TW201312586A

TW201312586A - 放熱製程工廠緊急冷卻裝置

Info

Publication number: TW201312586A
Application number: TW101123738A
Authority: TW
Inventors: Lavante Dominik Von
Original assignee: Rwe Technology Gmbh
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2013-03-16
Also published as: EP2729936B1; AR088314A1; WO2013004351A1; EP2729936A1; DE102011107284A1

Abstract

本發明係關於一種放熱製程工廠的緊急冷卻之裝置，具有於一封閉熱傳遞介質迴路或一熱傳遞介質容器內的至少一第一熱傳遞介質。用於緊急冷卻之該裝置包含於一第二封閉熱傳遞介質迴路內的至少一第二熱傳遞介質，其係透過至少一第一熱交換器耦接至該第一熱傳遞介質迴路或該熱傳遞介質容器，藉此該第二熱傳遞介質迴路可裝載有來自該第一熱傳遞介質迴路或該熱傳遞介質容器的加工用熱能，該第二熱傳遞介質迴路係形成為一封閉熱力循環過程，其係專有地藉由來自該第一熱傳遞介質迴路的該加工用熱能所驅動。

Description

放熱製程工廠緊急冷卻裝置

發明領域

本發明係關於一種緊急冷卻裝置，特別是一種用於放熱製成工廠的緊急冷卻裝置。

發明背景

本發明係關於一種放熱製程工廠緊急冷卻裝置，具有於一封閉熱傳遞介質迴路或熱傳遞介質容器內的至少一第一熱傳遞介質。此等放熱製程工廠例如為化學工業中的工廠、傳統發電廠、或核能發電廠。於核能發電廠的情況下，尤其是反應器壓力容器且/或主要冷卻系統為需要被冷卻的關鍵系統，尤其是在重大崩潰的事件中。原則上，緊急冷卻系統對消散來自核能燃料的後續殘熱為方便的，例如消散核能或燃料元件儲存池的後續殘熱。

已知各種用於緊急冷卻系統，其仰賴一外部電源供應或需要充分的冷卻水供給的其中之一者。

在核心熔毀意外的事件下，已知一種用以冷卻以及用以保護一反應器壓力容器的裝置，例如德國專利第19846057 B4號中，在此描述之方法的目標為藉由維持該反應器壓力容器的完整性，來穩定反應器壓力容器內的核心熔毀，同時避免蒸氣***，且接著避免該反應器壓力容器底頭蓋的熔化以及更進一步的損壞。於德國專利第19846057 B4號中描述的裝置以及對應應用之方法中，原則上完成喪失反應壓力爐容器的存量是可接受的。

描述另外一種用於加壓水反應器緊急冷卻系統，例如第DD240625 A1號專利，在出現核電廠中總電壓的故障的事件中，此系統仰賴以電力能源供應之一自發產量控制系統，以來自核心注水容器送入緊急冷卻劑。

德國專利第2913520 C2號揭露了一種方法與一種裝置，用以消散來自用於使用後燃料元件之中間儲存的一儲存腔體的熱，其中一冷卻流體引導通過於一迴路中的該儲存腔體，至少部分地蒸發於該儲存腔體中，且從後者流出的該冷卻流體係於該儲存腔體中藉由熱交換構件冷凝，從該儲存腔體流出的該冷卻流體係被擴張，產生了機械以及電能，於擴張狀態中的冷卻流體由於熱交換的結果而冷凝，且該液態冷卻流體係被泵送回該儲存腔體內。於該冷卻流體的擴張期間所產生的能量，係用來泵送液態冷卻流體回去。

德國專利第19847646 C1號描述一種用於一核能反應工廠的安全系統，其包含用於容納一反應器核心的一壓力容器，可熱耦合的一熱發電引擎係提供於該壓力容器的外表面上。用以將一冷卻流體送料進入該壓力容器的一送料裝置可藉由熱發電引擎驅動。

