Материал: Выбор номинальных параметров теплоносителя и рабочего тела

После выбора параметров рабочего тела в главном конденсаторе и параметров охлаждающей воды целесообразно построить диаграмму t-q теплообменивающихся сред, которая наглядно иллюстрирует температурные напоры теплопередачи (см. рисунок 9).

Таблица 2 - Параметры конденсационных установок отечественных АЭС

Значение энтальпии рабочего тела на входе в ГК, равное энтальпии пара на выходе из последней ступени ЦНД, определяется давлением пара в ГК (потерей давления в выхлопном патрубке турбины можно пренебречь) и влажностью пара на выходе из ЦНД. На настоящем этапе расчета, когда еще не определены параметры пара на выходе из турбины, значение ipтвх можно оценить приближенно, приняв сухость пара на выходе из ЦНД по прототипным данным. Тогда ipтвх = х i"+(1-х) i'. Здесь х - сухость пара на выходе из ЦНД (обычно для быстроходных ЦНД х = 0,92…0,93), i" - энтальпия насыщенного пара при давлении в ГК, i' - энтальпия насыщенной воды. Значение энтальпии рабочего тела на выходе из ГК можно принять как энтальпию воды на линии насыщения при давлении в ГК ipтвых = i'. С учетом этого выражение (13) примет вид

оввых = tоввх + (i² - i¢) ×x / (m ×cp) = tоввх + r ×x / (m ×cp)     (14)

Для получения приемлемой величины поверхности теплопередачи ГК и, следовательно, приемлемых массогабаритных показателей конденсационной установки целесообразно параметры теплообменивающихся сред подобрать так, чтобы температурный напор на "горячем" конце конденсатора tк - tоввых был в пределах 3...10 oС.

В последующем, при расчете массогабаритных показателей конденсационной установки, может быть построена ее уточненная диаграмма t-q.

. Выбор параметров промежуточной сепарации и промежуточного перегрева пара

Рассматривая циклы ПТУ, мы отмечали, что для повышения КПД цикла целесообразно повысить давление свежего пара и снизить давление в главном конденсаторе до предельно возможных в разумных пределах значений. Для борьбы с неизбежным при этом увеличением влажности пара на последних ступенях турбины предусматривают промежуточную сепарацию и промежуточный перегрев пара. Причем, для ЯЭУ АЭС, работающих на насыщенном паре сравнительно невысоких параметров, можно ограничиться однократной промежуточной сепарацией и промежуточным перегревом, т.е. проточную часть турбины делить на две части (ЦВД и ЦНД) с однократным выводом пара для сепарации и перегрева. Правда, иногда в турбине выделяют три части (ЦВД, ЦСД и ЦНД - см. К-1000-60/1500-1), но это связано с более рациональной компоновкой ее проточной части (различное количество параллельно включенных цилиндров). Однако обычно и в этом случае ограничиваются однократной промежуточной сепарацией и перегревом.

Для ЯЭУ АЭС, работающей на насыщенном паре сравнительно невысоких параметров, практически все разнообразие возможных схем сводится к одному варианту: однократная промежуточная сепарация в выносном сепараторе с последующим паровым перегревом. В качестве греющей среды используется либо часть потока свежего пара, отбираемого от главного паропровода (одноступенчатый перегрев), либо сочетание двух ступеней перегрева (I ступень - перегрев пара за счет тепловой энергии пара, отбираемого от промежуточной ступени ЦВД, II ступень - перегрев пара за счет тепловой энергии пара, отбираемого от главного паропровода). С термодинамической точки зрения двухступенчатый перегрев предпочтительнее. Правда, одноступенчатый перегрев проще конструктивно и схемно, при этом несколько меньше потеря давления перегреваемого пара, меньше капитальные затраты. Если принята двухступенчатая схема перегрева, то, как показывают исследования, целесообразно так подобрать место отбора пара от турбины, чтобы тепловые нагрузки первой и второй ступеней были примерно равны. Практически можно принять в расчет повышения температур перегреваемого пара в обоих ступенях одинаковыми.

При выборе параметров промежуточной сепарации и промежуточного перегрева следует иметь в виду, что ни сепарация пара, ни его перегрев не приводят непосредственно к увеличению экономичности цикла и КПД установки в целом. Эти меры приводят даже к некоторому снижению КПД. Но они открывают возможность для выбора начальных и конечных параметров цикла такими (максимально возможное давление свежего пара и минимально низкое давление пара в конденсаторе), которые обеспечивают более существенное увеличение КПД. В связи с этим при выборе параметров промежуточной сепарации и перегрева может идти речь лишь о минимизации неизбежных при этом потерь тепловой энергии. Кроме того, необходимо учитывать, что устройства, обеспечивающие сепарацию и перегрев, весьма громоздкие, сложные и дорогостоящие. Так, например, для одной из ПТУ мощностью в 1000 МВт установлено 4 СПП (по количеству ЦНД), каждый из которых представляет собою конструкцию высотой 8 м и диаметром 4 м. Материал теплообменной поверхности - дорогостоящая сталь 08Х14МФ, не склонная к коррозии под напряжением в условиях высоких концентраций хлоридов, неизбежных при доосушке пара перед его перегревом. В связи с этим выбор параметров промежуточной сепарации и перегрева необходимо связывать также с минимизацией стоимостных затрат на указанные устройства. Например, исследования показывают, что минимальная стоимость сепаратора при однократной сепарации пара лежит в диапазоне разделительного давления 0,..0,8 МПа.

