Лескин С.Т., Слободчук В.И., Шелегов А.С., Кашин Д.Ю. Теплотехнические основы производства электроэнергии и тепла на АЭС

туре дополнительных усложняющих устройств – системы компенсации давления (КД).

Органические теплоносители

К органическим теплоносителям относится ряд углеводородных соединений, таких как полифенилы. Это говорит о том, что их замедляющая способность высокая, как и у воды. Однако поглощающие свойства у них выше, чем у воды; активируются слабо. В обычных теплообменных аппаратах органические теплоносители показали сравнительно высокую термическую стойкость (до 450 °С), но в условиях облучения они начинают полимеризоваться.

Теплофизические характеристики хуже, чем у воды: плотность, теплоемкость, теплопроводность ниже, а вязкость выше. Таким образом, коэффициент теплоотдачи ниже, а затраты на прокачку выше, чем у воды.

Органические теплоносители коррозионно инертны к конструкционным материалам и химически инертны по отношению к рабочему телу и окружающей среде. Термически стойки в диапазоне температуры до ~ 400 °С.

В отличие от воды органические теплоносители имеют сравнительно высокую температуру кипения при умеренных давлениях, что позволяет получать пар средних параметров с заметным перегревом. Нетоксичны, однако, как уже отмечалось, из-за полимеризации органических теплоносителей требуются дополнительные устройства для их очистки.

Органические теплоносители не нашли применения на атомных станциях, так как не имеют существенных преимуществ по сравнению с водой.

Жидкометаллические теплоносители

Использование жидких металлов в качестве теплоносителей связано с развитием реакторов на быстрых нейтронах. Жидкометаллические теплоносители являются высокотемпературными. На сегодняшний день в промышленной ядерной энергетике используется жидкий натрий, на судовых установках использовался сплав свинец-висмут. Кроме этого, в качестве модельного теплоносителя

11

в исследовательских целях часто используется сплав натрий-калий. Ниже, описывая основные характеристики жидкометаллических теплоносителей, будем подразумевать прежде всего натрий.

Жидкие металлы имеют простую атомарную структуру, стабильны в условиях нагрева и облучения. Их ядерно-физические характеристики таковы, что они имеют малую замедляющую способность, достаточно малое сечение поглощения.

Теплопроводность жидких металлов намного выше теплопроводности других классов теплоносителей. Обеспечивают высокий коэффициент теплообмена, что в определенной степени компенсирует их малую теплоемкость. Затраты на прокачку вполне приемлемые.

Одним из существенных недостатков натрия как теплоносителя является высокая активация при облучении и высокая химическая активность по отношению к рабочему телу (воде) и окружающей среде. Коррозионно неактивны, однако у натрия есть избирательная способность к переносу массы по контуру.

Высокая температура кипения и низкое давление насыщенного пара не ограничивают температуру нагрева при малых давлениях. Максимальная температура жидкометаллических теплоносителей ограничена предельными рабочими температурами конструкционных материалов. Натрий пожароопасен, пары свинца токсичны. Так как температура плавления довольно высокая, то требуются дополнительные системы разогрева контура перед пуском. Натрий достаточно широко распространен и дешев.

Газообразные теплоносители

Из всех возможных газообразных теплоносителей в ядерной энергетике используются углекислый газ и гелий.

Прежде всего, следует отметить хорошие ядерно-физические свойства газовых теплоносителей. Они имеют малое сечение поглощения нейтронов, очень слабо активируются и радиационно стойки в диапазоне рабочих температур.

С другой стороны, они имеют низкую плотность, низкую теплоемкость и теплопроводность, что обусловливает низкий коэффициент теплоотдачи и большие затраты на прокачку.

12

Газовые теплоносители коррозионно инертны по отношению к конструкционным материалам, химически инертны по отношению к рабочему телу и окружающей среде, термически стойки.

Уровень отвода тепла из реактора довольно высокий при умеренных и низких давлениях (давление приходится повышать, чтобы уменьшить затраты на прокачку). Пожаробезопасны, нетоксичны. Углекислый газ дешев, гелий дорогой.

При использовании углекислого газа в качестве теплоносителя было обнаружено, что при температурах выше 650 °С наблюдается его повышенная коррозионная активность по отношению к конструкционным материалам. Это связано с восстановлением СО2 до СО при контакте с графитом. Поэтому углекислый газ непригоден для использования в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах. Для этих реакторов наиболее подходящим теплоносителем является гелий.

