Контрольная работа: Расчет рабочего контура ядерной энергетической установки

Dрп.тр - гидравлическое сопротивление участков питательного трубопровода, Dрп.тр = 0,2...0,3 МПа;

Dрпк - гидравлическое сопротивление питательного клапана, регулирующего подачу питательной воды в парогенератор. В расчет можно принять величину Dрпк примерно в 1 МПа;

SDрпвд - суммарные гидравлические сопротивления ПВД. В расчет можно принять сопротивление одного ПВД порядка 0,5 МПа;

Dррку д - гидравлическое сопротивление клапана, регулирующего уровень воды в деаэраторе. Его значения можно принять 0,2…0,4 МПа;

Dргеод - противодавление подъема воды в парогенератор. Эта величина составляет разность между возвышением ПГ и деаэратора над питательным насосом. Для двухконтурных ЯЭУ Dргеод может составлять величину от -(7...8) м (деаэратор расположен выше парогенератора) до 0...1 м (деаэратор и парогенератор практически на одном уровне).

Во всех трех выражениях для расчета давления насосов в качестве одной из составляющих гидравлических сопротивлений контура учитывается величина Dррку - сопротивление автоматического регулирующего клапана уровня (РКУ). Это означает, что на напоре каждого из насосов установлен клапан, который за счет частичного прикрытия регулирует уровень воды в емкости, из которой происходит откачка воды: для КН1 - РКУ конденсатосборника ГК, для КН2 - РКУ ПНД-2, для ПН - РКУ Д. Могут быть и иные схемные решения, обеспечивающие поддержание уровня воды в указанных емкостях. Тогда такие схемные решения должны найти соответствующее отражение в расчетных зависимостях для давления насосов.

Определив значения давлений насосов конденсатно-питательной системы и зная составляющие выражений (15), (16) и (17), можно оценить давления нагреваемой среды на входе и выходе каждого поверхностного подогревателя. Полученные значения давления температуры нагреваемой среды вдоль тракта конденсатно-питательной системы для наглядности и удобства использования целесообразно представить графически подобно тому как это показано на рисунке 4.

Рисунок 4 - График изменения давления и температуры нагреваемой среды в поверхностных водоподогревателях системы регенерации

Зная давление и температуру среды в каждой точке тракта, можно определить энтальпию нагреваемой среды на входе и выходе каждого теплообменного аппарата.

Полученные значения энтальпий теплообменивающихся сред используют для составления уравнений тепловых балансов.

При этом следует иметь в виду, что среда, проходя через перекачивающий насос, несколько повышает свою энтальпию. Однако, с учетом малой сжимаемости воды такое повышение энтальпии весьма незначительно, и им в тепловых расчетах рабочего контура можно пренебречь. Исключение составляет питательный насос, у которого давление выражается большей величиной - до 8,0...10,0 МПа, поэтому приращение энтальпии питательной воды в питательном насосе обычно учитывают в тепловых расчетах рабочего контура. Тогда энтальпия питательной воды на входе в первый ПВД может быть принята равной энтальпии воды на входе в питательный насос (т.е. в деаэраторе) с увеличением на приращение энтальпии воды в питательном насосе. Приращение энтальпии питательной воды в питательном насосе составляет

Diпн = Dрпн ×vпн / (h ×103), (18)

где Dрпн - повышение давления воды в питательном насосе (равно давлению питательного насоса рпн), Па;пн - удельный объем перекачиваемой воды (определяется давлением и температурой перекачиваемой воды), м3/кг;

hпн - КПД питательного насоса (принимается в расчет по прототипным данным).

Если энтальпию воды на выходе из питательного насоса определять по давлению и температуре воды в его напорном патрубке, то отпадает необходимость в оценке приращения энтальпии по (18).

. Определение расхода пара на главную турбину, паропроизводительности парогенератора и мощности ядерного реактора. КПД ЯЭУ брутто

Значения расходов рабочего тела в различных ветвях рабочего контура определяются при решении системы уравнений тепловых балансов, составленных для теплообменных аппаратов контура. При этом следует иметь ввиду одно важное обстоятельство.

