§ 1.2. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ПАРА НА АЭС
Более чем 30-летний период, прошедший после пуска в СССР Первой АЭС, характеризовался большим объемом исследований по созданию наиболее рациональных схем. По мере развития ядерной энергетики изыскивались наиболее надежные и конкурентоспособные по отношению к ТЭС типы АЭС.
Можно считать, что в последнее десятилетие определены варианты АЭС для широкого развертывания строительства в настоящее время и для осуществления его в ближайшей перспективе. Однако работа по совершенствованию технико-экономических показателей АЭС (а следовательно, и их схем) продолжается, что приведет как к возникновению новых схем, так и к изменению некоторых существующих.
Все многообразие конкретных вариантов тепловых схем АЭС по технологии производства рабочего пара четко делится на два принципиально различных типа.
Рабочий пар на АЭС может быть получен или непосредственно в ядерном реакторе, или же в специальном агрегате за счёт тепла, поступившего из ядерного реактора. В первом случае АЭС состоит из одного контура, соединяющего непосредственно ядерный реактор, который производит рабочий пар, и турбогенератор. Такие АЭС называют одноконтурными. Во втором случае необходимо иметь по крайней мере два контура. Один из них объединяет ядерный реактор и агрегат, вырабатывающий рабочий пар, — парогенератор, а другой соединяет парогенератор с турбогенератором. Выполненные по этой схеме АЭС называют двухконтурными.
Рис. 1.2. Принципиальная схема одноконтурной АЭС:
1— ядерный реактор, а — испарительная часть реактора; б — разделительный (сепарационный) барабан; в — пароперегревательная часть реактора; г — перекачивающий насос,· д — биологическая защита реактора]; 2 — паропровод; 3 — паровая турбина; 4 — электрогенератор; 5 — конденсатор; 6 — конденсатный насос; 7 — подогреватель воды низкого давления; 8 — установка для подготовки добавочной воды; 9 — деаэратор; 10 — питательный насос; 11 — подогреватель воды высокого давления; 12 — биологическая защита паротурбинного контура
На рис. 1.2 представлена принципиальная схема одноконтурной АЭС в самом общем виде.
Реальные схемы действующих одноконтурных АЭС отличаются от представленной на схеме. В частности, отсутствуют подогреватели высокого давления 11, а в конденсатном тракте предусматривается в качестве необходимой специальная установка для очистки всего конденсата от посторонних примесей.
По такой (наиболее прогрессивной с точки зрения законов термодинамики) схеме с перегревом пара работает одна АЭС в мире (II блок Белоярской АЭС им. И. В. Курчатова, СССР). Все остальные одноконтурные АЭС работают на насыщенном паре. В ядерном реакторе совмещено осуществление управляемой реакции деления ядер урана или другого ядерного топлива и производство рабочего пара с помощью тепла, выделяющегося в этом процессе.
Активная зона реактора состоит из большого числа тепловыделяющих элементов (твэлов), омываемых водой и пароводяной смесью (испаритель реактора а) или перегретым паром (пароперегреватель реактора Ь). В испарителе вода нагревается до температуры насыщения и испаряется в количестве, соответствующем расходу пара на турбину. Из испарителя выходит пароводяная смесь с массовым паросодержанием не более 20 %, которая поступает в разделительное устройство — сепаратор.
Сепаратор располагается в зависимости от типа реактора или в верхней части корпуса реактора («кипящие» реакторы корпусного типа), или в отдельном вынесенном сепарационном барабане б. Осажденная в сепараторе вода вместе с питательной водой вновь поступает в испарительную поверхность реактора (активную зону). Движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре реактора осуществляется за счет или разности масс воды и пароводяной смеси (естественная циркуляция) в реакторе корпусного типа, или напора, развиваемого перекачивающим насосом г, как это осуществляется в реакторах большой мощности канального типа (РБМК). Следует особо подчеркнуть необходимость тщательного расчета, конструирования и эксплуатации контуров многократной циркуляции реакторных установок. Непрерывное и достаточное поступление воды из сепаратора для охлаждения активной зоны должно быть обеспечено при любом режиме работы реактора (пуске, работе на мощности, остановке, переходе с одной нагрузки на другую).
Выделившийся и осушенный в сепараторе насыщенный пар поступает в перегреватель реактора, перегревается до заданной температуры и по паропроводу направляется в турбогенератор.
Как уже говорилось, пока современные одноконтурные АЭС (типа Ленинградской АЭС им. В. И. Ленина с канальными реакторами и все известные АЭС с корпусными кипящими реакторами) работают на насыщенном паре. В них рабочий пар направляется в турбину непосредственно из сепаратора (в реакторах перегревательная часть б отсутствует).
