Зорин В.М. Атомные электростанции

Глава 6

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ

АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Что такое атомная электростанция? Отвечая на этот вопрос, можно говорить о строительной части атомной электростанции, о ее архитектуре, о размещении производственных зданий и сооружений различного назначения на выделенной территории, о компоновке оборудования внутри отдельных помещений и т.д. Но, в первую очередь, отвечая на поставленный вопрос, имеем в виду, на основе каких устройств и процессов происходит выработка электроэнергии.

Проектирование атомной электростанции — это многоуровневый итерационный процесс, в котором принимает участие большое число организаций. Он включает в себя все названные аспекты, но среди них ключевая роль принадлежит проектированию тепловой схемы, в которой реализуется выбранный термодинамический цикл. Итогом проектирования является большое число документов, текстовых и графических, результатов расчетов и описаний, в совокупности создающих прообраз будущей электростанции.

Эффективность разработки любой части проекта зависит от многих факторов, среди которых особое значение имеют принятые подходы к этому сложному вопросу.

6.1. Основные определения

Основное назначение атомной электростанции (цель функционирования) заключается в производстве электрической энергии установленного качества и по заданному графику нагрузки.

Источник энергии на АЭС — теплота, получаемая в результате управляемой ядерной реакции. Электрическая энергия — итог преобразований и передач полученной тепловой энергии. Получение тепловой энергии, ее многочисленные передачи и преобразования составляют основной технологический процесс на электростанции.

Кроме него на АЭС организуются другие процессы, в частности, обеспечивающие:

•нормальное протекание основного технологического процесса в различных режимах, включая режимы пуска и останова;

•возможность работы при выходе из строя какого-либо элемента;

•безопасность персонала и населения в случае аварии.

71

Для осуществления всех процессов устанавливаются различные аппараты и механизмы.

Атомная электростанция — это единый комплекс разнородных элементов оборудования с происходящими в них разнообразными физическими и химическими процессами. Совокупность разнородных элементов превращается в единый комплекс, а разнообразные процессы оказываются подчиненными общей цели благодаря технологическим связям, объединяющим эти элементы. По связям от элемента к элементу передаются потоки теплоносителей или мощность того или иного вида.

Совокупность всего устанавливаемого или установленного оборудования со связями между отдельными его элементами образует технологическую схему электростанции. А поскольку основными в ней являются процессы передачи и преобразования теплоты, то ее называют тепловой схемой. Анализируя тепловую схему, можно ответить на вопрос, каким образом функционирует данная электростанция, как она выполняет свое основное предназначение — вырабатывает электрическую энергию, потребляя ядерное горючее, каким образом включено оборудование в технологический процесс.

Таким образом, тепловая схема — это, во-первых, реально существующая технологическая схема получения, передач и преобразований тепловой энергии. Во-вторых, тепловая схема — это графический документ, выполненный в соответствии с установленными требованиями (в отношении ее содержания, условных обозначений элементов, связей и т.п. [7, разд. 3]). Этот документ отражает совокупность оборудования атомной электростанции с технологическими связями между элементами оборудования и с некоторыми внешними системами.

Тепловые схемы как графический документ подразделяют на принципиальные и полные (развернутые).

Принципиальная тепловая схема отражает существо технологического процесса. Системы электростанции, играющие вспомогательные роли, в такие схемы не включают. Сюда можно отнести системы расхолаживания и аварийного охлаждения реактора, борного регулирования, охлаждения стержней системы управления и защиты (СУЗ), системы уплотнений насосов — главного циркуляционного в первом контуре, питательного и других, системы газоохлаждения электрогенератора, маслоохлаждения и т.п. Параллельно включенное однотипное оборудование (насосы, теплообменники) на принципиальных схемах изображают один раз. Трубопроводы изображают одной линией независимо от числа параллельных потоков. Арматуру на таких схемах не показывают, за исключением важнейшей и той, без которой затруднено понимание технологических процессов.

72

Исследования атомных электростанций в значительной части посвящены разработке и обоснованию принципиальных тепловых схем. С принципиальной тепловой схемы начинается проектирование электростанции.

