Зорин В.М. Атомные электростанции

проектируется с включением в нее деаэрационной установки, в которой удаляются из воды газообразные примеси перед ее поступлением в питательный тракт и ППУ. Если в основном конденсате концентрация кислорода (после КН1) нормируется на уровне не более 30 мкг/кг, то в питательной воде она ограничивается значением 10 мкг/кг. Угольная кислота в воде после деаэратора должна отсутствовать.

Дегазация воды в общем случае может осуществляться двумя способами: химическим (например, для связывания кислорода, а также для восстановления оксидов железа и меди на электростан-

циях применяется гидразин N Н — токсичное, оказывающее вред-

2 4

ное воздействие на человека вещество) и термическим. Именно последний широко используется на ТЭС и АЭС.

Процесс выделения газов из воды (десорбция), как и процессы растворения (абсорбция), подчиняется определенным законам массообмена.

Закон Генри для состояния равновесия, т.е. когда процессы абсорбции и десорбции отсутствуют, устанавливает прямую пропорцио-

нальную зависимость между парциальным давлением (р ) i-го компо-

i

нента в смеси газов и паров над жидким раствором и концентрацией

(х ) i-го компонента в растворе:

i

р= K х .

i i i

Здесь K — коэффициент Генри, измеряемый в единицах давления и

i

зависящий как от вида газа и жидкости, так и от термодинамического

состояния жидкости; х — число молей i-го компонента в общем

i

числе молей всех компонентов в растворе (молярная доля i-го компонента).

Поскольку в условиях электростанции в воде, как правило, рас-

творены различные газы, то над ее свободной поверхностью

(в баках, например) находится смесь газов и паров. Полное давление смеси равно сумме их парциальных давлений (закон Дальтона):

Из последних двух равенств следует, что в состоянии равновесия газы будут присутствовать как в смеси над жидкостью, так и в растворенном виде в жидкости. Давление паров воды в этом случае

p< р, и при равенстве температур жидкости и парогазовой смеси

H O

2

вода оказывается недогретой до температуры насыщения при дан-

281

Отсюда следует, что процесс дегазации воды должен быть организо-

ван таким образом, чтобы вода находилась в состоянии насыщения,

авыделяющиеся газы постоянно отводились.

Вдеаэраторе при условии удаления газов из его объема устанавливается квазиравновесное состояние с конечной концентрацией в

к

жидкости каждого из растворенных в ней газов x , зависящей от

гi

скорости десорбции, которая описывается уравнением

dx

где k — коэффициент пропорциональности; F — полная площадь

ф

поверхности раздела фаз. Интегрируя данное уравнение по времени от 0

до τ (время нахождения жидкости в деаэраторе), можно получить

к

н

где x — концентрация газа в воде в начальный момент времени (τ = 0).

гi

Из последнего уравнения следует, что конечная концентрация газа в воде зависит от времени нахождения жидкости в деаэраторе и площади поверхности контакта жидкости и парогазовой смеси.

Деаэратор — это чаще всего совокупность одной или нескольких деаэрационных колонок и деаэраторного бака. Деаэрационная установка, как правило, включает в себя один или несколько деаэраторов и охладители выпара. В табл. 15.6 даны основные характеристики некоторых деаэраторов повышенного давления, используемых на электростанциях.

Вдеаэрационной колонке организуется прогрев воды, ее дегазация, отвод неконденсирующихся газов. Для подогрева воды до состояния насыщения в нижнюю часть колонки подводится греющий пар. Деаэрируемая вода поступает в колонку сверху. Коэффициент теплоотдачи от пара к недогретой до температуры насыщения воды при непосредственном их контакте достигает, как правило, больших значений. Следовательно, для повышения эффективности прогрева воды, как и ее деаэрации, необходимо увеличение площади контакта, для этого возможно использование различных способов.

Вколонках пленочного типа организуется сток воды в виде тонких пленок по поверхностям тел определенной формы, называемых насадкой. Деаэраторы с колонками пленочного типа применяются, например, в системе продувки-подпитки реакторной установки с ВВЭР (см. § 24.2). Дегазация воды здесь возможна при значительных

ееначальных недогревах (до 30— 40 °С).