Количество теплообменных аппаратов в рабочем контуре и количество отборов греющего пара на них совпадает (обычно 8…10). Однако, количество неизвестных расходов пара на одно больше. Это расход пара на входе в турбину Gт (на входе в ЦВД). Для его определения требуется дополнительное уравнение - уравнение мощности турбины.

Внутренняя мощность турбины может быть выражена как сумма мощностей всех ступеней турбины. Мощность же каждой ступени равна произведению теплоперепада, срабатываемого на ступени, и расхода пара через ступень

 (19)

где Gст.j - расход пара через j-ю ступень турбины;i ст.j - внутренний теплоперепад j-й ступени турбины;- количество ступеней турбины.

Значения теплоперепадов на ступенях H i ст.j уже были определены ранее, а для получения расходов пара через ступени турбины необходимо из общего расхода пара на турбину Gт в соответствии с расчетной схемой вычитать значение расходов пара в соответствующих отборах.

Например, если первый отбор пара из проточной части турбины предусмотрен после второй ступени, второй отбор - после третьей ступени турбины и т.д., то расходы пара через ступени турбины можно записать так:

ст1 = Gт; ст2 = Gт;ст3 = Gст2 - Gот1 = Gт - Gот1;ст4 = Gст3 - Gот2 = Gт - Gот1 - Gот2 и т.д.(20)

Значение внутренней мощности турбины можно связать с заданной в расчет мощностью генератора

т = Рг / (hген ×hмех.т), (21)

где Рг - заданная в расчет мощность генератора;

hген - КПД генератора электроэнергии. В расчет можно принять hген = 0,98…0,99 (например, для ЮУАЭС hген = 0,9892);

hмех.т - механический КПД турбоагрегата. В расчет можно принять hмех.т = 0,98…0,985. В расчет могут быть принять также и прототипные данные, если они имеются.

Если для расчета значений расходов рабочего тела в ветвях контура используется вычислительная компьютерная техника, которая имеет в своем арсенале стандартные программы решения системы алгебраических уравнений практически любого порядка, то к системе уравнений тепловых балансов следует добавить рассмотренное здесь выражение мощности турбины. В результате решения такой системы уравнений мы получим значения расходов рабочего тела в численном виде во всех ветвях контура.

Если же предполагается решать систему уравнений “вручную” (с помощью калькулятора), то можно предложить следующий подход к определению расходов рабочего тела.

Рассматривается только система уравнений тепловых балансов (ТБ). Для того чтобы количество уравнений ТБ соответствовало количеству неизвестных величин предлагается временно считать, что расход пара на турбину Gт - величина известная. Тогда в результате решения такой системы уравнений ТБ получают значения расходов пара в ветвях контура в виде выражений через Gт. Затем, используя выражения (19) и (21) определяют численное значение Gт, через которое затем можно определить численные значения расходов пара во всех ветвях контура.

Однако следует отметить, что система уравнения тепловых балансов довольно громоздка и сложна для совместного решения. Поэтому вначале анализируют уравнения системы по виду и количеству входящих в них неизвестных величин (это проще выполнить, рассматривая соответствующие уравнения материальных балансов). Если можно выявить уравнение теплового баланса, которое включает только одну неизвестную величину, то такое уравнение может быть решено относительно этой неизвестной величины отдельно (автономно) от системы уравнений. Если же удастся выявить второе уравнение теплового баланса, которое охватывает только две неизвестные величины, одна из которых уже определена, то это уравнение также можно решить отдельно от системы. Иногда таким образом удается последовательно решить все уравнения. Это значительно упрощает решение системы уравнений. Если же такое последовательное решение уравнений ТБ и невозможно (это определяется видом расчетной схемы), то все же удается из общей системы уравнений выделить группу из 2…3 уравнений, которые должны быть решены совместно. Подобная подсистема уравнений меньшего порядка решается значительно проще чем общая система уравнений.

