Материал: Выбор номинальных параметров теплоносителя и рабочего тела

Выбор номинальных параметров теплоносителя и рабочего тела

Контрольная работа

Выбор номинальных параметров теплоносителя и рабочего тела

Содержание

1. Выбор типа ЯЭУ

. Взаимосвязь параметров теплоносителя и рабочего тела и их влияние на показатели ЯЭУ

. Выбор давления теплоносителя pт

. Определение температуры теплоносителя на выходе из ядерного реактора tт1

. Определение температуры теплоносителя на входе в ядерный реактор tт2

. Общая характеристика метода определения параметров рабочего тела

. Определение параметров пара на выходе из парогенератора и на входе в главную турбину

. Выбор давления в главном конденсаторе ргк

. Выбор параметров промежуточной сепарации и промежуточного перегрева пара

. Выбор параметров пара турбопривода питательного насоса

Список литературы

1. Выбор типа ЯЭУ

Строго говоря, в качестве разрабатываемой ЯЭУ могут быть приняты установки различного типа: с ЯР на тепловых, промежуточных или быстрых нейтронах, с различными теплоносителями (вода под давлением, жидкий металл, газ), по количеству контуров - одноконтурные, двухконтурные или даже трехконтурные, по типу двигателя, преобразующего тепловую энергию в механическую (для приведения в действие генератора электроэнергии) - с паровой или газовой турбиной и пр. С учетом типов установок, нашедших в настоящее время наибольшее распространение, можно рекомендовать при выборе типа ЯЭУ принять для разработки двухконтурную ЯЭУ с ЯР на тепловых нейтронах и паровой турбиной, используемой в качестве привода генератора электроэнергии. Такое решение позволит рассмотреть установку, близкую по составу и принципу действия к той установке, на которой студент будет работать после окончания вуза.

Все остальные вопросы выбора типа ЯЭУ (быстроходная или тихоходная турбина, тип и состав оборудования промежуточной сепарации и перегрева пара, тип и состав системы регенерации тепла в цикле теплового двигателя, тип и состав ГК, особенности системы технического водоснабжения и пр.) следует выбрать дополнительно. При этом целесообразно ориентироваться на прототипную установку. При необходимости выбираемые решения следует обосновать.

Следует обратить внимание на отличия от прототипной установки, тип элементов установки и схемные решения. В каждом случае отличия от прототипа необходимо более детально изложить сущность отличия, указать на улучшение каких показателей оно направлено. Следует указать также на недостатки такого решения и чем они компенсируются.

Особо следует обратить внимание на тип принимаемой в расчет турбины - быстроходная или тихоходная. Обычно принятие тихоходной турбины - вынужденная мера. Она целесообразна при большой заданной агрегатной мощности и, как следствие этого, большом расходе пара. Особенности такой турбины необходимо учитывать в дальнейшем расчете установки - количество ступеней турбины, компоновка системы регенерации тепла в рабочем контуре, экономичность турбины и пр. В заключении расчета энергоустановки такое решение должно найти численное подтверждение его правильности - количество цилиндров низкого давления, суммарная площадь выхлопа и скорость пара на выходе из ЦНД и пр.

В приложении Д приведены функциональные схемы рабочих контуров отечественных ЯЭУ АЭС, которые могут быть приняты в качестве прототипных при разработке эскизного проекта энергоустановки.

. Взаимосвязь параметров теплоносителя и рабочего тела и их влияние на показатели ЯЭУ

В настоящем разделе изложены рекомендации по выбору и обоснованию принимаемых в расчет или определяемых расчетным путем номинальных термодинамических параметров ЯЭУ, основными из которых являются:

а) параметры теплоносителя - давление, температура на входе в реактор и на выходе из него;

б) параметры рабочего тела - давление, температура и влажность пара на выходе из парогенератора и на входе в турбину, параметры пара между отдельными цилиндрами главной турбины (ЦВД, ЦНД), т.е. давление (разделительное давление), температура и влажность пара до и после сепаратора-пароперегревателя (СПП), параметры пара в точках отборов из турбины на регенерацию тепла в цикле, параметры пара за последней ступенью ЦНД и на входе в главный конденсатор, давление и температура питательной воды в характерных точках тракта конденсатно-питательной системы, в том числе и в деаэраторе.

