ПАРОГЕНЕРАТОРЫ СО ЗМЕЕВИКОВЫМИ (СПИРАЛЬНЫМИ) ТРУБАМИ
Парогенераторы со спиральными теплообменными трубами использованы во многих проектах АЭС с РБН в разных странах (см. табл. 2.1, 2.2). Парогенераторы такого типа компактны, имеют малую металлоемкость, змеевиковые трубы хорошо компенсируют разность температурных расширений элементов парогенераторв. Теплообменные поверхности из змеевиков технологичны и достаточно дешевы. В такой конструкции интенсифицируется теплообмен как по межтрубному пространству при поперечном обтекании жидкометаллическим теплоносителем, так и по внутритрубному пространству вследствие центробежных эффектов. Все это выгодно отличает змеевиковые парогенераторы от ПГ с прямыми теплообменными трубками, с трубками Фильда, с U- и L-образными трубками и другими конфигурациями теплообменной поверхности.
Таблица 2.1. Основные характеристики парогенератора АЭС с РБН
Параметр | БН-350 (СССР) | «Феникс» |
Электрическая мощность | 350 | 250 |
Тепловая мощность АЭС, МВт | 1000 | 568 |
Тип реактора | Петлевой | Баковый |
Конструкция парогенератора | Интегральная, испаритель с трубками Фильда, пароперегреватель с U-образными трубками | Секционная, S-образный трубный пучок |
Тип парогенератора | С многократной циркуляцией воды | Прямоточный |
Количество парогенераторного оборудования в каждой петле: испарителей основных перегревателей промежуточных перегревателей паровых барабанов | 2 | 12 |
Температура натрия в парогенераторе, вход/выход, С | 450/265 | 527/350 |
Температура воды/пара, °C | 158/435 | 246/510 |
Давление пара на выходе, МПа | 4,9 | 16,8 |
Материал трубок: испаритель пароперегреватель | 12Х2М | 2,25СrМо |
Трубки испарителя: диаметр, мм число трубок | 32X2 | 28X4 |
Трубки пароперегревателя: диаметр, мм число трубок | 16X2 | 31,8x3,6 |
Демонстрационные АЭС
PFR (Англия) | SNR-300 (ФРГ) | MONJU (Япония) | «Клинч-Ривер» |
250 | 327 | 280 | 375 |
600 | 770 | 714 | 975 |
Баковый | Петлевой | Петлевой | Петлевой |
Секционная, U-образный трубный пучок | Секционная с прямыми и спиральными трубками | Секционнная со спиральными трубками | Секционная, Г-образный трубный пучок |
С многократной циркуляцией воды | Прямоточный | Прямоточный | С многократной циркуляцией воды |
1 | 3 | 1 | 2 1 |
540/356 | 528/335 | 505/325 | 502/344 |
288/513 | 253/495 | /483 | 232/482 |
16,4 | 16,4 | 12,5 | 10,5 |
2,25С.г 1Мо Сталь 316 | 10 Сr Mo NiNb | 2,25Сг 1Мо Нержавеющая сталь | 2,25Сr 1Мо |
— | 17,2X2 | — | 15,9X2,8 |
— | 17,2X2 | — | 15,9X2,8 |
Однако если рассматривать весь комплекс вопросов, стоящих перед разработчиками, в том числе вопросы плотности парогенератора, предупреждения массового разрушения труб, своевременного детектирования течи, удобства обслуживания и ремонтопригодности, то известные конструкции змеевиковых парогенераторов зарубежных фирм с применением поверхности нагрева с навивкой теплообменных трубок концентрическими слоями вокруг центральной трубы не всегда отвечают всем требованиям. Такие ПГ не допускают моделирования из-за больших единичных мощностей. Контроль герметичности змеевиковых парогенераторов бухтовых конструкций значительно усложняется. В то же время при использовании корпусных змеевиковых парогенераторов схема АЭС намного упрощается, сокращается количество регулирующей и запорной арматуры.
