Раздел 1
УСТРОЙСТВО ЯППУ И ИХ ГЛАВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Глава 1
ЯДЕРНЫЕ ПАРОПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТАНОВКИ
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА ЯППУ
Назначение, принцип действия и классификация ЯППУ
Назначение и принцип действия ЯППУ.
ЯППУ представляет собой комплекс механизмов, устройств и систем, предназначенных для получения в реакторе тепла и преобразования его в энергию пара, отводимого к потребителям.
Основным потребителем генерируемой в ППУ энергии является ПТУ, преобразующая энергию пара в механическую энергию вала главного турбозубчатого агрегата; Совокупность ПТУ, ППУ и сопряженной с ними электроэнергетической системы образует ЯЭУ.
Принцип действия ЯППУ поясним применительно к наиболее распространенной в настоящее время двухконтурной ЯЭУ. При этом под двухконтурной будем понимать установку, имеющую в своем составе два главных теплопередающих контура (рис. 1.1) — контур циркуляции теплоносителя (первый контур) и контур циркуляции рабочего тела (второй контур). Теплоотвод от первого контура ко второму осуществляется в парогенераторе (ПГ), через который прокачиваются названные выше среды, разделенные теплопередающей поверхностью. В современных установках такого типа в качестве теплоносителя и рабочего тела чаще всего используется вода.
ЯППУ содержит контур циркуляции теплоносителя и участок второго контура, являющийся конструкционным элементом ПГ. Кроме того, в состав ППУ входят вспомогательные контуры, системы и механизмы, о которых будет сказано ниже.
При работе реактора в его активной зоне генерируется тепло, отводимое из реактора с помощью прокачиваемого через активную зону теплоносителя. За счет поддержания высокого давления в первом контуре теплоноситель может быть нагрет без кипения до температуры, достаточной для испарения в ПГ рабочего тела, давление которого существенно меньше давления теплоносителя. Образовавшийся пар подается на паротурбинную установку, срабатывается в турбине и затем конденсируется в главном конденсаторе.
Рис. 1.1. Главные теплопередающие контуры двухконтурной ЯЭУ:
1 — реактор; 2 — ПГ; 3, 7 — насосы; 4 — турбина; 5 — редуктор; 6 — главный конденсатор
Насосы перекачивают конденсат обратно в парогенератор, где он снова превращается в пар.
Рассмотренная двухконтурная установка является лишь одним из возможных вариантов схемных решений. Многообразие типов главных и вспомогательных элементов установок и способов их использования предопределяет существование многочисленных разновидностей ППУ.
Классификация ППУ.
Несмотря на отмеченное разнообразие ЯППУ все они могут быть классифицированы по нескольким основным признакам. Таковыми являются: число главных теплопередающих контуров, тип реактора, тип ПГ, способ обеспечения циркуляции теплоносителя; тип системы компенсации изменений объема теплоносителя.
По числу главных теплопередающих контуров различают одноконтурные, двухконтурные и трехконтурные установки.
В одноконтурных установках теплоноситель является одновременно и рабочим телом. Парогенератор в таких установках отсутствует, так как пар, необходимый для паротурбинной установки, генерируется непосредственно в водо-водяном кипящем реакторе. При прочих равных условиях одноконтурные установки наиболее просты по составу оборудования и экономичны. Однако вследствие радиоактивности оборудования ППУ и ПТУ в этом случае требуется громоздкая биологическая защита и усложняются условия обслуживания установки. Кроме того, при этом существенно повышаются требования к надежности механизмов и систем.
Двухконтурные ядерные ППУ (рис. 1.1) имеют в своем составе первый и часть второго контура, а в качестве основного теплопередающего звена — ПГ. Обычно в подобных установках используются реакторы с водой под давлением, хотя в принципе для них пригодны почти все существующие типы реакторов. Большим достоинством установок этого типа, обеспечившим их широкое применение, является неактивность оборудования ПТУ, что облегчает биологическую защиту и упрощает обслуживание установки. Недостатком является наличие ПГ, снижающего надежность и экономичность ППУ.