Значения параметров теплоносителя и рабочего тела тесно взаимосвязаны.

Взаимосвязь между параметрами теплоносителя и рабочего тела определяется условиями теплообмена в парогенераторе. Очевидно, что тепловая мощность, отводимая от теплоносителя и воспринятая рабочим телом, может быть выражена так:

Qпг = Gт ×cp ×(tт1 - tт2)                                                           (1)

С учетом принятого давления теплоносителя можно определить его максимальную температуру в контуре tт1 (температура на выходе из ядерного реактора), а с учетом принятого расхода теплоносителя GТ и мощности ЯР определить значение температуры на входе в ядерный реактор tт2, и, следовательно, значение температуры греющей среды вдоль всего тракта парогенератора. Значение температур рабочего тела определится принятым давлением пара, величиной принятого перегрева в парогенераторе (если пароперегрев предусмотрен) и величиной подогрева питательной воды в системе регенерации. Теплопередача на каждом участке парогенератора (экономайзерном, испарительном и пароперегревательном) определяется классическим уравнением теплопередачи

Qпг = k ×F ×dt                                                                           (2)

Отсюда следует, что передача заданного количества тепла Q зависит от условий теплоотдачи и теплопередающих свойств материала трубной системы (a1, a2, l) и, следовательно, коэффициента теплопередачи К, а также от температурных напоров на соответствующих участках парогенератора. Для обеспечения принятых значений параметров рабочего тела потребуются соответствующие определяемые по уравнению (2) значения поверхности теплопередачи на различных участках парогенератора. Для уменьшения поверхности теплопередачи (следовательно, уменьшения массогабаритных показателей парогенератора, его стоимости и, в конечном итоге, стоимости киловатт-часа электроэнергии) можно увеличить температурные напоры на участках парогенератора. Но это может быть достигнуто за счет уменьшения принятых параметров пара, что также отрицательно скажется на экономичности установки и, в конечном итоге, приведет к удорожанию вырабатываемой электроэнергии.

Если же учесть, что от значений параметров теплоносителя и рабочего тела существенно зависят такие важные показатели ЯЭУ, как ее надежность, безопасность, маневренность, удобство эксплуатации и другие, то можно сказать, что выбор параметров теплоносителя и рабочего тела является сложной комплексной и весьма ответственной задачей. Для ее решения на начальной стадии проектирования обычно ведут многовариантные расчеты. В дальнейшую разработку ЯЭУ АЭС принимают тот вариант сочетания параметров, который наиболее полно отвечает требованиям, предъявленным к ЯЭУ, и дает приемлемые технико-экономические показатели (в том числе стоимость киловатт·часа электроэнергии). При этом учитывают также возможности отечественной промышленности по созданию разработанной ЯЭУ - освоенность и стоимость конструкционных материалов, освоенность и стоимость изготовления агрегатов, т.е. капитальные затраты на создание АЭС, что существенно влияет на стоимость производимой продукции - электроэнергии.

При выполнении проекта ЯЭУ АЭС в учебных целях, когда квалификация проектанта и его бюджет времени не позволяют выполнить детальные многовариантные исследования, можно ограничиться выбором одного варианта сочетания параметров теплоносителя и рабочего тела, используя при этом прототипные данные. Но в этом случае в обязательном порядке предполагается критический подход к прототипным данным и детальное обоснование принимаемых решений. Необходимость критического подхода вызвана тем, что зачастую приходится ориентироваться на устаревшие данные. Кроме того, иногда в практике создания реальных ЯЭУ принимают не вполне оптимальное сочетание параметров в интересах унификации оборудования, от чего обычно свободен студент. В конечном итоге даже в таком одновариантном проектировании достаточно полно может быть решена задача по более глубокому изучению принципа действия ЯЭУ и принципов ее эксплуатации.

