ГЛАВА 5
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ПАРОГЕНЕРАТОРАХ
§ 5.1. ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН
Процессы теплообмена и гидродинамики определяют технико-экономическое совершенство и надежность парогенераторов. Конкретные условия их протекания весьма разнообразны и определяются видом и параметрами рабочей среды и теплоносителя. Во всех элементах парогенераторов передача тепла от теплоносителя к тепловоспринимающей· стенке поверхности теплообмена и от теплоотдающей стенки к рабочему телу осуществляется конвективной теплоотдачей. При омывании поверхности теплообмена высокотемпературными многоатомными газами (СО2) имеет место и теплоотдача через излучение, однако ее вклад в перенос тепла по сравнению с конвективной невелик. Интенсивность конвективной теплоотдачи для данной геометрии поверхности определяется физическими параметрами вещества и гидродинамикой потока.
Как при продольном, так и при поперечном обтекании однофазной средой поверхностей теплообмена существуют в зависимости от гидродинамического режима три области с различными закономерностями теплообмена: ламинарного течения, раз в итого турбулентного течения и переходная.
При продольном обтекании границы этих областей характеризуются следующими значениями числа Рейнольдса: Re=2300 — область ламинарного течения, 2300<Re<10000 — переходная область и Re>10000— область развитого турбулентного течения. При поперечном обтекании пучков эти границы существенно изменяются, в частности ориентировочно можно считать, что ламинарное течение имеет место при Re<108, переходное (или, точнее, смешанное) — при 103<Re<105 и турбулентное — при Re>105.
Наиболее высокая интенсивность теплообмена соответствует турбулентному режиму. Поэтому для парогенераторов следует ориентироваться прежде всего на турбулентное течение.
Закономерности теплообмена и гидродинамики при движении в поверхностях нагрева однофазных сред изучены хорошо. При расчете многих практических задач серьезных затруднений не встречается. Это положение пока еще нельзя распространить на случай натриевого теплоносителя. В реальных теплообменниках довольно часто наблюдаются существенные расхождения расчетных и достигнутых интенсивностей теплообмена. Нет еще окончательных рекомендаций по учету теплоотдачи излучением для чистых многоатомных газов (СО2) при высоких давлениях и температурах. За последнее десятилетие достигнуты большие успехи и изучении теплообмена и гидродинамики при движении двухфазных пароводяных потоков, позволившие получить удовлетворительные рекомендации по расчету теплообмена и гидродинамики в испарительных поверхностях.
Однако проблемы двухфазных потоков решены далеко не полностью. Практически отсутствуют теоретические представления о механизме процессов теплообмена и гидродинамики, а следовательно, достаточно обоснованные и точные расчетные зависимости для всего диапазона изменения характеристик двухфазной среды в различных испарительных поверхностях. Сложность теоретического и экспериментального исследований двухфазных потоков применительно к парогенератору усугубляется движением через большое число параллельно включенных каналов с непрерывным изменением плотности, распределения фаз по сечению потока и других параметров. Вместе с тем следует иметь в виду также наличие в пароводяном потоке растворенных веществ и взвешенных частиц, влияющих на процессы тепло- и массообмена.
Парогенераторы представляют собой теплообменники, непрерывно действующие в течение длительного времени и обеспечивающие постоянство параметров. Пуски, остановки и переход на частичные нагрузки проводятся по специально разработанным режимам. Однако в процессе работы при постоянных средних характеристиках всей поверхности теплообмена имеют место более или менее выраженные нестационарные процессы в отдельных трубках или каналах.
В водяном экономайзере могут иметь место пульсации температуры стенки, вызываемые пульсациями расхода воды или ее температуры на входе. Подобные пульсации, но еще более четко выраженные, могут быть в стенках труб поверхности теплообмена, обогреваемых жидкими металлами. В испарительных поверхностях при подаче в них воды, недогретой при определенных условиях наблюдается межвитковая пульсация расходов, что может привести к возникновению нестационарных границ перехода потока из одной зоны в другую. Уровень знания этих процессов еще не позволяет точно рассчитать их даже для относительно простых случаев.
