Материал: Лескин С.Т., Слободчук В.И., Шелегов А.С., Кашин Д.Ю. Теплотехнические основы производства электроэнергии и тепла на АЭС

wуст

Из определения этих величин следует их взаимосвязь по форму-

Вообще говоря, эти величины не являются универсальными и существенно отличаются для станций, работающих в базовом и пиковом режиме.

Для станций, работающих в базовом режиме, величина μуст ≈ 0,75÷0,9. Что касается τуст, то ее величина может быть оценена так:

3. Выбор начальных иконечныхпараметров термодинамического цикла,

показателитепловой экономичности

3.1. Термодинамические циклы ЯЭУ. Основные параметры термодинамического цикла.

Определение термического коэффициента полезного действия

Итак, вспомним, что такое термодинамический цикл. Термодинамический цикл – это замкнутый круговой процесс, совершаемый рабочим телом в тепловой машине. Здесь тепловая машина – довольно широкое понятие, в нашем случае будем подразумевать цикл в рабочем контуре ЯЭУ. Из термодинамики известно, что идеальным циклом является цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Коэффициент полезного действия этого цикла является наибольшим для данного диапазона температуры. Использование в рабочем контуре ЯЭУ в качестве рабочего тела водяного пара представило принципиальную возможность реализации такого цикла в реальной установке. Однако практически это

21

оказалось нереальным и нецелесообразным. Дело в том, что для реализации цикла Карно необходимо конденсировать в «холодном источнике» не весь пар, а только часть, сжимая в дальнейшем пароводяную смесь до начального давления. Тогда в конце процесса сжатия получим воду. Реально действующие установки очень плохо работают на влажном паре: низкий КПД, высокая эрозия. Поэтому пошли по другому пути: полностью конденсируется пар, а затем уже происходит сжатие конденсата. Для перекачки и сжатия конденсата могут быть использованы обычные насосы, КПД которых выше, они наиболее надежно работают на однофазной жидкости. Таким образом, реальный цикл паросиловой установки (называемый циклом Ренкина) отличается от цикла Карно и имеет вид, показанный на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Рабочий цикл паросиловой установки (идеальный цикл Ренкина): 1–2 – адиабатическое расширение рабочего тела в турбине;

2–3 – полная конденсация пара в конденсаторе; 3–4 – сжатие жидкости насосом; 4–5–1 – подвод тепла к рабочему телу

(по изобаре) в ПГ или в реакторе

Конечно же, здесь представлен идеализированный цикл Ренкина с адиабатным расширением пара и адиабатным сжатием воды насосом, цикл без регенерации и без промежуточного перегрева пара. Основные параметры цикла: начальное давление p0; начальная температура t0 рабочего тела; температура и давление промперегрева рабочего тела; конечное давление пара pк; температура пи-

22

тательной воды tп.в. (т.е. той воды, которая поступает в ПГ или в реактор). Мы выделили в качестве основных эти параметры, так как они влияют на эффективность цикла, т.е. на его КПД. В дальнейшем рассмотрим и другие параметры, которые будут влиять на КПД, например, степень регенерации, оптимальный регенеративный подогрев и т.д. Ну и, наконец, о самом КПД цикла, так как этот показатель характеризует тепловую экономичность АС в целом. Исходя из определения КПД, запишем его выражением

где l – полезная работа цикла, а q0 – количество тепла, подведенного к рабочему телу в цикле.

3.2.Обоснование начальных параметров рабочего тела ЯЭУ

среакторами различных типов.

В основе оценки тепловой экономичности цикла лежит термодинамическая эффективность преобразования тепловой энергии, характеризуемая КПД термодинамического цикла – термическим КПД. Реализуемые в ЯЭУ термодинамические циклы и начальные параметры рабочего тела в значительной мере зависят от конструкции и типа реактора и от теплофизических свойств используемого теплоносителя. Более того, параметры теплоносителя и рабочего тела ЯЭУ тесно взаимосвязаны и влияют не только на КПД, но и на удельные капитальные затраты, надежность, безопасность и удобство эксплуатации.