Основными параметрами, которые определяют экономичность и стоимость ПТУ при наличии внешнего сепаратора и перегревателя, являются:

а) разделительное давление рразд = рzцвд(см. рисунок 6);

б) температура промежуточного перегрева tпп; если принят двухступенчатый перегрев пара, то рассматривают tпп1 и tпп2.

Выбор значения tпп сводится к выбору температурного напора на "горячей" стороне перегревателя dtппmin, который в значительной степени определяет величину поверхности теплопередачи (рисунок 10);

Рисунок 10 - Диаграмма t-q одноступенчатого пароперегревателя

в) давление греющего пара I ступени перегрева (если принят двухступенчатый перегрев);

Dpобщ = pzцвд - рцнд = Dpтр1 + Dpс + Dpпп + Dpтр2        (15)

Выбор параметров промежуточной сепарации и промежуточного перегрева - сложная комплексная задача, которая в каждом конкретном случае может быть выполнена на основе детальных технико-экономических исследований. Ниже изложены некоторые общие рекомендации по выбору этих параметров на начальной эскизной стадии проектирования ПТУ. Критерием правильности сочетания выбранных параметров может быть получение предельно допустимых приемлемых значений влажности пара на последних ступенях ЦВД и ЦНД.

От величины разделительного деления рразд непосредственно зависит влажность пара за ЦВД и ЦНД, массогабаритные показатели узла СПП, величина потерь тепла на участке сепарации и перегрева.

Чем выше рразд, тем меньше влажность пара на выходе из ЦВД, но тем больше влажность за ЦНД.

Увеличение давления рразд сложным образом влияет на массогабаритные показатели перегревателя. Увеличение давления ведет к уменьшению количества передаваемого тепла и улучшает коэффициент теплоотдачи от поверхности нагрева к пару, в результате чего увеличивается коэффициент теплопередачи. Оба эти фактора способствуют уменьшению необходимой поверхности теплопередачи и массогабаритных показателей СПП. Правда, при этом несколько снижается температурный напор на входе в перегреватель dtппmax (см. рисунок 10), что снижает уменьшение поверхности теплопередачи.

Технико-экономические исследования показывают, что потери тепла в контуре также сложным образом зависят от значения рразд. Существует оптимальное рраздопт, при котором тепловые потери ПТУ минимальны.

В общем случае можно принять, что величина разделительного давления зависит только от давления свежего пара. Рекомендуется достаточно простая эмпирическая линейная зависимость, которая дает оптимальное с точки зрения экономичности установки значение разделительного давления

pраздопт = 0,12 ×рнач + 0,13, МПа,                                      (16)

где рнач - начальное давление расширения пара в турбине, т.е. давление пара на входе в ЦВД.

Зависимость дает достаточно хорошие результаты при рнач = 4,5...8 МПа и ргк = 3,9 кПа.

Для окончательного решения вопроса необходимо учесть влияние величины разделительного давления не только на экономичность цикла и технико-экономические показатели установки, но и на значения влажности за последними ступенями ЦВД и ЦHД. Принятое здесь значение рразд следует считать как значение первого приближения. После построения процессов расширения пара в турбине в диаграмме i-s эта величина может быть существенно уточнена (о приемлемых значениях влажности см. далее).

Существенное значение имеет величина принятой в расчет температуры перегрева пара tпп. Она заметно влияет на экономичность ЯЭУ: чем выше tпп, тем выше экономичность цикла. Но при фиксированном значении температуры греющей среды принятие большего значения tпп приводит к уменьшению температурного напора теплопередачи, что в свою очередь требует увеличения поверхности теплопередачи. Это увеличивает стоимость СПП. Технико-экономические исследования показывают, что минимальный температурный напор tппmin на "горячей" стороне перегревателя (см. рисунок 10) следует принимать в районе 20...25oС.

