Слободчук В.И., Шелегов А.С., Лескин С.Т. Учебное пособие по курсу АЭС

Nэ

I

I I

I I I

τ, час

Рис. 3. Годовой график электрической нагрузки по продолжительности. I – пиковая нагрузка, I I – промежуточная нагрузка, I I I – базовая нагрузка.

2.2.2 Графики тепловых нагрузок

21

Существуют следующие типы тепловой нагрузки:

Промышленная тепловая нагрузка

Отопительная тепловая нагрузка

Горячее водоснабжение

Вентиляция

Наиболее равномерна в течение года промышленная тепловая нагрузка. Однако она меняется в течение суток в зависимости от характера загрузки предприятия. Например, для предприятия, работающего по двухсменному графику, суточный график тепловой нагрузки имеет следующий вид, рисунок 4.

Отопительная тепловая нагрузка существенно зависит от времени года, более того, и от температуры наружного воздуха, рисунок 5. Горячее водоснабжение практически мало зависит от времени года, но существенно зависит от дней недели и меняется в течение суток аналогично электрической коммунальнобытовой нагрузке. Суточные графики тепловой нагрузки используются для построения недельных графиков, недельные графики – для построения месячных графиков и все вместе служат основой для построения графика годовой тепловой нагрузки по продолжительности, рисунок 6.

22

Номинальная мощность электрогенератора – это наибольшая мощность, при которой генератор может работать длительное время в режимах, определенных техническими условиями.

Коэффициент использования установленной мощности (μуст) – это отношение

количества выработанной за год электрической энергии к тому количеству электрической энергии, которое могло бы быть выработано при годовой работе станции на установленной мощности.

где 8760 – число часов в календарном году, wуст – установленная мощность станции.

Годовое число часов использования установленной мощности (τуст) – это отношение реально выработанной за год электрической энергии к установленной мощности, т.е.

Из определения этих величин следует их взаимосвязь по формуле:

Вообще говоря, эти величины не являются универсальными. Очень существенно отличаются для станций, работающих в базовом и пиковом режиме.

Для станций, работающих в базовом режиме, величина μуст ≈ 0.75 ÷ 0.9 . Что касается τуст, то ее величина может быть оценена так:

3. Выбор начальных и конечных параметров термодинамического цикла, показатели тепловой экономичности.

24

3.1 Термодинамические циклы ЯЭУ. Основные параметры термодинамического цикла. Определение термического коэффициента полезного действия.

Итак, вспомним, что такое термодинамический цикл. Термодинамический цикл – это замкнутый круговой процесс, совершаемый рабочим телом в тепловой машине. Здесь тепловая машина – довольно широкое понятие, в нашем случае мы будем подразумевать цикл в рабочем контуре ЯЭУ. Из термодинамики известно, что идеальным циклом является цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Коэффициент полезного действия этого цикла является наибольшим для данного диапазона температуры. Использование в рабочем контуре ЯЭУ в качестве рабочего тела водяного пара представило принципиальную возможность реализации такого цикла в реальной установке. Однако практически это оказалось нереальным и нецелесообразным. Дело в том, что для реализации цикла Карно необходимо конденсировать в «холодном источнике» не весь пар, а только часть, сжимая в дальнейшем пароводяную смесь до начального давления, когда мы получим в конце процесса сжатия воду. Реально действующие установки очень плохо работают на влажном паре: низкий к.п.д., высокая эрозия. Поэтому пошли по другому пути: полностью конденсируется пар, а затем уже происходит сжатие конденсата. Для перекачки и сжатия конденсата могут быть использованы обычные насосы, к.п.д. которых выше, они наиболее надежно работают на однофазной жидкости. Таким образом, реальный цикл паросиловой установки (называемый циклом Ренкина) отличается от цикла Карно и имеет вид, показанный на рис.7.