Выбор начальных параметров рабочего цикла начнем с анализа одноконтурных ЯЭУ. Таковыми у нас являются ЯЭУ с реакторами РБМК, а за рубежом – с реакторами корпусного типа, охлаждаемыми кипящей водой (BWR). Будем считать, что в рабочем контуре реализуется цикл Ренкина на насыщенном паре (см. рис. 3.1). Характер зависимости КПД такого цикла от начального давления пара (при фиксированном конечном давлении) показан на рис. 3.2. Из рис. 3.2, где видно, что заметный рост КПД наблюдается при повышении начального давления пара до 7,0–7,5 МПа. При дальнейшем увеличении начального давления прирост КПД замедляется;

23

при давлении 12–13 МПа КПД достигает максимума (из рис. 3.2 видно, что максимум пологий), а при дальнейшем увеличении начального давления наблюдается уменьшение КПД цикла. С точки зрения тепловой эффективности, а также с учетом всех запасов (по предельной температуре оболочек твэлов, по запасу до кризиса теплообмена), начальное давление рабочего тела можно было бы выбрать в диапазоне 12–12,5 МПа. Однако при выборе начального давления пара необходимо учитывать и экономический фактор. Так как тепловая схема блока с реактором РБМК является одноконтурной, то начальные параметры рабочего тела фактически совпадают

спараметрами теплоносителя. При этом при повышении давления

с7–7,5 до 12–12,5 МПа прирост КПД будет незначительным, а металлоемкость оборудования возрастет, а значит и капитальные затраты тоже возрастут. С другой стороны, увеличение массы металла в активной зоне реактора приведет к увеличению поглощения нейтронов в конструкционных материалах. Для компенсации этого эффекта необходимо использовать топливо повышенного обогащения (стоимость топлива возрастает), что дополнительно увеличивает эксплуатационные затраты. Кроме этого, с ростом давления уменьшается критический тепловой поток, следовательно, надо уменьшать энергонапряженность активной зоны, а значит при фиксированной мощности реактора это приводит к росту размеров активной зоны. С учетом всех этих факторов для одноконтурных АЭС с водяным теплоносителем начальное давление рабочего тела принимается равным p0 ≈ 7 МПа (t0 = tS (p0)).

Рис. 3.2. Характер зависимости КПД цикла Ренкина на насыщенном паре от начального давления рабочего тела

24

Для АЭС с реактором типа ВВЭР выбор начальных параметров рабочего тела определяется следующими факторами. Во-первых, отметим, что тепловая схема энергоблока с реактором ВВЭР является двухконтурной. Выработка рабочего пара осуществляется в парогенераторе (ПГ) за счет передачи тепла от теплоносителя к рабочему телу. Характер изменения температуры теплоносителя и рабочего тела наглядно отражается на t–Q диаграмме (рис. 3.3), которая показывает изменение температуры теплоносителя и рабочего тела в зависимости от передаваемого тепла.

Из диаграммы видно, что температура кипения tS (p0), а следовательно, и давление рабочего тела зависит от температуры теплоносителя на выходе из парогенератора tВЫХ,ПГ и минимального температурного напора δtmin. В свою очередь, tВЫХ,ПГ будет зависеть от

tА.З. = tВХ,ПГ – tВЫХ,ПГ. Мы можем принять величину δtmin очень маленькой, тогда получим повышенное давление и температуру рабо-

чего тела, но для этого потребуется большая площадь теплообменной поверхности ПГ, т.е. надо учитывать уже и затраты на изготовление оборудования. С другой стороны, увеличение минимального температурного напора приведет к уменьшению площади теплообмена (снижение капитальных затрат), но уменьшатся также и начальные параметры рабочего тела, а это приведет к снижению КПД (см. рис. 3.2). Таким образом, надо искать оптимальное сочетание этих факторов, а также учитывать величину подогрева теплоносителя в реакторе, т.е. проводить оптимизационные расчеты.

В реакторе ВВЭР обычно не допускают кипения теплоносителя, поэтому tВХ,ПГ < tS (p1), где p1 – давление теплоносителя в первом контуре. Поскольку пары воды имеют высокое давление насыщения, то уже при достаточно умеренных температурах t = 300÷340 °C давление должно быть порядка 10÷16 МПа (критические параметры воды tкр = 374,1 °С, pкр = 22,1 МПа).

Запас до кипения выбирается ≈ 20–25 °C. При выборе максимальной температуры теплоносителя необходимо также учитывать и ограничения по максимальной рабочей температуре оболочек твэлов. В качестве материала оболочек твэлов в реакторах ВВЭР используется циркониевый сплав. Допустимая рабочая температура циркониевого сплава составляет порядка 350 °C (при повышении температуры вышеуказанного значения заметно ухудшаются

25