В некоторых парообразующих поверхностях, а также в сепарационных системах умеет место безнапорное движение двухфазной среды, называемое барботажем. Барботажное движение отличается от напорного отсутствием расхода водной фазы. Однако, несмотря на более простую модель этого вида движения, его закономерности также до настоящего времени окончательно не выявлены.
Сложное гидродинамическое явление представляет собой и процесс осушки пара, для которого также нет точного теоретического описания, а надежные эмпирические закономерности не охватывают случаев очень высоких производительностей испарителей.
Следует иметь в виду специфику процессов теплообмена и гидродинамики в области около- и за критического состояния рабочего тела.
Если в настоящее время ядерная энергетика не имеет установок с закритическими параметрами, то будущее развитие ее, несомненно, будет идти и по пути достижения этих параметров.
§ 5.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Основными физико-химическими процессами, протекающими в парогенераторы, являются: коррозия конструкционных материалов; переход продуктов коррозии в теплоноситель и рабочее тело; выпадение на поверхностях теплообмена, в арматуре и трубопроводах примесей, содержащихся в теплоносителе и рабочем теле; унос примесей рабочим паром и т. д. Совокупность и характер протекания физико-химических процессов в контурах парогенераторов различны.
В первом контуре они определяются видом теплоносителя и его параметрами. Для большинства теплоносителей практическое значение для эксплуатации парогенератора и его арматуры имеют только коррозионные процессы. При этом одинаково серьезное внимание необходимо обращать как на местную коррозию (язвенная, щелевая, межкристаллитная, под напряжением и др.), так и на общую. Механизм и закономерности процессов коррозии характеризуются большой сложностью, особенно в условиях высоких температур и ионизирующего излучения.
Из рассмотренных теплоносителей наибольшей коррозионной активностью обладает вода. Органические теплоносители и газы при умеренных температурах практически коррозионно-инертны. Газы при высоких температурах довольно энергично взаимодействуют со сталями, что снижает допустимую температуру их применения и требует перехода от малолегированных марок сталей к высоколегированным. Взаимодействие жидкометаллических теплоносителей с материалами изучено еще недостаточно. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о необходимости применения для жидкого натрия при температурах выше 600 °С высоколегированных сталей. При этом процесс взаимодействия жидкого натрия с металлами усиливается при наличии в нем оксидов, а также с ростом скорости движения.
В связи с тем что первый контур парогенератора непосредственно связан с реактором, особое внимание должно быть обращено на предотвращение коррозионных процессов, дающих заметный выход продуктов коррозии в теплоноситель.
Физико-химические процессы, протекающие в пароводяном тракте парогенератора, отличаются значительно большим разнообразием и большей сложностью. Несмотря на восполнение утечек второго контура обессоленной водой и многоступенчатую деаэрацию питательной воды, вода на входе в парогенераторы содержит определенное количество (хотя и небольшое) минеральных и газообразных примесей. Источниками поступления их в питательную воду являются присосы охлаждающей воды в конденсаторе, проскоки в системе подготовки добавочной воды и коррозионные процессы в конденсатном и питательном трактах, а также в самом парогенераторе.
В общем случае питательная вода любого парогенератора на выходе в экономайзер раствор некоторых твердых и газообразных веществ, содержащий коллоидные и твердые частицы. При парообразовании происходит упаривание растворов, и при определенных паросодержаниях и характеристиках пароводяной смеси начинается выпадение накипи на поверхностях теплообмена испарителя.
Другой физико-химический процесс, также тесно связанный с гидродинамикой, — унос примесей воды с насыщенным паром в пароперегреватель и далее в паровую турбину. в парогенераторы с многократной циркуляцией имеют место две разновидности уноса примесей с паром. Одна из них представляет собой механический унос частичек влаги, а другая — унос веществ, растворимых в паре.
в прямоточных парогенераторах с паром уносятся примеси веществ, растворимых в нем. Унос примесей воды паром вместе с ее частичками является сложным сочетанием физико-химических и гидродинамических явлений. Несмотря на то что этот вид уноса наиболее изучен, борьба с ним довольно сложна, особенно при высоких параметрах и больших производительностях парогенераторов. Изучение второго вида уноса началось сравнительно недавно, но к настоящему времени благодаря работам советских исследователей (МЭИ, ЭНИН им. Г. М. Кржижановского и др.) достигнуты определенные успехи, позволяющие создавать для парогенераторов условия, практически обеспечивающие заданное качество пара.
