ТЭС и АЭС_1 / Лекция 5

Лекция

Атомные электрические станции

ТИПЫ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

В системе любой тепловой электростанции различают теплоноситель и рабочее тело. Для атомных станций рабочим телом (средой, совершающей работу, преобразующую тепловую энергию в механическую), так же как и для современных мощных тепловых станций на органическом топливе, является водяной пар.

Требования к чистоте рабочего тела настолько высоки, что могут быть удовлетворены с экономически приемлемыми показателями только при кон­денсации всего пара и возврате конденсата в цикл. Поэтому контур рабочего тела для конденсационных тепловых электростанций всегда замкнут, и до­бавочная вода поступает в него лишь в небольших количествах для воспол­нения утечек и некоторых других потерь конденсата. То же относится и к теплоэлектроцентралям, за исключением тех, на которых установлены тур­бины с противодавлением. В этом случае пар после турбины может поступать для производственных нужд, где иногда используется безвозвратно. Кон­тур рабочего тела оказывается разомкнутым, и расход его должен пол­ностью восполняться за счет работы водоочистительной установки. Однако такие условия для атомных станций не характерны.

Назначение теплоносителя - отводить тепло, выделившееся в реакторе при высвобождении внутриядерной энергии, и ее преобразование в тепло­вую. Для предотвращения любых отложений на тепловыделяющих элемен­тах необходима весьма высокая чистота теплоносителя. Поэтому для него также необходим замкнутый контур. Однако существует более серьезная причина, из-за которой контур теплоносителя всегда делается замкнутым: в результате прохода через реактор теплоноситель активируется и его про­течки, не говоря уже о полном сбросе (разомкнутый цикл), могли бы соз­дать серьезную радиационную опасность. Поэтому основная классифика­ция атомных станций зависит от числа контуров на ней. Выделяются АЭС: одноконтурные, двухконтурные, неполностью двухконтурные и трехконтурные.

Если контуры теплоносителя и рабочего тела совпадают, то такая атом­ная станция называется одноконтурной . В реакторе происхо­дит парообразование, пар направляется в турбину, где, расширяясь, про­изводит работу, превращаемую в генераторе в электроэнергию. После кон­денсации всего пара в конденсаторе конденсат насосом подается снова в реактор. Таким образом, контур рабочего тела является одновременно конту­ром теплоносителя, а иногда и замедлителя, и оказывается замкнутым. Реактор может работать как с естественной циркуляцией в нем, так и с при­нудительной циркуляцией теплоносителя по дополнительному внутрен­нему контуру реактора, на котором установлен соответствующий насос.

Рис. 1. Классификация атомных электростанций в за­висимости от числа контуров:

а - одноконтурные; б - двухконтурные; в - неполностью двухкон- турные; г - трехконтурные; 1 - реактор: 2 - паровая турбина; 3 - электрический генератор; 4 - конденсатор; 5 - питательный насос; 6 - циркуляционный насос; 7 - парогенератор; 8 - компенсатор объ­ема; 9 - жидкометаллический насос; 10 - промежуточный теплооб­менник; 11- барабан-сепаратор

Как следует из рис. 1, а, в одноконтурных схемах все оборудование работает в радиационно-активных условиях, что осложняет его эксплуата­цию. Однако большим преимуществом таких схем является их простота и большая экономичность по сравнению с двухконтурными, так как парамет­ры пара перед турбиной и в реакторе отличаются лишь на величину потерь в паропроводах.

Если контуры теплоносителя и рабочего тела разделены, то такая атом­ная станция называется двухконтурной (рис. 1, б). Соответственно кон­тур теплоносителя называют первым, а контур рабочего тела - вторым. В таких схемах реактор охлаждается теплоносителем, прокачиваемым че­рез него и парогенератор циркуляционным насосом. Образованный таким образом контур теплоносителя является радиоактивным, но он включает в себя не все оборудование станции, а лишь его часть. Если парообразование теплоносителя в реакторе отсутствует, то в систему первого контура вво­дится компенсатор объема, так как объем теплоносителя зависит от его тем­пературы, изменяющейся в процессе работы. Пар из парогенератора посту­пает в турбину, затем в конденсатор, а конденсат из него насосом подается в парогенератор. Образованный таким образом второй контур включает оборудование, работающее в отсутствии радиационной активности, это упрощает эксплуатацию станции.

