Глава вторая
ТИПЫ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ИХ
ОСНОВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Типы атомных электростанций
На любой АЭС различают теплоноситель и рабочее тело . Назначение теплоносителя — отводить тепло, выделившееся в активной зоне реактора в результате деления ядерного топлива. Для надежной работы тепловыделяющих элементов реактора теплоноситель должен иметь высокую степень чистоты. Поэтому контур теплоносителя на АЭС всегда является замкнутым. К этому обязывает также наличие радиоактивности в теплоносителе.
Рабочим телом для АЭО как и. для ТЭС, является водяной пар. Требования к чистоте рабочего тела также высоки. Поэтому контур рабочего тела является замкнутым. Отсутствие замкнутости привело бы к большим затратам на водоподготовительные системы, которые при замкнутом контуре восполняют лишь незначительные потери рабочего тела.
Поэтому главная классификация — по числу контуров на АЭС. Различают одноконтурные, двухконтурные и трехконтурные АЭС.
Если контур теплоносителя и рабочего тела совпадают, то такая АЭС называется одноконтурной |(рис. 2.1, а). Одноконтурными являются АЭС с канальными реакторами РБМК и корпусными кипящими реакторами (ВК — в СССР, — за рубежом). Если контур теплоносителя и рабочего тела разделены, то такие станции называются двухконтурными (рис. 2.1, б). Двухконтурными являются АЭС с ВВЭР (за рубежом — PWR), а также АЭС с газовым теплоносителем. Если контур теплоносителя и рабочего тела разделены промежуточным контуром, то такая схема является трехконтурной (рис. 2.1, в). Трехконтурная схема применяется на АЭС с жидкометаллическим теплоносителем (БН-350, БН-600).
Рис. 2.1. Принципиальные схемы АЭС:
1 — одноконтурная; 2 — двухконтурная; 3 — трехконтурная
На одноконтурной станции (рис. 2.1, а) пароводяная смесь после реактора 1 направляется в барабан-сепаратор 2, из которого насыщенный пар поступает в турбину 3. После турбины отработавший пар идет в конденсатор 4, а оттуда насосом 5 подается обратно в реакторный контур. Циркуляция теплоносителя в реакторном контуре может быть принудительной с помощью насосов 6, или естественной. На АЭС с РБМК применяется только принудительная циркуляция.
Все оборудование на одноконтурной АЭС работает в радиационных условиях, так как контуры теплоносителя и рабочего тела совмещены. Это усложняет эксплуатацию и ремонт оборудования. Однако схема такой станции проста, и параметры рабочего тела равны параметрам теплоносителя.
На двухконтурной АЭС (см. рис. 2.1, б) контур теплоносителя работает в радиационных условиях и называется первым контуром. Теплоноситель — вода под давлением (без кипения) главным циркуляционным насосом 6 подается в реактор 1, где он нагревается и далее поступает в парогенератор 7, где отдает теплоту рабочему телу. Поскольку вода практически несжимаема, то для безопасной работы реактора на контуре циркуляции теплоносителя устанавливают компенсатор давления 8, поддерживающий давление в первом контуре постоянным. Для АЭС с газовым теплоносителем компенсатор давления отсутствует. Контур рабочего тела является не радиоактивным и называется вторым контуром. Пар, вырабатываемый в парогенераторе, направляется на турбину 3, после конденсации отработавшего пара в конденсаторе 4 насосом 5 конденсат подается в парогенератор. Парогенератор, разделяющий первый и второй контуры, в одинаковой степени принадлежит первому и второму контурам. Передача теплоты в парогенераторе через поверхность требует перепада температур между теплоносителем и рабочим телом. Стремление не допустить кипения в реакторе требует создания давления в первом контуре существенно выше давления во втором контуре. По этой причине параметры рабочего тела на двухконтурной АЭС с ВВЭР всегда ниже параметров теплоносителя. На двухконтурной АЭС с газовым теплоносителем давления рабочего тела превышает давление теплоносителя, так как у газов отсутствует зависимость давления от температуры. Свойства воды таковы, что давление и температура жестко связаны.