Рис. 1.3. Принципиальная схема производства рабочего пара на I блоке Белоярской АЭС им. И. В. Курчатова:
1 — ядерный реактор [а — испарительная часть реактора; б — разделительный (сепарационный барабан); в — пароперегревательная часть реактора; г — перекачивающий насос реактора; д- биологическая защита реактора; 2 — парогенераторная установка, е — испаритель парогенератора; ж — подогреватель (водяной экономайзер) парогенератора); з — биологическая защита паротурбинного контура
Излучения, сопровождающие реакции ядерного деления, полностью локализуются биологической защитой реактора.
Рассмотрение остальных элементов схемы, представленной на рис. 1.2, показывает полную идентичность их с элементами регенеративной системы обычной ТЭС.
В связи с наличием наведенной активности в рабочем паре (активность унесенных им примесей, кислородная активность) все оборудование паротурбинной части АЭС также является радиоактивным и требует соответствующей биологической защиты и дистанционного обслуживания.
Основной признак одноконтурной схемы — наличие реактора, производящего рабочий пар. Однако в период освоения одноконтурные АЭС включали в себя элементы, существенно снижающие достоинства станций этого типа. В одних схемах эти усложнения приводили фактически к двухконтурности станции, а в других — к смешанной схеме, состоящей из самостоятельных одноконтурной и двухконтурной частей. Рассмотрение таких схем представляет определенный интерес с точки зрения знакомства с эволюцией одноконтурных АЭС, сутью которой был постепенный переход к реактору, вырабатывающему весь рабочий пар. Соответствующие примеры приведены на рис. 1.3 и 1.4.
На рис. 1.3 показана часть принципиальной схемы I блока Белоярской АЭС им. И. В. Курчатова. В реакторе осуществляется только перегрев рабочего пара, а производство его вынесено в специальную парогенераторную установку.
Рис. 1.4. Принципиальная схема производства пара на I блоке Дрезденской АЭС:
1 — ядерный реактор; 2 — парогенератор пара пониженного давления; 3 — перекачивающий насос контура пониженного давления; 4—6 — биологическая защита соответственно парогенератора, паротурбинного контура и реактора
В испарителе реактора вырабатывается пароводяная смесь, однако она является не рабочим телом, а первичным теплоносителем, отводящим тепло из реактора в парогенераторы. Из испарителя реактора пароводяная смесь поступает в сепаратор. Насыщенный пар из него направляется в испаритель парогенератора е, где, конденсируясь, передает тепло рабочему телу — воде для производства рабочего пара. В испаритель вода поступает из подогревателя (экономайзера) при температуре насыщения, соответствующей давлению в рабочем контуре испарителя. В теплопередающей поверхности испарителя парогенераторов образуется пароводяная смесь, которая разделяется в сепараторе парогенератора. Осажденная в сепараторе вода снова возвращается в теплопередающую поверхность испарителя, а выделившийся и осушенный насыщенный пар поступает на перегрев в реактор. Перегретый пар по паропроводу направляется в турбогенератор. Схема паротурбинной установки со всеми элементами регенеративного цикла идентична таковой на рис. 1.1 и 1.2. Питательная вода из регенеративных подогревателей поступает в водяной экономайзер парогенератора, где нагревается до температуры насыщения ts. Греющая среда в экономайзере — смесь конденсата первичного теплоносителя испарителя и осажденной в сепараторе реактора воды, которая охлаждается в экономайзере до температуры существенно ниже температуры насыщения, соответствующей давлению в реакторе. Включение в одноконтурную схему АЭС дополнительного контура парогенератора насыщенного пара по существу имело целью выработку рабочего пара из практически нерадиоактивной воды. Так как в испарителе парогенератора обеспечена хорошая сепарация, то рабочий пар, поступающий в перегреватель реактора (ввиду незначительного количества примесей), активируется в нем несущественно. Низкий уровень радиоактивных примесей и их отложений в паротурбинной части станции облегчал эксплуатацию, ревизию и ремонт оборудования. Разработка эффективных методов получения пара высокой чистоты, дезактивации оборудования и отмывки отложений вместе с накопленным опытом эксплуатации I блока позволили перейти к чисто одноконтурной схеме.
Строительство последующих блоков Белоярской АЭС осуществлено в соответствии со схемой рис. 1.2.
