Материал: Выбор номинальных параметров теплоносителя и рабочего тела

Однако, увеличение давления среды потребует увеличения толщины стенки технологических каналов (имеются ввиду ядерные реакторы канального типа). Увеличение же массы металла в активной зоне ухудшает нейтронно-физические характеристики активной зоны и может потребовать увеличения обогащения ядерного топлива. В этой связи достигнутый положительный эффект повышения термодинамической экономичности установки за счет повышения начальных параметров пара может быть обесценен отрицательным эффектом повышения стоимости загрузки топлива. В результате стоимость выработанного киловатт-часа электроэнергии может даже возрасти.

Кроме того, особенности компоновки активной зоны кипящего реактора обычно таковы, что при повышении давления рабочего тела выше примерно 6 МПа заметно снижается критическая тепловая нагрузка qкр. Это потребует существенного увеличения поверхности теплоотдачи твэлов, что, в свою очередь, приводит к заметному увеличению габаритов активной зоны. Следует также иметь в виду ранее высказанные соображения о трудностях компоновки промежуточной сепарации и промежуточного перегрева пара, которые могут возникнуть при повышении его начального давления.

В результате обстоятельных технико-экономических исследований этого вопроса в настоящее время принято считать, что давление пара в одноконтурной установке нецелесообразно принимать выше 6,5...7 МПа.

Обычно кипящий реактор генерирует сухой насыщенный пар (если не предусмотрен внутриядерный перегрев), поэтому давление пара однозначно определяет и его температуру. По принятым параметрам пара в диаграмме i-s можно нанести положение точки Аяр (соответствует точке Апг двухконтурной ЯЭУ). Построение всех последующих точек рабочего тела выполняется аналогично тому, как это рекомендуется для двухконтурных ЯЭУ.

В качестве примера приведем параметры свежего пара для ЯР РБМК-1000: давление пара 6,9 МПа; температура пара 280,4оС.

теплоноситель ядерный энергетический реактор

8. Выбор давления в главном конденсаторе ргк

Давление пара в главном конденсаторе ргк определяет нижнее давление в цикле теплового двигателя, т.е. давление конца процесса расширения рабочего тела. С точки зрения экономичности цикла это давление целесообразно принимать возможно меньшим. Причем, даже относительно небольшое уменьшение давления оказывает весьма существенное влияние на КПД цикла. Так, например, снижение давления в конденсаторе с 0,004 до 0,003 МПа увеличивает КПД установки примерно на 2%, а увеличение давления с 0,004 до 0,005 МПа снижает экономичность более чем на 1%. В то же время величина давления в главном конденсаторе существенно влияет на параметры всей низкопотенциальной (с точки зрения энергетического уровня) части ЯЭУ: ЦНД, главный конденсатор, система технического водоснабжения. Ее стоимость составляет существенную часть полной стоимости АЭС (до 20...25%), поэтому к выбору давления в главном конденсаторе подходят взвешенно, на основе тщательно выполненного технико-экономического анализа.

Так как конденсирующейся в ГК пар находится на линии насыщения, то его давление однозначно определяется температурой корнденсации. Поэтому для получения низкого давления ргк необходимо обеспечить низкую температуру конденсации.

Зная сложное влияние величины ргк на целый ряд показателей ЯЭУ (экономичность, надежность, массогабаритные показатели, энергозатраты, стоимостные показатели реализации принятогоо значения ргк), ее следует принимать с учетом всех особенностей ЯЭУ. Рассмотрим качественное влияние различных факторов на величину принимаемого в расчет ргк.

Величина принимаемого в расчет давления ргк влияет на основные показатели ЯЭУ следующим образом:

а) снижение ргк ведет к увеличению термического КПД цикла. Правда, при весьма значительном снижении ргк можно достичь критического истечения пара из каналов проточной части турбины, в результате чего дальнейшее снижение давление в главном конденсаторе не приведет к росту мощности турбины и КПД установки. Кстати заметим, что в этом случае температура конденсата продолжает снижаться, в результате чего при неизменной мощности турбины КПД установки также снижается.Но это явление может наступить при столь низких значениях давления (примерно 0,002 МПа и ниже), которые в практике турбостроения не рассматриваются;

б) снижение ргк ведет к росту влажности пара на последних ступенях турбины, что наряду с увеличением эрозии рабочих лопаток турбины приводит к снижению внутреннего КПД турбины и может существенно обесценить увеличение КПД цикла. Для предотвращения отрицательного влияния этого фактора в установке предусматривают промежуточную сепарацию и промежуточный перегрев пара, параметры которых будут рассмотрены ниже;

