Глава третья
ТЕПЛОВАЯ И ОБЩАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ АЭС
3.1. Термодинамические циклы паротурбинных установок на насыщенном паре в Т, 5-диаграмме
На АЭС с водным теплоносителем рабочим телом является насыщенный водяной пар. Рассмотрим один из возможных циклов паротурбинных установок на насыщенном паре в Г, в-диаграмме (рис. 3.1 а, б).
Из термодинамики известно, что максимальное значение термического КПД имеет цикл Карно. Полезная работа цикла Карно равна площади ас'dе (рис. 3.1, б), а подведенная теплота определяется площадью а'ас'dее. Отношение этих площадей определяет значение термического КПД цикла Карно
(3.1)
где to и tK — начальная и конечная температуры цикла, °С, отвечающие давлениям Ро и рк-
Свойства водяного пара таковы, что цикл Карно трудно осуществить из-за невозможности реализации подогрева воды до верхней температуры цикла. По этой причине идеальным циклом для паротурбинных установок является цикл Ренкина.
Рис. 3.1. Схема цикла и Т, я-диаграмма для турбин с насыщенным паром: 1 — парогенератор; 2 — турбина; 3 — конденсатор; 4 — насос
Полезно использованная теплота в цикле Ренкина определяется площадью abode, а подведенная теплота — площадью abcdee'a'. Отношение этих площадей определяет термический КПД цикла Ренкина
Разность площадей abcdee'a' и abode определяет потери теплоты в цикле, равной площади аее'а'. Как видно из рис. 3.1, б, полезно использованную в цикле теплоту можно увеличить за счет повышения Ро (а, следовательно, t0) и понижением pK(tK). В соответствии с (3.1) тр увеличится.
Выбор начальных и конечных параметров цикла
Как уже отмечалось в § 3.1, увеличение тр цикла возможно за счет увеличения начальных (Ро, t0) и снижения конечных (рк, tK) параметров, в обоих случаях полезно использованная теплота в цикле возрастает. Зависимость тр цикла от ро для насыщенного пара неоднозначна (кривая 1, рис. 3.2).
Максимальное значение тр достигается при давлениях 14— 15 МПа, в дальнейшем с ростом начального давления оно падает. Это связано со свойствами пара на линии насыщения: начиная с давления 14—16 МПа начальная энтальпия насыщенного пара снижается, и при одних и тех же конечных параметрах пара сработанный теплоперепад в турбине уменьшится.
Наиболее интенсивно тр растет до давлений 10 МПа. Так, из рис. 3.2 видно, что при росте р0 от 5 до 10 МПа тр увеличивается примерно на 3,5 %, ас 10 до 12,5 МПа на 0,6 %.
Рис. 3.2. Зависимость термического КПД от начального давления пара:
1 — насыщенный пар; 2, 3, 4 — перегретый пар (соответственно для 300 °С, 400 °С. 500 °С)
Рис. 3.3. Изменение термического КПД паротурбинной установки в зависимости от величины вакуума в конденсаторе
С точки зрения тепловой экономичности следует выбирать такие значения р0, при которых nt является максимальным. Однако увеличение давления вызывает определенные трудности в создании и эксплуатации оборудования. Поэтому на высокие рк следует идти при таком выигрыше в тепловой экономичности, при котором будут значительна перекрыты затраты на создание оборудования.
Так, с точки зрения высокого следует применить давление от 10 до 15 МПа, однако при расширении пара в турбине для обеспечения допустимой влажности потребуется многократная сепарация с промперегревом пара, что значительно усложнит турбоустановку. Есть и другие причины ограничения давления насыщенного пара перед турбиной,
Так, для РБМК рабочее давление в каналах реактора выбрано 7 МПа, у турбины ро равно 6,5 МПа. При этом давлении достаточно однократной сепарации и промежуточного перегрева пара. Циркониевые сплавы, применяемые для изготовления технологических каналов и оболочек тепловыделяющих элементов, могут работать в пароводяной смеси до температуры 350 °С и позволяют использовать давление около 10 МПа. Однако в РБМК с графитовым замедлителем технологический канал работает под перепадом давления. Чем выше рабочее давление теплоносителя в реакторе, тем больше толщина стенки технологического канала, тем больше поглощение нейтронов, тем хуже баланс нейтронов. Можно было бы технологические каналы реактора изготавливать из аустенитных нержавеющих сталей, используя более тонкостенные трубы, но тогда баланс нейтронов ухудшился бы за счет большего поглощения нейтронов в нержавеющей стали и пришлось бы идти на большее обогащение топлива. Обогащение топлива резко увеличивает его стоимость.
