Глава четвёртая
РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ
НА АЭС
Основы регенеративного подогрева питательной воды
При рассмотрении баланса теплоты на АЭС (см. § 3.4) отмечалось, что основная потеря теплоты в цикле происходит в конденсаторе за счет отвода теплоты конденсирующегося после турбины пара с охлаждающей водой. Если осуществить расширение пара в турбине ступенчато с чередованием отвода его на подогрев питательной воды, как это показано на рис. 4.1, а, и взять бесконечно большое число таких ступеней, то цикл Ренкина — площадь abode на рис. 4.1,6 превращается в обобщенный цикл Карно площадью abcdg, термический КПД которого максимален и определяется начальной и конечной температурами (3.1). Как видно из рис. 4.1, б, потери теплоты в конденсаторе уменьшаются на площадь gee'g', частично снижается и полезно использованная в цикле теплота (на площадь ged). Соотношение этих площадей показывает, что снижение использованной в цикле теплоты происходит в меньшей степени по сравнению с уменьшением потери теплоты в конденсаторе. Таким образом, nt возрастает.
Рис. 4.1. Регенеративный подогрев питательной воды при полном отводе пара из турбины:
а —схема контура; б —цикл в Т, 5-диаграмме
1 — парообразующая установка; 2 — турбина; 3 — конденсатор; 4 — насос; 5 — регенеративные подогреватели, Т0 —температура свежего пара, Тк — температура пара в конденсаторе
Регенеративный подогрев питательной воды является мощным фактором повышения тепловой экономичности АЭС и осуществляется на АЭС всех типов.
Чем больше температура питательной воды ta тем выше тепловая экономичность. В пределе /пв может быть равна температуре кипения U' воды в парогенераторе. Однако чем выше tu.в, тем большее число ступеней регенеративного подогрева нужно применять, что увеличивает капитальные затраты на сооружение регенеративной схемы (теплообменники, трубопроводы, арматура и т. д.).
Практически регенеративный подогрев воды осуществляется ие так, как показано на рис. 4.1, а, где весь пар отбирается из турбины и после подогрева питательной воды в регенеративных подогревателях возвращается обратно в турбину дли последующего расширения. При такой схеме влажность пара быстро возрастает и достигает предельно допустимых значений. Кроме того, многократный пропуск всего пара требует большого расхода металла на трубопроводы и усложняет турбоустановку.
В реальных условиях отбираемая из турбины часть пара для регенеративного подогрева питательной воды обратно в турбину не возвращается и полностью конденсируется в регенеративных подогревателях.
Отборный пар в турбине срабатывает не весь свой теплоперепад, а только часть его. Для обеспечения выработки необходимого количества электроэнергии необходимо увеличить расход пара на турбину. Удельный расход пара возрастает, но цаэс при этом увеличивается, a q аэс уменьшается. По этой причине, как отмечалось в § 3.3, удельный расход пара не является основным показателем тепловой экономичности АЭС.
Температура питательной воды на АЭС зависит от типа реактора. Так, на АЭС с ВВЭР и жидкометаллическим теплоносителем регенерация может быть использована в полной мере. Для АЭС с РБМК и низкотемпературным газовым теплоносителем tn, „ ограничена, следовательно, имеются ограничения в осуществлении регенерации.
Типы регенеративных подогревателей и схемы их включения в тепловую схему АЭС
Весь тракт регенеративного подогрева питательной воды от конденсатора до парогенерирующей установки (парогенератора или кипящего реактора) делится на две части. От конденсатора до деаэратора тракт называется конденсатным. Все оборудование и трубопроводы работают при относительно низком давлении воды, определяемом давлением в деаэраторе и гидравлическим сопротивлением конденсатного тракта.
Рис 4.2. Схема включения регенеративных подогревателей поверхностного типа в тепловую схему с одним дренажным насосом (а), с дренажными насосами у каждого подогревателя (б):
1 — парообразующая установка; 2 — турбина, 3 — электрогенератор, 4 — конденсатор; 5 — конденсатный насос; 6 — регенеративные подогреватели; 7 — дренажные насосы. 8 — точка смешения дренажей и потока основного конденсата
Регенеративные подогреватели, устанавливаемые на конденсатном тракте, называются подогревателями низкого давления (ПНД). Тракт от деаэратора до парогенерирующей установки называется питательным. На нем устанавливаются регенеративные подогреватели высокого давления (ПВД).
Заметим, что нумерация отборов пара на регенерацию идет по ходу расширения пара в турбине, т. е. от головы машины к ее выхлопу, а нумерация регенеративных подогревателей — в обратном порядке, по ходу потока конденсата.
Регенеративные подогреватели бывают смешивающего типа, когда отборный пар и подогреваемая вода смешиваются, и поверхностного типа, когда отборный пар передает свою теплоту подогреваемой воде через змеевиковую поверхность.