Важно отметить, что пароперегреватель является паро-паровым теплообменным аппаратом, имеющим низкое значение коэффициента теплоотдачи к перегреваемому пару. Поэтому коэффициент теплопередачи пароперегревателя в целом также низкий. Для ограничения величины поверхности теплопередачи обычно принимают высокий температурный напор. По причинам того же характера в греющей полости пароперегревателя не рекомендуется предусматривать охладитель дренажа. Для ПТУ с турбинами К-220-44, К-500-65/3000 и К-750-65/3000 значение dtппmin составляет 13,9; 14,5 и 16,5oС соответственно. Несколько сниженное значение dtппmin по сравнению с оптимальным обеспечивает более высокую экономичность ПТУ, но стоимостные показатели этих установок (в том числе конечный показатель - стоимость 1 кВт×ч электроэнергии) несколько завышены. Для ПТУ с турбинами К-1000-60/3000 и К-1000-60/1500 dtппmin = 24,3oС, что соответствует оптимальному значению.

Если пароперегреватель принят двухступенчатым, где его первая ступень обогревается паром, отбираемым из соответствующей ступени ЦВД, то можно рекомендовать повышение температуры перегреваемого пара делить примерно поровну между первой и второй ступенями. При этом значение dtппmin каждой ступени целесообразно также принимать в пределах 20…25 оС. Диаграмма t-q такого пароперегревателя показана на рисунке 11.

Рисунок 11 - Диаграмма t-q двухступенчатого пароперегревателя

Потери давления в паровом тракте между ЦВД и ЦНД Dр однозначно приводят к потерям энергии, и поэтому должны быть приняты в расчет минимальными. Однако потери давления неизбежны. Их занижение может потребовать неприемлемо больших проходных сечений парового тракта и существенно увеличит стоимостные показатели энергоустановки. В справочной литературе величина Dр оценивается примерно в 4% от давления среды. Если перегрев двухступенчатый, то эта величина может быть принята несколько большей - 6%. Иногда встречаются и более высокие оценки Dр = 9...11%.

Приведем сведения по рассматриваемым параметрам для реально выполненных отечественных ЯЭУ АЭС (таблица 3).

Таблица 3 - Параметры узла СПП

Как следует из таблицы 3 параметры промежуточной сепарации и промежуточного перегрева в реальных установках не в полной мере соответствуют оптимальным значениям. Причины этого различны, в том числе и те, что некоторые параметры выбирались в интересах унификации оборудования. Например, для турбин К-220-44 и К-500-65/3000 ЦНД не разрабатывались специально, а были заимствованы из турбин сверхкритических параметров обычных ТЭС. Некоторая потеря экономичности ПТУ позволила решить задачу быстрого ввода в строй АЭС.

И второе важное замечание. Для быстроходных турбоагрегатов принят одноступенчатый перегрев пара. При этом конструктивно СПП более простой, менее дорогостоящий. Однако, проработки более современного и более совершенного быстроходного турбоагрегата в составе установки АЭС - 2006 привела конструкторов к замене одноступенчатого перегрева пара на двухступенчатый, что несколько увеличивает КПД установки.

Для окончательного решения вопроса о правильности принятого сочетания параметров как промежуточной сепарации и промежуточного перегрева пара, так и параметров рабочего тела в цикле в целом следует в диаграмме i-s построить процессы расширения пара в ЦВД и ЦНД и оценить полученные при этом значения влажности пара на последних ступенях турбины. Предельная влажность на последней ступени ЦВД может быть принята несколько больше, чем на последней ступени ЦНД, где удельный объем пара и скорость пара весьма велики. Hа последней ступени ЦВД влажность пара может достигать 14...15% (до 16%), на последней ступени ЦНД она ограничивается величиной 7…8% (до 9...10%). Правда, известны тихоходные турбины, где влажность на последней ступени ЦНД достигает 13%, например, в турбине К-1000-60/1500-2. Это объясняется несколько меньшими окружными скоростями в тихоходной турбине.

Если построение процессов расширения пара не приводит к приемлемым значениям влажности пара на последних ступенях цилиндров турбины, то необходимо внести соответствующую коррекцию в выбранное значение разделительного давления. Здесь уместно заметить, что принятие в разрабатываемой установки двухступенчатого перегрева с целью некоторого увеличения экономичности установки (ее КПД) неизбежно приводит при прочих равных условиях к некоторому увеличению массогабритных показателей СПП. Действительно, принятие двухступенчатого перегрева пара приводит к уменьшению среднего для СПП в целом температурного напора (сравни диаграммы t - q, показанные на рисунках 10 и 611). Поэтому при двухступенчатом перегреве потребуется увеличение поверхности теплопередачи и, следовательно, увеличение массогабаритных показателей СПП. Отсюда увеличение стоимостных показателей - в конечном счете, стоимости киловатт·часа выработанной электроэнергии. Для ограничения этого показателя можно рекомендовать некоторое увеличение в разумных пределах разделительного давления, так как при этом уменьшается тепловая нагрузка на пароперегреватель (см. рисунок 6), что в свою очередь способствует уменьшению поверхности теплопередачи. Правда, при этом следует иметь ввиду, что увеличение разделительного давление увеличивает влажность пра на выходе из ЦНД. Поэтому пользоваться этим способом следует осторожно, особенно если в расчет принята быстроходная турбина.