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

где w₁, ρ₁ и w₂, ρ₂ – скорость, м/с, и плотность, кг/м³, соответственно во входном и выходном сечениях потока. Для капельных жидкостей ΔР_VCK мало по сравнению с общим сопротивлением по­тока и этим сопротивлением можно пренебречь.

Если теплообменный аппарат сообщается с окружающей средой, необходимо учитывать сопротивление самотяги.

(4.18)

где h – расстояние по вертикали между входом и выходом тепло­носителя, м; ρ и ρ₀ – средние плотности теплоносителя и окружающего воздуха, кг/м³. Знак плюс берется при движении теплоноси­теля сверху-вниз, знак минус – при движении снизу-вверх.

Полные потери давления при перемещении теплоносителя в тепло­обменном аппарате определяют величину мощности на валу насоса или вентилятора:

(4.19)

где V – объемный расход жидкости, м³/с; М – массовый расход жидкости, кг/с; ΔР – полное сопротивление, кг/м³ (кПа); ρ – плотность жидкости (газа), кг/м³, η – КПД насоса или венти­лятора.

Коррозией металла называется постепенное разрушение его под действием химических или электрохимических процессов между метал­лом и контактирующей с ним средой. Различают три основных вида коррозии – общую, межкристаллитную и коррозию под напряжением (коррозионное растрескивание).

В основе общей коррозии, которой подвержены как углеродистые, так и аустенитные стали, лежат электрохимические процессы. Скорость общей коррозии зависит от структуры и состояния, поверхности метал­ла, агрессивности среды, температуры и скорости среды, величины деформации и напряжений в металле, радиационного облучения. Чем однороднее металл, тем меньше скорость коррозии, тем меньше возни­кает коррозионных пар, анодных и катодных участков. Скорость кор­розии растет с увеличением шероховатости поверхности: защитная окисная пленка быстрее разрушается на выступах и впадинах. В этом случае существенный противокоррозионный эффект даст электрополиров­ка поверхности. Наличие в металле напряжений как сжимающих, так и растягивающих увеличивает скорость общей коррозии.

Коррозионная агрессивность среды определяется наличием в ней примесей. Для воды такими примесями являются кислород, водородные ионы, углекислый газ, различные соли.

Общая коррозия интенсифицируется с увеличением температуры и скорости теплоносителя.

Радиационное облучение приводит к увеличению физико-химичес­кой неоднородности металла в результате разрыва химических связей и деформации кристаллической решетки, к изменению защитных свойств окисной пленки. Наибольшая скорость коррозии наблюдается в началь­ный период работы реактора, затем она уменьшается и через 20-30 суток становится постоянной. Для уменьшения скорости коррозии в начальный период первый контур заполняют обескислороженной водой.

Межкристаллитная коррозия имеет место только в аустенитных сталях. Она происходит по границам зерен поверхности металла, кон­тактирующего с агрессивной средой, имеет электрохимический харак­тер: граница зерен – анод, остальная поверхность – катод. В резуль­тате обеднения хромом прилегающего к границам зерен твердого рас­твора возникают межкристаллитные трещины.

Межкристаллитная коррозия зависит от химического состава ста­ли, режима термообработки, коррозионной агрессивности среды. Уве­личение содержания углерода способствует образованию карбидов хро­ма, склонность к межкристаллитной коррозии увеличивается. Неблаго­приятным является отпуск стали при температурах 875÷925 К. Росту межкристаллитной коррозии способствует увеличение в среде концентрации кислорода, хлорид-ионов и ионов водорода. Меры предотвращения межкристаллитной коррозии: уменьше­ние содержания углерода; продолжительный отпуск стали при темпера­туре 1025-1175 К; уменьшение коррозионной активности среды.

Коррозионному растрескиванию подвержены аустенитные стали. В настоящее время обоснована эффективность следующих мероприятий по борьбе с коррозионным растрескиванием: повышение стабильности аустенита, что прежде всего достигается увеличением содержания никеля в стали; максимальное удаление из среды кислорода и хлорид-ионов; совершенствование конструкции и технологии с целью исклю­чения деформаций и концентраторов напряжений.

4.2. Машинное оборудование

К машинному оборудованию ЯЭУ относят главным образом насосы и турбины. Работа насоса характеризуется объемной подачей Q, м³/с (л/мин); напором Н, м; оборотами n, с^-1 (об/мин); пара­метрами рабочего тела на входе (температура и давление); плот­ностью рабочего тела ρ, кг/м³; мощностью N, Вт; коэффици­ентом полезного действия η.