На трехконтурных АЭС в качестве теплоносителя используют натрий. При взаимодействии его с водой химическая реакция протекает быстро и сопровождается взрывом. Это может привести к выбросу радиоактивности из первого контура. Для предотвращения таких ситуаций первый контур с радиоактивным натрием разделяют от контура рабочего тела промежуточным контуром с нерадиоактивным натрием (рис. 2.1, в). Радиоактивный натрий в первом контуре насосом 6 прокачивается через реактор 1 й далее подается в промежуточный теплообменник 9. В промежуточном контуре нерадиоактивный натрий насосом 6 подается в промежуточный теплообменник 9, затем поступает в парогенератор 7. В первом и в промежуточном контурах натрий не изменяет своего агрегатного состояния, поэтому в этих контурах необходим компенсатор давления 8. В третьем контуре — рабочего тела—пар после парогенератора 7 направляется в турбину 3 и после конденсации выхлопного пара в конденсаторе 4 насосом 5 конденсат поступает в парогенератор.
У жидкометаллического теплоносителя, как и у газового, отсутствует зависимость между давлением и температурой. Поэтому давление рабочего тела (пара) будет выше давления натрия. При разуплотнении парогенератора вода может попадать в натрий и бурная реакция может произойти, но не с радиоактивным натрием.
Кроме классификации по контурам можно также подразделять АЭС и по другим признакам:
типу теплоносителя: с водой под давлением, газовым, органическим, жидкометаллическим теплоносителем;
типу реактора и энергии нейтронов: корпусные, канальные, на тепловых и быстрых нейтронах;
типу замедлителя: с графитовым, тяжеловодным и другими замедлителями;
параметрам пара и типу турбин: с турбинами на насыщенном и перегретом паре.
Возможна классификация АЭС и по другим признакам. Эта классификация несколько условна. Так, АЭС с ВВЭР-1000 является двухконтурной, с теплоносителем «водой под давлением», с реактором на тепловых нейтронах корпусного типа, турбинами насыщенного пара.
Определяющей является классификация по числу контуров.
Основное технологическое оборудование
Теплотехническая схема отражает основной технологический процесс производства электроэнергии. Теплотехническая схема изображает основное теплотехническое оборудование и трубопроводы, его соединяющие. Все теплотехническое оборудование подразделяется на реакторную, парогенераторную, турбогенераторную, конденсационную установки, конденсатно-питательный тракт, включающий деаэрационно-питательную установку.
На рис. 2.2 представлена упрощенная теплотехническая схема второго контура АЭС с ВВЭР, на рис. 2.3 — одноконтурной АЭС.
Рассмотрим двухконтурную АЭС. Реакторная установка является источником генерации теплоты. Теплоноситель передает эту теплоту в парогенераторе рабочему телу. Вырабатываемый в парогенераторе пар поступает в турбину, где при его расширении тепловая энергия превращается в механическую, последняя в электрогенераторе превращается в электрическую.
Рис. 2.2. Схема турбоустановки двухконтурной АЭС:
1 — цилиндр высокого давления (ЦВД); 2 — сепаратор: 3 — первая ступень промперегревателя, 4 — вторая ступень промперегревателя; 5 — цилиндр низкого давления (ЦНД); 6 — сетевые подогреватели; 7 — конденсатор; 8 — техническая вода; 9 — конденсатный насос; 10 — конденсатоочистка (БОУ); 11 — охладитель основного эжектора; 12 — охладитель эжектора уплотнений; 18 — подогреватели низкого давления (ПНД); 14 — дренажные насосы, 15 — деаэратор, 16 — питательный насос; 17 — подогреватели высокого давления
Пар поступает в турбину насыщенным, поэтому в процессе расширения он увлажняется. Турбина может работать при определенной влажности пара, ниже допустимой, в противном случае происходит повышенный эрозийный износ лопаток турбин и выход их из строя. По этой причине пар после цилиндра высокого давления (ЦВД) 1 поступает в сепаратор 2, где происходит отделение влаги, затем проходит двухступенчатый промежуточный паропе-регреватель и направляется в цилиндр низкого давления (ЦНД) 5. Первая ступень промежуточного перегрева 3 осуществляется отборным (из ЦВД) паром, вторая — свежим паром. Конденсат греющего пара промежуточных пароперегревателей направляется в подогреватели высокого давления (ПВД) 17.. Сепаратор и обе ступени промежуточного перегревателя конструктивно выполняются в одном корпусе, и этот элемент называется сепаратором-промперегревателем (СПП).