Коррозионные процессы во втором контуре протекают в более сложных условиях вследствие взаимодействия металла с растворами разных составов и концентраций.
§ 5.3. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ПАРОГЕНЕРАТОРАХ, НА НАДЕЖНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС
Основные показатели технико-экономического совершенства парогенераторов, важнейшими из которых являются надежность и экономичность, определяются рассмотренными выше процессами, протекающими одновременно и в тесной взаимосвязи.
Так как максимальная температура теплоносителей, действующих и проектируемых для АЭС ближайшего будущего, не превышает 850 °С (АЭС с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами), то для АЭС практически нет опасности пережога труб поверхности теплообмена, что имеет место в парогенераторы ТЭС. Однако, рассматривая вопросы надежности парогенератора, следует иметь в виду аварийные ситуации, возникающие, когда повышение температуры стенки приводит к такому уменьшению прочностных характеристик металла, при которых уже не обеспечивается необходимый запас прочности. Для каждой марки стали имеется своя температура при превышении которой прочностные характеристики (пределы текучести στ и прочности σΒ) начинают резко уменьшаться. Для углеродистой стали (ст. 20, ст. 22) эта температура равна 460—480 °С, для слаболегированных сталей перлитного класса (12МХ, 15МХ, 12Х1МФ и др.)—560—580 °С и для аустенитных сталей (10Х18Н10Т) 640—650 °С.
В этом отношении очень важно соблюдать установленный верхний предел температурного режима поверхностей теплообмена. Температурный режим определяется факторами конструкционного и режимного эксплуатационного характера. Конструкционные факторы в этом случае наиболее полно проявляются через поверхностную плотность теплового потока q, Вт/м2.
Для получения наибольшей экономии капитальных затрат нужно иметь как можно большее значение q. Но выбранный таким образом тепловой поток может оказаться неприемлемым как с технико-экономических позиций (большие расходы на перекачку теплоносителей), так и по соображениям обеспечения необходимого запаса прочности (малая разница между температурой стенки). Правильно выбрать значение q для данного материала труб можно только при учете всех закономерностей теплообмена, гидродинамики и физико-химических процессов.
в парогенераторы, обогреваемых низкотемпературными теплоносителями, всегда t даже для углеродистых сталей. Поэтому для них названная выше опасность не существует.
в парогенераторы высоких и сверхвысоких параметров возможно превышение температуры теплоносителя над допустимой температурой стенки в пароперегревателе и испарителе.
Однако практически в парогенераторы АЭС плотности тепловых потоков значительно ниже qкр. В прямоточных парогенераторах в зоне высоких массовых паросодержаний наблюдается ухудшение теплоотдачи. В этом случае при конструировании следует правильно выбрать наивысшую плотность теплового потока в зоне ухудшенной теплоотдачи, имея в виду, что запас здесь может оказаться невысоким. Для пароперегревателя необходимо обращать особое внимание на интенсивность теплоотдачи от стенки к пару.
Таким образом, в процессе эксплуатации нельзя допускать режимов, при которых снижаются принятые при конструировании запасы тогда парогенератор будет работать надежно в течение всего предусмотренного для него ресурса. Однако он может быстро выйти из строя, если будет нарушено нормальное протекание процессов отвода тепла рабочим телом. К таким нарушениям следует отнести перебои циркуляции, уменьшение расхода рабочего тела, интенсивное отложение накипи.
К аварийной ситуации приводит также возникновение знакопеременных температурных напряжений в стенках труб поверхности теплообмена. Это явление связано в первую очередь с гидродинамическими условиями: пульсациями расхода теплоносителя и рабочего тела. Пульсации расходов приводят к пульсации тепловых потоков, которые особенно опасны для толстостенных элементов (сварные соединения» стенки барабанов и т. п.). Возможность появления разрывов труб в этом случае определяется частотой и амплитудой пульсации теплового потока. Опасность пульсирующих режимов значительно усиливается при протекании коррозионных и эрозионных процессов. Наиболее опасными пульсационные явления будут для парогенераторов с жидкометаллическими теплоносителями, где их амплитуды (тепловые удары) могут достигать очень больших значений.