Конечно же, здесь представлен идеализированный цикл Ренкина с адиабатным расширением пара и адиабатным сжатием воды насосом, цикл без регенерации и без промежуточного перегрева пара. Основные параметры цикла: начальное давление Р0; начальная температура Т0 рабочего тела; температура и давление промперегрева рабочего тела; конечное давление пара Рк; температура питательной воды Тп.в. (т.е. той воды, которая поступает в ПГ

25

или в реактор). Мы выделили в качестве основных параметров эти параметры, т.к. они влияют на эффективность цикла, т.е. на его к.п.д.. В дальнейшем мы будем рассматривать и другие параметры, которые будут влиять на к.п.д., например, степень регенерации, оптимальный регенеративный подогрев и т.д.. Ну и, наконец, о самом к.п.д. цикла, т.к. этот показатель характеризует тепловую экономичность АС в целом. Исходя из определения к.п.д., запишем его выражение:

где l – полезная работа цикла, а q0 – количество тепла, подведенного к рабочему телу в цикле.

Рисунок 7. Рабочий цикл паросиловой установки (идеальный цикл Ренкина)

Процессы, составляющие цикл Ренкина: 1 – 2 – адиабатическое расширение рабочего тела в турбине; 2 – 3 – полная конденсация пара в конденсаторе; 3 – 4

– сжатие жидкости насосом; 4-5-1 – подвод тепла к рабочему телу (по изобаре)

вПГ или в реакторе.

3.2Обоснование начальных параметров рабочего тела ЯЭУ с реакторами различных типов.

26

В основе оценки тепловой экономичности цикла лежит термодинамическая эффективность преобразования тепловой энергии, характеризуемая к.п.д. термодинамического цикла – термическим к.п.д. Реализуемые в ЯЭУ термодинамические циклы и начальные параметры рабочего тела в значительной мере зависят от конструкции и типа реактора и от теплофизических свойств используемого теплоносителя. Более того, параметры теплоносителя и рабочего тела ЯЭУ тесно взаимосвязаны и влияют не только на к.п.д., но и на удельные капитальные затраты, надежность, безопасность и удобство эксплуатации.

Выбор начальных параметров рабочего цикла начнем с анализа одноконтурных ЯЭУ. Таковыми у нас являются ЯЭУ с реакторами РБМК, а за рубежом – с реакторами корпусного типа, охлаждаемыми кипящей водой (BWR). Будем считать, что в рабочем контуре реализуется цикл Ренкина на насыщенном паре (рисунок 7). Характер зависимости к.п.д. такого цикла от начального давления пара (при фиксированном конечном давлении) показан на рисунке 8. Из рисунка 8 видно, что заметный рост к.п.д. наблюдается при повышении начального давления пара до 7,0 – 7,5 МПа. При дальнейшем увеличении начального давления прирост к.п.д. замедляется. При давлении 12 – 13 МПа к.п.д. достигает максимума (из рисунка 8 видно, что максимум пологий), а при дальнейшем увеличении начального давления наблюдается уменьшение к.п.д. цикла. С точки зрения тепловой эффективности, а также с учетом всех запасов (по предельной температуре оболочек твэлов, по запасу до кризиса теплообмена), начальное давление рабочего тела можно было бы выбрать в диапазоне 12 – 12,5 МПа. Однако при выборе начального давления пара необходимо учитывать и экономический фактор. Т.к. тепловая схема блока с реактором РБМК является одноконтурной, то начальные параметры рабочего тела фактически совпадают с параметрами теплоносителя. При этом, при повышении давления с 7 – 7,5 МПа до 12 – 12,5 МПа прирост к.п.д. будет незначительным, а металлоемкость оборудования возрастёт, а значит и капитальные затраты тоже возрастут. С другой стороны, увеличение массы

27

металла в активной зоне реактора приведет к увеличению поглощения нейтронов в конструкционных материалах. Для компенсации этого эффекта необходимо использовать топливо повышенного обогащения (стоимость топлива возрастает), что дополнительно увеличивает эксплуатационные затраты. Кроме этого, с ростом давления уменьшается критический тепловой поток, следовательно, надо уменьшать энергонапряженность активной зоны, а значит при фиксированной мощности реактора это приводит к росту размеров активной зоны. С учётом всех этих факторов для одноконтурных АЭС с водяным теплоносителем начальное давление рабочего тела принимается равным Р0 ≈ 7 МПа (Т0 = ТS(P0)).

