§ 1.3. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТИПЫ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС
Производство рабочего пара на АЭС осуществляется или в ядерных реакторах, или в специальных: теплообменных установках — ПГ.
В ядерных реакторах помимо теплофизических и физико-химических процессов, свойственных обычным теплообменным установкам, протекают и нейтронно-физические процессы, обусловливающие специфичность этих агрегатов и выделение их в особый класс теплообменных аппаратов.
В силу этого одновременное рассмотрение реакторных и парогенераторных установок АЭС в одном учебном курсе является нецелесообразным. Однако следует иметь в виду, что основные закономерности теплофизических и физико-химических процессов, протекающих в парогенераторах АЭС и в реакторах, охлаждаемых водным теплоносителем, во многом идентичны. Для реакторных установок необходим учет влияния на эти процессы весьма высоких тепловых нагрузок, более высоких скоростей теплоносителей и ионизирующего излучения.
Парогенератор АЭС представляет собой единичный теплообменный аппарат или их совокупность. В парогенераторах осуществляется производство рабочего пара с использованием тепла, отводимого из активной зоны реактора охлаждающей средой, направляемой в поверхности нагрева парогенератора. Этот агрегат наряду с ядерным реактором и паровой турбиной относится к основному оборудованию двухконтурной паротурбинной АЭС. В первый период развития ядерной энергетики парогенераторов были установлены и на нескольких одноконтурных АЭС в целях выявления их степени надежности и безопасности (рис. 1.3 и 1.4). Основные характеристики парогенераторов АЭС такие же, как и парогенератор ТЭС: паропроизводительность, параметры пара и температура питательной воды. Важным показателем качества пара является его чистота (т. е. содержание примесей), а для насыщенного пара и влажность. В общем случае парогенератор состоит из подогревательного (водяной экономайзер), паропроизводящего (испаритель) и перегревательного (пароперегреватель) элементов. Они могут быть совмещены в едином корпусе или же выполняться в виде самостоятельных теплообменников, включенных по охлаждающей реактор и нагреваемой в парогенераторах среде. Нагреваемая среда (вода, пароводяная смесь, пар) называется рабочим телом. Охлаждающая реактор среда называется первичным теплоносителем или просто теплоносителем. Движение рабочего тела в экономайзере и пароперегревателе однократное, принудительное. По способу организации рабочего тела в испарителе парогенератора делятся на две группы: с многократной циркуляцией и прямоточные.
Испарители с многократной циркуляцией в свою очередь разделяются на испарители с естественной циркуляцией и с многократной принудительной циркуляцией.
В соответствии с этим и парогенераторы в целом делятся на три типа: прямоточные, с естественной циркуляцией и с многократной принудительной циркуляцией.
Прямоточные парогенераторы характеризуются включением всех элементов в одну последовательную цепь с однократным принудительным движением в них рабочего тела за счет напора, создаваемого питательным насосом (см. рис. 3.9). Парогенераторы с естественной циркуляцией характеризуются многократным проходом воды через поверхность нагрева испарителя за счет естественного напора, возникающего из-за разности масс столбов жидкости, проходящей через опускную систему, и пароводяной смеси — через подъемную.
Испаритель является замкнутым контуром (см. рис. 3.18, а). Парогенераторы с многократной принудительной циркуляцией также имеют многократное движение воды в замкнутом контуре испарителя, но за счет напора, создаваемого циркуляционным насосом, включенным в опускную систему (см. рис. 3,18, б).
По виду первичного теплоносителя парогенераторы делятся на две группы: с жидкими теплоносителями и с газообразными. Движение теплоносителя принудительное. Показатель, характеризующий тепловую экономичность парогенераторов, — КПД. В парогенераторах имеет место только один вид потери тепла — в окружающую среду, но он невелик: 1—2 % тепловой мощности парогенератора.
§ 1.4. ТРЕБОВАНИЯ К ПАРОГЕНЕРАТОРАМ АЭС
Теплообменные аппараты широко применяются во многих отраслях промышленности: энергетике, химической и нефтеперерабатывающей промышленности и др.
Поэтому целесообразно рассмотреть требования, предъявляемые к парогенераторам АЭС, и определить соответствие существующих типов теплообменных аппаратов этим требованиям.
Основные требования к парогенераторам АЭС.