德國專利第102006035272號揭露了一種方法與一種裝置，用以使用低溫熱而藉由使用超臨界二氧化碳做為一運作介質來產生能源。

德國專利第2634780 A號揭露了一種緊急冷卻裝置，用於氣冷式核能反應器，其含有一冷卻氣體迴路穿過該反應器核心，且具有一熱交換器、一氣渦輪機連接至冷卻氣體迴路內，且藉由提供於其中循環之冷卻氣體所驅動。該緊急冷卻裝置亦包含一次要冷卻迴路，其藉由該熱交換器耦接至該冷卻氣體迴路，一壓縮機連接至該冷卻氣體迴路內，以及一循環泵連接至該次要冷卻迴路內，該壓縮機與該循環泵兩者係藉由該氣渦輪機驅動。

為了啟動該緊急冷卻裝置，提供用於該氣渦輪機的一啟動裝置。

德國專利第202004013299號揭露一種ORC有機朗肯循環程序，以其達成將熱源能量轉化為機械能之轉換。

美國專利第3,506,539號揭露了一種用於一反應器的緊急冷卻裝置，該反應器熱係用來驅動冷卻劑藉由對流而通過該反應器核心。已知有類似的緊急冷卻裝置，例如：德國專利第3014289A1號以及WO2008/125963A2。

發明概要

本發明因而基於提供用以緊急冷卻放熱製程工廠的一裝置之目標，即使在更困難的條件下，例如在完全喪失電力的事件下，其可確保冷卻。更進一步的，根據本發明的該裝置係意欲在有錯誤的事件下自動地有效，以及在沒有冷卻水供應，必需恰當地標註下管理。

此目的藉由用於緊急冷卻放熱製程工廠的衣裝置完成，具有於一封閉熱傳遞介質迴路中或於一熱傳遞介質容器中的至少一第一熱傳遞介質，該裝置包含於一第二封閉熱傳遞介質迴路中的至少一第二熱傳遞介質，其透過至少一第一熱交換器耦接至該第一熱傳遞介質迴路或該熱傳遞介質容器，以此方式該第二熱傳遞介質迴路可裝載來自該第一熱傳遞介質迴路或該熱傳遞介質容器之加工用熱能，該第二熱傳遞介質迴路被形成為一封閉熱力循環過程，其藉由來自該第一熱交換介質迴路之加工用熱能所驅動。

藉此，可確保完整地被動緊急冷卻。

於循環過程中，該加工用熱能可轉換成為，例如：電功，其可用以產生緊急能源或供給該工廠中其他電子商品。

根據本發明之裝置當然不受限於核能燃料的後續殘熱，而可施加至所有種類的放熱製程，例如，亦於化學工廠中，其中在完全的電機故障的事件中，必須消散相當大量的熱。

在根據本發明之緊急冷卻裝置之一特定實施例中，儲備該第二熱傳遞介質迴路，而包含有至少一第二熱交換器，透過該第二熱交換器周遭空氣可較佳地流動，藉此，加工用熱能可消散至周圍的空氣。

因此，有利地可以免除用以冷卻的水蒸氣以及相關的設施。更進一步的，不必要確保對應之冷卻水之供應。

在根據本發明之裝置的一特定合理的變化中，較佳地藉由一鼓風機構件，儲備有一強制流通過該第二熱交換器。

該第二熱傳遞介質迴路可例如包含至少一渦輪機與至少一壓縮機。

於本發明之一特定較佳變化中，儲備該鼓風機而藉由來自該循環過程的機械功專有地驅動。

藉此，給定適當地大量冷卻劑、充分數量之熱能可消散至週遭而不需要任何對應需要用於此用途之建設。

該循環過程較佳地形成為一封閉焦耳過程或一有機朗肯循環(ORC)過程。換句話說，不是水的熱傳遞介質為合適的，因此該循環過程可以相對低溫度差運作，此溫度差與從加工用熱能至周圍空氣的溫度差或是以從熱能源至散熱器的溫度差是不同的，被動地且完全地自主，無需任何外部電源也無需任何外部供應水。

於一特定較佳變化中，提供超臨界二氧化碳做為該第二熱傳遞介質迴路中的該熱傳遞介質。超臨界二氧化碳為液態的氧化碳，高於其臨界溫度以及其臨界壓力之下，因此氣體與液體的此等特性與彼此結合，亦即，如同液體一樣密集但具有與氣體相同的黏度。運作介質係選定為具有偽臨界點為介於散熱器以及熱源之間的溫度之優點。因此，可以在超臨界氣體範圍中完成在渦輪機中的膨脹，同時可以在超臨界以及可壓縮液體範圍內完成壓縮，其增進了效能，而足以使得機器在真實條件下為可實行的。由於使用選定之運作介質，以密度與液體相當、但流動特性如同氣體之特徵，其亦可使得元件的尺寸維持在極緊湊，其首次允許對於現有工廠的改造。