282

Таблица 15.8

Основные характеристики деаэраторов повышенного давления некоторых ПТУ [21]

Увеличение поверхности контакта возможно также в результате разбиения потока деаэрируемой воды на струи или барботаже пара через слой воды (когда пар проходит через воду в виде струй или отдельных пузырьков). Удельная площадь поверхности контакта фаз

2 3

в первом случае может быть 60—600 м /м , во втором — 600—

23

1500 м /м . Однако большие удельные площади поверхности контакта при барботаже достигаются, если вода практически прогрета до температуры насыщения. В колонках струйно-барботажного типа используются оба способа: сначала в струйном отсеке в верхней части колонки вода прогревается конденсирующимся на поверхности струй паром и проходит предварительную «грубую» дегазацию, а затем на дырчатом барботажном листе реализуется основной этап дегазации. Колонки струйно-барботажного типа применяются в установках деаэрации питательной воды на современных ТЭС и АЭС (рис. 15.22).

Одна или две деаэрационные колонки устанавливаются на деаэраторных баках, основное назначение которых — создать запас питательной воды. В баках деаэраторов энергоблоков ТЭС запас воды должен обеспечивать работу питательных насосов в течение не

283

10

6

9

7

8

A—A

Рис. 15.22. Конструктивная схема деаэрационной колонки КДП-1600А:

1 — перфорированная тарелка; 2 — смесительное устройство; 3 — водоперепускной лист; 4 — пароперепускная труба; 5 — перфорированный барботажный лист; 6 —

патрубок вентиляции парового пространства деаэраторного бака; 7 — горловина для слива воды в бак; 8 — переходный патрубок; 9 — труба для вентиляции переходного патрубка; 10 — подвод пара; стрелками показаны потоки пара

менее 3,5 мин. По правилам технологического проектирования атом-

ных станций с реакторами ВВЭР (РД 210.006-90) суммарный запас

воды в баках деаэраторов должен обеспечивать изменение массового

заполнения парогенераторов в диапазоне нагрузок от максимальной

до нуля и отвод остаточных тепловыделений в реакторе в течение

30 мин. Кроме того, создается дополнительный запас обессоленной

3

воды в баках без давления: в четырех баках по 500 м для энергобло-

284

3

ков АЭС мощностью до 500 МВт (эл.), в четырех баках по 1000 м

3

(или в двух баках по 2000 м ) при мощности 1000 МВт (эл.).

Одним из последних технических решений является организация дополнительной барботажной дегазации воды в деаэраторных баках. Для этого часть греющего пара подводится в нижнюю часть бака и выходит в объем воды через отверстия в трубопроводе. Такое решение позволяет, во-первых, увеличить эффективное время дегазации воды и тем самым достичь меньшей остаточной концентрации газов, растворенных в воде, во-вторых, удается заметно уменьшить высоту деаэрационной колонки.

Основное назначение охладителя выпара — конденсация пара, выводимого из деаэрационных колонок в смеси с газами, и возврат конденсата в цикл ПТУ. Охладители выпара, используемые в установках с деаэраторами повышенного давления, — это вертикальные цилиндрические прямотрубные аппараты, состоящие из корпуса, верхней и нижней (свободно перемещаемой, поворотной) водяных камер с трубными досками, в которых развальцованы трубы.

Кроме греющего пара, в деаэрационную колонку, как правило, направляют дренаж (конденсат греющего пара) подогревателей высокого давления и другого оборудования тепловой схемы ПТУ. Поступая в колонку, дренаж вскипает, разделяется на пар и воду. Образовавшийся пар вместе с основным греющим паром участвует в прогреве деаэрируемой воды, а вода дегазируется. При этом теплота, поступающая с дренажами, должна быть меньше требуемой для прогрева основного потока деаэрируемой воды, чтобы не было «запаривания» деаэратора и повышения давления в нем, а расход греющего пара из отбора турбины должен быть положительным при всех режимах работы ПТУ.

Таким образом, деаэратор в тепловой схеме ПТУ выполняет следующие функции:

•дегазирует питательную воду перед ее подачей в ППУ;

•является одним из подогревателей системы регенерации теплоты;

•служит удобным местом сбора дренажей различного оборудования тепловой схемы;

•создает запас воды для работы питательных насосов.

Для лучшего выполнения основной функции деаэратора — дегазации воды — ее подогрев до температуры насыщения должен быть возможно меньшим. На основе опыта проектирования ПТУ различных типов этот подогрев устанавливается, как правило, равным 14—16 °С.

Определенное представление о реальной деаэрационной установке может дать схема трубопроводов, показанная на рис. 15.23. Обратим внимание на некоторые решения, реализованные в данной схеме.