- Схема парогенератора и конструкция его элементов должны обеспечить необходимую производительность и заданные параметры пара при любых режимах работы АЭС. Выполнение этого требования предусматривает наиболее экономичную работу станции как при нормальной, так и при переменных нагрузках.
- Единичная мощность парогенератора должна быть максимально возможной при заданных условиях. Это требование связано с улучшением технико-экономических показателей при укрупнении мощности единичного агрегата.
- Все элементы парогенератора должны обладать безусловной надежностью и абсолютной безопасностью. Поверхность теплообмена в парогенераторах выполняется из большого числа труб малого диаметра, т. е. в ней сосредоточивается большое число соединений труб первого радиоактивного контура. В связи с этим надежность работы АЭС в значительной степени определяется надежностью работы парогенератора . Необходимо правильно решать вопросы радиационной защиты и обеспечивать прочность всех элементов конструкции.
- Соединения элементов и деталей парогенератора должны обеспечивать плотность, исключающую возможность перетечек из одного контура в другой. Сколько-нибудь существенное попадание теплоносителя в рабочее тело недопустимо, так как паротурбинный контур не имеет биологической защиты. Проникновение рабочего тела в первый контур приведет к повышению радиоактивности теплоносителя и отложению радиоактивных продуктов коррозии и первом контуре. Наиболее опасны отложения продуктов коррозии на твэлах. В этом случае может произойти резкое уменьшение теплоотвода.
Рис. 1.9. Схема поверхностного рекуперативного теплообменника:
1— корпус теплообменника; 2 — поверхность теплообмена; 3 —камеры (подводящая отводящая один из теплоносителей); 4 — трубные доски; 5-патрубки.
5. парогенератора должен вырабатывать пар необходимой чистоты, что обеспечит надежность высокотемпературных пароперегревателей, а также надежную и экономичную работу турбины.
6. Конструкция элементов парогенератора должна быть проста и компактна, должна обеспечивать удобство монтажа и эксплуатации, возможность обнаружения и ликвидации повреждений, возможность полного дренирования.
7. Схема и конструкция парогенератора должны обеспечить высокие технико-экономические показатели. При проектировании парогенератора бывают заданными вид и параметры теплоносителя и рабочего тела на входе и выходе. Поэтому особое значение для получения оптимальных технико-экономических показателей парогенератора имеет правильный выбор его конструкционной схемы, материалов, размеров элементов поверхностей теплообмена, скоростей теплоносителя и рабочего тела. Необходимо принимать меры для снижения потерь в окружающую среду.
Теплообменные аппараты по способу передачи тепла (принципу действия) делятся на две группы: смешивающие и поверхностные. В первых передача тепла осуществляется при смешении теплоносителя и рабочего тела в одном объеме, без поверхности теплообмена. Очевидно, что такой теплообменник наиболее эффективен и прост. Однако принцип смешения противоречит основным требованиям к парогенераторам АЭС. Поверхностные теплообменники, в свою очередь разделяются на регенеративные и рекуперативные. В теплообменниках регенеративного типа теплоноситель и рабочее тело попеременно проходят через теплопередающую поверхность. Во время движения горячего теплоносителя поверхность аккумулирует тепло, которое затем отдается рабочему телу во время его прохода через данную поверхность. Регенеративный тип теплообменника, очевидно, неприменим в парогенераторах, так как невозможно достичь абсолютной плотности контуров и предотвратить переток теплоносителя и рабочего тела из одного контура в другой. В рекуперативных теплообменниках (рис. 1.9) обе среды одновременно проходят через поверхность нагрева, а тепло от первичного теплоносителя передается рабочему телу через разделяющую их стенку. Такой принцип действия теплообменника дает возможность разработать теплообменный аппарат в соответствии со всеми требованиями, предъявляемыми к парогенераторам АЭС. Следует оговорить, что обоснование типа теплообменника проведено исходя из существующей в настоящее время технологической схемы производства рабочего пара на двухконтурных АЭС.
Конкретные конструкции теплообменников различаются конфигурацией поверхности теплообмена и схемой омывания ее теплоносителем и рабочим телом, конструкцией корпуса, типом камер и т. д. Конструкционное оформление теплообменников — парогенераторов АЭС — во многом определяется параметрами и свойствами теплоносителей первого контура.