Переход в современных одноконтурных АЭС с реакторами канального типа на пониженные параметры пара (р2=7 МПа) связан с конструкционно-технологическими трудностями обеспечения надежности пароводяного тракта сверхмощных агрегатов. Следует ожидать, что наряду с увеличением единичной мощности таких реакторов будут достигнуты высокие и сверхвысокие параметры рабочего пара. Одновременно с развитием одноконтурных АЭС с реакторами канального типа (только в СССР) в СССР и США развивались и АЭС с реакторами корпусного типа, вырабатывающими рабочий пар пониженных параметров (р2 = 7 МПа). В принципе их схемы отличаются от схемы, изображенной на рис. 1.2, отсутствием перегрева пара в реакторе. Первые АЭС такого типа, Димитровградская АЭС (СССР) и «Дрезден-1» (США), имели определенное усложнение принципиальной схемы (рис. 1.4). Для увеличения мощности турбогенератора и облегчения регулирования реактора в схему включен парогенератор, вырабатывающий насыщенный пар более низкого давления по сравнению с давлением пара, полученного в реакторе. Греющая среда (теплоноситель первого контура) парогенератора — вода реактора с температурой насыщения, соответствующей давлению в нем. Рабочий пар из парогенератора направляется в промежуточную ступень турбогенератора. Опыт эксплуатации таких АЭС, результаты исследований, направленных на улучшение характеристик корпусных реакторов кипящего типа, позволили отказаться от парогенератора пониженного давления. В настоящее время такие блоки на АЭС не эксплуатируются. Современные АЭС с реакторами такого типа — чисто одноконтурные.
Принципиальная схема двухконтурной АЭС [впервые осуществлена на Первой АЭС (СССР)] представлена на рис. 1.5. В таких АЭС производство рабочего пара осуществляется в специальной парогенераторной установке. Тепло для подогрева питательной воды до температуры насыщения, испарения ее в заданном количестве и перегрева пара вносится в парогенераторную установку первичным теплоносителем, который нагревается в реакторе. Таким образом, первичный теплоноситель является охлаждающей средой для реактора и греющей средой для парогенераторов. При такой технологии производства рабочего пара процессы выделения тепла и передачи его рабочему телу осуществляются в разных агрегатах.
В качестве первичного теплоносителя применяются газообразные и жидкие вещества. Движение теплоносителя в первом контуре реактора осуществляется при помощи насоса (газодувки). Первый контур является замкнутым. Для очистки теплоносителя от примесей некоторое его количество выводится из контура. Поэтому в схеме предусматриваются специальные установки для обработки выведенного теплоносителя и для подготовки и ввода в контур соответствующего количества добавочного теплоносителя.
Рис. 1.5. Принципиальная схема двухконтурной АЭС:
1 — ядерный реактор; 2 — биологическая защита реактора; 3 — биологическая защита парогенератора; 4 — паропровод; 5 — паровая турбина; 6 — электрогенератор; 7 — конденсатор; 8 — конденсатный насос второго контура; 9 — подогреватель воды низкого давления; 10 — установка для подготовки добавочной воды; 11 — питательный насос; 12 — деаэратор; 13 — подогреватель воды высокого давления; 14 — насос первого контура; 15 — парогенератор
Схема второго контура, включающего парогенератор, турбогенератор и систему регенеративного подогрева воды, принципиально не отличается от рассмотренных схем рабочих контуров ТЭС и одноконтурной АЭС. На АЭС с реакторами, охлаждаемыми жидким натрием, предусматривается усложнение схемы из-за включения между реакторами и парогенераторами промежуточных теплообменных установок (см. рис. 3.11). В этих установках тепло от первичного теплоносителя передается другому теплоносителю (также жидкому натрию), являющемуся греющим для парогенераторной установки. Таким образом, схема подобной АЭС состоит из трех контуров. Однако по технологии производства рабочего пара такие АЭС относятся к двухконтурным, первый контур в которых усложнен последовательным включением промежуточного теплообменного устройства.
Рассмотренные схемы АЭС относятся к схемам паротурбинных электростанций конденсационного типа.
Современный этап развития ядерной энергетики — это преимущественное сооружение атомных КЭС. Однако принципиальных препятствий для создания АТЭЦ нет. В этом плане следует иметь в виду, что использование ядерной энергии для целей теплоснабжения имеет некоторые специфические особенности и трудности, главной из которых является ограниченность допустимой по технико-экономическим соображениям протяженности тепловых сетей. Потребность населенных пунктов и промышленности в тепле вызвала создание дополнительно к теплоэлектроцентралям отопительных и промышленных котельных. Потребность в тепле все время растет. В связи с этим острым становится вопрос о замене органического топлива ядерным и в установках для производства только тепла. Это может быть осуществлено при использовании специальных атомных установок теплоснабжения (ACT). Надежность и безопасность ядерных энергетических установок при неукоснительном выполнении всех требований при проектировании и изготовлении оборудования, монтаже и эксплуатации установок, дали принципиальную возможность создания АТЭЦ и ACT. Общая схема теплопроизводящей установки для АТЭЦ и ACT одна и та же (рис. 1.6). Она представляет собой замкнутую систему: теплопроизводящая установка — потребитель. Элементы, входящие в эту систему, и рабочие среды, циркулирующие в ней, названы в соответствии с терминологией в теплофикации. Ниже в соответствии с ней дано краткое пояснение схемы, изображенной на рис. 1.6. Прямая сетевая вода, нагретая до заданной температуры в теплопроизводящей установке по подающей магистрали 6, подается к потребителю 7. Охлажденная в теплообменных элементах потребителя обратная сетевая вода по обратной магистрали 8 возвращается в установки 2, 4. Циркуляция в контуре осуществляется сетевым насосом 1. Вода нагревается в основном подогревателе сетевой воды 2, при низких температурах наружного воздуха дополнительно подключается пиковый подогреватель сетевой воды 4. Подающая и обратная магистрали образуют тепловую сеть. Для восполнения потерь сетевой воды в схеме предусматривается установка для подготовки добавочной воды 9,10. Греющая среда 3, 5 в подогреватели (теплообменники) поступает из промежуточных ступеней турбины АТЭЦ или из теплообменников первого контура ACT (рис. 1.7, поз. 2).
