充料泵32切换到主管线22中以使流动的初级反应堆冷却剂的压力返回到与初级反应堆冷却剂回路4相关联的水平(例如，185巴(barg))，并且经由随后的充料管线34将其重新注入或充入到所述回路或环路中。更确切地说，在所示的示例中，出于冗余的原因，在平行流动构造中存在两个高压充料泵32。此外，存在加热介质流过的热交换器20，其布置在充料管线34中，以在注入到初级反应堆冷却剂回路4中之前升高初级反应堆冷却剂的温度。有利地，流过下调管线18的到来的热初级反应堆冷却剂充当加热介质，使得实现回热式加热和冷却。
为了便于氢(H2)注入到流过CVCS 14的初级反应堆冷却剂中，存在流体连接到CVCS 14的氢化系统16。根据本发明，氢化系统16被设计用于将高压氢注入到流过充料管线34的初级反应堆冷却剂的高压流中。为此，存在氢供应装置36或氢源，特别是在低压或中压下(例如40巴(barg))提供氢的电解池或氢气瓶。氢(气体)进料管线38从氢供应36通向充料管线34，该注入点位于(一个或多个)充料泵32的下游。高压进料泵40布置在进料管线38中，以提供比(一个或多个)充料泵32的排放压力略高的进料压力，并且因此高于在充料管线34中的普遍压力。
在优选实施例中，在隔离阀44是电磁阀并且进料泵40的膜压缩机需要一定时间用于跳动(runout)的情况下，为了不对气体进料管线38进行超出所需地加压和/或不在进料泵40上引起不必要的压力瞬变，存在绕过进料泵40并且优选地通向排气系统的可选的溢流管线。
进料管线38和充料管线34之间的连接，优选为简单三通接头42或喷嘴，优选地位于(一个或多个)充料泵32和热交换器20之间的充料管线34的区段中。设置在进料泵40和三通接头42之间的进料管线38中的隔离阀44允许闭合(close)进料管线38，而不管进料泵40的状态如何，从而使氢化系统16与CVCS 14分离，并且关闭进入充料管线34的氢流，如果期望或需要的话。
进料泵40优选地是活塞压缩机或膜压缩机，在短压缩机70中，优选地具有可调节的马达速度。这意味着泵送功率是可调节的，并且因此氢进料速率是可调节的。氢进料速率通过相应控制系统46的泵送功率进行控制(参见图3和下文的描述)。可替代地，基于压缩机技术，可以预见包括进料管线38中的控制阀和附加仪器的方案用于控制。控制系统46还控制或设置隔离阀44。因此，进料泵40和隔离阀44可被认为是氢化系统16的施动者。下面将更详细地描述合适的控制方案。
优选地，从低压氢分配到进料泵40的连接将在三通接头42附近连接到充料管线34，以便缩短高压管道的管道长度。优选地预见该连接位于反应堆建筑的外部，以确保维护的可能性并降低资格需求。在现有系统中，除了三通接头42连接气体进料管线38之外，在充料管线34上没有必要做出额外变化。
停止(standstill)时间可以通过第二(冗余)压缩机允许在核电厂的全功率运行期间对第二注入列(train)进行维护来减少。虽然VCT 24现在可容易地在任何空气下使用，但其也可用于去气化装置而不影响氢化。
对控制系统46的感测输入由多个氢浓度传感器(短氢传感器或H2传感器)提供。
第一氢传感器48被布置用于测量在下调管线18或CVCS 14的后续主管线22中的初级反应堆冷却剂的低压低温流中的氢含量或氢浓度。这也称为下调传感器或“H2下调”。在所示的示例中，测量点在热交换器20的下游并且在连接到VCT 24的三通接头30的上游。出于实践原因，该测量优选地进入到来自主流的旁路中。换句话说，存在相对于主管线22以平行流动构造布置的短分支管线50，其中进入旁路的入口52和出口54由三通接头实现，使得初级反应堆冷却剂的分支流从主流转向，然后与主流再结合。氢传感器48直接布置在所述分支管线50内或布置在次级分支内。