В зависимости от назначения и параметров рабочего тела при­меняемые в атомной энергетике основные насосы получили название: циркуляционные, питательные и конденсатные. По своим конструктив­ным признакам (принципу работы) это так называемые лопаточные ма­шины.

В каждом контуре для прокачки теплоносителя имеется свой главный циркуляционный насос (ГЦН). К ГЦН первого контура предъяв­ляются повышенные требования: длительная надежная работа без ка­кого-либо обслуживания, герметичность, возможность быстрого демон­тажа и замены. В полностью герметизированном насосе собственно на­сос и электродвигатель смонтированы в общем корпусе. Применяемый для первого контура реактора ВВЭР-440 главный циркуляционный на­сос ГЦЭН-310 имеет параметры: подача 6500 м³/ч (1805 м/с); дав­ление на входе 12,25 МПа; напор – 60 м.

Питательные насосы служат для подачи воды в парогенератор или в реактор в одноконтурных ЯЭУ. Они характеризуются относитель­но большим повышением давления и относительно малыми расходами (по сравнению с ГЦН). Например, питательный насос для ЯЭУ с РБМК-1000 имеет следующие характеристики: подача 1650 м³/ч (458 л/с); напор – 830 м.

Конденсатные насосы имеют подачу до 1600 м³/ч (445 л/с), на­пор 20÷200 м, частота вращения 980÷2900 об/мин.

Контрольные вопросы

1. Что называют теплообменными аппаратами?

2. Приведите классификацию теплообменных аппаратов по способу передачи теплоты.

3. Приведите уравнение для определения потери давления при движении теплоносителя в теплообменном аппарате.

4. Какие требования предъявляются к теплообменникам ядерных энергетических установок?

5. Приведите уравнение теплового баланса, связывающее тепловую мощность и изменение энтальпии теплоносителей.

6. Назовите основные виды насосного оборудования, применяемого в атомной энергетике.

7. Что называется коррозией металла?

8. Перечислите меры предотвращения межкристаллитной коррозии.

9. Какие насосы применяются для прокачки теплоносителя в контуре?

5. Вспомогательные системы атомных станций

5.1. Системы водоподготовки

Работа ядерных энергетических установок (АСТ, АТЭЦ, АЭС) ха­рактеризуется значительными объемами потребляемой воды и требова­ниями к ее подготовке. Вода используется главным образом для запол­нения и подпитки замкнутых контуров теплоносителя и для техничес­кого водоснабжения. Замкнутость контуров ЯЭУ является абсолютно обязательной. В первом контуре в результате реакторных излучений и различных физико-химических процессов теплоноситель становится радиоактивным.

Второй контур работает в условиях, свободных от радиации, однако наличие перепада давлений между первым и вторым контурами не исключает, хотя и незначительные, перетечки радио­активного теплоносителя из первого контура во второй через ничтож­ные неплотности. Поэтому полная замкнутость обязательна и для второго контура.

Радиационная активность теплоносителя первого контура обусловлена, прежде всего, активацией примесей (растворенных в теплоносите­ле солей натрия, кальция, магния и др.) и радиолизом воды, а так­же осколочной активностью вследствие попадания продуктов деления ядерного топлива при работе с поврежденными ТВЭЛами. Радиолизом водного теплоносителя называют процесс разложения воды под действием излучения:

Кроме водорода и кислорода при радиолизе воды могут образовы­ваться также Н₂О₂, Н, ОН и др. К вредным последствиям радиолиза следует отнести также отрицательное влияние продуктов разложения воды на коррозионную стойкость материалов. Процессы радиолиза усиленно подавляются увеличением концентра­ции водорода. С этой целью в воду вводят аммиак, в результате раз­ложения которого создается необходимая концентрация водорода в водяном теплоноси­теле.

Процесс очистки водного теплоносителя осуществляется на так называемых установках химводоочистки: включает очистку воды от механичес­ких примесей в механических фильтрах (дробленый антрацит), удале­ние свободной кислоты в декарбонизаторах, ионную очистку в ионо­обменных фильтрах.

Система технического водоснабжения предназначена для отвода тепла от различных устройств (например, конденсаторов турбин АТЭЦ, газо- и маслоохладителей электрогенераторов и др.), обеспе­чения водой системы водоподготовки и различных санитарно-бытовых устройств. В системе технического водоснабжения применяют химичес­ки не очищенную воду, прошедшую лишь через фильтры грубой механичес­кой очистки и периодически хлорируемую для борьбы с микроорганиз­мами. Для целей технического водоснабжения применяют прямоточную, оборотную и смешанную системы.

