Параметры парогенераторов.
Температура газовых теплоносителей на выходе из реактора ограничивается по условиям обеспечения надежной работы оболочек твэлов активной зоны (АЗ). Температура стенки твэла в любом сечении превышает температуру теплоносителя на определенную величину Δ, зависящую главным образом от интенсивности теплоотдачи от стенки твэла к теплоносителю. При использовании газовых теплоносителей она сравнительно мала, а значение Δί велико. Поэтому для каждого конкретного случая f\ ограничивается значениями допустимой температуры оболочки твэла на выходе активной зоны и в этом сечении. Для повышения значения необходимо использование для оболочек материалов с высокими и принятие мер по интенсификации теплообмена на границе стенка — газ. Естественно, что эти мероприятия должны соответствовать требованиям оптимальности АЗ реактора.
Рис. 3.16. t, Q-диаграмма парогенератора, вырабатывающего пар двух давлений;
Qэ. CM — тепловая мощность смешанного экономайзера; Qи.н д — тепловая мощность испарителя низкого давления; Qп.п.н.д. — тепловая мощности пароперегревателя низкого давления; Qв. д. — тепловая мощность экономайзера высокого давления; ОИ.В.Д — тепловая мощность испарителя высокого давления; Q ппвн — тепловая мощность пароперегревателя высокого давления; t2В/ Д — температура насыщения пара низкого давления; tд — температура перегретого пара на выходе из пароперегревателя низкого давления; tв3в д — температура насыщения пара высокого давления; t"2в д — температура перегретого пара на выходе из пароперегревателя высокого давления
Рис. 3.17. t, Q-диаграмма парогенератора с промежуточным перегревом пара:
Qэн — тепловая мощность экономайзера; Qисп — тепловая мощность испарителя; Qпп - тепловая мощность основного пароперегревателя; Q ПрП - тепловая мощность промежуточного пароперегревателя; ta2 — температура насыщения пара высокого давления; tпрп — температура пара на входе в промежуточный пароперегреватель;
tПрП -температура пара на выходе из промежуточного пароперегревателя
Применение в первых проектах Великобритании АЭС с газовыми теплоносителями хорошо освоенных к тому времени материалов оболочек твэлов типа магнокс при ограниченном давлении газа (не более 2 МПа) при использовании в АЗ естественного урана дало возможность получить 450°C. Применение оболочек твэлов из нержавеющей стали при обогащенном уране и повышении p1 до 5 МПа и выше дает возможность повышения t'1 до 650 °С даже с использованием СО2. Переход при этих же условиях на гелиевый теплоноситель может повысить t'1 до 700 °С и выше. Использование пористых твэлов из керметов и гелия более высокого давления позволяет надеяться получить 850 °С.
В соответствии с вышеизложенным АЭС и ЯЭУ технологического назначения с газовыми теплоносителями могут быть осуществлены с любыми параметрами рабочего тела (низкими, средними, высокими, закритическими). Целесообразным также является и возможность рассмотрения установок с газотурбинным циклом.
На рис. 3.16 представлена t, Q-диаграмма АЭС с реакторами, охлаждаемыми СО2 сравнительно низких параметров:p1=0,76 МПа; t1<400°, охлаждение теплоносителя в парогенераторы t1-t2=200°C (АЭС «Колдер-Холл» и др., Великобритания). Для этих условий оказался наиболее приемлемым паросиловой цикл низкого давления, но с существенным перегревом пара.
Таблица 3.3. Параметры парогенераторов с газовым теплоносителем
* Указаны параметры пара ступени высокого давления.
При этом выявилась также возможность повышения экономичности АЭС за счет осуществления еще одного цикла, но более низкого по сравнению с основным давлением пара (пар пониженного давления направляется в промежуточную ступень турбины).
При t'1 в пределах до 450 °С целесообразно рассматривать циклы среднего давления с р2=4:6 МПа и t'2=410 . Для таких установок сохраняется технико-экономическое преимущество цикла двух давлений. Для более высоких параметров использование циклов с двумя давлениями нецелесообразно. При увеличении температуры t'1 до 650 °С могут рассматриваться паротурбинные циклы сверхвысоких и закритических параметров с промежуточным перегревом пара p2=16-:-24 МПа, t"2=650 °С, что даст возможность ориентироваться на стандартное оборудование ТЭС.
t, Q-диаграмма для парогенератора, вырабатывающего пар высоких и сверхвысоких параметров, представлена на рис. 3.17.
Основные параметры некоторых парогенераторов, обогреваемых газовыми теплоносителями, представлены в табл. 3.3. Как видно из таблицы, диапазон изменения давления газа для представленных в ней АЭС изменяется от 0,7 до 6 МПа, и их трудно разделить на группы с высоким и низким давлением.
