用于回收核电站的排放能量的冷凝系统的制作方法

本发明涉及核电工程，尤其涉及利用热能和核电站排放通道水面上方的空气湿度来回收核电站排放能量的系统。

背景技术：

已知在核电站(npp)无故障运行的条件下，对环境的直接负面影响远远小于热电站(tpp)，因为后者不可避免地会将燃料(煤、天然气、燃油、泥炭、可燃页岩)的燃烧产物排放到大气中。核电站低于热电站的生态平衡的唯一因素是用于冷却涡轮冷凝器的废水的大流量所造成的热污染，在核电站中由于较低的性能系数/能效比(cop，不超过35％)热污染略高。在冷却水取自自然水资源(河流、湖泊或海洋)的情况下，从经济角度来看，这对于核电站在经济学上是有利的，但这导致水资源的温度升高，并且不利于生物地理群落。为了应对这一因素，现代核电站配备了自己的人工设计的蓄水池冷却器、冷却塔或喷淋池。然而，这并不能完全解决问题，因为这些单元向大气中蒸发的增加会改变该区域的生态环境，使其温度升高，同时伴随着湿度的增加、降水的增加、出现更多的云量等。

此外，由于不仅有可能获得电力，而且还有额外的经济效果，利用核电站的过量热排放可以增加核电站的cop。在寒冷地区，在冬季，利用核电站和热电站的废水热量，可以为大量的住宅和工业用房供热。然而，一般来说，这个解决方案是不实用的。在核电站经常出现的贫瘠海岸地区，鉴于使用大量海水作为冷却水的可能性，有可能利用核电站的动力来生产淡水，为此已经采用了多种技术解决方案。

已知的是一种通过从空气中冷凝水蒸汽来大量生产淡水的装置(俄罗斯联邦专利第2143033号，公开于1999年12月20日)包括隔热的制冷室、用于将空气从环境吸入制冷室的且具有用于从制冷室排出经脱水的冷却空气的管道的泵-压缩机、用于融化通过冷凝空气中的水蒸气而产生的冰的电加热器、用于收集形成的水的储器，该储器具有龙头和用于将水排出到外部的管道，该泵-压缩机连接到盘管式热交换器，该盘管式热交换器又连接到喷嘴，制冷室通过一管道连接到室分离器，电加热器和带有龙头的管道位于该室分离器中，用于将产生的水排放到外部。该设备设计用于通过压缩空气对蒸汽进行冷冻、冷却和绝热膨胀来从大气湿气中产生水。所获得的细小冰晶通过电加热而被周期性地融化，同时通过龙头排放水。

这种装置的缺点是：获得的水品质低，因为没有分离不冻结的液滴和固体杂质(盐溶液、沙子等)；由于外部空气，压缩空气的冷却速率低；并且由于解冻的周期性，最终产品的生产率也低。上述缺点使得在核工业应用的情况下，不可能期望减少废水对环境的影响。

本发明的最接近的现有技术是核电联合体/核动力联合体(ru2504417，公开于2009年1月20日)，其主要设计用于通过从大气中冷凝水蒸气来生产淡水，包括进气装置、连接到用于冷却压缩空气的热交换装置的压缩机、涡轮膨胀机、带有电枢的用于运输水和空气的装置、核电站，其中进气装置为高度至少为200米的塔的形式，进气口布置在塔的高度上方，用于冷却压缩空气的热交换装置是连接到液滴分离器的冷凝器，两者都安装成能够将冷凝物排放到初级冷凝物池中，并且涡轮膨胀机连接到水室，该水室配备有连接到次级冷凝物池的喷洒器和连接到核电站的废水热交换器。

在核电联合体运行期间，大气中的水蒸气通过进气装置和压缩机，然后通过第一冷凝级，其中在冷凝器中冷却，这使得能获得与雨水的生态品质相对应的初级冷凝物。然后，在第二冷凝级，压缩空气通过涡轮膨胀机，在涡轮膨胀机中，压缩空气由于急剧的绝热膨胀和温度下降而做功，使得其中包含的水分被冻结/冷凝，以产生次级冷凝物，其品质相当于天然的融化水/雨水。

