Парогенератор
Развитие газоохлаждаемых реакторов от магноксовых до высокотемпературных определило одновременное совершенствование конструкции парогенератора. На АЭС с магноксовыми реакторами, в которых температура и давление пара не превосходили соответственно 400° С и 100 ат, парогенераторы принципиально не отличались от применяемых на обычных тепловых электростанциях. Широкие исследования по газовой коррозии в среде СО2 подтвердили возможность длительного использования углеродистых сталей в парогенераторах. Однако оказалось, что требования по газоплотности парогенераторов должны быть существенно ужесточены, что привело к совершенствованию технологии сварки и методов контроля сварных соединений.
Первые парогенераторы располагались в отдельном стальном корпусе, поскольку специфических требований к общей компоновке не предъявлялось. Однако такое положение изменилось еще в ряде магноксовых реакторов, так как повышение температур и давлений привело к необходимости внедрения бетонных корпусов.
Из требования минимизации возможных разрывов контура выявилась общая тенденция в геометрии парогенераторов. Они превратились в совершенные изделия с компактно расположенной трубной системой. Ввиду относительно низких температур в парогенераторах магноксовых реакторов предусматривалась интенсификация теплообмена с помощью труб с ребрами, которые при повышенных в реакторах AGR температурах были уменьшены, а затем совсем ликвидированы.
Кроме того, повышение температур в реакторах AGR привело к использованию в широких масштабах высоколегированных сталей. Здесь применяют и обычные в высокотемпературной технике аустенитные стали для температур выше 405° С, т. е. в областях, достаточно удаленных от зоны испарения. Для температур до 350° С используют обычные углеродистые стали. В промежуточной области подходят высоколегированные сорта стали с содержанием хрома около 9%.
Переход к высокотемпературным реакторам, с одной стороны, привел к дальнейшему повышению температур газа еще на 100—150° С, а с другой — к использованию в качестве теплоносителя вместо окиси углерода гелия, который имеет лучшие теплотехнические свойства (рис. 2.9). Это привело наряду с повышением температуры к уменьшению теплопередающих поверхностей.
Рис. 2.9. Зависимость удельной поверхности парогенераторов магноксовых реакторов и реакторов AGR и HTR от относительной мощности газодувок [12].
Поверхность парогенератора реактора HTR составляет около 40% поверхности парогенератора реактора AGR и едва одну десятую часть поверхности парогенератора магноксового реактора такой же мощности.
При использовании неокисляющих газов отпадает проблема коррозии и в качестве конструкционного материала парогенератора могут применяться дешевые сорта сталей, что наряду с уменьшением поверхности ведет к значительному снижению стоимости парогенератора. В реакторах HTR парогенератор с принудительной циркуляцией является теплообменником с однократным промежуточным перегревом пара, в котором гелий движется от зоны перегрева через испаритель в экономайзер. Промежуточный перегреватель встраивается перед перегревателем или между ним и испарителем.
Возможны различные варианты для установки парогенераторов в бетонном корпусе. В реакторе THTR-300 парогенераторы расположены вокруг активной зоны, что обеспечивает компактность всей установки. Парогенератор можно располагать под активной зоной, как, например, на реакторе «Форт-Сент-Врейн». Наконец, имеется возможность вообще не помещать его внутри бетонного корпуса, а поместить в кольцевой бетонной стенке корпуса. В этом случае возникает проблема теплоизоляции в местах прохода горячего газа через бетонную стену корпуса, однако зато сокращаются размеры реактора.
Поток газового теплоносителя в парогенераторе может направляться как снизу вверх, так и обратно. Входная температура питательной воды находится в интервале между 180 и 210° С, выходная температура пара — между 530 и 540° С. Температура газа составляет на входе в парогенератор от 750 до 800° С, на выходе — около 300° С.
Газодувка
Газодувки первого контура выполняют следующие функции:
- Служат для обеспечения циркуляции теплоносителя в нормальных и аварийных режимах и отвода остаточного тепловыделения.
- Обеспечивают регулирование мощности реактора путем изменения расхода газа с использованием отрицательного температурного коэффициента реактивности.
Газодувки — энергоемкое оборудование. В реакторах HTR потребление мощности газодувками благодаря прекрасным теплотехническим свойствам гелия меньше по сравнению со всеми известными газоохлаждаемыми реакторами. В реакторе электрической мощностью 300 МВт на долю газодувок приходится от 3 до 4% номинальной мощности. В таком реакторе газодувки обеспечивают расход гелия около 300 кг/с, т. е. весь теплоноситель контура перекачивается менее чем за полминуты. Число оборотов газодувок составляет около 6000 об/мин, а создаваемый ими напор около 1 ат.
Газодувки устанавливаются в отверстиях бетонного корпуса и часто непосредственно на парогенераторах. Обычно они выполняются герметичными. Требуемое для реактора регулирование расхода газа осуществляется изменением числа оборотов привода газодувки, которым чаще всего является простой электродвигатель. На реакторе «Форт-Сент-Врейн» газодувки работают от паровых турбин, питаемых тем же паром, что и основной турбогенератор АЭС.
