Белозеров В.И. Учебное пособие по курсу Техническая термодинамика (исправлено)

ственно не контактирующих между собой теплоносителей. В такой схеме теплоноситель из ядерного реактора поступает в парогенератор, где отдает теплоту рабочему агенту второго контура, а из него насосом вновь возвращается в реактор. Рабочее тело второго контура (как правило, водяной пар) совершает работу в турбине, затем проходит конденсатор и насосом возвращается в парогенератор. Принципиальная схема с реактором типа ВВЭР-1500 (проект 448) приведена на рис. 14.8.3. Принципиальная схема двухконтурной ЯЭУ приведена на рис. 14.8.4.

Трехконтурные ядерные энергетические установки. Трехконтурная тепловая схема осуществляется в тех случаях, когда в качестве теплоносителя применяются жидкие металлы. При этом полностью исключается возможность проникновения водяных паров и воздуха в циркуляционный контур с повышенной радиацией. Тепловая мощность реактора может изменяться в широких пределах. Этот диапазон значительно больше, чем в обычных котельных установках. Общий вид перспективного реактора с жидкометаллическим теплоносителем БРЕСТ-ОД0-300 (быстрый реактор со свинцо-

Парогенератор

Реактор

Емкость СБВБ

Рис. 14.8.3. Гидравлическая схема первого контура реактора ВВЭР-1500

231

Рис. 14.8.4. Принципиальная схема двухконтурной ЯЭУ:

1 – реакторная установка; 2 – парогенератор; 3 – турбина; 4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – конденсатный насос (КН); 7 – теплообменник;

8 – питательный насос (ПН); 9 – главный циркуляционный насос (ГЦН)

Рис. 14.8.5. Общий вид ЯЭУ БРЕСТ-ОД-300 с жидкометаллическим теплоносителем эвтектика свинец-висмут: 1 – насос; 2 – корпус; 3 – теплоизоляция; 4 – СУЗ; 5 – активная зона; 6 – опорные стояки; 7 – разделительная обечайка; 8 – хранилище ТВС; 9 – парогенератор; 10 – бетонная шахта; 11 – поворотные пробки;

12 – аварийный сброс паровой смеси; 13 – перегрузочная машина; 14 – опоры

232

4

"

6

$

11 10

9 8 7

Рис. 14.8.6. Принципиальная схема трехконтурной ЯЭУ:

1 – реакторная установка; 2 – теплообменник второго контура; 3 – парогенератор; 4 – турбина; 5 – электрогенератор; 6 – конденсатор;

7 – конденсатный насос (КН); 8 – теплообменник; 9 – питательный насос (ПН); 10 – насос второго контура; 11 – главный циркуляционный насос (ГЦН)

вым теплоносителем – образцовый демонстрационный с электрической мощностью 300 МВт) приведен на рис. 14.8.5. Принципиальная схема трехконтурной ЯЭУ показана на рис. 14.8.6.

14.8.2. Пути увеличения к.п.д. ЯЭУ. Установки на сверхкритических параметрах

Известный недостаток энергоблоков на основе двухконтурных реакторных установок ВВЭР – низкий к.п.д. Путей радикального повышения эффективности использования «атомного тепла» два: использование ВВЭР в схемах с комбинированной выработкой электроэнергии и теплоты и существенное повышение к.п.д. термодинамического цикла, особенно для энергоблоков, работающих в конденсационном режиме.

Для увеличения термодинамического к.п.д. цикла необходимо значительно повысить среднюю температуру подвода теплоты к рабочему теплу. Используя двухконтурную схему ВВЭР, добиться выполнения этого требования сложнее, чем при одноконтурной схеме ЯЭУ. В связи с этим в России и за рубежом приступили к изуче- нию одноконтурных ЯЭУ с реакторами ВВЭР на закритических параметрах теплоносителя.

Упрощает переход на закритические параметры теплоносителя в ядерной энергетике возможность частичного использования тур-

233

бинного оборудования, разработанного и освоенного в теплоэнергетике на органическом топливе, где применяются термодинамические циклы с вторичным перегревом пара за счет первичного теплоисточника – парогенератора.

Для энергоблока с ВВЭР-1000 к.п.д. идеального термодинами- ческого цикла составляет 44,5% (при давлении сухого насыщенного пара 6 МПа, температуре питательной воды 220°С, давлении в конденсаторе 0.004 МПа). Чтобы увеличить температуру подвода теплоты во втором контуре хотя бы на 30–50°С, необходимо повышение давления в первом контуре до критического и закритического

уровней.

