Материал: Атомные станции теплоснабжения. учебное пособие. Мелькумов В.Н., Чуйкин С.В

Контрольные вопросы

1. Какие нейтроны называются быстрыми?

2. Назовите конструкции ядерных реакторов.

3. Что является сдерживающим фактором широкого распространения корпусных реакторов?

4. Что такое коэффициент размножения?

5. Перечислите основные характеристики канальных водо-графитовых реакторов.

6. Перечислите требования, предъявляемые к теплоносителям.

7. Из чего состоит тепловыделяющий элемент?

8. За счет чего осуществляется теплопередача в ядерных реакторах?

3. Тепловые схемы ядерных энергетических установок

3.1. Принципиальные тепловые схемы яэу

По своему назначению ядерные энергетические установки могут быть разделены на три группы: для выработки тепловой, электрической и механической энергии.

К первой группе относятся атом­ные станции теплоснабжения, термоопреснительные установки, энерго­технологические установки для производственных нужд. К установкам второй группы относятся атомные электростанции для выработки электричес­кой энергии. В установках третьей группы потребителю передается механическая энергия. Такие установки используются, например, на судах, где тепловая энергия преобразуется в механическую, которая затем с помощью механической передачи передается на гребные винты.

ЯЭУ для выработки тепловой энергии связаны с потребителем че­рез концевой теплообменник. Принципиальные схемы (одноконтурная и двухконтурная) таких установок показаны на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Одноконтурная (а) и двухконтурная (б) ЯЭУ для потребителя тепла:

1 – ядерный реактор; 2 – трубопровод; 3 – промежуточный теплообменник;

4, 5 – циркуляционные насосы первого и второго контуров;

6 – концевой теплообменник

Установка включает в себя реактор, систему трубопроводов, реляционный на­сос. В одноконтурной установке, являющейся самой простой по своему исполнению, в реакторе и концевом теплообменнике течет один и тот же теплоноситель. В этом случае теплоноситель имеет большую наве­денную радиоактивность и в ряде случаев может содержать радиоактив­ные продукты деления. При разуплотнении теплообменника радиоактив­ные породы попадут в контур потребителя.

Одноконтурные установки не могут быть использованы в тех случаях, когда не допускается за­грязнение теплоносителя контура потребителя. Поэтому практическое применение нашли многоконтурные установки, в которых передача теп­ла внешнему потребителю происходит с помощью двух и более теплоно­сителей, не контактирующих между собой непосредственно.

На рис. 3.1, б показано, как реактор вместе с промежуточным теплообменником образуют пер­вый замкнутый контур, а промежуточный теплообменник, трубопроводы и первой теплообменник – второй контур. Каждый контур имеет свой циркуляционный насос. Между промежуточным теплообменником и концевым можно ввести еще один контур со своими промежуточным теп­лообменником, циркуляционным насосом, теплоносителями и магистраля­ми. Такая установка будет уже трехконтурная.

В многоконтурных установках практически исключен контакт ак­тивного теплоносителя первого контура с рабочей средой потребите­ля. Однако реализация многоконтурной установки более сложная, поскольку требуется дополнительное оборудование.

Пример транспортной судовой ЯЭУ, в которой тепловая энергия превращается в механическую, передаваемую затем на вал гребного винта, показан на рис. 3.2.

Рис. 3.2. ЯЭУ для потребителей механической энергии:

1 – ядерный реактор; 2 – парогенератор; 3 – турбина; 4 – турбозубчатый агрегат;

5 – конденсатор; 6,7 – циркуляционные насосы первого и второго контуров

Установка двухконтурная, работает по паротурбинному циклу. Пар вырабатывается в парогенераторе, ко­торый получает тепло от теплоносителя первого контура. Пар посту­пает на турбину, в которой при его расширении тепловая энергия превращается сначала в кинетическую энергию потока, а затем в ме­ханическую. Крутящий момент вала турбины через редуктор передает­ся на гребной винт. Турбина вместе с редуктором образует турбозубчатый агрегат. Пар после выхода из турбины конденсируется в конденсаторе. Конденсат с помощью насоса (циркулятора) поступа­ет в парогенератор.

Наибольшее распространение в настоящее время получили энергетические реакторы для выработки электроэнергии на атомных элек­тростанциях. В процессе развития атомной энергетики было предло­жено большое количество различных тепловых схем ЯЭУ. Однако именно на опыте разработки тепловых схем АЭС происходило дальнейшее совершенствование ЯЭУ и теплосилового оборудования.

