Зорин В.М. Атомные электростанции
.pdf
Победитель общероссийского Конкурса рукописей
учебной и учебно-справочной литературы по атомной энергетике 2010 г.
Книга издана при финансовой поддержке
Государственной корпорации по атомной энергии "Росатом"
УДК 621.311.25:621.384(075.8)
ББК 31.47я73
З-862
Р е ц е н з е н т ы : А.В. Клименко, доктор техн. наук, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов Национального исследовательского ядерного университета МИФИ; А.Д. Трухний, доктор техн. наук, профессор кафедры паровых и газовых турбин МЭИ
Зорин В.М.
З-862 Атомные электростанции : учебное пособие / В.М. Зорин. — М.: Издательский дом МЭИ, 2012. — 672 с.: ил.
ISBN 978-5-383-00604-7
Описаны условия работы АЭС и предъявляемые к ней требования общественной и природной среды. В соответствии с системным подходом рассмотрены тепловые схемы, особенности используемого оборудования основных технологических установок и их частей, даны рекомендации по выбору управляемых параметров тепловых схем основного технологического процесса. Представлены сведения по вспомогательным технологическим системам нормальной эксплуатации и системам безопасности отечественных реакторных установок. Рассмотрены основные вопросы компоновки главного корпуса и требования к генеральному плану АЭС.
Для студентов, обучающихся по специальности «Атомные электростанции и установки» и по другим специальностям со специализацией в области ядерной энергетики.
УДК 621.311.25:621.384(075.8)
ББК 31.47я73
|
© Зорин В.М., 2012 |
ISBN 978-5-383-00604-7 |
© ЗАО «Издательский дом МЭИ», 2012 |
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Основные сокращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Раздел I. ОСНОВЫ АЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
14 |
Глава 1. Состояние и перспективы развития ядерной энергетики . . . . . . . 16
Глава 2. Работа электростанций в энергосистеме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Глава 3. Экономичность и надежность атомных электростанций . . . . . . . 34
3.1. Свойство экономичности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2. Технико-экономическая оптимизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3. Свойство надежности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4. Безопасность атомных электростанций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Глава 4. Атомные электростанции и окружающая среда . . . . . . . . . . . . . . . 52
Глава 5. Термодинамические циклы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
59 |
Глава 6. Основы проектирования тепловых схем атомных электростанций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.1. Основные определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2. Системный подход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.3. Структура основных технологических установок . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.4. Расчеты тепловых схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Глава 7. Реактор как источник теплоты на атомных электростанциях. . . 87
7.1. Определение массы топлива для загрузки реактора . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.2. Теплоносители ядерных реакторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.3. Классификация атомных электростанций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Глава 8. Низкопотенциальная часть электростанции . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Глава 9. Показатели тепловой экономичности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
9.1. Потери энергии в реальной установке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
9.2. Энергетический баланс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
9.3. Начало эксергетического анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
РАЗДЕЛ II. ПАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ . . . . . . . . . 131
Глава 10. Паропроизводительные установки с водоохлаждаемыми реакторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
10.1. Управляемые параметры тепловой схемы ППУ
с реактором типа ВВЭР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
10.2. Особенности и перспективы развития водо-водяных
энергетических реакторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
10.3. O ступенчатой схеме испарения в парогенераторной установке . . . . 148
5
10.4. Особенности кипящих легководных реакторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.5. О перегреве пара в реакторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
10.6. Расчет тепловой схемы паропроизводительной установки. . . . . . . . . 161
Глава 11. Выбор параметров и основные особенности паропроизводительных установок с реактором типа БН. . . . . . . . . . . . . . . 165
Глава 12. Паропроизводительные установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
12.1. ППУ c реактором со свинцовым теплоносителем . . . . . . . . . . . . . . . . 174
12.2. Свинцово-висмутовая реакторная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Глава 13. Паропроизводительные установки с газоохлаждаемыми реакторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Раздел III. ПАРОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Глава 14. Конденсационная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
14.1. Роль конденсационной установки в тепловой схеме ПТУ . . . . . . . . . 203
14.2. Температура конденсации пара. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
14.3. Особенности процесса теплообмена в конденсаторе . . . . . . . . . . . . . 208
14.4. Конструктивные схемы конденсаторов и схемы их включения . . . . . 212
14.5. Структура конденсационной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
14.6. Особенности конденсационной установки одноконтурных
атомных электростанций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Глава 15. Система регенеративного подогрева питательной воды . . . . . . . 226
15.1. Роль системы регенерации теплоты в тепловой схеме ПТУ. . . . . . . . 227
15.2. Распределение подогрева питательной воды между
регенеративными подогревателями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
15.3. Конечная температура подогрева питательной воды . . . . . . . . . . . . . 243
15.4. Влияние промежуточного перегрева пара на распределение
подогрева воды в системе регенерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
15.5. Подогреватели системы регенерации теплоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