Применительно к закритическим параметрам острого пара к рассмотрению можно принять следующие сочетания параметров: давление 24, 27 и 30 МПа, температура исходного перегретого пара 500, 580 и 650°С, при всех сочетаниях давления и температуры острого пара температура питательной воды 280°С, давление в конденсаторе турбины 0,004 МПа (см. табл. 14.8.1). Сравнение показывает, что переход на закритические параметры позволит повысить экономич- ность энергоблоков с ВВЭР за счет к.п.д. термодинамических цик-

лов не менее, чем на 21%.

При цикле насыщенного пара расширение пара в турбине возможно либо полностью во влажной области, либо в значительной ее ча- сти. Влажность пара ухудшает с точки зрения термодинамической обратимости процесс расширения пара в турбине (снижает внутрен-

ний относительный к.п.д. процесса в турбине Κ äî 0,7–0,75 è ñîîò-

0i

ветственно к.п.д. реального термодинамического цикла Κ = Κ Κ ).

i t 0i

Таблица 14.8.1

Расчетный к.п.д. идеальных газов

234

Для уменьшения влажности пара в проточной части турбин используется либо промежуточная сепарация влаги из работающего пара, либо сепарация влаги и последующий промежуточный перегрев осушенного пара за счет пара отбора и острого пара. Переход на циклы с перегревом пара существенно повышает внутренний к.п.д. турбин

в области перегретого пара до h = 0,9. Это обстоятельство содер-

0i

жит в себе резерв повышения h в связи с тем, что при принятых со-

i

четаниях параметров острого пара область расширения пара в месте его перегрева может стать основной (включая вторичный перегрев за счет пара отбора и острого пара).

Если рассматривать процессы расширения пара в турбине на hSдиаграмме для перечисленных сочетаний параметров острого пара (P = 24 МПа, t = 500°С; 24 МПа, 580°С и 24 МПа, 650°С), то только

00

при последнем сочетании параметров возможно расширение пара в турбине без необходимости его вывода из турбины для устранения влажности (влажность в конце процесса расширения 12–13%). При сочетании параметров острого пара 24 МПа, 500 °С процесс расширения пара в турбине кривой насыщения х = 1 достигает при 2,8– 3 МПа (исходные параметры острого пара для турбин блока с ВВЭР210). Дальнейшая часть процесса может быть реализована в двух вариантах. Первый вариант – пар расширяется в турбине до давления 0.3 МПа и влажности 10%, далее он выводится в промежуточ- ный сепаратор влаги, влажность снижается до 1%. Осушенный пар подается в турбину для дальнейшего расширения (конечные параметры пара – давление в конденсаторе 0,004 МПа, влажность 11,5– 12%). Второй вариант – пар расширяется в турбине, например, до 1,3–1,5 МПа и влажности 4–5%, далее выводится в промежуточный сепаратор влаги и вторичный пароперегреватель, вторичный перегрев пара осуществляется за счет пара отбора из турбины и острого пара, промежуточной перегрев пара может достигать 480°С, влажность на выходе из турбины при давлении в конденсаторе 0,004 МПа 5–6%.

К.п.д. брутто для энергоблока с ВВЭР с закритическими параметрами теплоносителя – рабочего тела. Рассмотрим термодинамическую эффективность энергоблока при самом низкопотенциальном (из оцененных) сочетании параметров острого пара – давление 24 МПа, температура 500°С. При этом реальный процесс расширения пара в турбине на hS-диаграмме, как указывалось, выходит на пограничную кривую х = 1 при 2,8–3 МПа, т.е. в точку, близ-

235

кую к исходным параметрам острого пара в энергоблоке с ВВЭР210. Как уже указывалось, дальнейшее ведение процесса возможно в двух вариантах. К последующему рассмотрению принят второй вариант с вторичным перегревом пара до 480°С при давлении 1,2 МПа за счет пара отбора и острого пара. К расчету принята тепловая схема турбины с восемью ступенями регенеративного подогрева питательной воды, включая деаэратор (см. рис. 14.8.7). При расчете полезной внутренней работы 1 кг пара, поступающего от ге-

нератора ВВЭР, внутренний к.п.д. процесса расширения (Κ ) îò ñî-

0i

стояния острого пара до состояния, при котором пар выводится из турбины на вторичный перегрев (|1,3 МПа, сухость пара 95,5%), принят равным 0,8; внутренний к.п.д. процесса расширения от состояния вторичного перегрева (1.1 МПа, 480°С) до конечного в конденсаторе (0,004 МПа, сухость 94,5%) принят равным 0,9.