Отметим еще одно важное обстоятельство. Обычно все исходные значения основных параметров теплоносителя и рабочего тела (давление и температура в характерных точках) принимают и определяют одновременно как единый комплекс взаимосвязанных величин. Однако для выяснения физической сути взаимного влияния рассматриваемых параметров методологически более целесообразно рассмотреть их последовательно.

. Выбор давления теплоносителя pт

В разделе рассматриваются двухконтурные ЯЭУ, в которых в качестве теплоносителя используется вода под давлением. Давление устанавливают таким, чтобы на всех режимах работы реактора было исключено объемное кипение теплоносителя в активной зоне.

Что касается реакторов кипящего типа, которые применяются в одноконтурных установках, то они, имея некоторые достоинства (возможность получения более высоких параметров рабочего тела, благодаря чему обеспечивается увеличение КПД ЯЭУ; несколько проще и надежнее ЯЭУ в целом), обладают и рядом существенных недостатков: сложностью обеспечения гидродинамической устойчивости двухфазного потока среды в активной зоне, сложностью обеспечения теплоотвода от твэлов, значительным влиянием паросодержания в активной зоне на реактивность реактора, большой сложностью в эксплуатации таких ЯЭУ и др. В силу этого такие реакторы не нашли широкого распространения в стационарной энергетике и не имеют больших перспектив.

Для обоснования правильного выбора значения давления теплоносителя pт в двухконтурной установке необходимо рассмотреть его влияние на различные показатели реактора и ЯЭУ в целом: температурное поле активной зоны, режим теплоотдачи от твэлов к теплоносителю (наличие и интенсивность поверхностного пузырькового кипения, допустимые тепловые потоки и запас до кризиса кипения), надежность и экономичность установки, массогабаритные показатели ядерного реактора, ППУ и ЯЭУ в целом, и др.

Источником тепловой энергии в ядерном реакторе являются тепловыделяющие элементы активной зоны. В интересах увеличения КПД цикла преобразования тепловой энергии в механическую целесообразно повысить температуру твэлов до максимально возможного уровня. Это позволит получить большее значение температуры теплоносителя и, следовательно, температуры пара в цикле теплового двигателя, в результате чего КПД цикла увеличится.

В общем случае факторами, ограничивающими повышение температурного поля в активной зоне, могут быть:

а) предельно допустимая температура ядерного топлива;

б) предельно допустимая температура оболочки твэлов;

в) температура насыщения теплоносителя, соответствующая принятому давлению рт.

Предельно допустимая температура ядерного топлива может выступить определяющей, если она ограничена небольшим уровнем допустимой температуры вещества, содержащего ядерное топливо. Например, для металлического урана нежелателен нагрев выше 600...650oC, иначе будут возможны переходы фазовых состояний топлива, которые сопровождаются изменением его объема и некоторых иных физических показателей. Это отрицательно влияет на работу твэлов. Однако, в ядерных реакторах отечественной стационарной энергетики применяется топливо в такой форме (например, UO2), которая достаточно устойчива при весьма высоких температурах, и поэтому его температура не является ограничительным фактором. Так, например, в ЯР ВВЭР-1000 при полной мощности в наиболее нагруженных твэлах температура топлива в центре твэла достигает величины 2175оС. При этом для топлива в виде двуокиси урана температура плавления составляет величину порядка 2800оС.

