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

порядка 10÷150С. Это означает, что в на АЭС с ВВЭР-1000 можно получить насыщенный пар при Р2= 6,1 – 6,5 МПа.

Теперь встает вопрос, а какой пар использовать лучше: перегретый или насыщенный. Если перегретый и насыщенный пар имеют одну и ту же начальную температуру, то термический к.п.д. цикла будет выше на насыщенном паре, правда условия работы турбины будут лучше при использовании перегретого пара. Однако слабо перегретый пар все равно не позволяет решить проблему предельно допустимой влажности на последних ступенях турбины. В процессе расширения в турбине все равно его приходится осушать и перегревать. Поэтому реально используют насыщенный пар.

Т

ТВХ,ПГ

ТА.З.. ( ТПГ)

ТВЫХ,ПГ

ТПВ

QПГ Q

Рисунок 9. T-Q диаграмма парогенератора блока с реактором типа ВВЭР.

Технологическая схема блока с реакторами, охлаждаемыми жидким натрием, трехконтурная. Необходимость введения промежуточного контура обусловлена использованием натрия в качестве теплоносителя. Во-первых, натрий сильно активируется при прохождении через активную зону реактора. Во-вторых, натрий химически агрессивен по отношению к воде и водяному пару. Чтобы исключить контакт радиоактивного натрия с водой и водяным паром вводится промежуточный контур, теплоносителем в котором является натрий, но только

31

нерадиоактивный. Таким образом, тепло, отводимое от активной зоны натрием первого контура, передается в промежуточном теплообменнике натрию второго контура, а от натрия второго контура в парогенераторе тепло уже передается рабочему телу. На рисунке 10 представлены Т-Q – диаграммы промежуточного теплообменника и парогенератора.

Рис. 10. Т-Q – диаграмма промежуточного теплообменника а) и парогенератора б) блока с реактором, охлаждаемым жидким натрием.

Из рисунка 10 видно, что начальная температура пара Т0 зависит от температуры натрия второго контура на выходе из промежуточного теплообменника Т2ВЫХ и минимального температурного напора Тmin в пароперегревателе парогенератора. Величина Тmin выбирается такой же как и в парогенераторе блока с реактором ВВЭР-1000, т.е. 10÷150С. В свою очередь, температура Т2ВЫХ зависит от максимальной температуры натрия первого контура Т1ВХ и температурного напора в промежуточном теплообменникеТПТО. Максимальная температура натрия первого контура определяется допустимой рабочей температурой материала оболочки твэлов. В реакторах на

32

быстрых нейтронах для изготовления оболочек твэлов используется нержавеющая сталь с рабочей температурой до ≈ 6000С. Поэтому температура Т1ВХ может достигать 550÷5700С. Температурный напор в промежуточном теплообменнике принимается равным 25÷350С. Поэтому температура натрия на входе в парогенератор может достигать значений 525÷5300С, а температура острого пара - 510÷5150С. При такой температуре пара его давление может быть выбрано в широком диапазоне значений, вплоть до сверхкритических величин. Например, для блока с реактором БН-600 начальная температура пара выбрана равной 5050С при давлении 13,7 МПа (140 ата). Что касается давления теплоносителя в реакторе, то оно невелико, как правило, не превышает 1 МПа.

Таким образом, для наиболее распространенных АЭС паротурбинные установки работают на насыщенном паре средних параметров, а к.п.д. таких циклов ~ в 1,5 раза ниже, чем для современных ТЭС, за исключением рабочих циклов АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.

3.3 Выбор и обоснование конечных параметров рабочего тела.

При неизменных начальных параметрах рабочего тела тепловая экономичность паротурбинной установки может быть увеличена за счет снижения конечного давления пара. Чем ниже конечное давление пара, тем большую работу он совершает в турбине. Добиваясь расширения пара в турбине до давления, ниже атмосферного, можно увеличить теплоперепад на 20-25%. Поэтому желательно иметь давление пара на выхлопе турбины как можно более низким. Однако при снижении конечного давления пара мы сталкиваемся с рядом проблем. Следует напомнить, что турбины АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК работают на влажном паре. В процессе расширения пара в турбине его влажность непрерывно увеличивается и в конце процесса расширения достигает неприемлемо высоких значений. Наличие влаги в потоке приводит к увеличению коррозионного и эрозионного износа лопаток, снижает внутренний к.п.д турбины. Технически данная проблема решается путем

33

сепарации пара в специальных сепарационных устройствах. Далее. При снижении давления пара происходит увеличение его удельного объема. Чтобы скорость пара оставалась в пределах допустимых значений, необходимо увеличивать проходное сечение, т.е. увеличивать длину лопаток турбины. Предельная длина лопаток ограничена прочностными характеристиками материала. Чтобы длина лопаток не превышала предельных значений, необходимо исходный поток пара после цилиндра высокого давления разделять на несколько потоков, т.е. увеличивается общее число цилиндров турбины, увеличивается ее длина, а следовательно, металлоемкость стоимость.