Выход из строя труб поверхности теплообмена может произойти и при малых амплитудах пульсаций, но при больших частотах и большой длительности процессов.
Следует учитывать и чисто гидродинамические причины снижения надежности элементов парогенераторов. К ним относятся эрозионные процессы (особенно в деталях арматуры), а также вибрационные колебания длинных тонкостенных трубок поверхности теплообмена.
Понижают надежность парогенераторов и такие физико-химические процессы, как коррозия и отложение примесей. Отложения примесей вызывают ухудшение теплоотдачи, что в высокотемпературных установках может привести к увеличению температуры стенки до *5°. Опасность отложений заключается также в интенсификации процессов местной коррозии.
Влияние процессов, протекающих в парогенераторы, на технико-экономические показатели его весьма сложно. Но в то же время их влияние на КПД незначительно, так как единственная потеря тепла — потеря в окружающую среду.
К важнейшим технико-экономическим показателям относятся капитальные и эксплуатационные затраты, которые в значительной степени обусловливаются совокупностью процессов в парогенераторы. Площадь поверхности теплообмена и размеры корпусов определяются интенсивностью передачи тепла. Стремление к ее повышению влечет за собой повышение затрат на перекачку теплоносителей и рабочего тела.
Физико-химические процессы влияют на интенсивность передачи тепла, обусловливают выбор материалов.
Правильный выбор основных характеристик поверхностей теплообмена, корпусов и других элементов парогенераторной установки может быть сделан на основе полного учета всех процессов: теплообмена, гидродинамики и физико-химических. В этом случае можно надеяться на получение наиболее оптимальных габаритных, массовых, стоимостных и эксплуатационных показателей при обеспечении необходимой степени надежности.
Физико-химические процессы в парогенераторы могут серьезно влиять и на технико-экономические показатели всей АЭС. Возникновение и развитие процессов отложения влекут за собой снижение теплоотвода в поверхностях теплообмена и уменьшение температурного перепада в теплоносителе. Это может привести к необходимости снижения тепловой мощности реактора. Но при снижении тепловосприятия в парогенераторы снизятся его паропроизводительность и параметры пара, а следовательно, уменьшится выработка электроэнергии, понизится КПД турбогенератора. Неплановая остановка парогенератора для отмывки отложений приведет к уменьшению числа часов использования.
Большие экономические потери вызывают и коррозионные процессы. Наиболее правильный, но и наиболее трудный метод борьбы с коррозией — организация рационального водного режима при использовании дешевых конструкционных материалов. Иногда используется и другой подход к решению проблемы — применение дорогостоящих нержавеющих сталей. Правда, при этом резко удорожается установка, но без должной гарантии надежности, так как локальные процессы коррозии могут протекать и в этом случае.
Тесная взаимосвязь существует между процессами в парогенераторы и характеристиками работы турбоустановки. Помимо количества и параметров вырабатываемого пара здесь требуется и чистота пара. При применении на АЭС цикла с насыщенным паром основной характеристикой качества является влажность пара. Чрезмерная влажность пара, поступающего в турбину, в этом случае окажет существенное влияние на снижение КПД турбины и вызовет интенсивную эрозию лопаток.
В установках высокого давления с перегревом пара чистота пара (отсутствие унесенных примесей воды) является особо важным фактором, влияющим на работу турбины. Мощные турбины расходуют громадные количества пара. Наличие в последнем незначительных количеств примесей, измеряемых долями миллиграмма на 1 кг пара, за время эксплуатации приведет к отложению в проточной части турбины нескольких килограммов различных веществ. Отложения в проточной части турбины снижают ее надежность вследствие увеличения давления на упорный подшипник и уменьшают ее КПД из-за изменения шероховатости и даже профиля проточной части.
Повышенные отложения примесей в турбине требуют преждевременной промывки ее, а следовательно, приводят к недовыработке электроэнергии. Неплановые остановки основного оборудования АЭС ведут к существенному снижению ее технико-экономических показателей.
Основные закономерности и рекомендации, необходимые для анализа и расчета процессов, протекающих в парогенераторы, излагаются в гл. 6—9 на основе установившихся методик, вклад в создание которых был сделан научными работниками и преподавателями ЦКТИ, ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского, ЭНИН, МЭИ и др.