Водяной пар в настоящее время является основным рабочим телом ЯЭУ. Практически все стационарные и транспортные ЯЭУ работают по паровому циклу. Использование водяного пара как основного рабочего тела обусловлено его хорошей отработанностью в обычной тепловой энергетике. Что касается газотурбинных циклов, то они находятся только в стадии разработки. Газотурбинные установки становятся конкурентноспособными с паротурбинными установками при температуре газа >1100 К. Такой уровень температуры в ЯЭУ сейчас только начинает осваиваться. В газотурбинном цикле в качестве рабочего тела может быть использован как газовый теплоноситель (одноконтурные ЯЭУ), так и другие газы, если речь идет о многоконтурных ЯЭУ.

2. Классификация атомных станций(АС). Распределение ипотребление электрической итепловой энергии

Типы АС. Если атомная станция производит только электроэнергию, то она называется конденсационной и обозначается обычно АЭС. На такой АС используется обычно конденсационная турбина, в конденсаторе которой поддерживается довольно глубокий вакуум.

13

Если наряду с производством электроэнергии вырабатывается и тепло для потребителя, то такие станции называются теплоэлектроцентралями и обозначаются АТЭЦ. Турбины на таких АС теплофикационные со специальными регулируемыми отборами пара, а иногда и с противодавлением, т.е. с давлением на выхлопе выше атмосферного.

Если АС предназначена только для выработки тепла, то она называется атомной станцией теплоснабжения (АСТ). Если стан-

ция предназначена не только для выработки тепла, но и для производства среднепотенциального пара для промышленного потребле-

ния, то это атомная станция промышленного теплоснабжения

(АСПТ).

Классифицировать АС можно по разным признакам: по числу контуров – одно-, двух- и трехконтурные;

по энергии нейтронов в реакторе – с реакторами на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах;

по конструктивным особенностям реактора: сюда относят, прежде всего то, является ли реактор корпусным или канальным, с водой под давлением или с кипящей водой и т.д.;

по типу замедлителя – вода обычная и тяжелая, графит; по типу турбины – с турбиной на насыщенном паре или на пере-

гретом паре.

Например, АЭС с реактором ВВЭР-1000 – это двухконтурная АЭС с реактором корпусного типа на тепловых нейтронах, с водой под давлением в качестве теплоносителя и замедлителя и с турбиной на насыщенном паре.

2.1. Распределение и потребление энергии, энергосистемы

Основное назначение электрических станций, в том числе и атомных, – снабжение потребителя электроэнергией и теплом. Особенность работы электрических станций – практическое совпадение производимой и потребляемой энергии, так как запасать электроэнергию впрок в настоящее время очень трудно, нет хороших и надежных аккумуляторов, позволяющих накапливать большие запасы электроэнергии. Имеющиеся аккумуляторы используют в ограниченных количествах и в основном для систем надежного питания.

14

Неразрывность производства и потребления электроэнергии предъявляет весьма высокие требования к надежности работы электростанций. Для обеспечения бесперебойности электроснабжения и уменьшения резерва электрогенерирующих мощностей отдельные электрические станции объединяют в энергосистемы. Такое объединение позволяет наиболее рационально использовать специфические особенности отдельных электрогенерирующих предприятий, входящих в энергосистему. Например, станции с большими капиталовложениями и относительно дешевым топливом целесообразно использовать наиболее полно, и наоборот, станции на дорогом топливе лучше использовать менее продолжительное время.

В настоящее время в России существует довольно много региональных систем, которые в свою очередь входят в состав объединенных, более крупных энергосистем.

2.2. Графики электрической и тепловой нагрузок

Условия работы энергосистемы и входящих в ее состав электрогенерирующих предприятий (электростанций) определяются режимом электро- и теплопотребления обслуживаемого ими региона. Электро- и теплопотребление характеризуются соответствующими графиками нагрузок: суточными, недельными, годовыми. Различаются графики промышленной и коммунально-бытовой нагрузки, летний и зимний графики, в рабочие и выходные дни. В среднем промышленная нагрузка превышает коммунально-бытовую примерно в пять–шесть раз.