При созда­нии АЭС, особенно двухконтурных, в значительной степени был ис­пользован имеющийся опыт разработки тепловых схем паротурбинных электростанций на органическом топливе.

На рис. 3.3, а представлена принципиальная (упрощенная) тепло­вая схема двухконтурной конденсационной АЭС, работающей по циклу Ренкина, ТS-диаграмма которого также представлена на ри­с. рис. 3.3, б. В этом цикле подвод и отвод тепла происходит по изобаре, отвод тепла при Т-const, сжатие и расширение по адиабате. В представленной схеме конденсационной АЭС подвод тепла (процесс b-c-d) осуществляется в парогенераторе 2, отвод тепла (про­цесс e-a) – в конденсаторе 5, сжатие (процесс а-b) – в циркуляторах 6 и 7, расширение (процесс d-е) – на турбине 3.

Рис. 3.3. Схема конденсационной АЭС и ТS-диаграмма:

1 – реактор; 2 – парогенератор; 3 – турбогенератор; 4 – деаэратор; 5 – конденсатор;

6 – конденсационный насос; 7 – питательный насос; 8 – циркуляционный насос

Термический KПД цикла Ренкина:

(3.1)

где q₀ – удельное количество тепла, подводимое в парогенерато­ре, кДж/кг; q_k – удельное количество тепла, отводимое в конден­саторе, кДж/кг; Н₀ = i₀ - i_k – располагаемый теплоперепад, где i₀ – энтальпия пара на выходе из парогенератора, кДж/кг; i_k – энтальпия конденсата, кДж/кг. Относительный внутренний КПД турбины определяют как отношение действительного теплоперепада H_i к располагаемому Н₀:

3.2. Тепловая схема атэц

Упрощенная тепловая схема АТЭЦ показана на рис. 3.4. АТЭЦ вырабатывает электроэнергию и одновременно через сетевые подогреватели отпускает тепло для нужд отопления, горячего водо­снабжения и вентиляции жилых и промышленных зданий.

Рис. 3.4. Схема АТЭЦ: 1 – реактор; 2 – парогенератор; 3 – турбоагрегат; 4 – деаэратор;

5 – конденсатор; 6 – конденсационный насос; 7 – питательный насос;

8 – циркуляционный насос; 9 – РОУ; 10 – подогреватель сетевой воды

Пар для подо­грева воды в сетевом подогревателе направляется из регулируемого отбора турбины. Для покрытия пиковых тепловых нагрузок потребите­ля используется редукционно-охладительная установка (РОУ). Паровой и тепловой балансы АТЭЦ определяются выражениями

(3.8)

(3.9)

где G – общий расход пара на турбину; G_n – расход пара, отбираемый на теплофикационные нужды; G_k – расход пара, направл­яемого в конденсатор; N_э – общая электрическая мощность турбо­установки; N_n – электрическая мощность, вырабатываемая паром отбора; N_k – электрическая мощность, производимая паром, посту­пающим в конденсатор.

Для определения тепловой экономичности используют следующие выражения:

- КПД АТЭЦ

(3.10)

где Q_Т.П. – количество теплоты, отведенной потребителю; Q_р – количество тепловой энергии реактора;

- КПД производства тепловой энергии

(3.11)

где Q_ТР – количество тепловой энергии реактора, расходуемое для производства Q _Т.П.; η_т.с. – доля потерь тепла в тепло­вых сетях;

- КПД по производству электроэнергии на АТЭЦ

(3.12)

В некоторых случаях для АТЭЦ применяется показатель удельной вы­работки электроэнергии на тепловом потреблении:

(3.13)

где N_этп – количество электроэнергии, которое вырабатывается паром отборов для теплофикационных нужд, а также паром отборов на регенеративный подогрев питательной воды. В приведенных выше схе­мах АЭС и АТЭЦ тепловая энергия, выделяющаяся в результате деле­ния ядер, воспринимается теплоносителем первого контура. Рассмот­рим более подробно состав оборудования первого контура на примере установки с ВВЭР - 1000, имеющего много общего с первыми контурами ЯЭУ различного назначения.

(3.2)

Абсолютный внутренний КПД турбины:

(3.3)

Учитывая механические потери в турбине с помощью коэффициента и потери в электрогенераторе η_г, выражение для абсолютного электрического КПД турбоустановки АЭС можно записать в виде

(3.4)

Приведенный КПД турбоустановки АЭС полностью совпадает с КПД турбоустановки обычной тепловой станции. Отличие появляется при уче­те потерь в других элементах ЯЭУ: ядерном реакторе, парогенерато­ре, теплообменниках, трубопроводах и др. Эти потери при определе­нии КПД АЭС учитываются соответствующими относительными коэффици­ентами:

(3.5)

где η_р учитывает потери тепла в реакторе; η_пг – потери в парогенераторе;

η_тр1 и η_тр2 – потери в трубопроводах 1-го и 2-го контуров.