Влияние параметров газа на конструкционные схемы парогенератора несомненно. Условно отнесем к группе с низким давлением газа парогенераторов с p1=2 МПа и t<450 °С, а остальные парогенераторы —к группе с высоким давлением газа (высокотемпературные). Разрабатываемые в настоящее время проекты АЭС с реакторами на быстрых нейтронах с гелиевым теплоносителем предполагают p1 до нескольких десятков мегапаскалей.
Конструкционные схемы.
Теплообмен между газовым теплоносителем и поверхностью нагрева парогенератора происходит в основном за счет конвекции с низкими коэффициентами теплоотдачи. Теплоотдача за счет излучения может иметь место только при использовании многоатомных газов достаточно высокой температуры. Например для СО2 при 600°C доля излучаемого тепла невелика.
Следовательно, для парогенераторов высокой единичной производительности потребуются поверхности нагрева весьма больших площадей. Это заставляет изыскивать меры интенсификации теплоотдачи от газа к стенке поверхности нагрева. Как известно, прямым путем интенсификации конвективного теплообмена является увеличения скорости движения теплоносителя, В реакторном контуре могут применяться только абсолютно чистые газы, не содержащие твердых частиц, поэтому приемлемые скорости теплоносителя в контуре определяются только технико-экономическими соображениями по допустимым затратам на перекачку. Достигаемые с этих позиций скорости теплоносителя при низких и средних давлениях не дают заметного повышения коэффициента теплоотдачи.
Поэтому следует использовать второй путь интенсификации теплоотдачи — конструкционный. Он заключается в применении развитых с помощью оребрения или ошиповки поверхностей, соприкасающихся с газовым теплоносителем. Это мероприятие дает положительный эффект, если выполнены все остальные условия, определяющие наиболее рациональную систему передачи тепла (противоток, поперечное омывание пакетов поверхности нагрева, выполненных из труб возможно меньших диаметров, и др.).
При рассмотрении конструкционных схем парогенераторов, обогреваемых жидкими теплоносителями, были указаны основные типы поверхностных рекуперативных теплообменников. Целесообразно рассмотреть, какие из них могут быть применены и при использовании газовых теплоносителей.
При применении в первом контуре газов умеренных давлений имеет место условие р2>р1 (или эти давления близки друг к другу). Вместе с этим следует учесть и то обстоятельство, что расход газа существенно превышает расход рабочего тела, поэтому проще получить оптимальные скорости теплоносителя при движении его в межтрубном пространстве, нежели по трубам (живое сечение трубного пакета в межтрубном пространстве существенно больше живого сечения внутритрубного пространства). Движение газа в межтрубном пространстве — единственная возможность осуществить поперечное омывание трубных пучков (целесообразно при более высокой интенсивности теплоотдачи). Наконец, внешняя поверхность труб более легко может быть развита за счет оребрения или ошиповки.
Все перечисленные обстоятельства говорят о том, что парогенераторы, обогреваемые газовыми теплоносителями умеренных давлений, должны выполняться с движением рабочего тела по трубкам и движением газа в межтрубном пространстве (водотрубная конструкция).
Рис. 3.18. Схемы парогенераторов со змеевиковыми поверхностями теплообмена с естественной циркуляцией (а) и с многократно-принудительной циркуляцией (б):
1 — корпус парогенератора; 2 — пароперегреватель; 3 — сепарационный барабан; 4 — испаритель; 5 — водяной экономайзер; 6 — насос принудительной циркуляции
Движение теплоносителя в межтрубном пространстве поверхности нагрева делает более легким объединение всех элементов парогенератора в одном корпусе. Ограниченность диаметра корпуса и необходимость расположения в нем больших площадей поверхностей нагрева приводит к значительной длине его. Очевидно, что цилиндрические агрегаты с таким соотношением размеров более целесообразно на площадке АЭС располагать вертикально. При выборе взаимного направления движения теплоносителя и рабочего тела следует исходить из того, что в элементах парогенераторов движение рабочего тела должно быть подъемным (особенно это обязательно для испарителя и экономайзера — облегчение отвода растворенных газов и пара). Следовательно, требование противотока однозначно определяет необходимость движения теплоносителя сверху вниз. При применении в качестве теплоносителей газов существенно повышенных давлений и температур интенсивность теплообмена будет выше за счет возможного увеличения массовых скоростей, а для многоатомных газов и за счет некоторого увеличения доли лучистого теплообмена на входных участках парогенераторов. Все это приведет к уменьшению поверхности теплообмена. Но все же она будет существенно выше, чем для парогенераторов с жидкими теплоносителями.
Из изложенного видно, что парогенераторы, обогреваемые газами, более целесообразно выполнять в виде вертикального водотрубного теплообменного аппарата со змеевиковой поверхностью и противоточным движением теплоносителя и рабочего тела. Все элементы по возможности следует располагать в одном корпусе башенного типа.
