ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО, КОНСТРУКЦИОННОГО И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТОВ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
§ 11.1. ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ВИДЫ РАСЧЕТОВ
Для современного этапа развития двухконтурных (трехконтурных) АЭС характерным является накопление большого опыта проектирования, монтажа и эксплуатации оборудования. Это позволило создать практически стандартное оборудование для ядерных энергетических установок с реакторами, охлаждаемыми водой под давлением, умеренных мощностей (для блоков с ВВЭР-440).
Для АЭС с реакторами ВВЭР больших мощностей (ВВЭР-1000) и с реакторами на быстрых нейтронах с жидкометаллическим охлаждением созданы и промышленно опробованы перспективные типы оборудования, оптимальные характеристики которого будут уточняться при дальнейшей эксплуатации.
Для других типов АЭС, развитие которых предполагается в будущем (с реакторами на быстрых нейтронах и газообразными теплоносителями, с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами на тепловых нейтронах, с гибридными термоядерными реакторами и др.), проектирование и изготовление оборудования будет иметь индивидуальный характер. Изыскание и дальнейшая оптимизация решений, в частности для парогенераторов, должны основываться на уже приобретенном опыте проектирования и эксплуатации парогенераторов ТЭС и АЭС, теплообменных аппаратов различного назначения.
В практике проектирования оборудования используются два вида расчетов: конструкторский и поверочный. Конструкторский расчет — основа разработки нового, еще не выпускаемого промышленностью варианта. Поверочный расчет проводится для определения возможности использования уже освоенных конструкций при других, но достаточно близких к первоначальным параметрах работы.
Основой проектирования парогенератора для новых типов АЭС будет конструкторский расчет.
Исходные данные для проектирования содержат только сведения о параметрах пара и теплоносителя и их расходах. Конечные результаты должны содержать все показатели, необходимые для изготовления и монтажа, а также эксплуатации парогенератора.
В первую группу этих показателей входят: тип ПГ по способу организации движения рабочего тела, его единичная мощность, площадь теплопередающих поверхностей и их конструкционные размеры, форма и размеры узлов и деталей, обеспечивающие безусловную прочность в условиях длительной работы, тип и размеры сепарационных и промывочных устройств.
К эксплуатационным показателям относятся: сопротивления при движении рабочего тела и теплоносителя, а также мощность, необходимая для их преодоления; количество передаваемого тепла в отдельных элементах парогенераторов и изменение в них температур теплоносителя и рабочего тела; потери тепла; характеристики водного режима (изменение концентраций примесей, продувка, скорость коррозии, интенсивность отложений примесей в поверхности нагрева и уноса с паром и др.).
Перечисленные показатели рассчитываются на основе соответствующих математических моделей, причем входящие в уравнения величины в большинстве случаев связаны друг с другом. При этом следует иметь в виду, что точное описание некоторых процессов может быть сделано на основе уравнений, имеющих нелинейный характер. При составлении расчетных соотношений приходится довольно произвольно выбирать многие характеристики и коэффициенты. В связи с этим проектирование ПГ требует большого числа вариантных расчетов методом последовательных приближений. Для повышения точности расчетов, снижения их трудоемкости и получения уверенности в оптимальности выбранных вариантов проектирование ПГ осуществляется с широким применением ЭВМ.
Все содержание проектных расчетов парогенераторов делится на этапы, тесно связанные друг с другом, но имеющие определенное самостоятельное значение. В задачу теплового расчета входит определение необходимой площади теплопередающей поверхности каждого элемента ПГ (экономайзера, испарителя пароперегревателя).
Содержание конструкционного расчета заключается в определении габаритных размеров элементов парогенераторов, их поверхностей теплообмена и отдельных узлов и деталей. На этой основе принимаются решения по рациональной компоновке агрегата в целом и отдельных элементов, а также в первом приближении оценивается их единичная мощность,
В содержание гидродинамического расчета входит вычисление гидравлических сопротивлений в трактах теплоносителя и рабочего тела и на их основе затрат мощности на перекачку и падения давления в элементах парогенераторов.
К этому виду расчета относится определение характеристик контуров с естественной циркуляцией.
По результатам расчетов водного режима определяются физико-химические характеристики парогенераторной воды, чистота и влажность пара. На основе этих расчетов проектируются сепарационные устройства и уточняется предварительно принятая схема водного режима.
Задачей расчета деталей парогенераторов на прочность является определение минимально необходимых размеров, обеспечивающих безусловную надежность и механическую устойчивость их в течение всего времени эксплуатации.
Динамический расчет, заключающийся в определении характеристик при переменных режимах работы парогенераторов, необходим для проектирования систем контроля и автоматического регулирования, поэтому в данном курсе он не рассматривается.
Перечисленные виды расчетов по-разному связаны между собой.
Тепловой расчет — основа всех других расчетов. Он дает необходимые для них исходные данные. В то же время, как правило, результаты конструкционного и гидродинамического расчетов вынуждают вносить изменения в ранее проведенный тепловой расчет, это объясняется тем, что процесс теплопередачи в парогенераторы зависит от геометрии и гидродинамики каналов.
Все другие типы расчетов хотя и проводятся на основе результатов первых трех, практически могут выполняться обособленно.
Проектирование парогенераторов, как и любых других технических устройств, осуществляется в три этапа. Первый этап — эскизное проектирование, второй — техническое, третий — рабочее. Дополнительно к ним в некоторых случаях приходится проводить в предэскизную проработку. Исходными данными для этого этапа являются; общие характеристики типов парогенераторов, сведения о конструкционных материалах, характере нагрузки станции, возможной системе водоподготовки и др. Вели на этом этапе не будут получены бесспорные критерии в пользу одного из трех основных типов парогенераторов: прямоточного, с многократной принудительной циркуляцией, с естественной циркуляцией, то проектирование на следующем этапе придется вести для всех трех типов. При этом нужно иметь в виду, что каждый тип парогенератора на стадии эскизного проектирования бывает представлен не менее чем двумя-тремя расчетными схемами, различающимися расположением в парогенераторном боксе, формой поверхности теплообмена, компоновкой, материалами и др.
При эскизном проектировании для каждой расчетной схемы проводятся вариантные тепловые, конструкционные и гидромеханические расчеты. Эскизное проектирование завершается техникоэкономическим выбором наиболее целесообразной расчетной схемы или даже нескольких схем, отличающихся друг от друга существенно меньшим числом факторов по сравнению с начальными вариантами.
Выбранные варианты детально прорабатываются на этапе технического проектирования, при котором подробно проводятся все типы расчетов.
На этом этапе окончательно выбирается тип ПГ и изыскиваются оптимальные конструкции всех узлов с учетом требований изготовления и монтажа.
Техническое проектирование включает в себя также и поверочные расчеты, в результате которых определяются параметры теплоносителя и рабочего тела в каждом элементе при частичных нагрузках парогенераторов. В завершение на основе технико-экономических расчетов выбирается один наиболее совершенный вариант, который поступает на рабочее проектирование. Задачей последнего является разработка рабочих чертежей парогенераторов с обоснованием технологии его изготовления и монтажа.
