Атомные электрические станции и их оборудование - Парогенераторные установки

Глава одиннадцатая
ПАРОГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ АЭС

Теплотехнические схемы парогенераторов АЭС с ВВЭР

Парогенератор (ПГ) принадлежит как первому, так и второму контурам. Опыт эксплуатации показывает, что надежность работы АЭС существенным образом зависит от надежной работы парогенераторной установки. Теплотехническая схема и конструкция ПГ должны обеспечивать длительную, безаварийную работу АЭС.
ПГ подразделяются на прямоточные и с естественной циркуляцией. ПГ вырабатывают, как правило, насыщенный пар. Разрабатываются также схемы со слабым перегревом пара.
Параметры пара, вырабатываемого в ПГ, определяются параметрами теплоносителя, теплотехнической схемой ПГ, температурным напором между теплоносителем и рабочим телом, перепадом температур теплоносителя на входе и выходе из ПГ. На рис. 11.1 представлены возможные теплотехнические схемы ПГ и изменение температур теплоносителя и рабочего тела в элементах ПГ в t, Q-диаграмме.

Рис. 11.1. Теплотехнические схемы парогенераторов АЭС с ВВЭР:
а — с вынесенным водяным экономайзером и пароперегревателем: б — без перегрева пара с совмещенным водяным экономайзером; в — с вынесенным водяным экономайзером; г — с вынесенным пароперегревателем и совмещенным водяным экономайзером; д — с прямоточным парогенератором

Тепловая схема парогенератора с вынесенными водяным экономайзером и пароперегревателем показана на рис. 11.1, а. Теплоноситель после реактора 1 с температурой t/ последовательно проходит пароперегреватель 5, испаритель 3, экономайзер 4 и возвращается в реактор с температурой tr". Питательная вода второго контура с температурой ta.B поступает в водяной экономайзер. В испарителе генерируется насыщенный пар и в пароперегревателе его температура повышается до tne. На t, Q-диаграмме показано количество теплоты, передаваемой в элементах парогенератора. Тепловой баланс парогенераторной установки
(11.1)
где QT — количество теплоты, передаваемой теплоносителем в парагенераторной установке; Qnry — количество теплоты, воспринимаемой рабочим телом в ПГ; QB.o, <2Исш Qm— количество теплоты, воспринимаемой в элементах ПГ соответственно в водяном экономайзере, испарителе и пароперегревателе.
Уравнение (11.1) можно выразить через параметры теплоносителя и рабочего тела:
(11.2)
где GT — расход теплоносителя, кг/с; срт — теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг-°С); Do—паропроизводительность парогенератора, кг/с; hо, hu. „— энтальпии свежего пара и питательной воды, кДж/кг; г) — КПД парогенераторной установки (0,97—0,98).
Схема ПГ с совмещенными испарителем и водяным экономайзером с выработкой насыщенного пара представлена на рис. б. Эта схема принята на отечественных ПГ для АЭС с реакторами ВВЭР-1000 и ВВЭР-440, а также для первых двух блоков Нововоронежской АЭС (ВВЭР-210 и ВВЭР-365). Прогрев воды от 4в до происходит в объеме воды парогенератора за счет конденсации части пара, вырабатываемого ПГ. Параметры пара определяютсямежду tT" и ts.
Схема ПГ, вырабатывающей насыщенный пар, при наличии вынесенного водяного экономайзера, показана на рис. 11.1.в. Вынесенный экономайзер позволяет повысить tn, так как будет теперь определяться tT и ts (U">tT") и при том же»
tB будет выше, а следовательно выше давление циркулируемого пара.
Схема ПГ с вынесенным пароперегревателем, совмещенными испарителем и водяным экономайзером представлена на рис. г. Теплоноситель, как и в схеме рис. 11. 1, а, последовательно проходит пароперегреватель 5 и испаритель 3. В испаритель поступают теплоноситель с температурой и необходимость иметь Л/ш1н приводит к снижению tp. Для предотвращения снижения давления рабочего пара поступление теплоносителя в пароперегреватель и испаритель должно быть не последовательным, а параллельным. Это не относится к прямоточному ПГ, представленному на рис. 11.1,д, где пароперегреватель, испаритель и водяной экономайзер совмещены.

Таблица 11.1. Характеристики горизонтальных парогенераторов АЭС с ВВЭР

В настоящее время создание прямоточного парогенератора с поверхностью теплообмена из аустенитной нержавеющей стали для АЭС с ВВЭР не представляется возможным. В прямоточном парогенераторе питательная вода, поступающая в трубы, подогревается до температуры насыщения, полностью испаряется и далее полученный пар перегревается. При полном испарении воды в трубах при давлении 5—7 МПа коэффициент распределения примесей между водой и паром мал (см. рис. 17.3) и большая часть примесей выпадает на стенках труб. Концентрирование хлоридов приводит к коррозионному растрескиванию аустенитных нержавеющих сталей. Но это не исключает создание прямоточных парогенераторов на АЭС с газовым и жидкометаллическим теплоносителями, где поверхность теплообмена выполняется из перлитных или углеродистых сталей, не чувствительных к коррозионному растрескиванию в присутствии хлоридов.