Развернутая тепловая схема отражает полный состав оборудования и связей, участвующих в технологическом процессе. Здесь указываются все параллельно устанавливаемое и резервное оборудование, все разветвления трубопроводов, арматура, включая предохранительные клапаны, и др. В такую схему также войдет все оборудование, связанное с контурами теплоносителей и рабочего тела, которое может оказывать влияние на их расходы и параметры в любых режимах работы, в том числе аварийных. Развернутые тепловые схемы — обязательный итог проектирования электростанции и необходимый документ при организации ее эксплуатации. В исследованиях такие схемы могут использоваться в целях совершенствования взаимосвязей основных и вспомогательных систем.

В качестве примера на рис. 6.1 приведена упрощенная тепловая схема атомной электростанции. Кроме оборудования основного технологического процесса в нее включены некоторые системы, выполняющие вспомогательные функции. Какое основное оборудование показано на рисунке, ясно из подрисуночной подписи. Здесь не ставится задача раскрыть назначение каждого элемента тепловой схемы и ее технологические особенности. В то же время рисунок дает наглядное представление о совокупности оборудования и связях между его элементами, составляющих тепловую схему.

Спроектировать тепловую схему означает дать ответы, по крайней мере, на следующие вопросы:

•какова будет ее структура, т.е. какие элементы оборудования и

вкаком количестве будут участвовать в технологическом процессе, каким образом будут связаны между собой;

•каковы будут значения многочисленных управляемых параметров, которые не определяются внешними условиями, но от которых зависят как характеристики элементов оборудования, так и техникоэкономические показатели электростанции (здесь имеются в виду числовые параметры, хотя к управляемым относятся также и структурные параметры);

•каковы будут технико-экономические показатели тепловой схемы;

•каковы будут условия работы каждого элемента оборудования, т.е. на какие параметры следует его проектировать (конструировать).

Условия работы элементов оборудования в тепловой схеме определяются значениями параметров теплоносителей или рабочего тела на входе и выходе. Иначе говоря, для ответа на последний вопрос

73

Рис. 6.1. Тепловая схема атомной электростанции с реактором типа ВВЭР:

ЯР — ядерный реактор; КД — компенсатор давления; ПГ — парогенератор; БЗОК — быстродействующий запорно-отсечной клапан; ИПУ — импульсно-предохранительное устройство; Б — бак-барботер; ДБР — деаэратор борного регулирования; ДПр — деаэратор продувки; ГЕ САОЗ — гидроемкости системы аварийного охлаждения активной зоны реактора; СГО — спецгазоочистка; НАПП — насосный агрегат системы продувки-подпитки; СВО2 — спецводоочистка продувки первого контура; СВО5 — спецводоочистка продувки парогенераторов; БРУ-А, БРУ-СН — быстродействующие редукционные установки с подачей пара в атмосферу и на собственные нужды электростанции; Р — расширитель; ГПЗ — главная паровая задвижка; Кл — стопорно-регулирующий клапан; ЦВД — цилиндр высокого давления турбины; С — сепаратор; СС — сепаратосборник; ПП — промежуточный пароперегреватель; КС — конденсатосборник; ЦНД — цилиндр низкого давления турбины; ЭГ — электрогенератор; НС — насос сепарата; НК — конденсатный насос промпароперегревателя; П1, П2 — подогреватели высокого давления; Д (П3) — деаэратор питательной воды; ПН — питательный насос; ТП — турбопривод питательного насоса; П4—П6 — подогреватели низкого давления поверхностного типа; П7, П8 — подогреватели низкого давления смешивающего типа; ДН — дренажный насос; КН1, КН2 — конденсатные насосы первого и второго подъемов; К — конденсатор пара турбины; БОУ — блочная обессоливающая установка; КЭУ — конденсатор пара эжектора уплотнений; ОЭ, ЭУ — водоструйные эжекторы (основной и уплотнений турбины); СН — сетевой насос; Т1—Т3 — подогреватели теплофикационной установки; НЦС — насос циркуляционной системы; НДВ — насос добавочной воды; ВПУ — водоподготовительная установка

требуется расчет тепловой схемы, который невозможен без ответов на первые.