Конденсация пара в конденсаторе турбины происходит за счет передачи теплоты конденсации циркуляционной охлаждающей воде. Температура конденсации не может быть ниже температуры охлаждающей воды. В свою очередь, температура охлаждающей воды на входе в конденсатор зависит от типа системы технического водоснабжения, местоположения станции, времени года, изменяясь от 2-100С зимой до 15-300С летом. Если принять нагрев охлаждающей циркуляционной воды в конденсаторе ~100С, то выходная температура воды из конденсатора может достигать 25-400С. Поэтому конечное давление в конденсаторе турбин АЭС составляет Рк= 0,004÷0,006 МПа, а для турбин ТЭС Рк= 0,0035 – 0,005 МПа.

3.4. Показатели тепловой экономичности АС. Коэффициенты полезного действия, удельные расходы тепла и пара.

Тепловая экономичность АЭС и её основных элементов характеризуется значениями к.п.д. и удельных расходов теплоты и пара. Рассмотрим показатели тепловой экономичности АЭС с циклом Ренкина в рабочем контуре.

Рассмотрение процессов в деталях будем проводить в h-s-диаграмме, причем всё будем относить к 1кг пара. В цикле без регенерации всё тепло к рабочему телу подводится в ПГ (реакторе), это процесс 4-5-1, рисунок 7.

34

Пар в турбине расширяется от начального давления Р0 до давления в конденсаторе Pк. Как происходит этот процесс? Рассмотрим его подробнее в h- s-диаграмме, рисунок 11.

Процесс перехода от Р0 к Р01 связанa с процессом дросселирования в блоке стопорно-регулирующий клапан турбины. Эти потери характеризуются величиной h0 – h01. Степень совершенства этого блока характеризуется следующим к.п.д.

Но в действительности процесс расширения пара реализуется не по адиабате. Введем в рассмотрение некоторые определения.

Количество теплоты, подводимое к турбоустановке одним килограммом

35

Рис. 11. Расширение рабочего тела в турбине (к определению к.п.д.)

- удельный располагаемый теплоперепад (или адиабатный теплоперепад, или удельная располагаемая внутренняя работа турбины, a ).

Итак, реальный процесс – это не h0-a, и даже не h01-b, а h01-c. Точка d смещена по отношению к точке с из-за, так называемых, потерь с выходной скоростью.

Термический к.п.д. цикла – это величина t :

Совершенство проточной части турбоустановки характеризуется величиной

T :

Потери с выходной скоростью характеризуются своим к.п.д.

Внутренний относительный к.п.д. турбины 0i - это отношение

Относительный эффективный к.п.д. турбины:

36

Относительный электрический к.п.д. ТУ

где э - удельная энергия, снимаемая с шин электрогенератора,

Если же говорить о к.п.д. станции, то надо учесть также и потери в реакторе, ПГ, трубопроводах и т.д., то есть

Это, так называемый, к.п.д. АЭС брутто, т.е. без учета затрат электрической энергии на собственные нужды. Если учитывать расход электрической энергии на собственные нужды, то абсолютный электрический к.п.д. нетто турбоустановки запишется следующим образом:

где с.н. - удельный расход энергии на собственные нужды. Для АЭС к.п.д. нетто записывается так:

37

Так как за счет работы пара, идущего тепловому потребителю, врабатывается некоторое количество электроэнергии WЭ.ТП, то для оценки эффективности работы АТЭЦ рассматривается дополнительно показатель - удельная выработка

выгоднее применять комбинированное производство тепла и электроэнергии. Кроме этого, для характеристики АТЭЦ вводится еще один коэффициент –

коэффициент недовыработки электроэнергии паром отбора. Смысл этого коэффициента станет более понятным из следующего примера. Сравним работу двух турбоустановок одинаковой электрической мощности Nэ: конденсационной (К), предназначенной только для выработки электроэнергии, и теплофикационной (ТК), предназначенной для выработки электроэнергии и отпуска тепла потребителю. Пар, поступающий на теплофикационную турбину, не весь попадает затем в конденсатор. Часть его с энтальпией hП отбирается тепловому потребителю. На турбоустановку типа К расход пара можно оценить так:

где h0 и hК – энтальпия пара перед турбиной и после нее, соответственно, М ,Г - к.п.д., учитывающие механические потери и потери в генераторе.

При наличии расхода GП на тепловой потребитель при неизменном расходе на ТУ выработанная электроэнергия уменьшится на величину NЭ:

Для того чтобы все же получить ту самую мощность NЭ, надо на турбину типа ТК увеличить расход пара на величину G :

39

электроэнергии паром отбора. Эта величина удобна при расчете некоторых параметров. Например, для турбины типа ТК расход пара в конденсатор будет следующим:

Уменьшение расхода пара в конденсатор, а следовательно, и уменьшение потерь тепла в конденсаторе, при наличии теплофикационного отбора будет следующим:

Таким образом, налицо повышение экономичности работы станции при наличии теплофикационного отбора.

4. Регенеративный подогрев питательной воды.

4.1 Термодинамические основы регенерации тепла. Энергетический коэффициент.

Подогрев питательной воды за счет теплоты частично отработавшего в турбине пара называется регенеративным подогревом питательной воды. Технически такой процесс осуществляется следующим образом. В процессе расширения пара

40