Ilustrační foto (zdroj: Pixabay.com)
Vodík je výbušný plyn vznikající v primárním okruhu, který musí být cíleně odstraněn z těchto hlavních důvodů:
- Při náhlém otevření hlavního pojistného ventilu (HPV) nebo odlehčovacího pojistného ventilu (OV) dojde k velkému úniku nezkondenzovatelných plynů, které způsobí dřívější prasknutí průtržné membrány barbotážní nádrže (BN) a vznikne nebezpečná koncentrace výbušné směsi nejen v barbotážní nádrži ale i v jejím okolí.
- Vysoký obsah vodíku a dalších nekondenzovatelných plynů v parním polštáři kompenzátoru objemu (KO) působí jako dobrý tepelný izolant a způsobuje výrazný pokles teploty před pojistnými ventily (HPV, OV), ale i v části přívodního potrubí, což představuje nebezpečí tepelného rázu („thermal shock“) v případě jejich otevření. Tato situace má nepříznivý vliv nejen na jejich životnost a spolehlivost, ale může ovlivnit i změnu jejich otevíracích tlaků. Na tento stav nejsou pojistné ventily kvalifikovány a může dojít i k jejich zaseknutí v otevřené poloze a tím k nekontrolovatelnému úniku primárního média přes prasklé membrány BN do hermetického prostoru.
- Vysoký obsah vodíku v primárním médiu vede k rozvoji vodíkové koroze nerezových povrchů primárního okruhu.
Proto vzniká požadavek trvalého odvádění ze všech nejvyšších míst systému kompenzace objemu s možností uzavření v některých režimech (např. nouzový režim v případě výpadku napájení elektroohříváků KO). Jedná o jedno z postfukušimských nápravných opatření.
Hlavní požadavky na systém odvodu vodíku
- trvalé (kontinuální) odvádění s možností uzavření systému při některých režimech bloku (např. nouzový režim v případě výpadku napájení elektroohříváků KO),
- odstranění vodíku ze všech nejvyšších míst systému kompenzace objemu,
- spolehlivost a dlouhá životnost.
Historie vývoje systému odvodu vodíku
To, že nejde o jednoduchou problematiku – dokládá vývoj těchto systémů, který započal před více než 20 lety v Modřanské potrubní a pokračuje přechodem skupiny projektantů potrubářů do ŠKODA JS v roce 2014.
První generace byla založena na jednoduché myšlence odvodu vodíku přes jednoduché by-passy umístěné u každého odběru přes clonku o velikosti cca 0,3 mm, která odpouštěla paroplynnou směs z prostoru před pojistnými ventily potrubí a dále do barbotážní nádrže. Tento systém byl ale velmi náchylný na ucpání clonky, nebo ve velmi krátké době došlo k jejímu poškození (vyšlehání). Dále nebylo možno tento systém za provozu odstavit. Tento systém je dodnes používán na elektrárnách od firmy Framatome a dále EBOV2 a EMO12.
Další evoluční 2. generací byl systém s periodickým odpouštěním (aplikováno dosud na EDU), který odpouštěl jen nezbytně nutné množství paroplynné směsi, ale docházelo pouze k odpuštění již uvolněného vodíku z kolektoru – a velká část vodíku zůstávala neuvolněná v chladivu. Vodík se tedy znovu velmi rychle uvolňoval krátce po jeho odpuštění. Velkým problémem bylo tedy časté a velmi významné střídání teplot (rozdíl až 200 °C) na hlavních pojistných ventilech i ostatních komponentách celého systému.