в) пар в главном конденсаторе находится на линии насыщения (влажный пар - смесь воды и пара на линии насыщения), поэтому снижение давления ргк связано с однозначным снижением температуры конденсации tгк. При фиксированном значении температуры охлаждающей воды снижение температуры конденсации приводит к снижению температурного напора теплопередачи в конденсаторе и может быть компенсировано только соответствующим увеличением поверхности теплопередачи Fгк. Это положение хорошо иллюстрируется уравнением теплопередачи любого теплообменного аппарата, в том числе и главного конденсатора:

Qгк = kгк ×Fгк ×dtгк                                                                 (12)

Увеличение поверхности теплопередачи Fгк однозначно ведет к увеличению его массогабаритных показателей. Кроме того, снижение ргк ведет к росту удельного объема пара и, следовательно, к росту его объемного расхода, что требует увеличения длины лопаток на последних ступенях турбины. Как следствие этого, растут массогабаритные показатели турбины. Рост объемного расхода пара ведет к увеличению скорости потока пара и, следовательно, к усилению эрозионных процессов на последних ступенях турбины. В связи с этим устанавливаются более жесткие нормы влажности на последних ступенях ЦНД, особенно для быстроходных турбин;

г) как уже отмечалось, снижение давления в главном конденсаторе сопровождается снижением температуры конденсации и, следовательно, снижением температурного напора теплопередачи в конденсаторе tгк. Но так как охлаждающая вода в главном конденсаторе нагревается, то средний температурный напор может снизиться до недопустимого уровня (см. рисунок 8), а величина поверхности теплопередачи может увеличиться до неприемлемых значений.

Рисунок 8 - Изменение температурного режима по длине главного конденсатора

Для поддержания среднего температурного напора теплопередачи в приемлемых пределах можно увеличить расход охлаждающей воды (т.е. увеличить кратность циркуляции m - расход воды, отнесенный к расходу конденсирующегося пара, m = Gв/Gп). Благодаря этому можно уменьшить степень нагрева охлаждающей воды и таким образом увеличить средний температурный напор теплопередачи. Однако, увеличение расхода охлаждающей воды требует значительного роста мощности циркуляционных насосов, что приводит к увеличению затрат электроэнергии на собственные нужды и, следовательно, к снижению КПД ЯЭУ нетто. Это особенно актуально для установок, где охлаждающая вода прокачивается через градирни или брызгальные установки (оборотная система водоснабжения). Из-за двухкратной прокачки охлаждающей воды в пределах одного цикла ее использования значительно увеличиваются затраты электроэнергии на обеспечение энергоустановки охлаждающей водой (примерно в 2 раза). Если же принята прямоточная схема трассы охлаждающей воды (через пруд, реку или море), то затраты электроэнергии уменьшаются. Заметим, что для АЭС, возможная авария которой может привести к радиоактивному загрязнению источника технической воды, поэтому прямоточная система охлаждения (река, озеро, море) крайне нежелательна. Hежелательна также и оборотная система технического водоснабжения с прудом-охладителем, так как возможное его радиоактивное загрязнение также ставит весьма трудоемкую задачу по его дезактивации;

д) одним из эффективных направлений снижения затрат на функционирование низкопотенциальной части ПТУ является последовательное включение конденсаторов по охлаждающей воде. При правильно подобранном соотношении параметров установки это может привести либо к увеличению КПД ПТУ на 0,2...0,4%, либо к уменьшению массогабаритных показателей теплообменного оборудования на 8...10%.

Положительный эффект от последовательного включения секций главного конденсатора обусловлен тем, что в первой по потоку охлаждающей воды секции обеспечивается несколько более глубокий вакуум, так как она работает при более низкой температуре охлаждающей воды.

В нашем же случае для упрощения рассмотрения вопроса при последовательном включении секций главного конденсатора по охлаждающей воде в расчет будем принимать среднее значение давления в главном конденсаторе, условно считая, что эти секции конденсатора по полости конденсации пара объединены в общую конструкцию. На результатах расчета это допущение существенно не скажется.

Заметим, что для турбин АЭС, которые работают на насыщенном паре, характерен повышенный расход пара на главный конденсатор. Поэтому для таких ПТУ давление в главном конденсаторе принимается не ниже 0,004 МПа, а для мощных турбин, для которых расход пара на конденсатор больше, может оказаться целесообразным давление 0,0045 МПа и выше.