因此，由于使用了自然界中导致雨水出现的相同过程(在太阳辐射作用下的低温蒸发和湿气的低温冷冻)，根据俄罗斯联邦专利第2504417号的核电联合体使得能从大气海水湿气中大量获得生态纯的淡水冷凝物。然而，该方法的缺点是(1)当核电联合体远离海岸时，淡水生产过程的生产率不足，并且淡水生产过程的生产率依赖于周围空气温度的每日变化和季节性变化，以及(2)核电站热利用的性能系数不足，以及(3)不可能减少核电站废水的热排放对环境的负面影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种核电站排放通道的冷凝系统的设计，其提供：(1)由于通过利用核电站潮湿的高温蒸汽回收核电站排放通道的水的热能，从而在任何条件下生产淡水的过程的高生产率，以及(2)关于核电站中的热的总性能系数增加，以及(3)减少废水的热对环境的负面影响。

本发明的技术结果是：(1)通过利用核电站潮湿的高温蒸汽来回收核电站排放通道的水的热能，从而确保在任何条件下生产淡水的过程的高生产率，并且(2)还增加核电站总的热利用系数，以及(3)减少废水对环境的负面影响。

技术结果是这样实现的，在已知的(俄罗斯联邦专利第2504417号)用于从大气中冷凝水蒸汽的核电站冷凝系统中，该系统包括核电站、进气装置、压缩机、冷凝器、设置有喷洒器的水室、电流发生器、纯水泵站、冷却水泵站、次级冷凝物池和涡轮膨胀机，所述进气装置连接到压缩机，所述压缩机连接到冷凝器，所述冷凝器连接到涡轮膨胀机，所述涡轮膨胀机设置有电流发生器并连接到水室，所述水室连接到次级冷凝物池，所述次级冷凝物池连接到纯水泵站，所述冷凝器连接到冷却水泵站，其中所有的连接都以压力管线的形式实现，并且其特征在于，进气装置布置在核电站的废水排放通道中，该废水排放通道连接到核电站，并且废水排放通道设有密封的顶部。

优选地，废水排放通道设置有起泡管，该起泡管布置在废水表面下方，并通过空气导管与水室连接。

有利地，使废水通道在其每100米长度上的有效面积不小于2000平方米。

建议提供具有液滴分离器和初级冷凝物池的冷凝系统，冷凝器通过压力管线与液滴分离器和初级冷凝物池连接，液滴分离器连接至涡轮膨胀机，初级冷凝物池连接至水室喷洒器和纯水泵站。

优选提供连接水室和起泡管、起泡压缩机的空气导管。

有利的是通过压力管道将冷却水泵站在起泡管下方与废水排放通道连接，并且通过压力管道将压缩机在起泡管上方与废水排放通道连接。

建议将冷却水泵站和冷凝器连接到外部供热系统(核电站、工厂、居民区等)。

优选地利用压力管道将水室的喷洒器与次级冷凝物池相连。

有利地，将空气导管位于废水排放通道中的部分布置在废水表面上方，并且为它们提供能够收集冷凝物并连接到用于将冷凝物排放到废水通道外部的管道的导管。

本发明的优点是：由于通过利用核电站潮湿的高温蒸汽回收核电站排放通道的水的热能，在任何条件下生产淡水的过程中实现高生产率；提高了核电站的总的热利用系数；减少了废水对环境的负面影响。

核电站废水排放通道中的进气装置的布置装置——其中在水面下方具有起泡管，该起泡管通过空气导管连接到水室——以及废水排放通道的气密顶部使得能确保从核电站排放通道的水中提取湿蒸汽，从而在任何条件下生产淡水的过程中实现高生产率，降低废水的温度和对环境的负面影响，并且还使得可能增加核电站的总的热利用系数。

附图说明

图1示出了核电站废热回收系统的优选实施例的示意图，该系统包括核电站1，废水排放通道2连接到该核电站1，在水位以下的废水通道2中设置有通过冷空气导管连接到水室13的起泡管3，排放通道的空气部分通过压力空气导管连接到压缩机4，压缩机4连接到冷凝器5，冷凝器5连接到冷却水泵站6、液滴分离器8和初级冷凝物池7，液滴分离器8连接到初级冷凝物池7和涡轮膨胀机9，涡轮膨胀机9连接到电力发生器10和水室13。包含喷洒器14的水室13通过空气导管连接到核电站1、起泡压缩机15和压力管道、初级冷凝物池7和次级冷凝物池12，次级冷凝物池12连接到纯水泵站11，纯水泵站11也连接到初级冷凝物池7，其中所有的连接都通过压力管道实现。