Až třetí generace systému dle uděleného patentu č. 308421 pro Kontinuální odvod vodíku, majitele ŠKODA JS, kdy způsob i zařízení podle tohoto vynálezu slouží zejména pro zvýšení bezpečnosti tlakového systému. Koncepce je založena na doplnění nového systému odvodu vodíku k existujícímu systému kompenzace objemu. Součástí nového systému jsou odměrné clonky na každém odběru – což vede k rovnoměrnému odvodu vodíku z celého systému kompenzace objemu – a tím k stálé teplotě na řídících a pojistných ventilech. Pro hydraulické výpočty a návrh měřiče používáme vlastní analytické vztahy, které vznikly v průběhu řady let jako výsledek srovnávání teoretických výpočtových průtokových rovnic a průtoků naměřených na modelech 1:1 při provozních parametrech v laboratořích. Důležitá je možnost tohoto systému v případě potřeby (např. při ztrátě napájení vlastní spotřeby) odstavit celý systém uzavírací armaturou. Systém se skládá z odběrných míst, ve kterých se nacházejí primární odměrné clonky (které mají některé klíčové funkce včetně jejich polohy a možnosti nastavit individuálně množství odváděné paroplynné směsi), ze spojovacího potrubí, uzavíracích armatur s elektropohonem a centrálního měřiče, který řídí celkové množství odpouštěné paroplynné směsi a dále z potrubí odvodu paroplynné směsi do barbotážní nádrže, odkud je vodík po ochlazení odváděn dále do systému pro spalování vodíku.
Měřítkem úspěšnosti systému 3. generace je především velmi nízké množství nátoku páry/vody do barbotážní nádrže (odvádí se jen takové množství, které odpovídá vzniklému množství nezkondenzovatelných plynů) – a především byla naměřena stabilní teplota nejen na hlavních pojistných ventilech – ale i na celém systému - blížící se teplotě IO. Na funkčnost systému ukazuje také provedený zátěžový test. Uzavírací ventil na systému odvodu vodíku při výkonu bloku jaderné elektrárny 100 % byl uzavřen a po cca 21 hodinách byl opět otevřen. Uzavření odvodu vodíku se projevilo nejdříve postupným poklesem teploty před PV – vodík nebyl po přechodnou dobu odváděn. Po následném otevření armatury se teploty opět postupně vrátily k normálu – viz graf na obr. 3.
Toto řešení je výhodné pro již provozované bloky, u kterých se nepředpokládá výměna hlavních pojistných ventilů. Větší množství odběrových míst, které jsou v místě složitého uzlu HPV je náchylné na poškození – ale je toto nebezpečí poškození je možno významně snížit vhodným dispozičním uspořádáním. Jako nejvhodnější řešení tohoto systému pro nové bloky, nebo v případě výměny hlavních pojistných ventilů je následující 4. generace.
Jako čtvrtou generaci představujeme Integrovaný odvodu vodíku, jde o technické řešení chráněné patentem č. 308421. Tento systém byl vyvinut ve ŠKODA JS s využitím dlouhodobých zkušeností odborného týmu a jedinečného know-how, systém je navržen pro tělesa ventilů společnosti Sempell, se kterou ŠKODA JS při vývoji úzce spolupracovala. Tento systém lze ale implementovat i do armatur dalších výrobců.
Systém 4. generace je vhodný zejména pro tlakovodní jaderné elektrárny typu VVER a PWR, ale obdobnou konstrukci je dále možno použít ve všech technologických procesech, u kterých se oddělují z kapaliny (nebo páry) nežádoucí nekondenzovatelné plyny, která se ze směsi oddělují v místě odběru.
Výhodou systému je výrazné zvýšení bezpečnosti zejména uzlu hlavních pojistných ventilů kompenzace objemu, protože snižuje tepelné cyklování celého systému a průběžně odvádí vzniklý vodík do systému pro spalování vodíku. Splňuje nejen všechny technické požadavky na odvod vodíku, ale protože je celý systém včetně uzavíracího vlnovcového ventilu integrovaný do tělesa armatury - tak splňuje velmi náročné požadavky na odolnost systému proti vnějšímu poškození, zejména při seismické události.
Odběrové místo je tvořeno separační komůrkou v horní části přívodu do tělesa PV doplněnou o vstupní filtr. Škrtící clony jsou rozděleny do několika propojených vývrtů. Uzavírací vlnovcový ventil se sekundární ucpávkou je umístěný v horní části tělesa a umožňuje v případě potřeby uzavření, nebo snížení průtoku systému. Po zpracování tlakového spádu na sestavě přímých a úhlových clonek je paroplynná směs výstupním kanálkem odvedena do výfukového hrdla PV.
Vývoj, výroba a odzkoušení systému s provozními parametry na modelu 1:1 trval ve ŠKODA JS jeden rok. Aktuálně probíhají zkoušky prototypu v Německu, po jejichž zdárném splnění je možné systém uvést plně na trh.
Ing. Martin Pulc, Ing. Jiří Slach
ŠKODA JS a.s.