С учетом взаимосвязи рассмотренных факторов выбор давления в главном конденсаторе следует сопровождать одновременным выбором параметров, непосредственно влияющих на его величину или зависящих от него - тип принятой системы технического водоснабжения, температура охлаждающей воды, зависящая от климатических условий района расположения АЭС, кратность циркуляции в главном конденсаторе и зависящая от него степень нагрева охлаждающей воды. Технико-экономические исследования влияния различных факторов показывают, что давление в главном конденсаторе ргк определяется главным образом стоимостью системы технического водоснабжения.

Комплексные технико-экономические исследования по рассмотренным проблемам для ПТУ мощностью 500...1000 МВт приводят к следующим общим рекомендациям:

а) оптимальная кратность циркуляции находится в диапазоне 40...80 (до 90), чему соответствует нагрев охлаждающей воды порядка..12оС. Дальнейшее увеличение кратности циркуляции нецелесообразно, так как при этом уменьшение давления в конденсаторе будет весьма незначительным;

б) минимальный температурный напор теплопередачи в главном конденсаторе рекомендуется принимать в диапазоне от 3...5 до..10оС. При этом давление в конденсаторе может быть принято в диапазоне 3,5...5 кПа.

Несколько более конкретизированные рекомендации с учетом района расположения АЭС и типа системы технического водоснабжения сводятся к следующему:

а) для средних умеренных широт, где в качестве водоохлаждения для АЭС используется водохранилище, может быть принята в расчет среднегодовая температура охлаждающей воды 13,5...16,5оС. В этом случае давление в главном конденсаторе может быть принято 4,0...5,5 кПа при кратности циркуляции m = 39...44. Если температура охлаждающей воды 15...22оС (более южное расположение АЭС), то кратность циркуляции может быть принята около 50;

б) для более южных районов, где в качестве водоохладителя для АЭС используются градирни, среднегодовая температура охлаждающей воды может быть принята 21,5...23,5оС. В этом случае среднегодовое давление в главном конденсаторе может быть принято ргк = 5,5...7,5 кПа при кратности циркуляции m = 40...4 Если климатические условия позволяют принять в расчет температуру охлаждающей воды ниже 15...22 оС, то при кратности циркуляции порядка 50 в расчет можно принять ргк = 5,5...6 кПа.

При выборе давления в ГК и других важных параметров низкопотенциальной части АЭС следует ориентироваться на результаты комплексного анализа влияния соотношения этих параметров на конечный показатель экономичности установки - стоимость произведенной электроэнергии. При этом следует иметь ввиду, что снижение стоимости электроэнергии не должно достигаться за счет ухудшения безопасности работы АЭС. Последнее комплексное исследование показывает, что целесообразно идти на некоторое повышение давления в ГК за счет снижения кратности циркуляции даже при несколько сниженной расчетной температуре охлаждающей воды. Так например, сочетание параметров, характеризующих регион расположения Ленинградской АЭС мощностью в 1200 МВт (tох = 18 0С) при несколько сниженном расходе охлаждающей воды (до 150 000 м3/ч) приводит к оптимальным параметрам главного конденсатора: поверхность теплопередачи 97 600 м2 (Lтр=14 м, nтр=80 000), давление в конденсаторе 0,057 кГс/см2 (5,5 кПа).

Заметим, что в практике стационарной атомной энергетики встречаются случаи, когда давление в главном конденсаторе принимают существенно отличающимся от общепринятого. Например, на АЭС "Мюльхайм-Керлих" при значительной мощности турбоагрегата (1295 МВт) за счет существенного увеличения давления в конденсаторе удалось ограничиться четырьмя выхлопами ЦHД (два ЦHД в составе турбоагрегата). Это значительно упрощает конструкцию турбоагрегата и уменьшает его стоимость.

Определенный интерес представляют обобщенные данные по рассматриваемым параметрам, принятым в зарубежной практике стационарного турбостроения (таблица 1).

Таблица 1 - Обобщенные параметры ГК зарубежных АЭС

Обзор систем технического водоснабжения зарубежных АЭС показывает, что с учетом дефицита водных ресурсов в промышленно развитых районах мира все большее распространение получают оборотные системы водоснабжения. Например, в США системы водоснабжения составляют следующие соотношения:

прямоточная система (река, море) - 31%;

естественные озера - 8%;

прудовые системы - 27%;

системы с градирнями - 34%.

В ФРГ, Англии, Японии АЭС сооружаются в основном с прямоточными системами водоснабжения, но с небольшими удельными площадями поверхности - 7...10 м2/кВт.

В заключение приведем параметры некоторых ЯЭУ отечественных АЭС (см. таблицу 2). Следует иметь в виду, что в силу различных причин (например, проектирование АЭС с учетом унификации оборудования) реальные параметры не всегда находятся в оптимальных диапазонах.