Определяющей температурой может быть также предельно допустимая температура оболочки твэлов, если допустимая температура материала оболочки в контакте с теплоносителем в условиях интенсивного нейтронного облучения составляет небольшую величину. Например, если оболочки твэлов выполнены из циркониевых сплавов, которые в среде воды и при интенсивном нейтронном облучении устойчивы против коррозионных и эрозионных процессов при температуре до 350oС, то в этом случае нет смысла повышать давление теплоносителя выше давления насыщения, соответствующего предельно допустимой температуре оболочки (ps при ts = 350oС составляет 16,537 МПа).

В некоторых случаях в качестве материала оболочки твэлов используют иные материалы, допускающие более высокие значения температуры. Например, на транспортных установках атомных ледоколов используют нержавеющую аустенитную сталь, которая в контакте с водой и при значительном нейтронном облучении допускает температуру 350...380oС. Тогда фактором, определяющими температурный режим активной зоны, выступают давление теплоносителя и соответствующая ему температура насыщения. Заметим, что в этом случае из-за повышенного сечения поглощения тепловых нейтронов сталью оболочек твэлов необходимо увеличить обогащение ядерного топлива.

Для установок с газовым теплоносителем оболочки могут выполняться из нержавеющей стали или бериллия. В газовой среде температура оболочки может быть принята существенно выше. Это позволяет значительно поднять температуру теплоносителя на выходе из реактора. Hапример, на АЭС Великобритании "Данджнесс-В" температура углекислого газа на выходе из ЯР достигает величины 675оС. При этом температура пара на выходе из ПГ достигает 565оС.

Известно, что передача тепла от поверхности твэла к теплоносителю происходит под воздействием некоторого температурного напора dt (рисунок 1).

Рисунок 1 - Распределение температуры по радиусу твэла:

1- твэл, 2 - оболочка твэла

Если в процессе работы ядерного реактора на выходе из активной зоны на части твэлов температура оболочки достигнет температуры насыщения воды при данном давлении, то на поверхности оболочки начнется кипение теплоносителя. При умеренных тепловых потоках это будет поверхностное пузырьковое кипение. Уходя в ядро потока теплоносителя, где температура ниже температуры насыщения, образовавшиеся пузырьки пара будут конденсироваться.

Поверхностное пузырьковое кипение интенсифицирует отвод тепла от твэлов (несколько возрастает коэффициент теплоотдачи). Однако, при этом в материале оболочки возникает температурная пульсация, что может вызвать усталостные явления в материале оболочки. Обычно в стационарных ядерных реакторах поверхностное пузырьковое кипение допускают, но в незначительно развитой степени. Допущение поверхностного пузырькового кипения позволяет несколько снизить давление теплоносителя, сохранив при этом температурный режим активной зоны.

Если в каком-либо месте поверхности твэла произойдет повышение плотности теплового потока q до некоторого значения, называемого критическим qкр, то наступит кризис поверхностного кипения, пузырьковое кипение перейдет в пленочное. В результате этот участок поверхности теплоотдачи покроется сплошной паровой пленкой. Так как теплопроводность пара очень низкая, то для сохранения установленного значения теплового потока q (тепловая мощность сохраняется той же) должен резко повыситься температурный напор теплоотдачи, поэтому резко повышается температура оболочки твэла. Это явление обычно завершается разрушением оболочки. Для его исключения необходимо, чтобы наибольший фактический тепловой поток qmax всегда оставался меньше критического теплового потока qкр.

Величина qкр сложным образом зависит от ряда гидродинамических и тепловых факторов, характеризующих процесс теплоотдачи: от рода жидкости, состояния поверхности теплоотдачи, скорости и температуры среды, характера и геометрии потока, а также давления среды.

Зависимость qкр = f(pт) имеет максимум. При кипении воды в большом объеме этот максимум расположен в диапазоне давлений 5×10..15×106 Па. При подходе давления к критическому (в термодинамическом смысле, т.е. к pт = 22,115×106 Па) значение критической тепловой нагрузки qкр стремится к нулю. Ниже показана зависимость qкр от давления среды при кипении воды в большом объеме (рисунок 2).