Преимуществом теплообменников поверхностного типа является независимость давлений греющего отборного пара и подогреваемой воды и возможность прокачки воды через все подогреватели одним насосом 5, как это показано на рис. 4.2.
Давление в регенеративных подогревателях смешивающего типа равно давлению отборного пара, и для прокачки воды необходима установка насоса 6 после каждого подогревателя (рис. 4.3).
В поверхностных подогревателях пар конденсируется, и конденсат этого пара, называемый иногда дренажем, дренажными насосами 6 возвращается в основной поток конденсата (см. рис. 4.2). Схема слива дренажа поверхностных подогревателей, как это будет показано ниже, существенным образом влияет на тепловую экономичность паротурбинного цикла.
Рис. 4.3. Схема включения регенеративных подогревателей смешивающего типа:
1 — деаэратор: 2 — турбина; 3 — конденсатор, 4 — конденсатный насос; 5 — регенеративные подогреватели; 6 — перекачивающие насосы
Если температура воды в смешивающем подогревателе равна температуре насыщения, отвечающей давлению отборного пара, то для получения той же температуры воды в поверхностном подогревателе необходимо отбирать пар из турбины больших параметров. Это увеличивает недовыработку электроэнергии отборным паром в турбине. Увеличение давления отборного пара определяется перепадом температур dt в подогревателе между температурой насыщения отборного пара и температурой подогреваемой воды после подогревателей. Оптимизация значения dt является одной из задач правильного выбора параметров регенерации.
Значение dt определяется стоимостью конструкционных материалов, используемых для изготовления поверхностей теплообмена ПНД и ПВД. Для латунных сплавов и углеродистых сталей dt= 1,5ч-2,0°С, для аустенитных нержавеющих сталей dt = 3,5-7,0 °С, для высоконикелевых сплавов типа инконель = 5--10 °С. Увеличение dt приводит к уменьшению поверхности теплообмена и, следовательно, удешевлению подогревателей, но при этом параметры отборного пара возрастают и увеличивается недовыработка электроэнергии.
Слив дренажа греющих паров и подача его в основной поток конденсата могут осуществляться различными путями. Каскадный слив дренажей из последующего подогревателя в предыдущий с заводом его в основной поток конденсата дренажным насосом показан на рис. 4.2, а. Возможна установка дренажного насоса у каждого подогревателя, как показано на рис. 4.2, б. Возможен также каскадный слив дренажа с заводом его в конденсатор без установки дренажного насоса (см. рис. 2.3).
При каскадном сливе дренажей по схеме рис. 4.2, а тепловая экономичность будет ниже по сравнению со схемой рис. 4.2, б. Проиллюстрируем это на примере рис. 4.4.
Рис 4 4 Схема каскадного слива дренажей:
1 — конденсатор; 2 — насос 3 — регенеративные подогреватели, 4 — дренажный насос
Расходы пара в отборы обычно выражают в долях от расхода пара на турбину D0, т/ч:
(4.1)
где А)Тб — расход отборного пара, т/ч.
На рис. 4.4 соотношение энтальпий отборного пара и дренажей следующее:
При каскадном сливе дренажей, например, из ПЗ в П2, количество теплоты, поступающей с дренажем, равно аДА/—h2'). В П2 эта теплота расходуется на частичное испарение сливаемого конденсата. Количество получаемого пара будет равно
(4.2)
где г2 — теплота парообразования при давлений отборного пара в П2, кДж/кг. Это приводит к уменьшению количества отбираемого пара а2, так как вода частично будет подогреваться паром, полученным по (4.2) из отбора с параметрами пара hu Тепловая экономичность уменьшится.
Еще большее снижение тепловой экономичности происходит при каскадном сливе дренажей в конденсатор, где образовавшийся по (4.2) пар конденсируется за счет охлаждающей воды. В тепловой схеме со смешивающими подогревателями вся теплота отборного пара используется для подогрева воды, и увеличение тепловой экономичности будет максимальным.
Однако несмотря на простоту схемы со смешивающими подогревателями ее практически не используют, так как установка после каждого подогревателя перекачивающего насоса, работающего на воде с высокой температурой, увеличивает потребление электроэнергии на собственные нужды. Уменьшается также надежность работы насосов и схемы в целом. Практически, один или два смешивающих ПНД устанавливают после конденсатора, как это принято для турбины К-1000-60/3000 для АЭС с реактором В В ЭР-1000.
Для ПВД используют только поверхностные подогреватели с каскадным сливом дренажей греющих паров в деаэратор (см. рис. 2.2).
Для поверхностных ПНД обычно принимают каскадный слив попарно с установкой дренажного насоса на два ПНД (рис. 2.2).
