Зорин В.М. Атомные электростанции

Глава 8

НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Низкопотенциальная часть электростанции — это система, непосредственно передающая теплоту отработавшего в турбине пара окружающей среде. Наиболее часто для этой цели используется вода. В этом случае конденсаторы турбин являются основными потребителями охлаждающей воды на электростанции: через них проходит до 90 % ее полного расхода. По потреблению охлаждающей воды выделяются паротурбинные установки на насыщенном паре среднего давления (6…7 МПа). В конденсаторах таких ПТУ конденсируется примерно в 1,6 раза пара больше, чем в ПТУ той же мощности, но на сверхкритические параметры пара, что требует и большего расхода охлаждающей воды. Так, для блока атомной электростанции с ВВЭР-1000 расход охлаждающей воды через конденсаторы равен

примерно 150 тыс. т/ч (более 40æ103 кг/с), а для атомной электро-

станции с пятью такими блоками — 750 тыс. т/ч или более 200 м3/с, что соответствует дебиту′ хорошей реки.

Втепловой схеме ПТУ охлаждающая вода используется также в газоохладителях электрогенератора (отводится теплота, в которую превращается часть механической энергии в процессе ее преобразования в электрическую) и в маслоохладителях турбины (отводится теплота от подшипников турбины, в которую превращается часть механической энергии, затрачиваемой на вращение турбоагрегата). Потребность этих устройств в охлаждающей воде составляет соответственно 2— 4 % и 1,2—2,5 % расхода на конденсаторы турбин.

Впаропроизводительной установке потребителями охлаждающей воды являются теплообменники систем расхолаживания, доохладители продувочной воды и др. Необходимый расход для этих целей составляет 3—6 % расхода воды на конденсаторы. Требуют охлаждения также отдельные помещения АЭС. Использование для этих целей воды (а не воздуха) объясняется стремлением обеспечить компактность теплообменных поверхностей и устройств. В целом на АЭС функционирует достаточно большое число охлаждающих водяных контуров. Все они объединяются в единую систему технического водоснабжения.

Система технического водоснабжения — это совокупность теплообменных (охлаждающих) устройств, насосов, открытых водово-

101

дов и трубопроводов, арматуры, очистных установок, предназначенных для отвода теплоты от различных агрегатов и установок электростанции с последующей передачей ее в окружающую среду. Низкопотенциальная часть — это часть системы технического водоснабжения, если для отвода теплоты от конденсаторов турбин используется техническая вода. Схема трубопроводов технической воды в пределах ПТУ дана на рис. 8.1.

Системы технического водоснабжения прежде всего подразделяются на прямоточные и оборотные.

В прямоточных СТВС вода забирается из природных водоемов (рек, озер, морей и т.п.) и после прохождения соответствующих теплообменных устройств сбрасывается обратно (таким образом, чтобы не изменялась температура забираемой воды). Установлены пределы допустимого повышения температуры воды в природном водоеме после сброса. Разрешен сброс в природные водоемы без предвари-

Рис. 8.1. Пример схемы трубопроводов системы технической воды в пределах

паротурбинной установки:

1 — отработавший пар после турбины; 2 — конденсатор; 3 — маслоохладители;

4 — механический сетчатый фильтр; 5 — перемычка между напорными трубопроводами; 6 — задвижки на перемычке; 7 — циркуляционные насосы; 8 — перемычка между сливными трубопроводами; 9 — задвижки на сливном трубопроводе;

10 — линия рециркуляции; 11 — насосы газоохладителя; 12 — газоохладитель электрогенератора; 13 — водоструйный эжектор; 14, 15 — трубопроводы к другим потребителям технической воды и от них; 16 — сброс промывочной воды механических фильтров; 17 — вода от охлаждающего устройства или природного водоема

102

тельной обработки (очистки) только охлаждающей воды, прошедшей через конденсаторы турбин.

Использование для целей охлаждения соленых вод (например, вод морей) связано с интенсивными коррозионными процессами и образованием отложений, что требует специальных мероприятий по обеспечению требуемых показателей работы (надежности, коэффициента теплопередачи, гидравлического сопротивления). В числе таких мероприятий — применение коррозионно-стойких материалов, регулярная очистка труб и др.

Оборотные системы технического водоснабжения выполняются с прудами (водохранилищами)-охладителями, с брызгальными бассейнами и градирнями.

Тенденция применения тех или иных СТВС, прослеживаемая по данным табл. 8.1, в настоящее время принципиально не изменилась.

Рост мощностей электростанций (как единичных, так и суммарной установленной) привел к тому, что практически оказались исчерпанными возможности рек по обеспечению прямоточного водоснабжения. Повышение стоимости земли оказывается не в пользу широкого строительства водохранилищ. Все большее число электростанций, особенно на европейской части России, вводится с СТВС с градирнями. Некоторые характеристики оборотных систем технического водоснабжения даны в табл. 8.2.