По принципу циркуляции рабочего тела в испарителе парогенератора может быть прямоточным (см. рис. 3.9, 3.12), с естественной циркуляцией (рис. 3.18, а) и с многократной принудительной циркуляцией (рис. 3.18, б).
Естественная циркуляция в змеевиковых поверхностях затруднительна. Для получения достаточных движущих сил необходима значительная высота циркуляционного контура. Парогенератор, вырабатывающий пар двух давлений, представлен на рис. 4.27. Последовательность расположения поверхностей теплообмена в парогенераторы может отличаться от представленной на рис. 4.27. В частности, пароперегреватель низкого давления может быть перемещен в зону высоких температур газа и установлен вслед за перегревателем высокого давления или же они могут быть выполнены в виде одного смешанного трубного пучка.
Башенные конструкции парогенератора имеют большой недостаток — значительные размеры корпусов. Для исключения этой дорогостоящей и нетранспортабельной конструкции возможно разукрупнение единого агрегата на большое число секций, как это, в частности, было сделано в парогенераторы АЭС EDF-1 (Франция). Схема этого парогенератора представлена на рис. 3.19.
Преимущество такой схемы — малый диаметр секций, а также ввод и вывод теплоносителя и рабочих сред, осуществляемые через днища. Корпус состоит из двух частей. В нижней части расположены элементы низкого давления, а в верхней части — высокого. Экономайзеры и пароперегреватели выполнены из концентрических спиральных змеевиков. Испарители состоят из вертикальных цилиндрических барабанов (диаметр 0,3, длина 7,6 м), к которым присоединены вертикальные концентрически расположенные оребренные трубы.
Испарительная поверхность теплообменника омывается газом, движущимся продольно. Движение рабочей среды в испарителе происходит за счет естественной циркуляции. Единичная мощность одной секции (при высоте 27,5 м) меньше 1 МВт. Для мощных парогенераторов с газом высоких давлений и высоких температур применение башенной конструкции типа представленной на рис. 4.27 практически невозможно из-за большой толщины корпуса и ненадежной его работы в зоне высоких температур. Такая же проблема при изготовлении и транспортировке корпуса возникает, естественно, и для реакторов АЭС с высокотемпературным газовым теплоносителем. Поэтому в настоящее время мощные АЭС с газовыми теплоносителями высоких давлений и температур оборудуются реактором с корпусом из предварительно напряженного железобетона, способным выдерживать давления 6 МПа и более.
Размеры корпуса значительны — высота до 36, диаметр до 29 м. Все оборудование первого контура, включая парогенератор и газодувки, расположено внутри железобетонного корпуса (так называемое интегральное расположение оборудования). Внутри корпус облицован стальной оболочкой небольшой толщины — до 30 мм. Парогенератор такой АЭС разбит на 8—12 секций паропроизводительностью 50—70 кг/с каждая, которые располагаются либо в кольцевом зазоре между реактором и корпусом, либо внутри ячеек в стенке бетонного корпуса (рис. 3.20).
Рис. 3.19. Схема секционного парогенератора с газовым теплоносителем:
секция парогенератора (а): I, 2, 3 — соответственно экономайзер, испаритель, пароперегреватель низкого давления; 4, 5, 6 — соответственно экономайзер, испаритель, пароперегреватель высокого давления; компоновка секций (б): А — раздающие трубопроводы теплоносителя; В — собирающие трубопроводы теплоносителя
Рис. 3.20. Расположение парогенераторов на АЭС с интегральной компоновкой оборудования:
1 — предварительно напряженные бетон; 2 — защитная пробка; 8 — твэл; 4 — парогенератор; 5 — циркуляционная газодувка; 6 — мотор; 7 — ввод CO2, 8 — подвод питательной воды; 9 — выход острого пара; 10 — выход пара из промежуточного пароперегревателя; 11— вход пара в промежуточный пароперегреватель
Данная конструкция является, по-видимому, наиболее удачной, так как позволяет уменьшить диаметр бетонного корпуса. Прямоточные парогенераторы с поверхностью теплообмена, выполненной из оребренных плоских или многозаходных винтовых змеевиков, целиком изготовляются и испытываются на заводе. Монтируются они в ячейках корпуса реактора, располагаясь над газодувками.
Для парогенераторов с высоким давлением газов может оказаться приемлемой также конструкция по типу пучок труб в трубе. Достоинство такого парогенератора — отсутствие корпуса высокого давления. Его поверхность нагрева по сравнению со змеевиковой дает большую свободу в выборе принципа циркуляции в испарителе. Парогенераторы с многократной принудительной циркуляцией и циклом двух давлений дан на рис. 4.32. Схема с естественной циркуляцией отличается от последней отсутствием циркуляционного насоса в испарителях.