15.6. Управляемые параметры подогревателей системы регенерации . . . . 273
15.7. Деаэрационная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
15.8. Питательная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Глава 16. Теплофикационная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
16.1. Потребители тепловой мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
16.2. Основные управляемые параметры и состав
теплофикационной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
16.3. Регулирование тепловой мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
16.4. Теплофикационные установки одноконтурных АЭС . . . . . . . . . . . . . 312
16.5. Вспомогательные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Глава 17. Потребители пара собственных нужд электростанции . . . . . . . . 316
Глава 18. Промежуточные перегрев и сепарация пара турбины . . . . . . . . . 322
18.1. Сепараторы-пароперегреватели для турбин АЭС . . . . . . . . . . . . . . . . 323
18.2. Управляемые параметры системы промежуточных сепарации
и перегрева пара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
6
Глава 19. Паровая турбина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
19.1. Характеристики потока влажного пара в турбине . . . . . . . . . . . . . . . . 346
19.2. Особенности основных выбираемых параметров
влажнопаровых турбин АЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
19.3. Внутренний относительный КПД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
19.4. h, s-диаграмма процесса расширения пара в турбине . . . . . . . . . . . . . 363
19.5. Вспомогательные системы турбины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
Раздел IV. ОСНОВНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС . . . . . . . . . 381
Глава 20. Насосы в тепловой схеме АЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
20.1. Основные уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
20.2. Определение основных параметров насоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
20.3. Характеристики насоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
20.4. Насосы АЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
Глава 21. Трубопроводы и арматура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
21.1. Трубопроводы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
21.2. Арматура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
21.3. Главные паропроводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
21.4. Питательный трубопровод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
Глава 22. Тепловые схемы АЭС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
Глава 23. Основные этапы разработки тепловой схемы новой энергоустановки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
Раздел V. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ |
|
СИСТЕМЫ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
457 |
Глава 24. Вспомогательные системы нормальной эксплуатации реакторной установки с ВВЭР-1000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
24.1. Система компенсации давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
24.2. Системы, поддерживающие требуемое качество теплоносителя
и его материальный баланс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
24.3. Система продувки парогенератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
24.4. Охлаждение теплообменников вспомогательных систем . . . . . . . . . . 502
24.5. Другие вспомогательные системы нормальной эксплуатации . . . . . . 507
Глава 25. Системы безопасности АЭС с ВВЭР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
25.1. Защитные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
25.2. Локализующие системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
25.3. Системы безопасности в проектных авариях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
25.4. Системы безопасности РУ с ВВЭР-440 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
25.5. O реакторе ВВЭР-СКДИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
Глава 26. Развитие систем безопасности РУ с ВВЭР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
Глава 27. Реактор большой мощности кипящий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
27.1. Вспомогательные технологические системы
нормальной эксплуатации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
27.2. Системы обеспечения безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
7
Глава 28. Реакторная установка с натриевым теплоносителем. . . . . . . . . . 591
28.1. Основные проблемы создания натриевого контура. . . . . . . . . . . . . . . 591
28.2. Вспомогательные технологические системы нормальной
эксплуатации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596
28.3. Системы безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
Глава 29. Система технологической вентиляции на АЭС. . . . . . . . . . . . . . . 608
Раздел VI. КОМПОНОВКА И ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ПЛАН АЭС . . . . . . . . . 618
Глава 30. Компоновка главного корпуса электростанции . . . . . . . . . . . . . . 618
30.1. Виды компоновки главного корпуса АЭС и основные
требования к ней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
30.2. Взаимное расположение реакторной и паротурбинной установок . . 622
30.3. Компоновка машзала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
30.4. Особенности ПТУ одноконтурной АЭС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634
Глава 31. Основные требования к генеральному плану АЭС . . . . . . . . . . . 637
Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
П.1. Равномерное распределение подогрева питательной воды . . . . . . . . . 644
П.2. Распределение подогрева воды в системе регенерации
по геометрической прогрессии температур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
П.3. Об индифферентной точке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661
Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668
8
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебная дисциплина «Атомные электростанции» не только совпадает по названию с наименованием специальности «Атомные электрические станции и установки», но и имеет важнейшее значение при подготовке специалистов. В ней раскрываются: что такое атомные электростанции (АЭС) с технической точки зрения, какая совокупность процессов и в каком оборудовании приводит к выполнению основной задачи АЭС, какова целевая функция создания атомной электростанции.