Для ответов на первые два вопроса применяются два метода: «волевой» и на основе анализа результатов оптимизационных расчетов.

Первый из названных методов заключается в том, что «лицо», принимающее решение, берет на себя за него ответственность, руководствуясь известными ему критериями и ограничениями. Приведем пример, описанный в книге «История атомной энергетики Совет-

ского Союза и России»*, приоткрывающий «технологию» принятия решений по некоторым параметрам. В нем речь пойдет, правда, не о параметре тепловой системы как таковом, а о конструкционном материале для корпуса реактора ВВЭР-1000, от которого зависит как сама возможность изготовления корпуса, так и стоимость основного элемента оборудования АЭС. В то же время от конструкционного материала зависит такой параметр тепловой схемы, как максимальная температура теплоносителя.

«… требовалась сталь более высокой прочности, чем для ВВЭР440. ЦНИИ КМ «Прометей» и ЦНИИТмаш предложили свои варианты, отличающиеся по легированию хромом и никелем. Обсуждение их предложений на НТС Министерства под председательством Анатолия Петровича Александрова не привело к принятию решения из-за упорства каждой стороны. Тогда А.П. предложил создать комиссию для обсуждения этого вопроса под председательством академика Н.П. Мельникова… Эта комиссия дважды собиралась, но не смогла придти к определению: какую же марку стали для ВВЭР-1000 следует принять. А.П. волевым способом предложил марку стали, изменив уровень легирования по хрому и никелю. Эта марка стали, предложенная А.П., имеет вид 15Х2НМФА-А для обечаек района активной зоны, а для остальных обечаек корпуса — 15Х2НМФА…

Таким образом, основным разработчиком стали для корпуса реактора ВВЭР-440, как наилучшей стали среди всех известных марок в мире, является ЦНИИ КМ «Прометей», а для ВВЭР-1000 следует автором считать и А.П. Александрова.»

Из примера, в частности, следует, что имеется значительное число параметров, которые выбираются при конструировании элементов оборудования (виды конструкционных материалов, технологии изготовления, способы транспортирования и др.) и могут влиять на технологический процесс, изменять функциональные свойства электростанции, ее технико-экономические показатели. Большое число параметров должно быть обоснованно выбрано и при проектировании тепловой схемы.

* Под ред. В.А. Сидоренко. М.: ИздАТ, 2002. Вып. 2.

75

Наиболее объективным обоснованием могли бы быть решения, полученные с помощью оптимизационных расчетов. Критериями таких решений должны быть наилучшие функциональные свойства атомной электростанции — экономичность и надежность. Однако на этом пути возникают проблемы:

•из-за недостаточной изученности вопроса невозможно в ряде случаев в математической форме записать критерий оптимальности (например, для свойства надежности);

•решение по критерию наилучшей экономичности может оказаться неудовлетворительным из-за несовершенства системы цен (из-за дефицита какого-либо материала ввиду заниженной цены на него, а в случае завышенной цены, например на металл, может потерять смысл само понятие тепловой экономичности);

•методы многокритериальной оптимизации разработаны в недостаточной мере, а сведение задачи к единому экономическому критерию часто невозможно из-за отсутствия необходимых данных.

Тем не менее оптимизация на основе критерия наилучшей экономичности (экономическая оптимизация) занимает заметное место в исследованиях, связанных с выбором управляемых параметров тепловой схемы.

6.2. Системный подход

Атомная электростанция является сложным техническим объектом. Его сложность определяется:

•многочисленностью и разнообразием устанавливаемого оборудования;

•многочисленностью и разнообразием протекающих в оборудовании процессов;

•взаимовлиянием многочисленных параметров.

Следствием является невозможность аналитически или экспериментально установить зависимость функциональных свойств атомной электростанции от изменяемых (управляемых) параметров.