Таблица 2.2. Основные характеристики парогенераторов АЭС с быстрыми реакторами. Коммерческие АЭС
Параметр | БН-600 (СССР) | «Супер-Феникс» |
Год пуска | 1979 | 1987 |
Электрическая мощность АЭС, | 600 | 1200 |
Тепловая мощность АЭС, МВт | 1470 | 3000 |
Тип реактора | Баковый | Баковый |
Число параллельных петель | 3 | 4 |
Конструкция парогенератора | Секционная с прямыми трубками | Интегральная, со спиральными трубками |
Тип ПГ | Прямоточный | Прямоточный |
Температура натрия в парогенераторе, вход/выход, °C | 518/328 | 525/345 |
Температура воды/пара, °C | 241/505 | 235/490 |
Давление пара на выходе, МПа | 15,5 | 18,4 |
Наиболее крупный бухтовый змеевиковый ПГ эксплуатируется на АЭС «Супер-Феникс» во Франции (рис. 2.11). На центральную трубу навиты 17 слоев из 357 теплообменных трубок из сплава инкаллой-800. Натрий второго контура обтекает поперечно трубный пучок и выходит из ПГ в нижней части через центральную трубу. Высота корпуса 22,44 м, диаметр 2,878 м. Активная длина теплообменных труб 91 м. Трубы сварены в плеть из заготовок длиной 25 м. Имеется несколько стыковых сварных соединений в местах вывода труб за пределы корпуса, связанных со сложной конфигурацией подвода труб к тепловым муфтам. Уже за пределами корпуса теплообменные трубки объединены раздающими и собирающими камерами воды/пара. В верхней части корпуса имеется свободный уровень натрия и аргоновая подушка. Трубный пучок, включая узлы вывода труб, полностью погружен в натрий. Эксплуатация парогенератора показала, что реальные характеристики хорошо согласуются с проектными. Опыт эксплуатации этого парогенератора пока невелик, будущее покажет, насколько оправдаются ожидания по его надежности и безопасности.
Один из наиболее крупных недостатков корпусных конструкций — возможность значительных повреждений трубного пучка при течи воды в натрий. Именно с этим обстоятельством связан выбор высоконикелевого сплава для труб, обладающего как повышенной стойкостью к воздействию факела взаимодействия воды с натрием, так и к процессам саморазвития течи. Определенные надежды возлагаются на акустические системы контроля протечек, которые, как полагают, обеспечат практически безынерционный контроль и позволят своевременно вывести парогенератор из работы при течи воды в натрий.
CDFR | SNR-2 (ФРГ) | БН-800 (СССР) |
Проектируется | Проектируется | Проектируется |
1320 | 1300 | 800 |
3230 | 3420 | 2100 |
Баковый | Петлевой | Баковый |
6 | 4 | 3 |
Интегральная, | Интегральная, со спиральными или прямыми трубками | Секционная, с прямыми трубками |
Прямоточный | Прямоточный | Прямоточный |
510/335 | 510/340 | 505/310 |
-/490 | 250/495 | 210/490 |
17 | 16 | 13,7 |
Известны и конструктивные методы улучшения характеристик безопасности и ремонтопригодности змеевиковых парогенераторов. Предложена конструкция модульного прямоточного парогенератора с теплообменной поверхностью [4], выполненной из змеевиков малого радиуса (Dгиба = 54-6 dTp). По сравнению с бухтовой конструкцией модульные змеевиковые парогенераторы исключают массовое разрушение элементов парогенераторв и обеспечивают возможность ремонта.
Конструкциям модульных парогенераторов со змеевиками малого радиуса гиба присущи преимущества змеевиковых и модульных парогенераторов. При применении модульных змеевиков решается проблема разной длины труб в змеевиковых парогенераторов бухтовых конструкций, появляется возможность применения переменного диаметра труб по длине ПГ без смешивающих собирающих коллекторов, сварные швы в таком модуле могут быть размещены в зонах малой интенсивности теплообмена. Ремонтопригодность увеличивается, так как конструкция парогенератора может быть разборной. Появляется хорошая возможность применения дублирующего типа детектирования течи виброакустическими методами в дополнение к известным системам.
Один из вариантов парогенераторв представляет собой прямоточный рекуперативный теплообменный аппарат модульного (секционного) типа, состоящий из нескольких параллельных, отключаемых по рабочим средам секций-модулей, объединенных трубопроводами обвязки по воде, пару и теплоносителю. Каждая секция-модуль снабжена отсечной, сбросной и предохранительной арматурой, воздушниками, трубопроводами дренажа, сдувок, отбора проб и подвода инертного газа, оснащена системой электрообогрева с теплоизоляцией, необходимыми контрольно- измерительными приборами.