Рис. 2.3. Схема турбоустановки одноконтурной АЭС:
1 — ЦВД; 2 — сепаратор; 8 — первая ступень пароперегревателя; 4 — вторая ступень пароперегревателя; 5 — ЦНД, 6 — теплообменники теплофикационной установки; 7 — конденсатор; 8 — техническая вода; 9 — конденсатные насосы; 10 — БОУ; 11 — охладитель основного эжектора; 12 — охладитель эжектора уплотнений; 13 — ПНД; 14 — охладитель сепарата; 15 — испаритель; 16 — деаэратор, 17 — питательный насос
Пар после ЦНД поступает в конденсатор 7. Стремление получить большую тепловую экономичность установки вынуждает применять в конденсаторе давление ниже атмосферного (0,004—0,006 МПа). Конденсация отработавшего в турбине пара и поддержание низкого давления в конденсаторе осуществляются за счет системы технического водоснабжения. Конденсация пара и подогрев за счет этого технической воды в конденсаторе определяет основную потерю теплоты в пароводяном цикле. Конденсат конденсатным насосом (КН) 9 подается в систему регенерации (см. гл. 4). Вначале он проходит ионообменную очистную установку 10, называемую блочной очистной установкой (БОУ), где происходит очистка конденсата от примесей, а затем через охладители основных эжекторов (ОЭ) 11 и эжекторов уплотнений (ЭУ) 12 поступает в подогреватели низкого давления (ПНД) 13, где конденсат подогревается за счет отбора части пара из турбины. Конденсат греющего пара дренажными насосами 14 заводится в поток основного конденсата.
После системы ПНД конденсат подается в деаэрационную установку 15 для удаления растворенных в воде коррозионно-агрессивных газов (кислорода и углекислоты). От конденсатора до деаэратора тракт называется конденсатным, от деаэратора до парогенератора — питательным. Из деаэратора питательным насосом 16 вода через систему подогревателей высокого давления подается в парогенератор. ПВД обогреваются отборным паром из турбины. Конденсат греющего пара ПВД каскадно сливается в деаэратор 15. Часть пара из турбины отбирается на теплофикационную установку 6 для обеспечения теплотой и горячей водой помещений АЭС и жилого поселка,
На одноконтурной АЭС пар вырабатывается в кипящем реакторе, и поэтому парогенератор в схеме отсутствует (см. рис. 2.3). Выработанный в реакторе пар является радиоактивным. Следовательно, все оборудование на одноконтурной АЭС работает в радиационных условиях. Если на двухконтурной АЭС биологической защиты требует оборудование только первого контура, то на одноконтурной АЭС — все оборудование.
На одноконтурной АЭС, как правило, отсутствуют ПВД для уменьшения выноса продуктов коррозии в реактор. Для выработки слабо радиоактивного пара в схеме имеется испаритель 15. Конденсат греющих паров ПНД каскадно сбрасывается в конденсатор 7. Это сделано для того чтобы конденсат прошел предварительную очистку на БОУ 10 перед поступлением его в реактор. Конденсат промперегревателя направляется в деаэратор. Более подробно тепловые схемы турбоустановок АЭС рассмотрены в гл. 19.
Тепловые схемы АЭС с жидкометаллическим теплоносителем рассматриваются в гл. 20.