285

←

Рис. 15.23. Схема трубопроводов деаэрационной установки в тепловой схеме

ПТУ К-500-6,4/50:

1 — к питательным насосам; 2 — в расширитель дренажей; 3 — на основной эжектор конденсационной установки; 4 — греющий пар от отбора ЦВД турбины; 5 — от конденсатосборника первой ступени промежуточного пароперегревателя; 6 — от конденсатосборника второй ступени пароперегревателя; 7 — конденсат, откачиваемый насосами из технологических конденсаторов; 8 — от главных паропроводов через БРУ-Д; 9 — конденсат греющего пара подогревателя промежуточного контура парогенератора системы пароснабжения; 10 — линия рециркуляции питательных насосов; 11 — конденсат пикового подогревателя промконтура теплофикационной установки; 12 — основной конденсат после ПНД; 13 — от баков чистого конденсата (БЧК); 14 — парогазовая смесь в конденсатор турбины; 15 — выхлоп в помещение бокса деаэраторов; 16 — охладитель выпара; 17 — деаэрационная колонка; 18 —

деаэраторный бак; 19 — уравнительная водяная линия; 20 — к технологическим конденсаторам; числа у линий — диаметры трубопроводов в миллиметрах

Подвод пара от БРУ-Д осуществлен в нижнюю часть деаэраторного бака, так как эта линия обычно работает в периоды пуска и останова энергоблока, когда требуется повышение или поддержание на определенном уровне температуры воды в баке. На баке установлен предохранительный клапан в целях защиты от возможного превышения давления. Из бака же берется рабочий пар основных эжекторов конденсационной установки (КУ), что позволяет вентилировать паровое пространство бака. На схеме дана деаэрационная установка одноконтурной АЭС, в которой подача радиоактивного пара на основной эжектор допустима, поскольку после холодильника эжектора парогазовая смесь направляется в систему дожигания водорода и далее — в спецгазоочистку. На эжектор уплотнений, как и на уплотнения турбины, берется нерадиоактивный пар, вырабатываемый в испарителе.

Неконденсирующиеся газы после охладителя выпара сбрасываются в конденсатор турбины, откуда вместе с газами, поступающими

спаром после турбины, отсасываются основным эжектором.

Свыпаром из деаэратора, как правило, отводится 1,5—2 кг пара на каждые 1000 кг деаэрированной воды. Такой расход пара достаточен или даже меньше требуемого расхода на эжекторы конденсационной установки. Целесообразным оказывается направлять этот пар сразу в качестве рабочего тела на основные эжекторы КУ в случае одноконтурной АЭС и на все эжекторы КУ и на уплотнения турбины

вслучае двухконтурной, увеличив расход выпара до требуемого значения. Тогда установка охладителя выпара с подводом для него охлаждающей воды не потребуется. Такое решение реализовано на ряде ПТУ ТЭС и АЭС.

Деаэратор в тепловой схеме ПТУ устанавливается после подогревателей низкого давления, перед питательными насосами, и чаще всего работает в режиме постоянного давления. Это означает, что

287

при любых нагрузках турбины и в переходных режимах давление в деаэраторе не изменяется. Не изменяются и температура воды, ее объем и подпор на всасывании питательных насосов. Последнее важно для их устойчивой работы. Для обеспечения такого режима работы на трубопроводе, подводящем к деаэрационным колонкам греющий пар, устанавливается регулирующий клапан. При снижении нагрузки турбины давление пара в отборе и перед регулирующим клапаном уменьшается, клапан перемещается в сторону открытия, и давление за ним остается на прежнем уровне. Из этого следует, что деаэратор должен быть подключен к отбору турбины с давлением при номинальной нагрузке, заметно большим, чем давление в деаэраторе. Регулирующий клапан будет полностью открыт при нагрузке турбины, меньшей, чем номинальная.

На практике применяются два способа включения деаэратора в тепловую схему ПТУ: 1) в качестве самостоятельной ступени регенеративного подогрева воды; 2) в качестве предвключенного подогревателя в ступени регенеративного подогрева вместе с первым по ходу питательной воды ПВД (рис. 15.24).

Применение первого способа оказывается целесообразным, если ПТУ предназначается для работы в базовой части графика нагрузки, когда ее мощность может изменяться лишь в небольших пределах. Такой режим не потребует значительного дросселирования пара в регулирующем клапане и заметно не скажется на тепловой экономичности ПТУ. Его преимущество в том, что не требуется установка ПВД, подключенного к тому же отбору турбины. В режимах пуска и

Рис. 15.24. Возможные способы включения деаэратора в тепловую схему ПТУ:

а — в качестве самостоятельной ступени регенерации теплоты; б — в качестве одного из подогревателей (второй — ПВД) в ступени регенерации; 1, 2, 3 — пар из отборов турбины; 4 —деаэратор; 5 — регулирующий клапан давления; 6 — питательный насос; 7 — ПНД; 8 — ПВД

288

останова, а также в случае необходимости большего снижения мощности предусматривается переключение деаэратора на отбор с большим давлением.

