Оптимизация параметров теплообменных аппаратов АЭС - Теплообменные аппараты в схемах АЭС

ГЛАВА 1
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ
1.1. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ В СХЕМАХ АЭС

В современных действующих и проектируемых атомных электростанциях используются различные схемы преобразования тепла в зависимости от типа реактора, теплоносителя и т. д. По количеству рабочих контуров они разделяются на одно-, двух- и трехконтурные. Наиболее простой является одноконтурная схема, в которой теплоноситель, забирая тепло из активной зоны ядерного реактора, одновременно является и рабочим телом в процессе превращения тепловой энергии в механическую. На рис. 1.1 изображена тепловая схема одноконтурной атомной электростанции с реактором на тепловых нейтронах типа РБМК [1]. Схема включает в себя два основных типа теплообменных аппаратов: конденсаторы турбин и регенеративные подогреватели низкого давления. В регенеративных подогревателях производится нагрев воды, поступающей в реактор, паром, отбираемым из турбины. Кроме того, в контуре имеются подогреватели сетевой воды и другие теплообменники технологических систем (на схеме не показаны).

Принципиальная тепловая схема одноконтурной АЭС с уран-графитовым реактором канального типа: 1 — реактор; 2 — сепаратор; 3 — турбина; 4 — электрогенератор; 5 — конденсатор; 6 — система охлаждения; 7 — насос охлаждающей воды; 8 — конденсатный насос; 9 — регенеративный подогреватель; 10 — питательный насос; 11 —  циркуляционный насос

Принципиальная тепловая схема одноконтурной АЭС с диссоциирующим теплоносителем: 1 — реактор; 2 — турбина; 3 — электрогенератор; 4 — конденсатор; 5 — система охлаждения; 6 — водяной насос; 7 — циркуляционный насос; 8 — регенератор

Еще более простой является одноконтурная схема АЭС с реактором на быстрых нейтронах, охлаждаемым диссоциирующим газом (рис. 1.2) [3]. В главном контуре АЭС предусмотрены конденсаторы газовой турбины и регенераторы. В цикле с докритическим давлением в регенераторе происходят подогрев жидкости, поступающей из конденсатора, до температуры насыщения (экономайзерный участок), испарение и небольшой перегрев теплоносителя. В цикле со сверхкритическим давлением в регенераторе теплоноситель нагревается выше «псевдокритической» температуры, соответствующей переходу в зону пониженной термодинамической устойчивости [3]. Характеристики теплообменных аппаратов на стадии эскизного проекта опытно-промышленной АЭС с диссоциирующим теплоносителем электрической мощностью 300 МВт (БРИГ-300) представлены в табл. 1.1.

Принципиальная тепловая схема двухконтурной АЭС с водо-водяным реактором: 1 — реактор; 2 — парогенератор; 3 — турбина; 4 — электрогенератор; 5 — конденсатор; 6 — система охлаждения; 7 — водяной насос; 8 — конденсатный насос; 9 — подогреватель низкого давления; 10 — деаэратор; 11 — питательный насос; 12 — подогреватель высокого давления; 13 — циркуляционный насос

Принципиальная тепловая схема трехконтурной АЭС с натриевым теплоносителем: 1 — реактор; 2 — промежуточный теплообменник; 3 — пароперегреватель; 4 — парогенератор; 5 — турбина; 6 — электрогенератор; 7 — конденсатор; 8 — система охлаждения; 9 — водяной насос; 10 — конденсатный насос; 11 — регенеративный подогреватель; 12 — питательный насос; 13 — натриевый насос второго контура; 14 — натриевый насос первого контура

Среди действующих атомных электростанций значительную часть составляют двухконтурные АЭС с реакторами водо-водяного типа. В тепловой схеме станции (рис. 1.3) важную роль играет парогенератор, разделяющий оба контура и вырабатывающий пар необходимых параметров для турбины. Парогенераторы этого типа — теплообменники с кипением в объеме и прочным корпусом, рассчитанным на высокое давление кипящей воды.
В трехконтурной АЭС с натриевым теплоносителем (рис. 1.4) принят другой тип парогенератора — с кипением в трубах («прямоточный» парогенератор). К конструкции этого аппарата предъявляются повышенные требования по прочности и герметичности из-за бурного взаимодействия натрия с водой. В связи с этим перспективным для такого типа аппаратов является модульный принцип, когда теплообменник состоит из большого числа параллельных секций. Выход из строя отдельной секции практически мало сказывается на циркуляционной способности контуров. Парогенератор модульного типа установлен на АЭС БОР-60. Передача тепла из первого (активного) во второй натриевый контур осуществляется в промежуточном теплообменнике (рис. 1.4).

Таблица 1.1
Характеристики теплообменных аппаратов ОП АЭС БРИГ-300 (эскизный проект)

Таким образом, в современных АЭС используются следующие основные типы теплообменных аппаратов: конденсаторы, парогенераторы и теплообменники, в которых нет фазовых превращений (регенеративные подогреватели, промежуточные теплообменники, пароперегреватели и т. д.). В конденсаторах станций большой мощности конденсация, как правило, производится на горизонтальной поверхности труб, внутри которых циркулирует охлаждающая вода. Парогенераторы бывают двух типов: с кипением в объеме и в трубах. «Однофазные» теплообменники обычно выполняются противоточными либо по многоходовой схеме движения теплоносителей, близкой к противоточной.
Из приведенных данных можно сделать вывод, что теплообменные аппараты принадлежат к числу основного оборудования АЭС. Поверхности теплообменников составляют десятки тысяч квадратных метров, на их изготовление расходуются тысячи тонн стали. Поэтому оптимизация параметров теплообменных аппаратов является важным звеном в улучшении технико-экономических характеристик атомных электростанций.