Изложенное определяет, в свою очередь, сложность задач проектирования, исследования и изучения атомной электростанции. Обычно сложности преодолеваются на основе системного подхода.

Существовавший ранее подход к исследованию (или анализу, изучению) сложного технического объекта получил название традиционного. Современной методологией исследований сложных технических объектов является системный подход. Основные отличия

76

системного подхода от традиционного метода исследования заключаются в следующем:

•при традиционном методе предполагается, что исследуемый объект можно выделить и изучать изолированно от окружающей среды (природной и производственной). Цель системного подхода — найти наилучшие пути приспособления системы к постоянно меняющимся и не вполне определенным внешним условиям. Таким образом объект изучается именно во взаимодействии с окружающей средой с учетом всех его внешних связей;

•при традиционном методе сложный объект как бы разлагается на ряд составляющих его частей и эти части исследуются независимо друг от друга. Основная цель системного подхода — раскрытие реального механизма функционирования исследуемого объекта, включая механизм взаимодействия его частей.

Системный подход рассматривает объект как систему. Система — греческое слово, означающее соединение или целое, составленное из частей.

Основные определения системного подхода:

•система — это множество предметов вместе со связями между ними и между их свойствами;

•предметы — это части, компоненты или элементы системы. Связи объединяют предметы в единое целое. Именно наличие многих видов связей (причинных, иначе — функциональных, логических, случайных и др.) делает понятие системы полезным. Наличие связей между предметами системы означает, что любое изменение одной части системы вызывает изменения в других ее частях;

•окружение для любой системы — это множество всех предметов вне системы, таких, что изменение их свойств влияет на систему,

аповедение системы, в свою очередь, изменяет свойства предметов окружения, т.е. между системой и окружением также имеются связи.

Важные следствия приведенных определений:

•первое — какую из возможных конфигураций предметов принять за систему, во многом зависит от исследователя;

•второе — всякая система допускает дальнейшее разбиение на подсистемы.

Определение границ исследуемой системы — одна из основных операций системного подхода, базирующаяся на первом следствии. В систему включают конечное число предметов, которое необходимо для ее функционирования и обеспечивает достижение поставленной цели. Для исследователя здесь важен не только вопрос о границах системы, но и вопрос о границах ее компонент. Важной операцией системного подхода также является определение всех взаимодействий системы с окружением. По входящим связям система получает воздействие от окружающей среды, а по выходящим система воздействует на окружение.

77

Совокупность любым способом выделенных реальных или воображаемых предметов будет системой, если выполняются следующие условия:

1)заданы связи между предметами;

2)каждый предмет внутри системы считается неделимым;

3)с окружением система взаимодействует как единое целое;

4)при количественном или качественном изменении во времени совокупности предметов системы сохраняется однозначность связей между ними, хотя эта однозначность может быть иной, чем до изменения. Однозначность связей, как правило, определяется их параметрами, задаваемыми или рассчитываемыми.

Второе следствие есть формулировка свойства иерархической упорядоченности систем: части (предметы) системы сами могут рассматриваться как системы более низкого уровня со своими вполне определенными функциями. Важность этого следствия заключается в том, что исходную систему сначала можно рассматривать (изучать) как состоящую из ограниченного числа крупных предметов или компонент. Затем можно изучать каждую компоненту, выделив в ней ее существенные составляющие. Каждая из составляющих частей компоненты исходной системы, в свою очередь, может рассматриваться как система. Говорят об изучении системы на разных иерархических уровнях: на каждом последующем уровне может изучаться какая-то часть исходной системы, но все с большей степенью детализации.

Конкретизируем изложенное для тепловой схемы атомной электростанции.

Исходной системой (системой I иерархического уровня) является тепловая схема всей атомной электростанции, состоящая из небольшого числа крупных компонент. Такими компонентами (частями) естественно рассматривать основные технологические установки АЭС. На атомной электростанции, как правило, используется паротурбинный цикл преобразования энергии. Поэтому основные технологические установки следующие: паропроизводительная установка (ППУ или реакторная установка — РУ), паротурбинная установка (ПТУ) и низкопотенциальная часть электростанции (НПЧ), реализующая отвод теплоты в окружающую среду (рис. 6.2).