В трехконтурных установках между контуром циркуляции теплоносителя и контуром рабочего тела включается промежуточный замкнутый теплопередающий контур. Необходимость применения промежуточного контура возникает при использовании в составе ППУ реакторов на жидком топливе или с жидкометаллическими теплоносителями (такими как натрий, калий, литий), которые при отсутствии подобного защитного барьера могут вступить в бурную химическую реакцию с рабочим телом (водой или паром) в случае возникновения неплотностей в трубной системе ПГ. Введение промежуточного теплопередающего контура усложняет установку, снижает ее надежность и экономичность.
По типу реакторов, входящих в состав ППУ, различают установки: с реакторами на тепловых, промежуточных или быстрых нейтронах (отличие спектров нейтронов); с гетерогенными, гомогенными или газофазными реакторами (отличие структуры активной зоны); с корпусными, канальными или интегральными реакторами (конструктивные отличия); с водо-водяными, жидкометаллическими или газоохлаждаемыми реакторами (отличие по виду теплоносителя).
Разделение паропроизводящих установок по энергетическому спектру нейтронов в реакторе проводится в соответствии с тем, какова энергия основной массы нейтронов, поглощаемых ядерным топливом. Если большая часть делений происходит при поглощении нейтронов, обладающих энергией E<0,1 эВ, то говорят, что в состав ППУ входит реактор на тепловых нейтронах (Тепловой реактор). Если энергия поглощаемых нейтронов 0,01 кэВ<E< С100 кэВ, это значит, что ППУ содержит реактор на промежуточных нейтронах (промежуточный реактор). Наконец, если E >100 кэВ, в состав установки входит реактор на быстрых нейтронах (быстрый реактор).
Различие ППУ по структуре активных зон реакторов определяется способом размещения материалов в активной зоне. При этом гетерогенным называют реактор, в активной зоне которого материалы расположены таким образом, что его нейтронные характеристики не могут быть описаны с достаточной точностью в предположении равномерного распределения этих материалов. Если же допущение о равномерном распределении материалов по объему активной зоны приемлемо, реактор называют гомогенным. Ядерный реактор, активная зона которого находится в состоянии плазмы, называют газофазным.
Основным достоинством гетерогенных реакторов является локализация ядерного топлива и продуктов деления внутри тепловыделяющих элементов (твэлов). Это существенно повышает безопасность таких реакторов, упрощает их биологическую защиту и условия обслуживания. Поэтому в настоящее время развитие ядерной энергетики идет в основном по пути создания ППУ с гетерогенными реакторами.
По конструкционным отличиям реакторов ЯППУ разделяют на установки с корпусными и канальными реакторами. Корпусными называют реакторы, активные зоны которых заключены в корпуса, способные выдерживать свойственные данным реакторам термические нагрузки и давления, а канальными — реакторы, в активных зонах которых теплоноситель прокачивается через содержащие ядерное топливо герметичные каналы, каждый из которых рассчитан на предельно допустимое давление теплоносителя. В последнее время находят все более широкое применение интегральные реакторы, в корпусах которых располагается все основное оборудование паропроизводящих установок. В эксплуатационной практике такие реакторы часто называют моноблоками.
По виду теплоносителя различают ЯППУ с водяным теплоносителем (водой, тяжелой водой); жидкометаллическим теплоносителем (свинцом, висмутом, натрием, калием, литием и др.); газовым теплоносителем (диоксидом углерода, гелием, азотом и др.); органическим теплоносителем (углеводородом типа дифенила, трифенила и др.).
Природная и тяжелая вода, а также органические соединения являются хорошими замедлителями нейтронов. Поэтому в ЯППУ с тепловыми реакторами они могут использоваться и как теплоносители, и как замедлители одновременно. Органические теплоносители обладают неудовлетворительной термической и радиационной стойкостью, вследствие чего в настоящее время в энергетике они практически не применяются. Наибольшее распространение в качестве теплоносителя получила природная вода.