Для АЭС с реактором ВВЭР-1000 давление теплоносителя принято 16 МПа — это то предельное давление, на которое в настоящее время можно изготовить транспортабельный (по железной дороге) корпус реактора. В ВВЭР происходит недогрев воды до температуры насыщения, и для ВВЭР-1000 температура теплоносителя на выходе из реактора составляет 322—325 °С. В парогенераторе вода охлаждается на 25—30 °С и после парогенератора достигает 295—297°С. При перепаде температур в парогенераторе между теплоносителем и рабочим телом 10 °С температура вырабатываемого в парогенераторе насыщенного пара составит 280—282 °С, что соответствует давлению 6,5 МПа.
Для АЭС с ВВЭР-440 при давлении в первом контуре 12,5 МПа температура теплоносителя на выходе из реактора принимается 300—301 ЬС и при охлаждении его в парогенераторе на 30—33 ?С после парогенератора составит около 270°С. При перепаде температур между теплоносителем и рабочим телом 10 °С температура вырабатываемого в парогенераторе насыщенного пара составит 260 °С, что соответствует давлению насыщения 4,7 МПа. Соответственно, давление насыщенного пара перед турбиной равно 4,4 МПа.
Таким образом, на АЭС с водным теплоносителем параметры свежего пара, идущего на турбину, являются относительно низкими.
В отличие от АЭС ТЭС работают с использованием перегретого пара высоких давлений, вплоть до закритических. Следовательно, при одном и том же давлении пара в конденсаторе использованный теплоперепад 1 кг пара в турбинах на АЭС будет существенно меньше, а следовательно, расход пара в 1,5—1,7 раза больше по сравнению с ТЭС. Это отражается на размерах турбины и ее вспомогательного оборудования.
Применение перегрева пара существенно повышает тр цикла, о чем свидетельствуют кривые 2—4 на рис. 3.2. Начальный перегрев пара на АЭС с водным теплоносителем затруднен. Значительный начальный перегрев пара возможен только на АЭС с канальными реакторами за счет ядерного перегрева, как это было сделано на первом и втором блоках Белоярской АЭС.
На ТЭС наряду с первоначальным перегревом применяется и промежуточный перегрев пара, причем температура начального и промежуточного перегрева одинакова. Для АЭС с начальным ядерным перегревом пара промежуточный ядерный перегрев не применяется из-за невозможности его осуществления. Для таких АЭС параметры свежего пара (давление и температура перегрева) должны быть такими, чтобы в последней ступени турбины не достигалась допустимая влажность. Такие параметры пара называются сопряженными. Так, для давления пара в конденсаторе 0,004 МПа при допустимой влажности 13 %, сопряженными параметрами являются: 5 МПа — 410 °С, 7 МПа — 450 °С, 9 МПа— 480 °С, 12,5 МПа — 515 °С. При температуре пара ниже сопряженной требуется промежуточный перегрев пара. На АЭС с газовым и жидкометаллическим теплоносителем применяется как начальный, так и промежуточный перегрев пара.
Тепловая экономичность цикла существенным образом зависит от конечных параметров пара — давления в конденсаторе рк. Свойства водяного пара таковы, что при расширении пара в турбине до давления ниже атмосферного можно существенно увеличить использованный в турбине теплоперепад и, таким образом, повысить тц цикла. Так, при уменьшении давления с 0,004 до 0,003 МПа можно на 2 % увеличить тр (рис. 3.3). Однако с уменьшением Рк резко возрастают удельные объемы отработавшего в турбине пара (см. рис. 12.3) и увеличивается его влажность. Учитывая повышенный расход пара у турбин насыщенного пара, давление в конденсаторе на АЭС выбирается несколько выше по сравнению с ТЭС. Если на ТЭС рк принимается на уровне 0,0035 МПа, то на АЭС 0,004—0,0045 МПа.
Рис. 3.6. Тепловой баланс двухконтурной АЭС с ВВЭР.
Тепловые потери I контура: 1 — трубопроводов; 2 — шахты реактора; 3 — в защите реактора; 4 — с продувкой. Тепловые потери II контура: 5 — парогенераторов; 6 — трубопроводов; 7 — с продувкой; 8 — с утечкой пара