Рис. 2.11. Парогенератор АЭС «Супер-Феникс»:
1 — ремонтный люк; 2 — вход натрия; 3 — выход пара; 4 — вход питательной воды; 5 — выход натрия; 6 — уровень натрия; 7 — газовая полость
Секция-модуль ПГ — корпусной вертикальный прямоточный теплообменный аппарат с теплообменным пучком, набранным из одинаковых змеевиковых элементов, с противоточной схемой движения теплоносителя и рабочих сред.
Основными элементами секции-модуля являются:
корпус, работающий под давлением натрия;
теплообменный пучок, набранный из одинаковых змеевиковых элементов;
система подвода и раздачи питательной воды;
система сбора и отвода перегретого пара;
система дистанционирования змеевиковых элементов.
Корпус модуля — цилиндрическая оболочка с эллиптическими днищами, на которых расположены патрубки подвода (на верхнем днище) и отвода (на нижнем днище) натрия. На верхнем днище устанавливается перфорированный распределительный лист.
Трубный пучок набирается из одинаковых змеевиковых элементов, установленных в корзине с шагом «по треугольнику». Рабочая длина трубы змеевикового элемента в развернутом виде может составить в зависимости от диаметра (от 12 до 28 мм) и количества заходов труб (один — четыре) 40—60 м. Змеевик изготавливается из 4—5 труб, предварительно сваренных в плеть, и имеет по длине 3—4 сварных шва. Сварные швы располагаются на участках змеевика с увеличенным шагом или на прямых участках. Средний диаметр навивки змеевика 5—6 d, продольный шаг примерно 1,5 d. Для обеспечения дистанционирования змеевиков и достижения необходимых скоростей по натрию внутри змеевика располагается вытеснитель.
Распределение змеевиков относительно вытеснителя овеществляется радиально расположенными гребенками. Змеевиковые элементы устанавливаются в корзину, которая крепится в верхней части корпуса. Корзина состоит из нескольких дистанционирующих решеток и опорной (нижней) решетки, объединенных по контуру фигурным кожухом-выгородкой. Змеевиковые элементы опираются и закрепляются в нижней решетке.
Нижние и верхние концы змеевиковых элементов соединяются с трубами разводки, входящими в систему подвода и раздачи питательной воды и систему сбора и отвода перегретого пара соответственно. Трубы разводки проходят через корпус, уплотняются в штуцерах и собираются в подводящие и отводящие камеры по 20—30 труб в каждой. Камеры конструктивно выполняются одинаково и состоят из трубной доски и приваренного колпака-переходника. Трубы разводки закрепляются в трубных досках камер вне корпуса модуля с помощью вальцовки и обварки.
Змеевики с малым радиусом гиба можно использовать в корпусных парогенераторов, разбив его на секции, с применением очехлованных
6—19-модульных секций. Развитие течи и разрушения труб должны ограничиваться контурами чехла и не оказывать влияние на соседние секции. Вопрос байпасных потоков теплоносителя (после отключения питательной воды) через дефектную секцию решается запиранием прохода теплоносителя через отключенную секцию.
Змеевики могут изготовляться как одностенные, так и двух-, трех- и многостенные. Секция-кассета может состоять из нескольких параллельных змеевиков-модулей, а ПГ, в зависимости от мощности, будет состоять из параллельно расположенных теплообменных кассет. Рассмотренная компоновка парогенераторов из змеевиковых модулей имеет важное преимущество по отношению к бухтовому змеевику. Экспериментальная отработка и ресурсные испытания бухтового змеевикового парогенератора практически не могут осуществиться на натурном ПГ.
Змеевиковый модуль малого радиуса гиба можно экспериментально отработать и испытать, а мощность ПГ при таком типе поверхности может изменяться от одного до нескольких сотен мегаватт при полном моделировании и переносе всех процессов.
При изготовлении змеевиковой бухтовой поверхности нагрева узок фронт возможных работ на ПГ. Изготовление крупных змеевиковых парогенераторов бухтового типа будет, очевидно, вестись многие месяцы. Модульная конструкция этого недостатка лишена, так как имеется возможность вести параллельное изготовление серии змеевиковых модулей, что позволит значительно сократить цикл изготовления парогенераторов.
Одним из важных преимуществ змеевиков с малым радиусом гиба является значительная интенсификация теплообмена как по тракту рабочего тела, так и по теплоносителю, что приводит к значительному сокращению поверхности теплообмена. Перспектива внедрения модульных парогенераторов со змеевиками малого радиуса гиба на АЭС с РБН зависит от того, насколько удастся реализовать практически отмеченные преимущества.