В прудах-охладителях охлаждение воды осуществляется с поверхности водоема, движение воды в котором организуется с помощью специальных дамб и расположением водозаборных и водосбросных устройств. Сравнительно небольшая удельная тепловая нагрузка требует значительной поверхности охлаждения. О нежелательности использования водохранилищ на АЭС говорит печальный опыт Чер-

нобыля: проблема очистки пруда-охладителя площадью 25 км2 и глубиной 4 м длительное время оказалась неразрешимой.

103

Таблица 8.2

Характеристики оборотных СТВС

Брызгальные бассейны — это искусственные водоемы, как правило, с бетонированным дном, глубиной 2—2,5 м, но не менее 1,5 м, чтобы вода не прогревалась солнцем. Для удобства чистки и ремонта бассейны секционируются (разделяются на несколько частей). Над поверхностью воды прокладывается сеть распределительных труб с группами сопл, распыляющих воду преимущественно в вертикальном направлении. Требование к соплам: возможно более тонкое распыление воды при меньшем требуемом напоре, большая производительность, простота и незасоряемость конструкции. По сравнению с водохранилищами брызгальные бассейны более эффективны: требуется меньшая площадь бассейна при той же отводимой мощности. В то же время здесь может быть значительным унос (потеря) воды в виде капель, особенно при сильном ветре (рис. 8.2).

На атомной электростанции брызгальные бассейны используются как устройства охлаждения, обеспечивающие работу вспомогатель-

Рис. 8.2. Разрез брызгального бассейна (размеры даны в метрах):

1 — стальные опорные конструкции; 2 — распределительная труба; 3 — сопла; 4 —

роликовые опоры; 5 — нормальный уровень воды

104

ных систем реакторной установки: организуется автономный контур охлаждения.

Градирни — это специальные сооружения для передачи окружающей среде (воздуху) теплоты жидких теплоносителей.

Основными элементами градирен являются (рис. 8.3):

•водораспределительное устройство;

•оросительное устройство (основной рабочий элемент);

•водосборный бассейн;

•вытяжная башня (для современных градирен — железобетонная, гиперболической формы).

Градирни открытого типа (без башни) широкого распространения не получили.

В оросительном устройстве вода после конденсаторов турбин разделяется на капли, струи или пленки, стекает вниз, а навстречу ей движется воздух, поступающий через боковые отверстия внизу вытяжной башни. В процессе взаимодействия с воздухом вода охлаждается как за счет конвективного теплообмена, так и в результате частичного испарения.

Выше водораспределительного устройства, как правило, устанавливают водоулавливающее устройство жалюзийного типа для уменьшения выноса влаги потоком воздуха.

Движение воздуха обеспечивается либо естественной тягой, либо благодаря специальным лопастным вентиляторам. В последнем случае высота башни может быть уменьшена, но требуется ощутимый расход электроэнергии на привод вентиляторов: 0,5—0,8 % выработанной на электростанции [10].

В «сухих» градирнях (радиаторно-охладительных башнях) вместо водораспределительного и оросительного устройств устанавливаются теплообменники — алюминиевые оребренные радиаторы. Замкнутый контур охлаждающей воды позволяет поддерживать ее высокое качество.

Преимущество «сухих» градирен заключается в практически полном отсутствии потерь воды. Их габаритные размеры и стоимость не меньше, чем обычных, а вакуум в конденсаторах — хуже. Использование «сухих» градирен предпочтительно в безводных районах, где вопросы восполнения убыли воды имеют первостепенное значение. Такие градирни успешно эксплуатируются на Билибинской АТЭЦ. Для некоторого улучшения вакуума в выхлопном патрубке турбины предлагается использовать «сухие» градирни с конденсаторами смешивающего типа (рис. 8.4).

Как уже отмечалось в § 6.3, устройства СТВС — градирни, пруды- и водохранилища-охладители, открытые водоводы, водозаборные устройства и др. — являются специфическими гидротехническими

105

2 4

8

Рис. 8.4. Принципиальная схема оборотного водоснабжения с «сухой» градир-

ней и конденсатором смешивающего типа:

1 — паровая турбина; 2 — смешивающий конденсатор; 3 — разбрызгивающее устройство конденсатора; 4 — циркуляционный насос; 5 — алюминиевые оребренные радиаторы; 6 — вытяжная башня; 7 — подводящий трубопровод; 8 — отводящий трубопровод; 9 — охлаждающий воздух; 10 — конденсатный насос; 11 — электро-

генератор

сооружениями, объектами исследования, проектирования и эксплуатации специалистов-гидротехников. Поэтому материал по НПЧ — одной из основных технологических установок электростанции — здесь излагается в сжатом виде. Он также конкретизирует понятие «холодный источник», используемое при анализе термодинамических циклов.

