Водяные экономайзеры.
Водяные экономайзеры парогенераторов АЭС некипящие (вторая ступень экономайзера Белоярской АЭС — исключение). Они включаются в выходную по теплоносителю часть парогенераторов и имеют наименьшие температуры теплоносителей, стенок трубок и рабочего тела. Следовательно, эти элементы парогенераторов работают в более легких условиях по сравнению с испарителями и пароперегревателями.
Их конструкционные схемы разнообразны, но для всех типов: желательно при возможности осуществлять восходящее движение воды, которое обеспечивает лучшие условия для отвода газов, выделяющихся из воды при нагреве, а также пара, образующегося в наиболее теплонапряженных трубках при большой тепловой разверке. В схемах с многократным перекрестным омыванием горизонтальных трубных пучков нисходящее движение неизбежно. При этом для надежной эвакуации газовых (паровых) пузырей необходимо обеспечить соответствующие скорости движения.
Хотя принципы выбора скорости воды в экономайзерах с различными теплоносителями неодинаковы, практически для всех мощных парогенераторов оптимальные значения близки друг к другу, и лежат в пределах 1—3 м/с. Общим критерием, ограничивающим минимальную скорость воды в них, является требование снижения интенсивности коррозионных процессов.
При сравнительно небольших скоростях возможна задержка газовых (паровых) пузырей на стенках из-за их шероховатости, а также в местах поворота потока. Нарушение бесперебойного удаления газов с поверхности усиливает коррозию. Равенство при восходящем движении обеспечивает полный вынос газовых и паровых образований. При такой скорости потока составляет 3000 Вт/(м2-К), что для парогенераторов с органическими и газовыми теплоносителями существенно превышает а1. Однако в мощных парогенераторов обеспечить такую скорость воды в экономайзерах затруднительно по конструкционным соображениям.
При такой скорости воды а2 составит уже не менее 5000 Вт/(м2-К) и исключается застой газовой (паровой) фазы в опускных участках.
Для экономайзеров парогенератора, обогреваемых водой под давлением, следует выбирать из условий сближения величин, что для мощных парогенераторов приводит к тем же пределам изменения.
Для парогенераторов с жидкометаллическими теплоносителями «2 в экономайзере намного ниже и выбор станет более сложной задачей. Для каждого конкретного случая существует оптимальное соотношение дающее минимум суммарных капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Однако и для этого типа экономайзеров определяется диапазоном скоростей 2—3 м/с.
В связи с большими значениями в водяных экономайзерах парогенераторов с газовыми и органическими теплоносителями близка к температуре воды, протекающей через экономайзер. В экономайзерах, обогреваемых водой, будет иметь значения, близкие к средним между t1-2. Допустимая тепловая разверка в водяных экономайзерах определяется условиями, исключающими отложения примесей воды. Выпадение примесей интенсивно происходит при х=0,9. Следовательно, допустимая тепловая разверка водяных экономайзеров велика.
Тепловая неравномерность в элементах парогенераторов АЭС незначительна. Гидравлическая неравномерность их при правильном конструкционном оформлении определяется только гидравлической нестабильностью трубок, которая, конечно, не может достигнуть существенных значений. Если допущен отход от основных принципов конструирования экономайзеров и по каким-либо причинам в качестве поверхностей теплообмена выбраны прямые вертикальные панели с опускным движением воды, то следует проверить значения нивелирных сопротивлений.
Отношения нивелирных сопротивлений и сопротивлений трения зависят от длины трубок, скорости воды и разности высот входных и выходных коллекторов.
Если для грубой оценки принять (|d)=l, то
(8.22>
Нивелирные сопротивления могут значительно превышать по абсолютному значению гидравлические сопротивления. Но практическое влияние на гидродинамику экономайзера они будут оказывать только при опускном движении воды в вертикальных панелях экономайзеров, а также при опускном движении в змеевиках, но при сравнительно малой скорости. При нисходящем движении нивелирная составляющая общего сопротивления — величина отрицательная. Если произойдет уменьшение расхода воды через трубку, то при нисходящем движении общее сопротивление ее может возрасти (из-за уменьшения р, а следовательно, и уменьшения абсолютного значения р.нив), приводя к еще большему снижению расхода. При малых скоростях опускного движения возникшая гидравлическая неравномерность может в итоге привести к увеличению тепловой разверки вплоть до полного выпаривания воды.
При подъемном движении уменьшение расхода приводит к уменьшению сопротивления, как гидравлического, так и нивелирного. Суммарное сопротивление трубки при этом всегда будет уменьшаться, что изменит расход через нее в сторону увеличения.
Большая допустимая тепловая разверка не исключает возможности возникновения условий, отрицательно влияющих на надежность экономайзеров. Факторами, снижающими их надежность являются усиление интенсивности коррозионных процессов при неправильном водном режиме (см. гл. 10), а также возможность возникновения пульсаций термических напряжений в трубках поверхности теплообмена.
Основная причина пульсаций термических напряжений — колебания расхода и температуры питательной воды, что вследствие большого значения а2 приводит и к соответствующим изменениям температуры стенки. При увеличении расхода происходит снижение температуры стенки, а при уменьшении — рост ее. При колебаниях расхода возможны такие случаи, когда в определенных сечениях трубок тепловой поток будет изменяться oт макс до нуля. Следует реально представлять опасность этого явления для утолщенных участков трубок в местах сварных швов. Колебания расхода и температуры питательной воды связаны с нарушениями нормальной работы регенеративной схемы станции.