第二氢传感器56被布置用于测量在氢化系统16的注入点下游(即，三通接头42的下游)的高压部分中的氢含量或氢浓度，但优选地测量在充料管线34内的初级反应堆冷却剂的低温流。这也称为充料传感器或“H2充料”。在所示的示例中，测量点位于热交换器20的上游。正如第一氢传感器48一样，第二氢传感器56可以被布置在主流的旁路中。即，可以存在从充料管线34转向的分支管线58，使得第二氢传感器56布置在所述分支管线58内或次级分支内。如图1所示，分支管线58可通向主管线22的低压区段或第一氢传感器48的分支管线50，优选地在第一氢传感器48的下游排放。这样，实现了从CVCS 14的高压区段到低压区段的采样回流。回流管线60中的减压阀(此处未明确示出)补偿不同的压力水平。
I&C功能和控制概念的描述：
图3中可视化的仪器和控制(I&C)概念示出了整合用于氢化系统2的控制的简化逻辑。设备(特别是传感器、阀、压缩机)也可以被整合在核电厂自身的I&C中，或者可以被供应有独立的黑箱I&C。用于该概念的输入包括H2浓度设定点和由核电厂操作员请求的许多部件反馈信号。I&C本身将基于标准I&C部件，因此易于实现到任何现有的I&C结构中。如果需要，也可以在黑箱中实施额外的部件，例如作为氢源的电解器。
测量：
如上所述，优选地存在两种氢在线测量，一种连接到下调管线18(包括后续主管线22)，一种连接到充料管线34。下调管线测量位于CVCS 14的低压/低温部分中，以物理地实现到在线测量的接口。测量结果将优选地进入到来自主流的旁路中。由于充料管线34和/或下调管线18中的每个位置处的可用性原因，氢传感器48、56可以用提供例如2选1或3选2信号的简单表决逻辑来实现两次或三次。
致动器：
如上所述，在氢化站设计中可以预见基本上有两种致动器。用作进料泵40将氢注入到CVCS 14的主充料管线34中的活塞压缩机或膜压缩机70，以及在压缩机70下游的隔离阀44，隔离阀44专用于正常操作情况或限制功能下的隔离功能。基于压缩机技术，额外的控制阀在气体进料管线38中可能是必要的或有益的。
控制：
氢化系统16的控制基于下调管线18中的氢测量。下调管线18中的氢浓度与初级反应堆冷却剂回路4中的氢浓度基本相同，条件是主初级泵(即反应堆冷却剂泵12)在运行中，并且主初级反应堆冷却剂回路4因此处于均质化状态。
氢化系统16的设定点(在图中标记为‘设定点’)由操作员设定为恒定值，并且与下调管线18中的H2浓度(H2下调)一起，通过从设定点减去下调管线18中的H2浓度(自然地，设定点是主初级电路中的目标值)来导出控制偏差。PID控制器66基于设定点与在下调管线18中测量的氢浓度之间的差通过可变增益(GAIN)控制来调节控制的反应性。设定点与在下调管线18中的H2浓度之间的偏差越高，该控制器将由于与该偏差成比例地增加的增益(GAIN)而反应性更强。
进料泵40的(速度调节的)压缩机70经由PID控制器66调节。压缩机70基于几个不同信号被关闭，如闭合(closed)的隔离阀44、传感器错误、低反应堆冷却剂泵(RCP)压力或H2最大信号。隔离阀44以类似的方式操作。
与打开(open)隔离阀44的信号相比，来自PID控制器66到压缩机70的信号被延迟用于调节的启动。为了不具有连续主动控制环路，隔离阀44仅在限定的最小控制偏差的情况下打开。如果调节显示该步骤不是必要的，则限制可以被设置为0。
限制：
基本上，存在“最大浓度达到”信号和“最小浓度达到”信号，两者都是由下调管线18中测得的氢浓度产生的。为了使概念在CVCS 14的某些部分非运行时更稳健，还可能具有来自核采样系统的外部信号。
下调管线18中的氢传感器48用作操作安全装置，以便如果发生负荷跟随操作或在主初级系统中氢浓度的其它类型扰动而启动氢化，或者一旦达到浓度的技术规定限制就停止氢化。
使用充料管线34中的氢传感器56来检查注入能力。虽然在压缩机70运行的情况下，如果充料管线34中的浓度不在预定义的时间上升，则关闭压缩机70(例如，在进料管线隔离的情况下)。
操作安全性：
为了实现含氢管道的必要的安全性，具有泄漏监测系统82的双壁管道80将优选地用于进料管线38，特别是其在进料泵40下游的高压区段。图4中示出了示意性示例。在正常运行条件下，内壁84与外壁86之间的区域(间隙)将通过小真空泵90保持真空。在内壁84(或外壁86)泄漏的情况下，涉及将由相应压力计88检测到的间隙中的压力的上升，将触发警报，从而允许自动动作来隔离管道(优选压力计88和进料泵的硬连线信号)。在这种警报的情况下，自动动作将包括在上游的活塞压缩机70的直接停止，因此限制了双壁管道部分中的氢的量。