Во втором способе дросселирование пара в регулирующем клапане никак не сказывается на экономичности ПТУ, поскольку недогрев воды в деаэраторе компенсируется в ПВД, подключенном к тому же отбору пара. Этот способ широко используется в ПТУ, предназначенных для работы в значительном диапазоне нагрузок.

Альтернативой режиму работы деаэратора на постоянном давлении является режим скользящего давления: давление в деаэраторе изменяется пропорционально мощности ПТУ, так же как в любом другом подогревателе системы регенерации. На некоторых ТЭС такой режим был применен и показал необходимость специальных мероприятий для обеспечения устойчивой работы деаэратора и питательных насосов в переходных режимах. На АЭС режим скользящего давления не применяется.

В настоящее время на 26 блоках ТЭС мощностью 250, 300 и 800 МВт эксплуатируется бездеаэраторная схема. Такая схема позволяет улучшить экономические показатели энергоблока. Уменьшаются капитальные затраты в связи с ликвидацией деаэраторной установки, бустерных насосов, части трубопроводов и арматуры, некоторых помещений электростанции, значительно упрощается компоновка оборудования в машзале. Уменьшаются также эксплуатационные расходы, и может быть несколько повышена тепловая экономичность ПТУ. Возможность применения бездеаэраторной схемы и ее целесообразность обусловлены также следующим:

•совершенствованием конструкции конденсаторов с повышением их деаэрирующей способности;

•применением смешивающих ПНД, в которых происходит дополнительная деаэрация потока основного конденсата;

•внедрением нейтрально-кислородного водного режима с дозированным вводом в основной конденсат кислорода (после смешивающих ПНД, в случае их установки, и с целью защиты поверхностных подогревателей, выполненных из коррозионно-стойкой стали).

Однако на АЭС для обеспечения наименьшего выхода продуктов коррозии с поверхности нагрева ПВД (спирально-коллекторных, из углеродистой стали) и трубопроводов питательного тракта для создания запаса питательной воды установка деаэраторов повышенного давления считалась обязательной.

В настоящее время исследуются возможности перехода на бездеаэраторную схему (проект «АЭС-2010»).

289

15.8. Питательная установка

Назначение питательной установки — надежная подача воды с предусмотренными проектом параметрами и химическим составом в паропроизводительную установку электростанции в различных режимах ее работы. Основными ее элементами являются питательные насосы. Они обеспечивают требуемое давление подаваемой (питательной) воды, а ее температура есть результат работы подогревателей системы регенерации. Химический состав питательной воды определяется принятым для парогенераторов ППУ водным режимом. В случае необходимости на всас питательных насосов насосами-доза- торами подается раствор корректирующих химических реагентов.

Питательная установка может быть одноподъемной, состоящей из одной группы насосов, или двухподъемной, состоящей из двух групп. Основное преимущество двухподъемной схемы — снижение давления воды в подогревателях высокого давления и, как следствие, уменьшение их металлоемкости. Так, для блоков на закритические параметры пара применение двухподъемной схемы позволяет снизить давление воды в ПВД в 3—4 раза (с 34 до 9 МПа), увеличить их надежность и безопасность. Кроме того, становится возможным использовать на таких блоках камерные ПВД с трубной доской толщиной не более 500 мм. Как показали результаты выполненных в УралВТИ расчетов, расход металла на ПВД для блока ТЭС мощностью 800 МВт может уменьшиться на 500 т. Двухподъемная схема подачи питательной воды рассматривается в проекте АЭС с реактором БРЕСТ.

Восновном на электростанциях в настоящее время применяется одноподъемная питательная установка, причем вода на всас насосов поступает из баков деаэраторов. При одноподъемной схеме уменьшается суммарное число устанавливаемых насосов.

Воснове выбора числа насосов, устанавливаемых параллельно (в одной группе), лежат два фактора: уменьшение общей стоимости устанавливаемого оборудования (чем больше единиц оборудования, тем, как правило, больше стоимость) и обеспечение возможно меньшего снижения мощности энергоблока при выходе из строя одного из насосов.

Нормами технологического проектирования АЭС [8] для блоков мощностью менее 500 МВт регламентируется установка питательных электронасосов в минимально необходимом количестве, но не менее двух, и без резерва; для блоков мощностью 500 МВт — один питательный турбонасос и один резервный электронасос с подачей 30—50 % номинальной; для блоков мощностью 1000 МВт и более — два питательных турбонасоса и два вспомогательных пускорезерв-

290