Подогрев по ступеням регенеративного подогрева принимался примерно равномерным (температура по ступеням приведена на

3 4 5

6

10

7

8

11

Рис. 14.8.7. Принципиальная схема энергоблока ВВЭР с закритическими параметрами рабочего тела: 1 – реактор; 2 – турбина; 3 – сепаратор; 4 – промежуточный пароперегреватель отборным паром; 5 – промежуточный пароперегреватель острым паром; б – конденсатор; 7 – конденсатные насосы; 8 – насосы конденсата отборного пара ПНД; 9 – регенеративные подогреватели низкого давления;

10 – деаэратор; 11 – питательные насосы; 12 – регенеративные подогреватели высокого давления (поток пара: первая цифра – доля 1 кг острого пара, вторая – энтальпия пара, третья – давление, четвертая – температура)

236

рис. 14.8.7). Напор между температурой насыщения отборного пара и температурой подогреваемой воды на выходе из регенеративного теплообменника принимался равным 20–25°С. В соответствии с этими условиями определяли давление в каждом отборе (приведены на рис 14.8.7). В результате составления уравнений теплового баланса для каждого регенеративного подогревателя, а также для пароперегревателя и расчета по ним определяются отборы пара из тур-

бины ( ) в долях от 1 кг пара, подаваемого в голову турбины. По

i

результатам расчета количественных параметров тепловой схемы турбины появляется возможность определения внутренней работы 1 кг пара, поступающего к турбине. Для рассматриваемой схемы и

параметров пара эта работа равна AL = 879 кДж/кг. Термодинами-

i

ческий к.п.д. реального цикла может быть определен по соотношению

где h = 3187 кДж/кг – энтальпия острого пара; h = 1230°ÑêÄæ/êã –

К.п.д. брутто энергоблока может быть оценен по соотношению

Κ = Κ Κ (1 – [ )Κ Κ ,

á i 0i ïð ì ýã

ãäå [ – доля протечек пара мимо проточной части турбин (по ана-

ïð

логии с турбинами насыщенного пара можно принять [ |0,01); Κ –

ïð ì

механический к.п.д. турбины (по аналогии с турбинами на насыщен-

ном паре принимается равным 0,98); Κ – к.п.д. электрогенератора

ýã

(принимается по аналогии с блоками ВВЭР° -1000 равным 0.98). При

этих условиях Κ составит 0,427 – наименьшее значение к.п.д. брут-

á

то энергоблока при принятых сочетаниях° параметров острого пара. Таким образом, рост термодинамической экономичности энергоблоков с ВВЭР при переходе от циклов насыщенного пара к циклам на закритических параметрах теплоносителя составляет не менее [(0,427/0,33) – 1)]100 = 29%. В этом случае энергоблоки с ВВЭР по экономичности сравниваются с энергоблоками на основе реакторов

с жидкометаллическим теплоносителем.

237

q1 q2

238

Воспользовавшись средними температурами подвода и отвода тепла в цикле, можно записать

– средняя температура подвода тепла к хладагенту от хо-

ïîä

лодного источника; T ñð – средняя температура отвода тепла от

îòâ

хладагента к горячему источнику; S – изменение энтропии между крайними точками цикла. С учетом этих соотношений уравнение (15.1.2, а) можно представить в виде

Чем выше значение Η, тем более эффективен цикл холодильной

установки: чем выше Η, тем меньшую работу l нужно затратить,

ö

чтобы отвести от охлаждаемого тела (холодный источник) одно и

тоже количество тепла q .

2

Найдем соотношение, связывающее термический к.п.д. Κ , ÿâëÿ-

t

ющийся характеристикой прямого теплового цикла, с холодильным коэффициентом Η, характеризующим обратный тепловой цикл. Под-

T1 T2

Холодильные установки по виду хладагентов делятся на две основные группы:

•газовые (в частности, воздушные);

•паровые, в которых в качестве хладагентов используются пары различных веществ.

239

Η T2

T1 T2

или поскольку

240