附图标记列表
2 压水反应堆(PWR)
4 初级反应堆冷却剂回路
6 反应堆压力容器(RPV)
8 稳压器
10 蒸汽发生器
12 反应堆冷却剂泵(RCP)
14 反应堆化学与容积控制系统(CVCS)
16 氢化系统
18 下调管线
20 热交换器
22 主管线
24 容积控制箱(VCT)
26 流体供应管线
28 流体排放管线
30 三通接头
32 充料泵
34 充料管线
36 氢供应
38 气体进料管线
40 进料泵
42 三通接头
44 隔离阀
46 控制系统
48 氢传感器
50 分支管线
52 入口
54 出口
56 氢传感器
58 分支管线
60 回流管线
66 PID控制器
70 压缩机
80 双壁管道
82 泄露监测系统
84 内壁
86 外壁
88 压力计
90 真空泵。

Claims (7)

1.一种压水反应堆(2)，包括初级反应堆冷却剂回路(4)和用于所述初级反应堆冷却剂的化学与容积控制系统(14)，所述初级反应堆冷却剂回路(4)在运行期间由初级反应堆冷却剂流过，所述化学与容积控制系统(14)沿着所述初级反应堆冷却剂的流动方向包括下调管线(18)、具有给定排放压力的高压充料泵(32)、以及通向所述初级反应堆冷却剂回路(4)的充料管线(34)，所述化学与容积控制系统(14)还包括具有氢供应装置(36)和氢进料管线(38)的氢化系统(16)，
其特征在于，
高压进料泵(40)布置在所述氢进料管线(38)中，以提供高于所述充料泵(32)的排放压力的气体压力，并且所述氢进料管线(38)排放到所述充料管线(34)中。
2.根据权利要求1所述的压水反应堆(2)，其中，所述进料泵(40)包括压缩机，优选为活塞压缩机或膜压缩机。
3.根据权利要求1或2所述的压水反应堆(2)，其中，隔离阀(44)被布置在所述进料泵(40)和进入所述充料管线(34)的所述注入点之间的所述进料管线(38)的区段中。
4.根据权利要求3所述的压水反应堆(2)，其中，所述氢进料管线(38)包括双壁管道(80)，所述双壁管道(80)具有在内壁(84)和外壁(86)之间的排空的间隙，并且其中，泄漏检测系统被设计成监测所述间隙内的压力。
5.根据权利要求3或4所述的压水反应堆(2)，包括具有氢传感器(56)的控制系统(46)，所述氢传感器(56)测量在所述注入点下游的所述充料管线(34)中的所述初级反应堆冷却剂的氢含量，并且其中，所述控制系统(46)被设计成当所述测得的氢含量与由所述氢化系统(16)提供的氢进料速率不匹配时闭合所述隔离阀(44)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的压水反应堆(2)，包括具有氢传感器(48)的控制系统(46)，所述氢传感器(48)测量所述下调管线(18)中的所述初级反应堆冷却剂的氢含量，其中所述控制系统(46)被设计用于通过基于所述测得的氢含量与所述氢含量的给定设定点之间的差设置所述进料泵(40)的功率来控制所述氢进料速率。
7.一种压水反应堆(2)的操作方法，所述压水反应堆(2)包括初级反应堆冷却剂回路(4)和用于所述初级反应堆冷却剂的化学与容积控制系统(14)，所述初级反应堆冷却剂回路(4)在运行期间由初级反应堆冷却剂流过，所述化学与容积控制系统(14)沿着所述初级反应堆冷却剂的流动方向包括下调管线(18)、具有给定排放压力的高压充料泵(32)、以及通向所述初级反应堆冷却剂回路(4)的充料管线(34)，所述方法包括以下步骤：将氢加压到高于所述充料泵(32)的所述排放压力的压力，然后经由所述充料管线(34)将所述加压氢注入到所述初级反应堆冷却剂中。
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