Для АЭС различают коэффициенты брутто и нетто. Ко­эффициенты η_э и η_аэс – коэффициенты брутто, они не учитывают расхода электроэнергии на собственные нужды станции.

Вводя w_c.н. – удельный расход энергии на собственные нужды, КПД АЭС нетто за­писывают в виде

(3.6)

где – доля затрат энергии на собственные нужды.

КПД АЭС нетто записывают также в виде

(3.7)

где – КПД собственных нужд АЭС.

Тепловая схема первого контура реактора ВВЭР - 1000 представлена на рис. 3.5. Первый контур состоит из реактора 1 и четырех параллельных петель (на рисунке показана одна петля), каждая из которых включает парогенератор 9, главный циркуляционный насос (ГЦН) 10, главные запорные задвижки 8 и главные циркуляционные трубопроводы, где организация нескольких параллельных петель осво­бождает от необходимости резервирования оборудования, в частности циркуляционных насосов. Вода в реактор поступает при давлении 16,6 МПа с температурой 562 К. В активной зоне она подогревается до 595 К и направляется в парогенератор, где охлаждается, отда­вая тепло теплоносителю второго контура. Из парогенератора вода поступает в главный циркуляционный насос, который возвращает ее в реактор.

Рис. 3.5. Схема первого контура ЯЭУ с реактором ВВЭР-1000:

1 – реактор; 2 – гидроаккумулятор; 3 – барботер; 4,5 – предохранительные клапаны;

6 – компенсатор давления; 7 – электронагреватель; 8 – главные запорные задвижки;

9 – парогенератор; 10 – ГЦН; 11 – теплообменник; 12 – холодильник; 13 – фильтр;

14, 16, 18 – насосы; 15, 17 – баки с раствором борной кислоты

Между реактором и парогенератором установлены главные запорные задвижки, позволяющие отключить от реактора любую петлю. ГЦН установлены на отключаемой части «холодного» трубопровода. В парогенераторе не происходит базового превращения теплоносителя первого контура благодаря высокому давлению. Для создания в конту­ре необходимого давления используется паровой компенсатор (ПКД). Он служит также для компенсации изменения объема теплоносителя при нагревании его в контуре и создания начального давления. Вода в ПКД нагревается электронагревателями и частично ис­паряется, благодаря чему достигается необходимое давление. ПКД соединен с «горячим» трубопроводом на его неотключаемой стороне.

Для предотвращения повышения давления сверх допустимого в паровое пространство ПКД впрыскивается теплоноситель из холодной ветви трубопровода. Если при впрыске холодного теплоносителя повышение давления не прекращается, то открывается предохранительный клапан, выход которого соединен с барботером. Температура воды в барботере поддерживается ~ 333 К для конденсации пара из ПКД. Если же и в барботере давление будет повышаться выше допустимого, тог­да срабатывает предохранительный клапан на барботере и теплоно­ситель будет выбрасываться из первого контура. На практике такая ситуация маловероятна.

Вода первого контура при работе реактора приобретает высокую наведенную радиоактивность, так как в ней всегда присутствуют при­меси (например, продукты коррозии, соли и т.п.), которые активиру­ются в активной зоне. Вследствие этого оборудование первого конту­ра становится источником ионизирующего излучения и его помещают в необслуживаемых помещениях. К конструкции оборудования предъявля­ется требование безотказной работы в течение длительного периода времени (например, в течение года) без обслуживания и контроля со стороны персонала. Мощность главного циркуляционного насоса при расходе воды 5,5 м³/с составляет 5500 кВт. Гидравлическое сопротивление первого контура равно 0,7 МПа.

Для очистки теплоносителя от примесей часть его (так называ­емая продувка) с расходом до 22 кг/с с напорной стороны ГЦН отво­дится в фильтры. Перед фильтрами продувочная вода охлаждается до 318 К (по условиям работы ионообменных смол фильтров). В регенеративном теплообменнике происходит охлаж­дение за счет нагрева очищенной воды, которая после фильтров возвращается в контур на всасывающую ветвь ГЦН. Окончательное охлаждение продувочной воды происходит технической водой в холодильнике.

Компенсация потерь теплоносителя первого контура, а также первичное заполнение контура производится подпиточными насосами из специальной системы приготовления чистого конденсата.