Рис. 8.3. Узел ввода воды в толстостенные корпуса:
1 — стенка корпуса; 2 — штуцер; 3 — подводящая труба; 4 — паровое пространство
Рис. 8.4. Гидродинамические схемы поверхностей теплообмена:
а — схема Ζ; б — схема П; в — схема Ш
Большое внимание необходимо уделять конструкционному оформлению узла ввода воды из экономайзера в корпус испарителя или сепарационного барабана, имеющего значительную толщину. Если во время эксплуатации парогенератора в трубопроводе, отводящем воду из экономайзера, температура t2эк постоянна, то в деталях узла устанавливается постоянное по времени поле термических напряжений.
Выше рассматривалась возможность возникновения колебаний температуры воды в экономайзере, которые, естественно, вызовут и периодические изменения.
Циклические изменения этой температуры приведут и к циклическим изменениям температурных напряжений. При большом числе их возможно образование глубоких трещин в стенке корпуса и выход его из строя. Для предотвращения такой аварии узел ввода воды во всех случаях (даже и для кипящего экономайзера) должен включать в себя специальные защитные устройства. Эти устройства наиболее просты и надежны для ввода воды в паровое пространство, когда для защиты корпуса достаточно паровой рубашки (рис. 8.3). При наличии паровой рубашки температура стенки корпуса по всей его толщине близка к температуре насыщения. При прохождении воды с изменяющейся температурой через входную трубку температурное поле в стенке корпуса не изменится, так как она всегда будет омываться паром.
Пароперегреватели.
Пароперегреватели по сравнению с экономайзерами работают в более тяжелых тепловых условиях. Они располагаются в зоне наивысших температур теплоносителя, а охлаждаются рабочим телом, имеющим максимальную температуру. Коэффициенты теплоотдачи от стенки к пару при рациональных скоростях будут относительно невысокими, а удельные тепловые потоки — довольно значительными.
Для низкотемпературных пароперегревателей эти условия не скажутся на надежности работы, так как всегда будет соблюдаться. Такие пароперегреватели нет оснований проверять и в отношении тепловой разверни, так как tдоп для них имеет бесконечно большое значение. Это практически означает допустимость режимов с полным отсутствием пропуска пара через поверхность или какую-либо ее часть. Факторами, снижающими надежность низкотемпературных пароперегревателей, могут быть: вибрация трубок, отложения примесей, унесенных насыщенным паром, циклические смещения границ зоны досушки пара до х=1. Однако при правильном конструкционном, оформлении и эксплуатации влияние этих факторов несущественно. Наибольшее внимание должны привлекать коррозионные процессы под слоем отложений, но интенсивность протекания их паровой фазе умеренных параметров значительно ниже, чем в воде. Реальная надежность низкотемпературных пароперегревателей должна быть оценена весьма, высоко, но это не может являться основанием для снижения точности их расчета и тщательности изготовления и монтажа.
Высокотемпературные пароперегреватели работают в наиболее сложных условиях по сравнению с другими поверхностями теплообмена парогенераторов. Их допустимая тепловая разверка лимитируется допустимой температурой стенки, °С, связь которой с соответствующей температурой рабочего тела определяется на основании (8.2):
(8.23).
Удельные тепловые потоки зависят от параметров пароперегревателей и вида теплоносителей. Например, в пароперегревателях с жидкометаллическими теплоносителями q может достигать значения примерно (504-80) · 103 Вт/м2 и даже выше, а для парогенераторов с газовыми теплоносителями умеренных параметров они не будут превышать (154-30) · 103 Вт/м2.
Коэффициенты теплоотдачи а2 определяются скоростью и давлением пара. Так как высокотемпературные пароперегреватели целесообразны для парогенераторов высоких и сверхвысоких параметров, та даже при умеренных скоростях пара 15—20 м/с можно рассчитывать на а2= (24-2,5) -103 Вт/(м2-К).
На основании приведенных выше ориентировочных данных можно оценить примерные значения допустимых тепловых разверок высокотемпературных пароперегревателей различных типов (приняв постоянными для всех случаев и равными 0,0003 м2-К/Вт).
Для пароперегревателей, выполненных из углеродистой стали, 475°С, что позволяет иметь температуру пара на выходе около 420°С. Если =560 °С, то для наименьших значений указанных и остальных необходимых параметров, использованных в предыдущем примере, ηΛΟΠ=6 %.
При тепловых потоках, превышающих 30-103 Вт/м2, допустимые тепловые разверки для высокотемпературных пароперегревателей при тех же еще меньше. На практике >10 % допускать не следует. Опыт конструирования и эксплуатации трубчатых теплообменников показал, что из-за различия значений шероховатости отдельных трубок коэффициент гидравлической неравномерности достигает 5—8 %.
В связи с малым значением ηдоп для высокотемпературных пароперегревателей тепловая неравномерность должна быть исключена полностью. Для максимального снижения гидравлической неравномерности необходимо обеспечить постоянство диаметров и суммы сопротивлений для всех трубок поверхности теплообмена. Для их изготовления пригодны только трубки особой поставки с незначительным разбросом по шероховатости.
При расчете следует учитывать все составляющие суммарных сопротивлений, а также перепады давления для каждой трубки.
В связи с большими скоростями пара в трубках сопротивления ускорения и нивелирные сопротивления в них малы по сравнению с гидравлическими. Но высокие значения скорости пара могут привести к довольно большим различиям в перепадах давления между трубками.
Изменение давления по длине коллекторов зависит от схем подвода и отвода пара, возможные варианты которых представлены на рис. 8.4. Варианты, изображенные на рис. 8.4, а и б, имеют подводы и отводы пара с торцов коллекторов, а вариант на рис. 8.4, в характерен рассредоточением подводящих и отводящих трубопроводов по их длине. Частным случаем варианта является подвод и отвод от середины коллекторов одной трубой (рис. 8.2).