На двухконтурной станции обязательна парогенерирующая установ­ка - элемент, разделяющий оба контура. Поэтому она в равной степени принадлежит как первому, так и второму контуру. Передача тепла через поверхность нагрева требует перепада температур между теплоносителем и кипящей водой в парогенераторе. Для водного теплоносителя это требует поддержания в первом контуре более высокого давления, чем давление па­ра, подаваемого на турбину. Стремление избежать в первом контуре заки­пания теплоносителя в каналах реактора приводит к необходимости иметь здесь давление, существенно превышающее давление во втором контуре. Соответственно тепловая экономичность такой станции всегда меньше, чем одноконтурной с тем же давлением в реакторе.

Первоначально предполагалось, что двухконтурная атомная станция будет существенно отличаться от одноконтурной по капиталовложениям. Однако выяснившаяся необходимость установки ионообменной конденса- тоочистки на полный расход конденсата привела к тому, что по такому важному показателю, как стоимость установленного киловатта мощности, одноконтурные станции практически не имеют пре­имуществ перед двух контурными.

В качестве теплоносителя в схеме АЭС, мо­гут быть использованы также и какие-либо органические жидкости или газы, например С0₂. Газовый теплоноситель прокачивается через реактор и парогенератор газодувкой, играющей ту же роль, что и циркуляционный насос. В отличие от водного, для органических и газовых теплоносителей давление в первом контуре может быть ниже, чем во втором; компенсатор объема не требуется.

В процессе эксплуатации возможно возникновение неплотности на отдельных участках парогенератора, чаще всего в местах вальцовок паро- генераторных трубок или коррозионных повреждений. Если давление в пер­вом контуре выше, чем во втором, то возникает перетечка теплоносителя, вызывающая радиоактивность второго контура и нарушающая нормальную эксплуатацию. Такое положение может возникнуть при использовании в качестве теплоносителя воды под давлением. При применении газового или органического теплоносителя возникновение неплотностей может вызвать перетечку воды (или пара) из второго контура в первый. Это ухудшает чис­тоту теплоносителя и вызывает коррозию оборудования.

Существуют теплоносители, попадание в которые пара или воды вызы­вает бурное химическое взаимодействие. Это может создать опасность выброса радиационно-активных веществ из первого контура в обслуживаемые помещения. К числу таких теплоносителей относится жидкий натрий, бур­но реагирующий с водой и водяным паром. Поэтому создается дополнитель­ный (промежуточный) контур с тем, чтобы даже в аварийных ситуациях можно было избежать контакта радиоактивного натрия с водой или водяным паром. Такие атомные станции называются трехконтурными (рис. 1, г).

Радиоактивный жидкометаллический теплоноситель насосом прокачи­вается через реактор и промежуточный теплообменник, в котором отдает тепло также жидкометаллическому, но нерадиоактивному теплоносителю. Последний прокачивается через парогенератор по системе, образующей промежуточный контур. При возникновении неплотности между проме­жуточным и вторым контуром контакт воды или пара будет иметь место только с нерадиоактивным натрием. Система второго контура для трехконтурной схемы аналогична двухконтурной схеме. По капитальным затратам трехконтурные атомные электростанции наиболее дорогие.

Кроме основной классификации атомных электростанций, по числу кон­туров можно выделить отдельные типы АЭС в зависимости от:

1. типа реактора – на тепловых или быстрых нейтронах;

2. параметров и типа паровых турбин, например: атомная станция с турбинами на насыщенном паре, на перегретом паре (одного или двух дав­лений) и др.;

3. способа перегрева пара - с ядерным перегревом, «огневым» пере­гревом и пр.;

4. параметров и типа теплоносителя - с газовым теплоносителем, те­плоносителем «вода под давлением», жидкометаллическим и органическим;

5. конструктивных особенностей реактора, например: с реакторами ка­нального или корпусного типа; кипящим с естественной или принудительной циркуляцией и др.;

6. типа замедлителя реактора, например: с уран-графитовым реактором, тяжеловодным замедлителем и др.

Наиболее полная характеристика атомной станции объединяет все эти классификации. Например, первая очередь Белоярской АЭС является не­полностью двухконтурной атомной станцией на тепловых нейтронах с тур­бинами высокого давления и перегревом пара в реакторе канального типа с графитовым замедлителем; Ново-Воронежская АЭС - двухконтурной атомной станцией с реактором корпусного типа на тепловых нейтронах с теплоносителем «вода под давлением» и турбинами на насыщенном паре.