Рис. 1.6. Схема теплофикационной установки
На мощных АТЭЦ должны использоваться двухконтурные ядерные энергетические установки с реакторами ВВЭР-1000. Для предотвращения возможности попадания греющей среды в сетевую среду давление в тепловой сети принимается более высоким, чем давление греющего пара, поступающего из турбины в теплообменники. Тепловая схема АТЭЦ отличается от рассмотренной схемы двухконтурной АЭС наличием теплофикационной установки, подключенной к соответствующему отбору пара из турбины. Более целесообразным является краткое знакомство с принципиальной тепловой схемой ACT, представленной на рис. 1.7.
В целях обеспечения необходимой безопасности ACT выполняются с тремя последовательно включенными контурами, причем давление во втором, промежуточном, контуре меньше, чем в тепловой сети. Активная зона реактора водо-водяного класса охлаждается существенно недогретой до температуры насыщения водой. Выбранный в промежуточном теплообменнике температурный напор позволяет ограничить давление в реакторе 2 МПа. Теплообменники 2, соединяющие первый и промежуточный контуры, расположены в верхней части водяного объема реактора в одном корпусе с активной зоной.
Рис. 1.7. Принципиальная тепловая схема ACT [26]:
1 — активная зона реактора; 2 — теплообменник; 5 — система очистка теплоносителя первого контура; 4 — система ввода борного раствора; 5 — компенсатор объема второго контура; 6 — сетевой теплообменник; 7 — система аварийного расхолаживания; 8 — тепловой потребитель
Движение воды в первом контуре осуществляется за счет естественной циркуляции. Движущий напор создается вследствие разности масс воды в теплообменнике и в объеме реактора. Теплообменники 2 — поверхностные регенеративные, с однофазными теплоносителями и рабочим телом.
Среда промежуточного контура движется внутри труб за счет напора, создаваемого насосом. Реактор располагается в специальном железобетонном корпусе. Все выводы коммуникаций из корпуса реактора выполнены в его верхней части, существенно выше активной зоны. Абсолютная плотность нижней части железобетонного страховочного корпуса и малый объем между ним и корпусом реактора исключают возможность оголения активной зоны при возникновении протечек из первого контура. Относительно низкие параметры теплоносителя первого контура облегчают задачу создания надежного корпуса и трубопроводов из перлитной стали при умеренных толщинах стенок. По условиям работы потребителей ACT вынуждены работать при переменных нагрузках. Надежность переходных процессов в реакторе обеспечивается принятыми параметрами теплоносителя, умеренной теплонапряженностью активной зоны и наличием большой массы воды в корпусе реактора.
Сетевые теплообменники также выполнены из перлитной стали. Принципы их конструирования аналогичны применяемым для подогревателей регенеративной схемы турбин и в основном изложены при рассмотрении элементов парогенератора с однофазными теплоносителями в гл. 3. ACT тепловой мощностью 500 МВт состоит из трех реакторных петель (промежуточных контуров).
Рис. 1.8. Компоновочная схема ACT с защитной оболочкой [26]:
1 — реакторный блок; 2 — оборудование систем основного контура; 3 — оборудование промежуточного контура; 4 — щиты управления; 5 — емкости систем аварийного расхолаживания реактора ; 6 — главный кран; 7 — защитная оболочка; 8 — перегрузочная машина; 9 — бассейн выдержки отработавших твэлов пунктов.
Ее системы безопасности сетевой теплообменник каждой петли такой ACT имеет площадь поверхности нагрева 4500 м2, расход сетевой воды 5500 т/ч. ACT имеет смысл располагать вблизи крупных населенных пунктов, устанавливаемые обязательно на каждой реакторной петле, должны быть абсолютно надежны.
Все без исключения оборудование первого контура должно быть, заключено в специальную плотную оболочку достаточной прочности, что видно при рассмотрении компоновочной схемы ACT (рис. 1.8).
