Зорин В.М. Атомные электростанции. Вводный курс

На атомной электростанции брызгальные бассейны используются как устройства охлаждения, обеспечивающие работу вспомогательных систем реакторной установки: организуется автономный контур охлаждения. Тогда градирни или водохранилище отводят теплоту только от паротурбинной установки.

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

Основными элементами градирен являются (рис. 11.3):

•водораспределительное устройство;

•оросительное устройство (основной рабочей 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 % от выработанной на электростанции [2].

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 габариты 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. 11.4).

121

2 4

8

Рис. 11.4. Принципиальная схема оборотного водоснабжения с «сухой» градирней 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 — электрогенератор

Устройства охлаждения являются специфическими гидротехническими сооружениями. Низкопотенциальная часть электростанции занимает значительную площадь, а ее доля в капиталовложениях составляет от 5 до 25 % [8]. При этом, если относительные удельные капиталовложения (без учета стоимости земли) для прямоточной СТВС принять равными 1, то для оборотной системы с водохранили- щами-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. 11.2). 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.

Основные задачи, решаемые при исследовании или проектировании низкопотенциальной части, заключаются в определении расхода и температуры воды, направляемой в конденсаторы турбин.

123

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

где количество теплоты (тепловые мощности), подводимой (в левой части равенства) и отводимой (в правой части), обозначено: Qк —

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

ющей охлаждающее устройство; Qконв — за счет процессов конвективного теплообмена; Qисп — за счет испарения; Qсбр — с водой,

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

Для оценки потерь охлаждающей воды Gо.в может быть принято

где Dк — расход конденсирующегося в конденсаторах турбин пара; hк — удельная теплота конденсации с учетом влажности пара на

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

Расход охлаждающей воды через конденсаторы турбин устанавливают с помощью специального параметра — кратности охлажде-

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

С учетом (11.2) и (11.3) относительные потери охлаждающей воды составят

Gо.в /Gо.в = (90 – 100)/m ≈ 2 %,

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

124

При расчете необходимого расхода добавочной воды необходимо 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 транспорте 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 (tох 1), а также температуры на

выходе из конденсатора и на входе в охлаждающее устройство (tох 2). Изменение температуры воды в охлаждающем устройстве tв = = tох 2 – tох 1 называют зоной охлаждения. С увеличением зоны

охлаждения улучшается эффективность работы охлаждающего устройства, но при этом увеличивается tох 2, от которой зависит давле-

ние 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 температуре воздуха, если его влажность ωвозд = 100 %. Теоретиче-

ским пределом охлаждения τ называют температуру мокрого термометра, которая вследствие испарительного охлаждения будет ниже температуры окружающего воздуха θ, если его влажность ωвозд <

< 100 % (рис. 11.5). Реально температура воды после охлаждающего устройства всегда выше τ (рис. 11.6):

Величину δ называют относительным пределом охлаждения, который характеризует степени совершенства конкретного охлаждающего устройства, зависит от его конструктивного оформления. Для водохранилищ-охладителей δ = 5…10 °С, для градирен относительный предел охлаждения больше. Заметим, что температура конденсации пара в конденсаторе будет выше tох 2.

В табл. 11.3 приведены примерные значения основных параметров различных систем технического водоснабжения. В частности, видно, что температура охлажденной воды tох 1 будет наибольшей

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

125

Важным элементом 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.

126

В качестве циркуляционных используются осевые насосы большой производительности и сравнительно высоким КПД: ηе =

= 0,8…0,88. Мощность приводного двигателя, как правило, на 10…20 % больше эффективной мощности насоса Nе.

Обычно устанавливают два насоса по 50 % производительности при режиме максимальной нагрузки ПТУ. Между напорными линиями обоих насосов делается перемычка (см. рис. 11.1), что позволяет при выходе из строя одного насоса продолжать работу блока с нагрузкой, равной примерно 60 % номинальной.

Контрольные вопросы и задания

1.Что входит в состав оборотной системы технического водоснабжения?

2.Назовите основных потребителей охлаждающей воды ПТУ.

3.Что такое кратность охлаждения конденсаторов паровых турбин?

4.Назовите, по возможности в полной мере, преимущества и недостатки оборотных систем технического водоснабжения с градирнями.

5.Что такое теоретический предел охлаждения и относительный предел охлаждения?

6.Назовите составляющие потерь охлаждающей воды в оборотной СТВС.

7.Что должно быть известно и каким образом может быть рассчитана температура воды после охлаждающего устройства?

8.Рассчитайте расход воды на подпитку оборотной системы технического водоснабжения (с учетом ее продувки), если мощность электростанции 2000 МВт, удельный расход пара на турбину равен 3 кг/(кВтæч), а в конденсаторы поступает 60 % подводимого к турбине пара. Принять, что 80 % теплоты отводится в градирне за счет испарения.