2.2.1. Графики электрических нагрузок

Основной график нагрузки – суточный. Электропотребление в течение суток существенно изменяется в относительно короткие промежутки времени, поэтому покрытие этого графика – наиболее сложная задача. Суточный график подразделяется на постоянную и переменную части. Постоянная часть отвечает минимальной нагрузке, а переменная часть – это та часть графика, которая лежит выше минимальной. Неравномерность графика электрической

15

нагрузки характеризуется так называемыми коэффициентами заполнения графика – α и β. Эти коэффициенты определяются следующим образом:

Здесь Wmin, Wmax, Wср – минимальная, максимальная и среднеинтегральная электрическая нагрузка (за рассматриваемый период – сутки, неделя).

Плотности суточных графиков зависят от ряда обстоятельств. Следует отметить, что наиболее неравномерным является суточный график электрической нагрузки коммунально-бытового потребителя, менее неравномерный – суточный график электрической нагрузки промышленного потребителя (рис. 2.1, 2.2). Для комму- нально-бытового потребителя величина α может быть оценена как α ≈ 0,45, а β ≈ 0,8; для промышленного потребителя α ≈ 0,75, β ≈ 0,9.

Для построения суточного графика электрической станции или энергосистемы региона необходимо еще учесть расход электроэнергии на электрифицированный транспорт, на собственные нужды, а также потери в энергосистеме. Как уже отмечалось, объединение электростанций в энергосистему позволяет более рационально использовать специфические возможности электрогенерирующих предприятий. В целях оптимального распределения нагрузки между отдельными электростанциями, входящими в энергосистему, для региона строят суточные графики электрических нагрузок для всех времен года. На основании этих данных строят годовой график электрических нагрузок по продолжительности, (рис. 2.3). Этот график характеризует число часов в году τi, в течение которых нагрузка энергосистемы равна величине Wi. Нагрузку, характерную для наибольшего числа часов работы, называют базовой, а для наименьшего числа часов – пиковой. Распределяют суммарную нагрузку по отдельным станциям таким образом, чтобы обеспечить наиболее экономичную работу энергосистемы в целом. В частности, целесообразно станции, имеющие меньшие издержки на топливо и эксплуатационные расходы, загружать большее число часов в году, а станции с большими издержками на топливо и большими эксплуатационными расходами – меньшее число часов. В настоя-

16

щее время в России атомные станции работают в основном в базовом режиме, т.е. на покрытие базовых нагрузок.

Рис. 2.1. Суточный график коммунально-бытовой электрической нагрузки: 1 – зима, 2 – лето

Рис. 2.2. Суточный график промышленной электрической нагрузки: 1 – рабочий день, 2 – выходной (праздничный) день

17

графиков, и все вместе служат основой для построения графика годовой тепловой нагрузки по продолжительности (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Годовой график тепловой нагрузки по продолжительности: I – отопительный период, II – остальное время

Характеристика графика – число часов использования максимальной тепловой нагрузки τ, которое определяется следующим образом:

Q*

τ = год , (2.2)

Qmax

где Qгод* = Qdτ – производство тепловой энергии в год.

τ

19

Для промышленной и отопительно-бытовой нагрузки свои значения τ:

Порядок величины τ следующий: τ1 ≈ 6000 ч/год; τ2 ≈ 2500÷ ÷4000 ч/год.

2.3. Коэффициент использования и число часов использования установленной мощности

Для оценки напряженности и качества работы электростанции и ее основного оборудования пользуются двумя показателями: μуст – коэффициент использования установленной мощности; τуст – годовое число часов использования установленной мощности. Прежде чем перейти к определению этих коэффициентов, дадим несколько определений.

Установленная мощность станции – сумма номинальных мощ-

ностей электрогенераторов, установленных на данной электростанции.

Номинальная мощность электрогенератора – наибольшая мощность, при которой генератор может работать длительное время в режимах, определенных техническими условиями.

Коэффициент использования установленной мощности (μуст) –

отношение количества выработанной за год электрической энергии к тому количеству электрической энергии, которое могло бы быть выработано при годовой работе станции на установленной мощности:

где 8760 – число часов в календарном году, wуст – установленная мощность станции.

Годовое число часов использования установленной мощности (τуст) – отношение реально выработанной за год электрической энергии к установленной мощности, т.е.

20