图2示出了废水通道2的设计以及其中的空气导管和起泡管3的布置的实施例。当管道被部分地放置在废水表面之下时，废水被流过空气导管的冷空气进一步冷却，并且当被放置在水面之上时，能被放置在空气导管槽之下，所述槽被制成具有收集冷凝物并将其通过管线传送到外部至用户的可能性，这提高了系统的生产率。

具体实施方式

核电站废能回收冷凝系统优选如下操作。当核电站1运行以冷凝离开核电站涡轮机的蒸汽时，使用来自外部蓄水池的冷却水。在热交换过程中，冷却水在通过核电站1的冷凝器的管束时，被加热5℃至10℃以达到大约35℃的温度，然后通过安装有起泡管3的废水通道2，被排放回海洋、河流、蓄水池或其他外部水域。为了增加蒸发面积，向起泡管3供应空气，该空气可以从环境中获取，但是在本发明的优选实施例中，通过起泡压缩机15从水室13经由空气导管供应冷的脱水空气，并且因此其具有比废水更低的温度和湿度(相对湿度约为20％，空气温度为-4℃至+8℃)。由于该气泡离开起泡管3并通过一定体积的废水，带走了排放通道的水温并饱和有湿气(气泡中蒸汽的湿气/水分含量达到空气中32.3克/千克或39克/立方米)，并且在气泡逃逸到排放通道2中的水面之后，它们形成潮湿的蒸汽(饱和有水蒸气的热空气)。起泡管3可以制成各种形式，例如穿孔管的形式。

在通过起泡管3之后，低温废水通过排放通道2返回到海洋或其他外部水域，而湿蒸汽通过压力空气导管被供应到压缩机4，该压力空气导管的入口被放置在排放通道2的空气部分中，并且被供应到压缩机4，在压缩机4中，由于绝热压力增加，湿蒸汽被进一步加热到100℃以上的温度，之后，湿蒸汽通过压力空气导管进入冷凝器5。在冷凝器5中，处于压力下的热蒸汽通过热交换管/板的壁与核电站的热网和任何附近建筑物的返回水接触，或者与附近蓄水池的天然冷水接触，或者与通过海水泵站6从起泡管3上游的排放通道部段中获得的水接触。由于冷凝器5的热交换管/板上的蒸汽和海水的温度不同，蒸汽的温度降低到10℃至18℃，即低于源空气的露点，这导致水分/湿气部分沉积在冷凝器5的表面上，然后水分被排放到初级冷凝物池7中，并代表品质相当于雨水的淡水。这一过程对应于第一个阶段，即生产淡水的浓缩阶段，从其盐和杂质中提纯。此后，在压力下的剩余湿蒸汽通过压力空气导管被供应到液滴分离器8，该液滴分离器例如可以制成槽式液滴分离器的形式，在该液滴分离器中进行进一步的从水分的含盐杂质中的沉淀和纯化，然后该水分被供应到初级冷凝物池7中，并且也代表对应于雨水品质的淡水。

在生产淡水的第一阶段中获得的初级冷凝物可用于农业灌溉，用于技术目的，以及在本发明的优选实施例中，用于回收核电站自身的功率发射的冷凝物系统的操作，如下所示。

在压力下通过压力管道将初级冷凝物从冷凝器5分离后剩余的湿蒸汽进入涡轮膨胀机9，在涡轮膨胀机9中，湿蒸汽经受绝热膨胀，压力和温度在涡轮膨胀机9的涡轮机运行中降低，由此提取的能量通过电流发生器10转换成电能，其还允许供给压缩机4的能量的部分回收，用于蒸汽的初级压缩。涡轮膨胀机9中的湿蒸汽的突然绝热膨胀导致蒸汽冷却到约-10℃，并且导致在此刻仍然留存在湿蒸汽中的水分的冷冻，这是低温蒸汽次级冷凝阶段。包含空气和冰和雪颗粒的冷冻水分进入水室13。

