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

механические свойства циркониевого сплава). Кроме того, при более высоких давлениях заметно снижаются критические тепловые потоки, а следовательно, и допустимые удельные тепловыделения в активной зоне. Поэтому в настоящее время для реактора типа ВВЭР-1000 давление теплоносителя принято равным 16 МПа (температура насыщения при данном давлении равна ≈ 347 °C). С учетом запаса до кипения температура теплоносителя на выходе из реактора составляет 320÷325 °C.

Рис. 3.3. t–Q диаграмма парогенератора блока с реактором типа ВВЭР

Подогрев tА.З теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР1000 – величина оптимизируемая. Мощность реактора QР-Р можно записать следующим образом:

где GТН – расход теплоносителя через реактор, СР – средняя теплоемкость теплоносителя в диапазоне температуры tВХ,ПГ ÷tВЫХ,ПГ. При увеличении подогрева tА.З уменьшается расход теплоносителя через реактор, т.е. уменьшается его скорость, а значит и гидрав-

26

лическое сопротивление реактора. В результате уменьшаются затраты на прокачку. С другой стороны, это приводит к снижению температуры теплоносителя на выходе из парогенератора (т.е. на входе в активную зону) tВЫХ,ПГ. При сохранении величины δtmin это приведет к снижению температуры насыщения пара, т.е. к снижению начального давления рабочего тела и к снижению КПД цикла. При уменьшении величины подогрева теплоносителя в реакторе увеличиваются затраты на прокачку, но повышается КПД цикла. В итоге оптимальная величина подогрева теплоносителя в реакторе ВВЭР-1000 принята ≈ 30 °C.

Выше было отмечено, что минимальный температурный напор в парогенераторе δtmin влияет и на КПД цикла, и на площадь теплопередающей поверхности парогенератора. Оптимальное значение этой величины принято порядка 10÷15 °C. Это означает, что на АЭС с ВВЭР-1000 можно получить насыщенный пар при p2 = 6,1– 6,5 МПа.

Теперь встает вопрос, какой пар использовать лучше: перегретый или насыщенный. Если перегретый и насыщенный пар имеют одну и ту же начальную температуру, то термический КПД цикла будет выше на насыщенном паре, правда, условия работы турбины будут лучше при использовании перегретого пара. Однако слабо перегретый пар все равно не позволяет решить проблему предельно допустимой влажности на последних ступенях турбины. В процессе расширения пара в турбине все равно его приходится осушать и перегревать. Поэтому реально используют насыщенный пар.

Технологическая схема блока с реакторами, охлаждаемыми жидким натрием, трехконтурная. Необходимость введения промежуточного контура обусловлена использованием натрия в качестве теплоносителя. Во-первых, натрий сильно активируется при прохождении через активную зону реактора. Во-вторых, натрий химически агрессивен по отношению к воде и водяному пару. Чтобы исключить контакт радиоактивного натрия с водой и водяным паром, вводится промежуточный контур, теплоносителем в котором является натрий, но только нерадиоактивный. Таким образом, тепло, отводимое от активной зоны натрием первого контура, передается в промежуточном теплообменнике натрию второго контура, а от натрия второго контура в парогенераторе тепло уже передается

27

рабочему телу. На рис. 3.4 представлены t–Q диаграммы промежуточного теплообменника и парогенератора.

Из рис. 3.4 видно, что начальная температура пара t0 зависит от температуры натрия второго контура на выходе из промежуточного теплообменника t2ВЫХ и минимального температурного напора δtmin в пароперегревателе парогенератора. Величина δtmin выбирается такой же как и в парогенераторе блока с реактором ВВЭР-1000, т.е. 10÷15 °C. В свою очередь, температура t2ВЫХ зависит от максимальной температуры натрия первого контура t1ВХ и температурного напора в промежуточном теплообменнике δtПТО. Максимальная температура натрия первого контура определяется допустимой рабочей температурой материала оболочки твэлов.