9.Определите кратность охлаждения и расход охлаждающей воды через конденсатор паровой турбины, если в нем должно быть сконденсировано 160 кг/с пара при давлении 0,0045 МПа (2430 кДж/кг — скрытая теплота парообразования), вода в нем нагревается на 12 °С, а влажность пара после турбины равна 10 %.

10.Каким образом можно определить влажность воздуха, если известно, что вода после градирни имеет температуру 25 °С, ее относительный предел охлаждения равен 10 °С, а температура воздуха — 20 °С.

127

Глава 12

КОНДЕНСАЦИОННАЯ УСТАНОВКА

Паротурбинная установка — техническое устройство, реализующее термодинамический цикл. Подведенная к ней теплота определяется расходами и параметрами пара, подводимого от ППУ, и воды, направляемой в ППУ (питательной воды). Полезная работа, совершаемая рабочим телом (паром) в турбине, обычно выражается в единицах мощности и называется внутренней мощностью Ni. Элект-

рическая мощность, вырабатываемая электрогенератором, меньше внутренней мощности турбины на величину затрат мощности на вращение турбины и генератора и потерь при преобразовании механической энергии вращения в электрическую. Как внутренняя, так и электрическая мощности существенно зависят от параметров пара на выходе из турбины — от конечных параметров цикла.

Из многочисленных систем ПТУ (групп элементов оборудования — см. рис. 9.3) в вводном курсе рассматриваются конденсационная установка и некоторые задачи, относящиеся к системе регенерации. Конденсационная установка рассматривается потому, что она «работает» в непосредственном взаимодействии с НПЧ, осуществляющей передачу части теплоты, подводимой к ПТУ, в окружающую среду (см. гл. 4). Задачи, дающие решения по выбору некоторых параметров системы регенерации, представляют собой продолжение термодинамического анализа, рассмотренного в гл. 6.

12.1.Роль конденсационной установки

втепловой схеме паротурбинной установки

Назначение конденсационной установки (КУ) — конденсация отработавшего в турбине пара и возврат конденсата в цикл станции. Теплота конденсации есть теплота, передаваемая в окружающую среду в соответствии со вторым законом термодинамики. Основной элемент оборудования КУ — конденсатор.

Для ответа на вопрос, насколько важно поддерживать возможно более низкую температуру конденсации пара, рассмотрим ее влияние на термический КПД цикла. Как было показано в гл. 6, любой термодинамический цикл может быть преобразован в эквивалентный

128

цикл Карно, а его термический КПД выражен через средние температуры подвода и отвода теплоты:

Для цикла Ренкина, который реализуется в ПТУ на насыщенном паре, Т1 — среднеинтегральная (определенная по Т, s-диаграмме

цикла) температура подвода теплоты, которая ниже температуры пара на величину, зависящую от температуры питательной воды; Т2 — температура конденсации пара в конденсаторе.

О влиянии Т1 и Т2 на ηt К можно судить по производным:

отвода теплоты на 1 °С дает большее увеличение термического коэффициента полезного действия, чем рост на 1 °С температуры подвода теплоты.

Рис. 12.2. Изменение термического КПД цикла Ренкина насыщенного пара в зависимости от давления в конденсаторе при средней температуре подвода теплоты Т1 = 533 К (260 °С); ηt4 — термический коэффициент полезного действия

при рк = 4 кПа

129

Характеристики водяного пара таковы, что при его расширении до давления, существенно меньшего атмосферного, теплоперепад в турбине может увеличиться на 25…40 % в зависимости от начальных параметров пара. Поэтому в конденсаторе желателен возможно более глубокий вакуум.

Зависимости температуры конденсации пара и изменения термического КПД от давления в конденсаторе показаны на рис. 12.1 и 12.2. Характер зависимости электрического коэффициента полезного действия ПТУ от давления в конденсаторе при неизменных параметрах подводимого к ней пара будет несколько иным по сравнению с рис. 12.2, если учитывать влияние изменения влажности пара. Зависимость термического коэффициента полезного действия от температуры конденсации пара при Т1 = const — линейная, как это следует

из выражения для производной [см. (12.2)].

12.2. Температура конденсации пара

Одной из основных задач исследования и проектирования конденсационной установки является определение давления конденсации пара. Так же как и при выборе параметров ППУ, взаимосвязь параметров конденсатора наиболее наглядна в его t, Q-диаграмме (рис. 12.3).

В результате конденсации пара охлаждающая вода нагревается на tв от tох 1 до tох 2. Превышение температуры конденсации над тем-

пературой охлаждающей воды на выходе tох 2 в конденсаторах

поверхностного типа определяется минимальным значением температурного напора δtк.

Тепловой баланс конденсатора:

Рис. 12.3. Взаимосвязь основных параметров в конденсаторе (t, Q-диаграмма)

130