Для АЭС с реактором типа ВВЭР выбор начальных параметров рабочего тела определяется следующими факторами. Во-первых, отметим, что тепловая схема энергоблока с реактором ВВЭР является двухконтурной. Выработка рабочего пара осуществляется в парогенераторе (ПГ) за счет передачи тепла от теплоносителя к рабочему телу. Характер изменения температуры теплоносителя и рабочего тела наглядно отражается на Т-Q – диаграмме, рисунок 9, которая показывает изменение температуры теплоносителя и рабочего тела в зависимости от передаваемого тепла.

Из T-Q диаграммы видно, что температура кипения ТS(P0), а следовательно и давление рабочего тела зависит от температуры теплоносителя на выходе из парогенератора ТВЫХ,ПГ и минимального температурного напора Тmin. В свою очередь, ТВЫХ,ПГ будет зависеть от ТА.З. = ТВХ,ПГ - ТВЫХ,ПГ. Мы можем принять величину Тmin очень маленькой, тогда получим повышенное давление и температуру рабочего тела, но для этого потребуется большая площадь теплообменной поверхности ПГ, т.е. надо учитывать уже и затраты на изготовление оборудования. С другой стороны, увеличение минимального температурного напора приведет к уменьшению площади теплообмена (снижение капитальных затрат), но уменьшается также и начальные параметры рабочего тела, а это приведет к снижению к.п.д. (Рисунок 7). Таким образом,

28

надо искать оптимальное сочетание этих факторов, а также учитывать величину подогрева теплоносителя в реакторе, т.е. проводить оптимизационные расчеты.

В реакторе ВВЭР обычно не допускают кипения теплоносителя, поэтому ТВХ,ПГ < ТS(P1), где Р1 – давление теплоносителя в первом контуре. Поскольку пары воды имеют высокое давление насыщения, то уже при достаточно умеренных температурах Т = 300÷3400С давление должно быть порядка 10÷16 МПа (критические параметры воды Ткр= 374.1 0С, Ркр= 22.1 МПа).

t

Рис. 8. Характер зависимости к.п.д. цикла Ренкина на насыщенном паре от начального давления рабочего тела.

Запас до кипения выбирается ≈ 20 -250С. При выборе максимальной температуры теплоносителя необходимо также учитывать и ограничения по максимальной рабочей температуре оболочек твэлов. В качестве материала оболочек твэлов в реакторах ВВЭР используется циркониевый сплав. Допустимая рабочая температура циркониевого сплава составляет порядка

29

3500С (при повышении температуры выше указанного значения заметно ухудшаются механические свойства циркониевого сплава). Кроме того, при более высоких давлениях заметно снижаются критические тепловые потоки, а следовательно, и допустимые удельные тепловыделения в активной зоне. Поэтому в настоящее время для реактора типа ВВЭР-1000 давление принято равным 16 МПа (температура насыщения при данном давлении равна ≈ 3470С). С учетом запаса до кипения температура теплоносителя на выходе из реактора составляет 320÷325 0С.

Подогрев ТА.З теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР-1000 – величина оптимизируемая. Мощность реактора QР-Р можно записать следующим образом:

где GТН – расход теплоносителя через реактор, СР – средняя теплоемкость теплоносителя в диапазоне температуры ТВХ,ПГ ÷ ТВЫХ,ПГ. При увеличении подогрева ТА.З уменьшается расход теплоносителя через реактор, т.е. уменьшается его скорость, а значит и гидравлическое сопротивление реактора. В результате уменьшаются затраты на прокачку. С другой стороны, это приводит к снижению температуры теплоносителя на выходе из парогенератора (т.е. на входе в активную зону) ТВЫХ,ПГ. При сохранении величины Тmin это приведет к снижению температуры насыщения пара, т.е. к снижению начального давления рабочего тела и к снижению к.п.д. цикла. При уменьшении величины подогрева теплоносителя в реакторе увеличиваются затраты на прокачку, но повышается к.п.д. цикла. В итоге оптимальная величина подогрева теплоносителя в реакторе ВВЭР-1000 принята ≈ 300С.

Выше было отмечено, что минимальный температурный напор в парогенераторе Тmin влияет и на к.п.д. цикла, и на площадь теплопередающей поверхности парогенератора. Оптимальное значение этой величины принято

30