Низкопотенциальная часть электростанции занимает значительную площадь, а ее доля в капиталовложениях составляет от 5 до 25 % [4]. Если относительные удельные капиталовложения (без учета стоимости земли) для прямоточной СТВС принять равными 1, то для оборотной системы с водохранилищами-охладителями они составят примерно 1,25, с градирнями — 1,75, с «сухими» градирнями — 2.

Сложность конструкции и высокая стоимость — основные недостатки градирен. Их преимущества — заметно большие′ удельные гидравлические и тепловые нагрузки по сравнению с другими устройствами охлаждения (см. табл. 8.2). При сооружении градирен уменьшается стоимость землеотведения, а в случае аварий с выходом радиоактивности появляются большие′ возможности локализации их последствий. Градирни обычно размещают в пределах промышленной площадки АЭС.

107

Основные задачи, решаемые при исследовании или проектировании низкопотенциальной части, заключаются в определении расхода

итемпературы воды, направляемой в конденсаторы турбин.

Вобщем случае тепловой баланс охлаждающего устройства системы технического водоснабжения оборотного типа может быть записан следующим образом:

где количества теплоты (тепловые мощности), подводимые (в левой

части равенства) и отводимые (в правой части), обозначены: Q —

к

с охлаждающей водой, поступающей после конденсаторов турбин; Q — в результате солнечной радиации; Q — с водой, подпитыва-

отводимой от охлаждающего устройства: это может быть естественный ток воды в случае водохранилища, сооруженного на реке, или продувочная вода.

Для оценки потерь охлаждающей воды G может быть принято

о.в

Q ≈ Q ,

кисп

откуда нетрудно получить

где D — расход конденсирующегося в конденсаторах турбин пара;

к

h — удельная теплота конденсации с учетом влажности пара на

к

входе в конденсатор; r — скрытая теплота парообразования в условиях охлаждающего устройства.

Расход охлаждающей воды через конденсаторы турбин устанавливают с помощью специального параметра — кратности охлаждения:

Рекомендуемые кратности охлаждения следующие: m = 60…120 — для прямоточной системы технического водоснабжения; m = 50…100 — для оборотной системы с водохранилищами и m = 40…60 — с градирнями. Большие′ значения принимаются, как правило, для одноходовых по охлаждающей воде конденсаторов.

С учетом (8.2) и (8.3) относительные потери охлаждающей воды составят

G/G = (90…100)/m ≈ 2 %,

о.в о.в

если m = 50. Поскольку часть теплоты отводится за счет конвекции, потери будут меньше. Капельный унос влаги их несколько увеличивает.

108

При расчете необходимого расхода добавочной воды следует учитывать также продувку охлаждающего устройства. Для градирен в целях поддержания качества охлаждающей воды на требуемом уровне относительный расход продувочной воды устанавливают равным 5—6 % расхода воды на испарение.

Главная цель охлаждающего устройства — обеспечить возможно более низкую температуру воды на входе в конденсаторы турбин. Потери теплоты при транспортировке воды от конденсатора к охлаждающему устройству и обратно невелики (менее 2 %). Обычно принимают равными температуры воды на выходе из охлаждающего устройства и на входе в конденсатор (t ), а также температуры на

охлаждения улучшается эффективность работы охлаждающего уст-

ройства, но при этом увеличивается температура t , от которой

ох 2

зависит давление в конденсаторе турбины. В наибольшей мере величина зоны охлаждения сказывается на эффективности работы градирни, в которой температура воздуха, контактирующего с охлаждающей водой, изменяется наиболее значительно.

При достижении полного равновесия с окружающей средой температура воды на выходе из охлаждающего устройства будет равна

ским пределом охлаждения τ называют температуру мокрого термометра, которая вследствие испарительного охлаждения будет ниже

< 100 % (рис. 8.5). Реально температура воды после охлаждающего устройства всегда выше τ (рис. 8.6):

Величину δ называют относительным пределом охлаждения, который характеризует степень совершенства конкретного охлаждающего устройства и зависит от его конструктивного оформления. Для водохранилищ-охладителей δ = 5…10 °С, для градирен относительный предел охлаждения больше. Заметим, что температура кон-

денсации пара в конденсаторе будет выше t .

ох 2

В табл. 8.3 приведены примерные значения основных параметров различных систем технического водоснабжения. В частности, видно,

использовании систем технического водоснабжения с градирней и, следовательно, вакуум в конденсаторе — хуже.

109

Важными элементами СТВС являются циркуляционные насосы, расход электроэнергии на которые составляет заметную долю в собственных нуждах электростанции. Обусловлено это необходимостью прокачки большого расхода охлаждающей воды. В то же время требуемый напор насосов сравнительно невелик и составляет 8—10 м при оборотной системе с водохранилищем-охладителем и 18—20 м — с градирнями. Видно, что применение градирен увеличивает расход электроэнергии на собственные нужды по сравнению с водохранилищем (в случае близких значений кратностей охлаждения).

110