На II уровне рассматриваются основные технологические установки, состоящие из объединений или групп элементов оборудования, которые выполняют определенные технологические функции (примером такого объединения может быть система регенерации теплоты — часть ПТУ).

На III уровне при изучении технологических объединений в качестве компонент будут фигурировать элементы оборудования.

78

Рис. 6.2. Схема атомной электростанции для I иерархического уровня иссле-

дований

И, наконец, на IV уровне изучаются сами элементы оборудования, проводится их проектирование (конструирование).

Таким образом, если на первых трех уровнях объектом рассмотрения (исследования, проектирования) являются тепловые схемы, то на IV уровне — конструктивные схемы и конструкции элементов оборудования.

Задача проектирования атомной электростанции возникает не на пустом месте. Ей, как правило, предшествуют обстоятельный анализ топливно-энергетического комплекса страны, разработка и оптимизация планов его развития на некоторую перспективу.

Топливно-энергетический комплекс, как следует из названия, обеспечивает хозяйство страны топливом и энергией (прежде всего электрической и тепловой). Одной из составляющих топливно-энер- гетического комплекса является ядерная энергетика.

При оптимизации развития топливно-энергетического комплекса решаются, в частности, следующие задачи:

•прогнозируются мощности составных частей ТЭК (отраслей промышленности, в него входящих, в том числе ядерной энергетики), достаточные для удовлетворения потребностей страны в топливе и энергии при минимальных затратах на ТЭК и минимальном воздействии на экологию;

•устанавливаются суммарные мощности атомных станций (АС: АЭС, АТЭЦ, АСТ), совокупная добыча и обогащение топлива, чтобы ядерная энергетика могла обеспечить планируемую для нее выработку электрической и тепловой энергии;

•обосновываются типы атомных электростанций, суммарная электрическая мощность для которых определена, а также мощности, место и время ввода в эксплуатацию каждой станции каждого типа;

•для каждой атомной электростанции определяются возможные поставщики машиностроительной продукции, топливных изделий,

79

предприятия, которые будут перерабатывать отработавшее ядерное топливо или обеспечивать его хранение, и др. Другими словами, определяются характеристики всех внешних связей атомной электростанции.

Из перечисленных задач можно сделать вывод, что топливно-энер- гетический комплекс строится из отдельных предприятий так же, как атомная электростанция — из отдельных элементов оборудования.

Таким образом, к началу проектирования конкретной атомной электростанции известны (заданы) следующие основные ее характеристики:

•тип АЭС и ее мощность;

•типы и мощности основных элементов оборудования (прежде всего реактора, турбины), число блоков;

•район сооружения АЭС и природные условия этого района. Процесс проектирования атомной электростанции — итерацион-

ный с неоднократными переходами с одного иерархического уровня на другой.

6.3. Структура основных технологических установок

Системный подход и, в частности, важные следствия из основных определений — неоднозначность границ системы и свойство иерархической упорядочности систем — позволяют рациональным образом организовать изучение, исследование и проектирование атомной электростанции — сложного технического объекта.

Тепловая схема атомной электростанции в этом случае рассматривается на разных иерархических уровнях, все с большей детализацией. На каждом уровне основные вопросы изучения, исследования или проектирования следующие:

•из каких компонент (частей) состоит система и каким образом компоненты связаны между собой, т.е. какова структура системы;

•какими должны быть параметры в связях между компонентами. Перечень элементов оборудования (в общем случае — компонент

системы) и способы их соединения называют структурными параметрами схемы (системы). Очевидно, что от их выбора зависит организация технологического процесса. Какими будут эти параметры, каковы будут состав и связи в тепловой схеме, в значительной мере зависит от исследователя или проектировщика.

Основными технологическими установками АЭС, как уже было отмечено, являются: паропроизводительная и паротурбинная установки, низкопотенциальная часть электростанции.

Назначение паропроизводительной установки — выработка теплоты на основе управляемой реакции деления в ядерном реакторе,

80