При прямоточной системе холодная вода забирается непосредственно из водоема, в него же и сбрасыва­ется нагретая вода. Обычно в качестве водоема используется река. Недостаток прямоточной системы - так называемое «тепловое загряз­нение окружающей среды», то есть повышение температуры естествен­ного водоема, что может вызвать нарушение экологического равнове­сия. При оборотной системе вода циркулирует по замкнутому контуру, охлаждение нагретой воды происходит в градирнях, брызгальных бас­сейнах или в прудах-охладителях.

5.2. Система вентиляции

Система вентиляции помещений ЯЭУ предназначена для удаления избыточной теплоты, влаги и радиоактивных аэрозолей. В основу проектирования системы вентиляции помещений ЯЭУ по­ложен принцип раздельной вентиляции двух зон: свободного ре­жима и строгого режима. К свободной зоне относятся те помеще­ния, в которых исключено появление воздуха, загрязненного радиоак­тивными веществами. В зоне строгого режима (так называемой контро­лируемой зоне) возможно появление загрязненного воздуха и воздей­ствие на персонал радиационных факторов.

Вентиляция помещений каж­дой зоны обеспечивается раздельными системами. В контролируемой зоне различают: обслуживаемые помещения, в которых при работающем реакторе возможно пребывание персонала в течение рабочего дня; полуобслуживаемые помещения, в которых при работающем реакторе допускается кратковременное пребывание персонала; необслуживаемые помещения, в которых пребывание персонала не до­пускается.

Для вентиляции контролируемой зоны организуется ступенчатая система подачи воздуха, когда воздух последовательно направляют из более чистых помещений в более грязные. Ступенчатая система вентиляции позволяет уменьшить объем вентиляционного воздуха, обеспечить сохранение превышения давлений в «чистых» помещениях по сравнению с «грязными» и стабильность направления потоков воз­духа.

Все приточные и вытяжные системы, обеспечивающие вентиляцию помещений контролируемой зоны, обязательно резервируются, причем во многих случаях предусматривается полное резервирование (всех систем). Са­нитарными правилами проектирования АЭС, ACT предусмотрен воздухо­обмен в основных обслуживаемых помещениях не менее однократного в час. Воздух, удаляемый из необслуживаемых помещений вытяжными сис­темами, очищается в аэрозольных (тканевых) и угольных фильтрах и выбрасывается через вентиляционную трубу.

Контрольные вопросы

1. Для каких контуров обязателен замкнутый цикл?

2. Что называется радиолизом водного теплоносителя?

3. Какие этапы включает процесс очистки водного теплоносителя?

4. Какие помещения относятся к свободной зоне?

6. Выбор места строительства и генеральный план act

Строительство ACT наиболее целесообразно вблизи крупных горо­дов, являющихся потребителями большого количества тепловой энергии для хозяйственно-бытовых и промышленных нужд. При выборе места ACT следует руководствоваться получением минимума затрат средств и времени на сооружение станции и максимальных удобств, надежности и экономичности при ее эксплуатации.

Размещение ACT проектируют на достаточно близком (10-20 км) расстоянии от города. Такое мес­тоположение объясняется тем, что при удалении станции от города существенно увеличивается стоимость сооружения теплопровода, рас­тут затраты мощности на прокачку горячей воды, увеличиваются теп­ловые потери при транспортировке. Однако близкое расположение станции обусловливает высокие требования по безопасности ее эк­сплуатации.

Обязательным мероприятием при проектировании ACT является со­здание вокруг нее санитарно-защитной зоны. Санитарно-защитная зона служит для защиты окружающей среды, территории и населения от вредных воздействий станции. Размеры этой зоны устанавливаются и согласуются с органами Государственного санитарного надзора отдель­но для каждой станции, исходя из мощности реактора, уровня и сос­тава предполагаемого излучения, метеорологических условий и т.п. В санитарной зоне проживание населения запрещено.

ACT должна располагаться с подветренной стороны согласно розе ветров по отношению к городу, участок станции должен хорошо проду­ваться. Безрельсовые пути должны иметь асфальтовые покрытия. Воз­дух и газы, удаляемые из производственных помещений, должны вы­брасываться в атмосферу после тщательной очистки и выдержки через высокие вентиляционные трубы. На генеральном плане ACT нанесены положения в плане, габариты и высота всех сооружений станции. Показаны производственные и складские площадки, автомобильные дороги, железнодорожные пути, ка­налы технического водоснабжения и коммуникации теплопроводов.