В заключение теплового расчета рабочего контура можно оценить паропроизводительность парогенератора

пг = Gт + SGп i (22)

где SGп i - суммарный расход отборов пара от главного паропровода свежего пара. Обычно это отбор пара только на промежуточный пароперегреватель и расход пара на протечки.

Значение тепловой мощности ядерного реактора может быть выражено так:

яр = Gпг ×(iпг - iпв) / hтпк, (23)

где Gпг - паропроизводительность установки, определяемая по формуле (22), кГ/с;пг - принятая в расчет энтальпия пара на выходе из парогенератора, кДж/кг;пв - энтальпия питательной воды на входе в парогенератор, кДж/кг;

hтпк - коэффициент удержания тепла в теплопередающем контуре. В расчет можно принять hтпк = 0,9..0,99.

Заметим, что в некоторых случаях схема рабочего контура может быть построена таким образом, что энтальпия питательной воды на выходе из последнего водоподогревателя (она определяется при выполнении расчета рабочего контура) не равна энтальпии питательной воды на входе в ПГ (именно эта величина входит в уравнение (23). Это может быть, например, в том случае, когда на выход из последнего ПВД насосом подается вода из какой-либо ветви рабочего контура. Hапример, в ПТУ с К-1000-60/3000 на выход из последнего ПВД с помощью КГТH подается конденсат греющего пара из пароперегревателя. В этом случае для уравнения (23) необходимо дополнительно определить значение iпв. Для определения значения iпв для точки смешения сред на выходе из последнего ПВД составляют дополнительное уравнение теплового баланса.

В итоге выполненных тепловых расчетов можно оценить значение КПД ЯЭУ брутто:

hЯЭУбрутто = Рг / Qяр, (24)

где Рг - заданная в расчет мощность генератора электроэнергии, кВт;яр - требующаяся для выработки электроэнергии тепловая мощность ядерного реактора, кВт (определяется по формуле (23)).

Обычно для ЯЭУ АЭС значение hЯЭУбрутто находится в пределах 30...33%.

а) турбоприводы насосов, если они предусмотрены;

б) систему теплофикации, обеспечивающую нужды зданий АЭС и близрасположенного жилого городка;

в) устройства собственных нужд АЭС;

г) утечки пара из рабочего контура.

Ниже рассмотрены рекомендации по определению расхода пара на указанные дополнительные потребители тепловой энергии.

. Определение расхода пара на турбопривод питательного насоса

Расход пара на турбопривод питательного насоса определяется мощностью насоса, которая составляет

пн = рпн ×Qпн / (hпн ×103), (25)

где рпн - давление питательного насоса, Па. Эта величина рассматривалась ранее;пн - объемная подача питательного насоса, м3/с;

hпн - КПД насоса. В последующем будут более детально рассмотрены факторы, влияющие на величину hпн. На настоящем этапе расчета можно приближенно принять hпн = 0,..0,85.

Значение Qпн определяется составляющими расходов рабочего тела в ветвях рабочего контура в соответствии с уравнениями материальных балансов. Заметим, что уравнения материальных балансов обычно составляют в массовых расходах G. Тогда объемная подача насоса может быть определена по выражению:пн = Gпн ×vпн, (26)

где Gпн - массовая подача насоса, кг/с;пн - удельный объем перекачиваемой жидкости, м3/кг. Эта величина определяется как функция давления и температуры перекачиваемой воды.