例如，在已被關閉之一反應器中的衰退後熱，初使地對應至反應器正常運作熱能輸出的約5%至10%，且在一段時間或日子後衰退。例如，以超臨界二氧化碳之一熱力循環過程，熱傳遞介質為尤其地適合消散這些熱能。同樣地，如一熱力循環過程一樣合適與方便，例如所知的「有機朗肯循環」，其中擴張機器典型地以矽油、冷媒、以及可燃氣體運作。此一方法特別地適用於消散熱能，當介於熱源以及散熱器之間的可取得溫度梯度相對低時，且尤其是對於藉由蒸氣驅動之渦輪機之運作為太低時。

可替代地適合做為該第二熱傳遞介質迴路中的一熱傳遞介質為超臨界二氧化碳與水、或與丙烷的混合物、或是與丁烷、或乙醇、或甲醇、或乙醇、或是水與甲醇或水的混合物。

方便地，該第二熱傳遞介質迴路包含一渦輪機、一發電機，以及於一軸上的一壓縮機。

於根據本發明之緊急冷卻裝置之一便利的變形中，儲備該第一熱交換器以佈置於一沸水反應器之一冷凝腔體中。於一加壓水反應器中的應用中，該第一熱交換器可佈置於一加壓水反應器之主要迴路內、或於安全殼地坑內、或於加壓器噴氣槽內。

替代地，該熱交換器亦可佈置於用於核廢燃料元件之一冷卻池內。

該等熱傳遞介質迴路其中的至少一者，較佳地為該第二熱傳遞介質迴路，係較佳地設計為自我啟動而不需要任何輔助能源。沒有任何輔助能源來源在本發明的意義上，代表封閉熱力循環過程可專門地藉由來自該第一熱傳遞介質迴路的加工用熱能所啟動，而不需要任何用於此目的的外加初期能量或是啟動能量。

為此，若該第一與第二熱交換器係以在相對彼此在高度的量測差(geodetic difference)為不同的佈置，其係尺寸化為使得該熱傳遞介質在一預定義溫度差異之下形成一自然的循環。為此，例如該等熱交換器可在該等交換器之間以約5公尺至10公尺在高度的量測差佈置。為了啟動該循環過程，例如相對於大氣約40K的一溫度差將會是必要的。整合一發電機進入循環過程，在此裝置的配置中將不會需要分離的啟動電源，否則啟動電源將會透過一輔助能源以蓄電池或者電池的形式提供。

方便地，至少一熱傳遞介質迴路，較佳地為該第二熱傳遞介質迴路係提供有多數閥自動地關閉且/或開啟，做為溫度且/或壓力的功效。取決於壓力且/或溫度的差異，該等閥體可開啟或關閉該熱傳遞介質迴路，開啟該熱傳遞介質迴路影響到熱傳遞介質的循環，且因而初始化該循環過程。

於根據本發明的裝置之一特定有利且方便的改進中，儲備有在流動方向中，在該第一熱交換器之前於該第二熱傳遞介質迴路中提供至少一噴嘴，以及在該第一熱交換器之後提供至少一擴散器。該噴嘴影響該熱傳遞介質的加速，由於其在噴嘴內的絕熱膨脹降低了該熱傳遞介質的動態溫度。如此一來，更進一步的影響冷卻該熱傳遞介質，因而在熱交換器內，後者可裝載有較大的熱流。

例如，在該熱交換器前的該熱傳遞介質可從約0.05馬赫的速度加速至介於0.4馬赫與0.5馬赫之間的速度，其影響了該熱傳遞介質的動態溫度中的降低約20K至30K。

透過下游擴散，影響該熱傳遞介質合適地減速，藉此在該噴嘴前的初始壓力係虛擬的複製。由於以此方式增加該熱傳遞介質溫度負載，結果為跨越該第二熱交換器為一較大的溫度梯度，藉此，該加工用熱能消散至周圍。總體而言，結果會需要較少的鼓風機能源。