Рис. 11.2. Горизонтальный парогенератор с водным теплоносителем с погруженным коллектором:
1 — корпус парогенератора; 2 — поверхность теплообмена; 8, 4 — входной и выходной коллекторы теплоносителя; 5 — сепарационное устройство, 6 — трубопровод главного циркуляционного контура; 7 — сборный паровой коллектор; 8 — лаз;  9 — воздушники коллекторов; 10 — продувочные и дренажные штуцера

В табл. 11.1 приведены характеристики отечественных ПГ для АЭС с ВВЭР. Особенностью отечественных ПГ является применение коллекторной трубной доски и горизонтальное исполнение конструкции. За рубежом в основном применяют вертикальный тип парогенераторов с плоской трубной доской. Эти парогенераторы имеют тот недостаток, что на плоской трубной доске со стороны рабочего тела скапливается коррозионный шлам (продукты коррозии), под слоем которого происходит упаривание воды и концентрирование коррозионно-агрессивных примесей, в том числе хлоридов и щелочи. Это приводит к массовому разрушению трубок и нарушению плотности ПГ.
Сравнение горизонтальных и вертикальных ПГ показывает, что в горизонтальных ПГ нагрузка зеркала испарения (количество пара, снимаемого с 1 м2 уровня воды) меньше и, следовательно, уменьшается унос влаги с паром. Отсутствие плоской трубной доски облегчает вывод коррозионного шлама с продувочной водой. Однако в горизонтальных ПГ часть объема занята сепарационными устройствами, поэтому при одних и тех же размерах корпусов в вертикальных ПГ можно разместить большую поверхность и, следовательно, снимать большую мощность.
На рис. 11.2 представлена конструкция ПГ, установленных на первом и втором блоках Нововоронежской АЭС с реакторами ВВЭР-210 и ВВЭР-365.
В горизонтальном корпусе 1 размещена трубчатая поверхность 2.  Теплоноситель поступает в коллектор 3, проходит по трубам поверхности теплообмена 2 и через выходной коллектор 4 по главному циркуляционному трубопроводу 6 возвращается в реактор. Питательная вода по трубопроводу, проходящему вдоль оси парогенератора, подается под поверхность теплообмена со стороны входа теплоносителя. Образующийся пар осушается в сепарационном устройстве 5 и по сборному коллектору 7 направляется в паропровод на турбину. Для осмотра внутренних устройств ПГ имеется лаз 8. Для удаления воздуха из коллекторв ПГ при заполнении первого контура теплоносителем имеются воздушники 9. По линиям 10 отводится часть воды на очистку (продувка). Особенностью конструкции, представленной на рис. 11.2, является расположение коллекторов 3 и 4 под уровнем воды и в одном сечении корпуса и доступ в коллектор для осмотра принят снизу.
В горизонтальных ПГ для АЭС с ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 доступ к коллекторам осуществляется сверху, и коллектор проходит через уровень и располагаются они в разных сечениях корпуса, т. е. смещены по отношению друг к другу. Верхний доступ для осмотра коллекторов упрощает обслуживание. Однако при колебаниях уровня воды в ПГ происходит попеременное смачивание и осушка поверхности коллектора, что приводит к концентрированию примесей и коррозионному повреждению металла коллекторов, выполненных из аустенитных нержавеющих сталей (для ВВЭР- 440). Для защиты коллекторов от коррозионного растрескивания на их поверхности в районе уровня воды делают защитные приспособления (наплавку металла, специальные камеры «выгородки»).

Рис. 11.3. Горизонтальный парогенератор с перегревом пара:
1 — коллектор; 2 — теплообменная испарительная поверхность; 3 — подвод питательной воды; 4 — сепараторы, 5 — поверхность пароперегревателя; 6 — корпус парогенератора; 7 — отвод перегретого пара

На рис. 11.3 представлена конструкция данного ПГ с начальным перегревом пара. Теплоноситель поступает в коллектор 1, где он делится на два потока: один направляется в трубы испарительной поверхности теплообмена 2, а второй — в трубы пароперегревателя 5. Полученный пар вначале проходит сепарационное устройство 4, перегревается в пароперегревателе 5 и патрубком 7 направляется в паропровод на турбину. Питательная вода по трубопроводу 3 подается на испарение.
Как уже отмечалось, в ПГ вертикального типа при одном и том же диаметре корпуса можно снимать большую мощность. В последнее время прорабатываются варианты вертикальных ПГ с коллекторной трубной доской, одна из конструкций такого ПГ приведена на рис. 11.4. Теплоноситель / поступает в вертикальный коллектор 1, поднимается вверх, раздается по ширмовым трубам 2 и покидает ПГ по трубопроводу /. Питательная вода // подается снизу под поверхность в межтрубное пространство.

Рис. 11.4. Вертикальный ширмовый парогенератор:

1 — коллектор:     2 — ширмы трубного пучка; 3, 4 — сепараторы с жалюзи и циклонные: 5 — штуцер непрерывной продувки; I — теплоноситель; II — питательная вода; III — пар; IV — аварийные подвод питательной воды

Образовавшийся пар проходит двухступенчатую сепарацию вначале в циклонных 4, а затем в жалюзийном 3 сепараторах. Установка двухступенчатой сепарации в вертикальных ПГ является обязательной из-за больших нагрузок зеркала испарения и повышенного выноса влаги. По трубопроводу III пар отводится на турбину. По линии IV подается аварийный впрыск питательной воды, по линии 5 часть воды отбирается на очистку (продувка).
Вертикальные ПГ на отечественных АЭС пока не реализованы.