Рис. 3.4. t-Q – диаграмма промежуточного теплообменника (а)

ипарогенератора (б) блока с реактором, охлаждаемым жидким натрием

Вреакторах на быстрых нейтронах для изготовления оболочек твэлов используется нержавеющая сталь с рабочей температурой

до ≈ 600 °C. Поэтому температура t1ВХ может достигать 550÷570 °C. Температурный напор в промежуточном теплообменнике принимается равным 25÷35 °C, и температура натрия на входе в парогенератор может достигать значений 525÷530 °C, а температура острого пара – 510÷515 °C. При такой температуре пара его давление может быть выбрано в широком диапазоне значений, вплоть до сверхкритических величин. Например, для блока с реактором БН-600 начальная температура пара выбрана равной 505 °C

28

при давлении 13,7 МПа (140 атм). Что касается давления теплоносителя в реакторе, то оно невелико: как правило, не превышает 1 МПа.

Таким образом, для наиболее распространенных АЭС паротурбинные установки работают на насыщенном паре средних параметров, а КПД таких циклов ~ в 1,5 раза ниже, чем для современных ТЭС, за исключением рабочих циклов АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.

3.3. Выбор и обоснование конечных параметров рабочего тела

При неизменных начальных параметрах рабочего тела тепловая экономичность паротурбинной установки может быть увеличена за счет снижения конечного давления пара. Чем ниже конечное давление пара, тем большую работу он совершает в турбине. Добиваясь расширения пара в турбине до давления, ниже атмосферного, можно увеличить теплоперепад на 20–25 %. Поэтому желательно иметь давление пара на выхлопе турбины как можно более низким. Однако при снижении конечного давления пара мы сталкиваемся с рядом проблем. Следует напомнить, что турбины АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК работают на влажном паре. В процессе расширения пара в турбине его влажность непрерывно увеличивается и в конце процесса расширения достигает неприемлемо высоких значений. Наличие влаги в потоке приводит к увеличению коррозионного и эрозионного износа лопаток, снижает внутренний КПД турбины. Технически данная проблема решается путем сепарации пара в специальных сепарационных устройствах. При снижении давления пара происходит увеличение его удельного объема. Чтобы скорость пара оставалась в пределах допустимых значений, необходимо увеличивать проходное сечение, таким образом увеличивать длину лопаток турбины. Предельная длина лопаток ограничена прочностными характеристиками материала. Чтобы длина лопаток не превышала предельных значений, необходимо исходный поток пара после цилиндра высокого давления разделять на несколько потоков, т.е. увеличивается общее число цилиндров турбины, увеличивается ее длина, а следовательно, металлоемкость и стоимость.

Конденсация пара в конденсаторе турбины происходит за счет передачи теплоты конденсации циркуляционной охлаждающей во-

29

де. Температура конденсации не может быть ниже температуры охлаждающей воды. В свою очередь, температура охлаждающей воды на входе в конденсатор зависит от типа системы технического водоснабжения, местоположения станции, времени года, изменяясь от 2–10 °C зимой до 15–30 °C летом. Если принять нагрев охлаждающей циркуляционной воды в конденсаторе ~10 °C, то выходная температура воды из конденсатора может достигать 25–40 °C. Поэтому конечное давление в конденсаторе турбин АЭС составля-

ет pк = 0,004÷0,006 МПа, а для турбин ТЭС pк = 0,0035–0,005 МПа.

3.4. Показатели тепловой экономичности АС. Коэффициенты полезного действия, удельные расходы тепла и пара

Тепловая экономичность АЭС и ее основных элементов характеризуется значениями КПД и удельных расходов теплоты и пара. Рассмотрим показатели тепловой экономичности АЭС с циклом Ренкина в рабочем контуре.

Рассмотрение процессов в деталях будем проводить в h-s диаграмме, причем все будем относить к 1кг пара. В цикле без регенерации все тепло к рабочему телу подводится в ПГ (реакторе), это процесс 4–5–1, рис. 3.1.

Пар в турбине расширяется от начального давления p0 до давления в конденсаторе pк. Как происходит этот процесс? Рассмотрим его подробнее в h-s диаграмме, см. рис. 3.5.

Процесс перехода от p0 к p01 связан с процессом дросселирования в стопорно-регулирующем клапане турбины. Эти потери характеризуются величиной h0 – h01. Степень совершенства этого блока характеризуется следующим КПД:

Но в действительности процесс расширения пара реализуется не по адиабате. Введем в рассмотрение некоторые определения.

Количество теплоты, подводимое к турбоустановке одним килограммом пара, будем называть удельной располагаемой теплотой турбины – q0 = h0 – hп.в. (hп.в. – энтальпия питательной воды).

30