所知的「印刷電路熱交換器」或者所知的「擴散焊接熱交換器」已經證明他們本身尤其是用於根據本發明之緊急冷卻裝置中係做為熱交換器。

為了允許最容易且最簡單的啟動藉由發明提供之發電機，該發電機軸可為被動磁地或者磁動地安裝。附加地或替代地，可提供一無齒輪啟動發電機，其可同樣的被動磁地、磁動地、電磁地、且/或水動地安裝。

在開始提及的目標更進一步的藉由用於緊急冷卻放熱製程之工廠的一方法完成，具有至少一熱傳遞介質於一封閉熱傳遞介質迴路中或於一熱傳遞介質容器中，該方法係藉由使用在一第二封閉熱傳遞介質迴路中的至少一第二熱傳遞介質而完成，該第二熱傳遞介質迴路係透過至少一第一熱交換器耦接至該第一熱傳遞介質迴路或該熱傳遞介質容器，此方法包含以下步驟：a)壓縮該第二熱傳遞介質，b)以來自該第一熱傳遞介質的加工用熱能裝載至該第二熱傳遞介質， c)於一渦輪機中擴張該第二熱傳遞介質，該渦輪機驅動至少一壓縮機，d)冷卻該第二熱傳遞介質，e)以該壓縮機壓縮該第二熱傳遞介質，且以上述步驟重複步驟a)至e)，來自該第二熱傳遞介質的廢熱係排放至大氣。

於該方法的一變形中，為該熱傳遞介質的膨脹儲備，而用來產生電力，與周圍空氣之鼓風機輔助的熱交換藉其達成。

在本發明的背景下，同樣地提供不需要任何鼓風機、或以水、或以噴灑水之混合式冷卻的冷卻。

藉由使用介於大氣與該熱傳遞介質的負載間的溫度差異，步驟a)至e)較佳地自動地啟動不需要任何輔助能源。

於該方法的一變形中，在負載加工用熱能前，為完成該第二熱傳遞介質的加速儲備，且在膨脹前為完成該第二熱傳遞介質的減速儲備。

根據步驟a)至e)的方法較佳地以一封閉熱力循環過程運作，尤其是焦耳過程或者是有機朗肯循環(ORC)過程。

圖式簡單說明

本發明將會在以下藉由使用兩個示範性實施例而描述。

第1圖顯示根據本發明之緊急冷卻裝置的一概要性表現；第2圖顯示根據本發明之裝置用以緊急冷卻一沸水反應器；以及第3圖顯示根據本發明之裝置用以緊急冷卻一加壓水反應器。

較佳實施例之詳細說明

首先參照第1圖。用於緊急冷卻之裝置包含於一封閉熱傳遞介質迴路1內的一熱傳遞介質，例如：為超臨界二氧化碳的型式。此熱傳遞介質迴路1先前已經指定為一第二熱傳遞介質迴路。一第一封閉熱傳遞介質迴路或一第一熱傳遞介質容器，在本發明的意義上是現有工廠的組成部分，例如一傳統發電工廠、一核能發電工廠或一化工廠。此工廠概要地於第1圖中顯示為一熱源2。此可例如位於一核能發電廠中的一反應器壓力容器內，亦如下所描述。該熱傳遞介質迴路1包含一第一熱交換器3於該熱源2之上或之內，一渦輪機4，一第二熱交換器5連接至該渦輪機4的下游，一壓縮機6連接至該第二熱交換器5的下游，以及一發電機7，其係佈置於該渦輪機4與該壓縮機6之間，其佈置於與該渦輪機4及該壓縮機6相同軸上。該發電機7驅動一鼓風機8，其影響一強行流通過該第二熱交換器5，建構為一空氣至空氣的熱交換器。該第二熱交換器5的大小係依據尺寸製作，因而透過該鼓風機8，周圍空氣係可流經該鼓風機8，使得可將來自該熱源2的加工用熱能足夠的消散至周圍。例如，若該熱源具有約80℃的溫度水平，在該第一熱交換器3前的該熱傳遞介質可具有104巴的壓力，例如：溫度為80℃帶有 466焦耳/公斤的熱函。於渦輪機4中，其係建構為一單級軸渦輪機，例如：該熱傳遞介質可擴張至一75巴的壓力帶有453焦耳/公斤的熱函。若周圍溫度係大約為31℃，該第二熱交換器5中的該熱傳遞介質可冷卻至約31℃在74巴的壓力下帶有311焦耳/公斤的熱函。接著於壓縮機6中壓縮，壓縮機6較佳地建構為二級軸向式壓縮機，該熱傳遞介質係被壓縮至約106巴的壓力帶有318焦耳/公斤的熱函。例如，該渦輪機4、該壓縮機6、以及該發電機7可建構為渦輪式發電機壓縮機單元。不須說明以上所提及的大小僅為用以緊急冷卻之裝置一可能的設計之範例。