Длительное время основным учебником многих поколений студентов была и остается книга профессора Т.Х. Маргуловой «Атомные электрические станции»: ее первое издание вышло в свет в 1970 г., последнее, пятое, — в 1994 г. [1]. Книга была хорошо воспринята как научной общественностью, так и студентами.
В настоящее время настала необходимость уточнения ряда вопросов, относящихся к построению курса. Первый из них: что должно быть основным объектом изучения — процессы, оборудование или нечто другое? Второй вопрос: к какому этапу жизненного цикла этого объекта — исследованию, проектированию, эксплуатации — должен относиться материал курса? И, наконец, третий: каким образом должно изучаться это сложное техническое устройство — атомная электростанция?
Атомная электростанция — это сложный комплекс разнородного и многочисленного оборудования с протекающими в нем разнообразными процессами. Все оборудование и процессы объединены технологической схемой. Именно технологическая, иначе, тепловая, схема дает ответ, как организована выработка электроэнергии на основе получаемой в ядерном реакторе теплоты. Требования к технологической схеме позволяют выделить специфические характеристики оборудования, особенности протекающих в нем процессов, понять необходимость определенного взаимного расположения (компоновки) оборудования и т.п. Технологическая схема включает в себя не только оборудование, обеспечивающее протекание основного процесса на электростанции, но и различные вспомогательные системы, системы безопасности. Таким образом, технологическая (тепловая) схема должна быть в курсе «Атомные электростанции» основным объектом изучения студентами.
Изучение технологической схемы АЭС неизбежно связано с вопросами: какой она должна быть, каким образом она должна разраба-
9
тываться? В свою очередь, это вопросы исследования и проектирования, которые взяты в качестве основных ориентиров курса.
Многочисленность и разнообразие оборудования технологической схемы АЭС, связей между элементами оборудования, параметров, характеризующих элементы и связи, — все это не позволяет сформировать целостное представление о данном объекте, если в его основу положить элементы оборудования. Объективная и доступная для анализа структура АЭС может быть создана лишь на базе современной методологии — системном подходе. Один из главных его принципов — принцип иерархичности — позволяет изучать и исследовать тепловую схему все с большей степенью детализации, переходя с верхнего уровня на нижние.
Указанные особенности нашли отражение в данном учебном пособии. Материал пособия излагается в соответствии с последними достижениями науки и техники. В целом, был принят следующий порядок изложения материала.
Атомная электростанция — примышленное предприятие топ- ливно-энергетического комплекса (ТЭК). В свою очередь, ТЭК — это отрасль промышленности, обеспечивающая топливом и энергией хозяйство страны и ее население. Главное предназначение АЭС — производство электрической энергии при параллельной работе с другими электростанциями ТЭК. В отличие от электростанций других типов, на АЭС используется ядерное топливо, при «сжигании» которого возникает мощное ионизирующее излучение.
Показать, что такое АЭС с технической точки зрения — основная задача учебной дисциплины «Атомные электростанции». Но прежде чем приступить к ее выполнению, необходимо дать ответы на другие вопросы, связанные с тем, что АЭС не является изолированным объектом. Вот некоторые из таких вопросов: каковы современные условия для создания АЭС, какие процессы лежат в основе ее технологического цикла, каким требованиям она должна удовлетворять и какими свойствами обладать в период эксплуатации? Количественное выражение свойств АЭС определяет степень удовлетворения требованиям общества, производственной и природной среды.
Первая часть (разд. I) учебного пособия является вводной к основной ее части. В ней даются ответы на поставленные вопросы, учет которых обязателен при создании АЭС, при ее проектировании и эксплуатации и, конечно, необходим при ее изучении.
Значительная часть материала учебного пособия посвящена основному технологическому процессу на АЭС; причем, и это нужно отметить, рассматриваются только паротурбинные атомные электростанции, широко применяемые для производства электроэнергии во всем мире.
10