在水室13的喷洒器14中，冻结的水分经历了用温暖的淡水喷洒的过程，该淡水可以通过压力管道从冷凝器5供给喷洒器14，但是在本发明的优选实施例中，通过压力管道从初级冷凝物池7或者从次级冷凝物池12供给喷洒器14，这使得可以对核电厂的废水的热量进行部分回收。作为喷洒的结果，空气、雪和冰的混合物被融化并分解成次级冷凝物，其品质相当于雨水，并且在冷却的脱水空气中适于调节核电站和任何附近的建筑物的房间，为此目的，使用连接到水室13的压力管道。本发明的一个重要的基本特征是通过水室13的空气导管与起泡管3的连接(如上所示)使得，由于高蒸发面积，能增加气动的气泡与废水通道2的水之间的热交换，从而确保实现本发明的技术效果，即：确保在任何条件下生产淡水的过程的高效率，这是由于回收了核电厂排放通道的热能；减少了废水对环境的负面影响，并提高了核电厂的总热性能系数。在这种情况下，高纯度的次级冷凝物通过管线被供给到次级冷凝物池12中，因此可以将其用作技术用水，用于核电站周围区域的灌溉，以及在居民区的供水系统中。

在利用能量输出小于1000兆瓦的核电站/热电站系统的情况下，利用不使用液滴分离器8的能量输出回收系统变得有利。在该利用模式中，压缩机5下游的湿蒸汽被直接供给到涡轮膨胀机9，湿蒸汽从涡轮膨胀机9被送到水室13，在水室13中，湿蒸汽通过上述方法在第二阶段被冷凝。

对于额外的水分和蒸汽温度，能使用安装在废水通道2中的被动浮动叶轮，使得可以形成水面的起伏变化。在这种情况下，蒸发的表面积增加，这增加了蒸汽的湿度和温度。在这种情况下，根据本发明，在废水通道2的大长度(大于300米)的情况下，可以在废水通道2的不同部段分别应用起泡管3和浮动叶轮，并从每个部段排出蒸汽。

在本发明的一个实施例中，海水泵站可以通过压力管线在起泡管3下方连接到废水通道2，但是在起泡管3上方连接压缩机。这使得在冷凝器5和废水通道2之间进行额外的热交换成为可能，这进一步降低了废水的温度。

此外，根据本发明的又一实施例，可以将冷凝器4和冷却水泵站6连接到外部供热系统，例如城市供热系统。在这种情况下，冷凝器4上的冷凝蒸汽将随着城市供热系统的水加热而发生，这进一步增加了核电站的总热利用率。

计算显示了本发明的高应用效率。根据废水通道2的估计尺寸(图2):宽度10m、高度6m、长度800米，通道中的水深3m，废水通道2中的水流为66t/s。打孔的水下起泡管(100个管，每个管的截面积0.07㎡)位于排放通道的底部(穿过轴线)，彼此相距1m或更远，连接主管道并以400m³/s或更大的体积均匀地提供空气排放过程。在一个优选的实施例中，废水通道2可以通过分隔格栅分成100米长的部段，这些分隔格栅不干扰水的运动，但是将通道的空气空间分成多个部段。然后，从每个部段提取湿蒸汽，并且可以将湿蒸汽供应到单独的冷凝站，每个冷凝站包括本发明的区块4-15。通过以1000米/秒的速度起泡，将空气从冷凝器站的出口(相对湿度20％，空气温度从-4℃到+8℃)充入到通道2的每个部段的排出水量中。空气以气泡的形式通过排放通道的水的深度，假设水的温度为+35℃，而蒸汽的含水量达到32.3克/千克或39克/立方米(空气)。一个冷凝系统的产能(淡水)超过3000吨/天。在具有6个冷凝站的排放通道的能量输出回收的优选实施例的情况下，废水的温度下降超过3℃。

工业适用性

核电站能量排放回收的冷凝系统使得可以通过回收核电站废水的热能来大幅提高淡水生产过程的效率，减少废水对环境的负面影响，并提高核电站热量的总体利用系数。