第2圖顯示根據發明之用以於如放熱製程工廠的一沸水反應器中之緊急冷卻的裝置之一概要形式。該第一熱交換器3係佈置於該沸水反應器10中的反應器壓力容器9當中的一冷凝腔體13中。

第3圖顯示根據本發明用於緊急冷卻之裝置，於一加壓水反應器11之上，該第一熱交換器3係佈置於該加壓水反應器11的主要迴路12中。否則，相同的名稱係指定相同的元件。

在完全停電的狀況下，根據本發明之用於緊急冷卻之裝置供應足夠的電力，而供給工廠內除了鼓風機之外的其他裝置。在約30K的溫度差下，該系統仍將供應足夠的能源以驅動循環過程。

於例示於第1圖中根據本發明之用於緊急冷卻之裝置內，亦為可調整的一噴嘴14係佈置於該第一熱交換器3的上游。透過此噴嘴14，以超臨界二氧化碳形式的該熱傳遞介質之加速，從約0.05馬赫受影響至約0.4馬赫至0.5馬赫，此影響了進入該熱交換器3之前，該熱傳遞介質的冷卻約20K至30K。在該熱交換器3之後，提供一擴散器15，該熱傳遞介質以該擴散器15適當地減速。

該第一熱交換器3與該第二熱交換器5係佈置為以相對於彼此約5公尺至10公尺的高度測量差，因此該系統可僅僅由於介於該第一熱交換器3與該第二熱交換器5之間的溫度差所啟動，此代表該熱傳遞介質迴路當中的該熱傳遞介質係藉由溫度差所驅動而循環，且用以啟動該發電機7的輔助能源是不需要的。

在該熱傳遞介質迴路1內，可配製多數閥，其可受控做為溫度且/或壓力的功能，為了影響該緊急冷卻裝置在適當的溫度差之下啟動，其依據需要開啟或關閉該熱傳遞介質迴路，例如，在相對於大氣有40K的溫度差。