Можно принять, что мощность, потребляемая насосом, равна мощности турбопривода. Это справедливо для прямодействующего привода. Правда, в приводе питательного насоса обычно предусматривают механический редуктор на предвключенной части насоса. Но так как мощность предвключенной части насоса сравнительно невелика, то механическими потерями энергии на редукторе можно пренебречь. Тогда расход пара на привод питательного насоса можно определить следующим образом:

пн = Nпн / (H i тпн hм.тпн), (27)

где Nпн - мощность питательного насоса, кВт. Определяется зависимостью (25);

Н i тпн - внутренний теплоперепад турбопривода, кДж/кг. Эта величина определена при выборе параметров рабочего тела;

hм.тпн - механический КПД турбопривода. В расчет можно принять hм.тпн = 0,9

Иногда в составе рабочего контура предусматривают насосы с гидротурбинным приводом, получающим рабочую среду из напорного турбопривода питательного насоса. Например, в установке с турбоагрегатом К-1000-60/3000 в качестве конденсатного насоса СПП применен насосный агрегат КГТН-850-400 (центробежный одноступенчатый насос и радиально-осевая одноступенчатая гидротурбина). Отработавшая в гидротурбине силовая вода сбрасывается в деаэратор. Основные параметры агрегата:

подача насоса 850 м3/ч;

напор насоса 400 м вод.ст.;

расход воды на гидротурбину 700 м3/ч;

напор, срабатываемый на гидротурбине, 730 м вод.ст.;

частота вращения 5200 об/мин.

Если в схеме расчетного рабочего контура предусмотрен насос подобного типа, то необходимо оценить расход силовой воды на его привод, так как подача питательного насоса должна приниматься с учетом как основного потребителя питательной воды - парогенератора, так и дополнительного потребителя - гидропривода насоса.

Для определения расхода силовой воды на гидропривод необходимо оценить его мощность.

Мощность, развиваемая гидроприводом, может быть выражена так:

гп = Qгп ×Dргп ×hгп / 103 (28)

где Qгп - объемный расход силовой воды на гидропривод, м3/с;

Dргп - перепад давлений на гидроприводе (напор гидротурбины), Па;

hгп - КПД гидропривода.

Если принять, что мощность гидропривода равна мощности обслуживаемого им насоса, то объемный расход воды на гидропривод можно получить из формулы (28) в следующем виде:

гп = 103 ×Nцн / (Dргп ×hгп). (29)

Массовый расход воды на гидропривод

гп = Qгп / v, кг/с, (30)

где v - удельный объем силовой воды в точке ее отбора из напорного патрубка питательного насоса (функция давления и температуры воды на напоре ПН), м3/кг.

Мощность приводимого в действие насоса определяется по общей методике расчета параметров насоса - в зависимости от подачи, давления и КПД насоса.

Значение Dргп можно принять по прототипным данным. Если близких прототипных данных нет, то напор турбины можно оценить как разность давлений в напорном патрубке ПН и в точке сброса отработавшей силовой воды (обычно это деаэратор) за вычетом геодезической составляющей (разность высот точки сброса силовой воды и точки отбора воды от напорного патрубка ПН), а также за вычетом гидравлических сопротивлений трубопроводов силовой воды.

Для указанного выше агрегата КГТН, находящегося в составе ПТУ с турбоагрегатом К-1000-60/3000, геодезическая составляющая потери давления равна 25 м, гидравлические сопротивления трубопроводов воды - 270 м вод.ст.

Значение КПД гидропривода можно принять в пределах 0,75...0,80.

. Расчет параметров системы теплофикации

Для определения вклада теплофикации в тепловую нагрузку рабочего контура необходимо задать отопительную нагрузку, принять температурный режим системы, а также составить расчетную схему системы теплофикации с указанием ее подключения к рабочему контуру.

Системы теплофикации в двухконтурной и одноконтурной ЯЭУ имеют некоторые отличия. Рассмотрим систему теплофикации двухконтурной ЯЭУ.

Тепловую нагрузку системы теплофикации задают с учетом решаемых ею задач (теплоснабжение только АЭС или АЭС и ее жилого поселка), а также климатических условий региона, в котором расположена АЭС. Задаваемая тепловая нагрузка зависит также от количества блоков, входящих в состав АЭС, и от предполагаемого порядка их использования для нужд теплофикации. Для блоков АЭС с электрической мощностью в 1000 МВт тепловая нагрузка может задаваться в пределах от 80...100 Гкал/ч (93...116 МВт) до 200 Гкал/ч (232 МВт).