Ядерные реакторы, в которых вода является и теплоносителем, и замедлителем, называют, водо-водяными (ВВР). При этом различают реакторы с водой под давлением (ВВРД), в которых теплоотвод от активной зоны осуществляется некипящей водой, и кипящие реакторы (ВВРК), где теплоотвод обеспечивается кипящей водой. Как было сказано выше, первые используются в двухконтурных ППУ, а вторые — в одноконтурных.
Для реакторов на быстрых нейтронах вода и органические соединения как теплоносители непригодны. Поэтому в установках с быстрыми реакторами для отвода тепла из активных зон используются не обладающие свойствами замедлителей жидкие металлы и некоторые газы.
По типу ПГ, входящих в состав ЯППУ, различают следующие установки: с прямоточными ПГ, ПГ с естественной и многократной принудительной циркуляцией рабочего тела (отличие принципа движения рабочего тела в испарителе); с различным способом омывания теплопередающей поверхности в ПГ (теплоноситель в трубках, теплоноситель в межтрубном пространстве);
с различным конструкционным исполнением ПГ (отличия в числе корпусов ПГ, конфигурациях поверхности теплообмена и т. д.).
Принцип движения рабочего тела в испарительном участке ПГ является одной из существенных характеристик при классификации ЯППУ, Если движение пароводяной смеси осуществляется под действием напора, создаваемого питательным насосом, и кратность циркуляции равна единице (т. е. вся поступающая в испаритель вода превращается на выходе из него в пар), значит» ЯППУ содержит в своем составе прямоточный ПГ. Если движение рабочего тела в испарителе ПГ происходит под действием напора, возникающего вследствие разности плотностей воды в опускном участке и пароводяной смеси в подъемном участке замкнутого испарительного контура, то паропроизводящая установка имеет ПГ с естественной циркуляцией (ПГ с ЕЦ). Так как во всех случаях у ПГ с естественной циркуляцией кратность циркуляции превышает единицу, ПГ этого типа по сути являются ПГ с многократной естественной циркуляцией рабочего тела. В тех случаях, когда движение рабочего тела в замкнутом контуре испарителя обеспечивается включенным в опускную вет вь циркуляционным насосом, ЯППУ содержит ПГ с многократной принудительной циркуляцией (ПГ с МПЦ).
Паройроизводящие установки с прямоточными ПГ имеют лучшие компоновочные и массогабаритные. характеристики, однако надежность таких ПГ не во всех случаях достаточно высока. Тем не менее, прямоточные ПГ нашли широкое применение в ядерной энергетике. Кроме хороших массогабаритных показателей этому способствует то, что только в таких ПГ давление вырабатываемого пара не зависит от тепловой нагрузки ПГ, так как при изменении мощности установки в ПГ этого типа происходит перераспределение поверхности нагрева между экономайзерной, испарительной и пароперегревательной зонами.
Отсутствие жесткой связи между программами изменения давления пара и средней температуры теплоносителя при регулировании мощности установки — важное достоинство прямоточных ПГ, позволяющее реализовать оптимальные программы регулирования как ППУ, так и ПТУ. Парогенераторы с МПЦ и ЕЦ рабочего тела не обладают таким свойством. Наличие у них при любых нагрузках постоянных площадей поверхностей теплопередачи в экономайзерном, испарительном и пароперегревательной участках приводит к тому, что с уменьшением мощности (при постоянных средней температуре и расходе теплоносителя) давление генерируемого пара нужно увеличивать. Это нежелательно для паротурбинной установки, так как при этом усложняется регулирование турбины, ухудшаются условия работы проточной части (возрастает влажность пара) и увеличиваются затраты энергии на привод питательных насосов.