1‧‧‧熱傳遞介質迴路

2‧‧‧熱源

3‧‧‧第一熱交換器

4‧‧‧渦輪機

5‧‧‧第二熱交換器

6‧‧‧壓縮機

7‧‧‧發電機

8‧‧‧鼓風機

14‧‧‧噴嘴

15‧‧‧擴散器

1‧‧‧熱傳遞介質迴路

2‧‧‧熱源

3‧‧‧第一熱交換器

4‧‧‧渦輪機

5‧‧‧第二熱交換器

6‧‧‧壓縮機

7‧‧‧發電機

8‧‧‧鼓風機

9‧‧‧反應器壓力容器

10‧‧‧沸水反應器

11‧‧‧加壓水反應器

12‧‧‧主要迴路

13‧‧‧冷凝腔體

14‧‧‧噴嘴

15‧‧‧擴散器

Claims

一種放熱製程工廠的緊急冷卻裝置，具有於一封閉熱傳遞介質迴路或一熱傳遞介質容器內的至少一第一熱傳遞介質，包含於一第二封閉熱傳遞介質迴路內的至少一第二熱傳遞介質，其係透過至少一第一熱交換器耦接至該第一熱傳遞介質迴路或該熱傳遞介質容器，藉此該第二熱傳遞介質迴路可裝載有來自該第一熱傳遞介質迴路或該熱傳遞介質容器的加工用熱能，該第二熱傳遞介質迴路係形成為一封閉熱力循環過程，該封閉熱力循環過程係專有地藉由來自該第一熱傳遞介質迴路的該加工用熱能所驅動。
如申請專利範圍第1項之裝置，其特徵在於該第二熱傳遞介質迴路包含至少一第二熱交換器，加工用熱能透過該第二熱交換器可消散至周遭，較佳地有一強制流通過該第二熱交換器，較佳地係藉由至少一鼓風機構件。
如申請專利範圍第1及第2項其中一者之裝置，其特徵在於該第二熱傳遞介質迴路包含至少一渦輪機與至少一壓縮機。
如申請專利範圍第2及第3項其中一者之裝置，其特徵在於該鼓風機係專有地藉由來自該循環過程的機械功所驅動。
如申請專利範圍第1至第4項其中一者之裝置，其特徵在於該循環過程係形成為一封閉焦耳過程或一有機朗肯循環(ORC)過程。
如申請專利範圍第1至第5項其中一者之裝置，其特徵在於超臨界二氧化碳係提供做為該第二熱傳遞介質迴路中的該熱傳遞介質，較佳地為帶有一選自於包含有水、丙烷、丁烷、甲醇、甲醇和水、乙醇、乙醇和水之群組的物質之混合物。
如申請專利範圍第1至第6項其中一者之裝置，其特徵在於該第二熱傳遞介質迴路包含共軸的一渦輪機、一發電機以及一壓縮機。
如申請專利範圍第3至第7項其中一者之裝置，其特徵在於該渦輪機係建構為一軸向式渦輪機或徑向式渦輪機，尤其是單級的軸向式渦輪機，且/或其特徵在於該壓縮機係建構為一軸向式壓縮機或一徑向式壓縮機，尤其是二級軸向式壓縮機。
如申請專利範圍第1至第8項其中一者之裝置，其特徵在於該第一熱交換器係於一沸水反應器的冷凝腔體之內，係連接至一加壓水反應器之主要迴路或連接至一蒸氣產生器的次要迴路。
如申請專利範圍第5至第9項其中一者之裝置，其特徵在於該等熱傳遞介質迴路其中至少一者係設計為自我啟動而不需任何輔助能源。
如申請專利範圍第2至第10項其中一者之裝置，其特徵在於該第一與第二熱交換器係配置為相對於彼此在高度上具有量測差(geodetic difference)，因此該熱傳遞介質在一預定義溫度差之下形成一自然循環。
如申請專利範圍第1至第11項其中一者之裝置，其特徵在於該等熱傳遞介質迴路其中至少一者係提供有多數閥自動地關閉且/或開啟以作為溫度且/或壓力之功能。
如申請專利範圍第3至第12項其中一者之裝置，其特徵在於，於流動方向，在該第一熱交換器前，在該第二熱傳遞介質迴路內提供至少一噴嘴，且在該第一熱交換器後提供至少一擴散器。
一種放熱製程工廠之緊急冷卻的方法，具有在一封閉熱傳遞介質迴路內或一熱傳遞介質容器內的至少一第一熱傳遞介質，藉由使用一第二封閉熱傳遞介質迴路內的至少一第二熱傳遞介質，其係透過至少一第一熱交換器耦接至該第一熱傳遞介質迴路或該熱傳遞介質容器，該方法包含以下步驟：a)壓縮該第二熱傳遞介質，b)將來自該第一熱傳遞介質的加工用熱能裝載至該第二熱傳遞介質，c)於一渦輪機中擴張該第二熱傳遞介質，該渦輪機驅動至少一壓縮機，d)冷卻該第二熱傳遞介質，e)以該壓縮機壓縮該第二熱傳遞介質，且依序重複上述步驟步驟 a)至e)，來自該第二熱傳遞介質的廢熱係排放至大氣。
如申請專利範圍第14項之方法，其特徵在於該熱傳遞介質的擴張係用以產生電能，與周圍的空氣之鼓風機輔助的熱交換藉其達成。
如申請專利範圍第14與第15項其中一者之方法，其特徵在於步驟a)至e)係藉由利用介於大氣與已裝載的熱傳遞介質間的溫度差異自動地啟動，不需要任何輔助能源。
如申請專利範圍第14至第16項其中一者之方法，其特徵在於在裝載加工用熱能前，該第二熱傳遞介質之加速，以及在擴張前，該第二熱傳遞介質的減速。
如申請專利範圍第14至第17項其中一者之方法，其特徵在於所使用之該熱傳遞介質為超臨界二氧化碳。