Наибольшие трудности создания газодувок связаны с подшипниками. Традиционное решение — применение смазываемых подшипников. Однако в этом случае необходимо, чтобы не только масляные пары не попадали и не загрязняли первый контур, но и активные изотопы или аэрозоли не проникали в подшипники и не загрязняли масло. Это требование может быть выполнено, если разделить лабиринтными уплотнениями полость привода на много камер, одни из которых будут содержать масло, а другие — запирающий газ. Каждая газодувка снабжается отдельным масляным контуром; запирающий газ поступает из первого контура, в котором он очищается от масляных паров. Такой способ смазки апробирован и относительно безопасен, хотя и требует многих вспомогательных устройств, дополнительного контроля, резервных баков и т. п.
Лучшим решением является применение газодувок с газовыми подшипниками [13]. В этом случае валы также вращаются в цилиндрических опорах, однако вместо масла зазор заполнен газом, например гелием.
Наиболее важное свойство используемого для смазки газа — его динамическая вязкость η. Она определяется по кинетической теории газов как передача импульса между слоями газа различной скорости [14]:
(2.2)
где р — плотность газа; v — молекулярная скорость газа; λ — средняя длина пробега атома или молекулы газа. В идеальном газе длина пробега λ и плотность р обратно пропорциональны, поэтому динамическая вязкость зависит в основном только от молекулярной скорости и, следовательно, от температуры газа.
В областях обычных температур и давлений λ очень мала (около 10-7 м), a v очень большая (порядка 103 м/с), так что число столкновений молекул чрезвычайно велико (до 1010 столкновений в секунду). Таким образом, в опоре усилия от давления и трения передаются газу, т. е. он приобретает смазывающие свойства.
При малой плотности газа растет средний свободный пробег молекул и соответственно зазор для смазки. Это существенно снижает подъемную силу газа. Одна из проблем газовых подшипников — это небольшая подъемная сила при малых числах оборотов, в особенности при трогании с места и остановках механизмов. Без газовой смазки можно ожидать разрушения опоры в сухой гелиевой атмосфере, поэтому в такие периоды осуществляют подачу газа под высоким давлением снизу опоры вплоть до необходимого числа оборотов. При вращающемся вале благодаря вязкости газовая пленка попадает в зазор между валом и опорой и в конечном счете уменьшает контакт между ними. Вязкость гелия при обычных в газовых подшипниках условиях составляет около 20-10-6 кг/(м-с), что меньше примерно на три порядка, чем у турбинного масла при 50° С. Подъемная сила газовых подшипников составляет от 1 до 2 кГ/см2 по сравнению с 100 кГ/см2 и более у масляных. Поэтому ротор газодувки с газовыми подшипниками должен быть как можно легче. Кроме того, в таких подшипниках биение должно быть в два-три раза меньше, чем в масляных, а ширина опоры в 2—2,5 раза больше его диаметра.
Однако потери на трение в газовых подшипниках существенно ниже. В отличие от масел вязкость газа слабо зависит от температуры, причем (опять же в отличие от масел) она увеличивается с ростом температуры.
Другая важная проблема газовых подшипников — нестабильность их работы при повышенных оборотах. Это так называемые получастотные колебания, которые могут возникнуть и при относительно небольших оборотах. Для предотвращения этого эффекта, который может вызвать разрушение подшипников, используют известные способы — применяют овальные опоры или стабилизирующие проточки и пазы.
Главное преимущество газовых подшипников заключается в отсутствии необходимых для масляных подшипников вспомогательных насосов, охладителей, регуляторов, трубопроводов, резервуаров и т. п., поэтому такие подшипники являются весьма простыми элементами машин. Применительно к реакторам HTR преимущества газовых подшипников заключаются:
а) в минимальном загрязнении первого контура смазывающими материалами;
б) в возможности применения подшипников в широкой области температур;
в) в отсутствии влияния облучения на работу подшипников.
Рис. 2.10. Продольный разрез газодувки с газовыми подшипниками реактора «Драгон» [14].
В реакторе «Драгон» шесть циркуляционных газодувок с газовыми подшипниками эксплуатируются с 1963 г. Подшипники должны стабильно работать в диапазоне оборотов от 12600 до 1100 сб/мин и обеспечивать необходимую надежность при нестационарных рабочих режимах и неблагоприятных тепловых условиях.
На рис. 2.10 показан разрез газодувки реактора «Драгон». Полый вал 13 расположен на двух газовых радиальных подшипниках 3 и 6 и, кроме того, имеет две аксиальные опоры 9 и И. На вал насажены: в середине — ротор 5, на одном конце — напорное рабочее колесо 1, на другом — разгрузочный диск 10. Чтобы обеспечить точную центровку газовых опор по отношению к валу, они установлены в корпусе на гибких мембранах 2 и 7. Подвески 12 и 8 аксиальных опор также выполнены гибкими, чтобы обеспечить хорошую стыковку опоры с разгрузочным диском. Бесконтактное движение в подшипниках при пуске и остановке газодувки гарантируется подводом газа под высоким давлением.
Положительный опыт эксплуатации газодувок реактора «Драгон» подтвердил их очень высокую надежность. Особенно надо отметить использование азотированных сталей и дисульфида молибдена, который наносился на необработанные поверхности валов [15].