Паропроизводящие установки с прямоточными ПГ могут различаться по способу омывания теплопередающей поверхности теплоносителем. В тех случаях, когда внутри труб проходит рабочее тело, а теплоноситель циркулирует в межтрубном пространстве, конструкция ПГ получается предельно простой и гидравлическое сопротивление первого контура мало. Однако гидравлическое сопротивление ПГ по второму контуру в этом слyчae достигает больших значений, и возникает опасность неустойчивой работы параллельно включенных змеевиков. Для стабилизации расхода рабочего тела появляется необходимость значительного дросселирования каждого змеевика ПГ. Это еще больше увеличивает сопротивление по второму контуру и требует соответствующего увеличения напора питательного насоса. Парогенераторы с циркуляцией теплоносителя внутри труб обладают большим гидравлическим сопротивлением первого контура и сложнее по конструкции, но требуемый напор питательного насоса в этом случае значительно меньше и устойчивость работы ПГ обеспечена.
По конструкционным признакам ПГ различия ЯППУ весьма велики. Различают ПГ: однокорпусные и многокорпусные; горизонтальные и вертикальные; с прямым, U-, L-, П-образным и комбинированным (прямым с разными диаметрами по высоте) корпусами; со змеевиковой и трубчатой поверхностями теплообмена, а также с элементами типа «труба в трубе» и «пучок труб в трубе». Кроме того, ПГ с МПЦ и естественной циркуляцией могут существенным образом различаться по конструкции и компоновке сепараторов пара.
По способу обеспечения циркуляции теплоносителя различают ППУ с естественной и принудительной циркуляцией. В первом случае движущий напор создается за счет разной плотности теплоносителя в подъемной ветви, куда включен реактор, и в опускной ветви, в состав которой входит расположенный выше реактора ПГ. Во втором случае прокачка теплоносителя по первому контуру обеспечивается циркуляционным насосом.
Достоинством установок с естественной циркуляцией теплоносителя является меньший расход энергии на собственные нужды, большие надежность и безопасность. В этом случае исключается опасность возникновения целой серии аварийных режимов, обусловленных поломкой или обесточиванием циркуляционных насосов первого контура. В то же время отказ от принудительной циркуляции теплоносителя влечет за собой существенное увеличение габаритных размеров ЯППУ из-за необходимости разнесения по высоте реактора и ПГ, а также вследствие увеличения площадей их теплопередающих поверхностей*.
* Увеличение площадей теплопередающих поверхностей необходимо для того, чтобы скомпенсировать ухудшение теплоотдачи в парогенераторе при снижении скорости теплоносителя.
Особенно ощутим этот недостаток для транспортных ЯППУ, где проблема габаритных размен ров часто имеет решающее значение. Поэтому для установок такого типа может оказаться целесообразным компромиссное решение — при работе на малых и средних мощностях использовать естественную циркуляцию теплоносителя, а при работе на больших мощностях ввести в состав ЯППУ циркуляционные насосы.
По типу системы компенсации изменений объема теплоносителя различают ЯППУ с газовой и паровой системами компенсации. Основным элементом системы компенсации являются компенсаторы объема (КО), представляющие собой баллоны высокого давления, нижняя часть которых заполнена теплоносителем и соединена с первым контуром, а верхняя часть заполнена газом или паром в зависимости от типа системы.
Газовая система компенсации используется в ЯППУ с любым теплоносителем. Паровая же система пригодна только для ЯППУ с водяным теплоносителем, так как паровая подушка в компенсаторах объема создается посредством испарения части теплоносителя при включении электрогрелок, установленных в нижней части КО. К Числу достоинств газовой системы следует отнести также ее постоянную готовность к работе и отсутствие затрат энергии на создание и поддержание давления в контуре.
Определенными положительными качествами обладает и паровая система КО: отсутствует разветвленная газовая система со сложной арматурой высокого давления; исключается контакт теплоносителя с газом, растворение которого и диффузия в контур ухудшает водный режим (ускоряет процессы коррозии) и отрицательно влияет на теплообмен; упрощается конструкция системы. Что касается габаритных размеров ЯППУ, то для их снижения система паровой компенсации может быть скомпонована внутри корпуса реактора. В этом случае роль компенсатора объема выполняет специальная полость над активной зоной, заполненная паром или парогазовой смесью.