С точки зрения анализа теплового расчета и условий работы основного теплового оборудования атомной электростанции наибольшее значение имеет классификация по числу контуров и энергетическим параметрам, тем более, что при этом косвенным образом дается характеристика и по остальным признакам.

ОСНОВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ АЭС

По отдельным стадиям технологического процесса все теплоэнергети­ческое оборудование АЭС подразделяется на реакторную, парогенерирующую, паротурбинную и конденсационную установки и конденсатно-питательный тракт. Взаимосвязь между этими элементами образует тепловую схему станции. Рассмотрим упрощенную тепловую схему двухконтурной АЭС (рис. 2). Реакторная установка является источником тепла. В па­рогенераторе за счет теплопередачи от теплоносителя к рабочему телу про­изводится пар для работы в турбине. В турбине происходит расширение па­ра и соответствующая работа. Так как начальный перегрев пара бывает незначительным, а во многих случаях, в частности для двухконтурной схе­мы с водным теплоносителем, пар поступает в турбину насыщенным, то, предельно допустимая влажность пара обычно не должна превышать •~12% во избежание интенсивного эрозионного износа лопаточного аппа­рата каплями воды. При достижении предельной влажности весь пар вы­водится из цилиндра высокого давления и пропускается через сепаратор, откуда он, после отделения воды, поступает в цилиндр низкого давления. Здесь пар в процессе расширения снова увлажняется до предельно допусти­мой влажности и поступает в конденсатор. Стремление получить от каждо­го

Рис. 2. Упрощенная тепловая схема двухконтурной атомной электростанции с водным теплоносителем:

1 - реактор; 2 - компенсатор объема; 3 - парогене­ратор; 4 - паровая турбина; 5 - турбинный сепаратор; б - конденсатор; 7 - конденсатный насос; 8 - подогреватели низкого давления; 9 - питательный бак; 10 - деаэраторная ко­лонка; 11 - питательный насос; 12 - подогреватели высокого давления; 13 - сетевой подогре­ватель; 14 - циркуляционный насос; 15 - конденсатоочистка

килограмма пара возможно большую работу и тем самым повысить к. п. д. заставляет поддерживать в конденсаторе возможно более глубокий вакуум. В связи с этим конденсатор и большая часть цилиндра низкого давления турбины находятся под разрежением.

Тепло, передаваемое в конденсаторе охлаждающей воде, безвозвратно теряется. Величина потери может быть снижена путем уменьшения про­пуска пара в конденсатор, что достигается направлением части пара в сис­тему регенеративных подогревателей воды.

Так как цикл рабочего тела замкнут, то весь турбинный конденсат должен быть подан в парогенератор. За счет работы насосов давление повышается от величины, характерной для конденсатора, до давления в парогенераторе, в результате чего преодолевается сопротивление тракта от конденсатора до парогенератора. Обычно этот тракт делят на две части. Конденсатный насос' забирает конденсат из водяного объема конденсатора и прокачивает его через регенеративные подогреватели, называемые подогревателями низкого давления (ПНД), до питательного бака.

В питательном баке, давление в котором выше атмосферного, создается определенный запас воды. Насосом, обеспечивающим последующее повышение давления вплоть до рабочего в парогенераторе, вода нз питатель­ного бака прокачивается через регенеративные подогреватели, называемые подогревателями высокого давления (ПВД). Весь тракт от конденсатора до парогенератора носит название конденсатно-питательного, а части его до и после питательного бака называются соответственно конденсатным и пи­тательным трактами.

В регенеративных подогревателях подогрев конденсата и питательной воды происходит отборным паром турбин, конденсат которого возвращает­ся в систему (см. рис. 2). Так как цилиндр низкого давления турбины работает в области вакуума, то трубопроводы отборного пара к подогрева­телям низкого давления, сами эти подогреватели по стороне греющего пара и линии конденсата греющего пара находятся под разрежением. Подогре­ватели высокого давления, устанавливаемые на питательном тракте, на­ходятся под давлением по обе стороны поверхности нагрева, так как они обогреваются паром, отбираемым из цилиндра высокого давления турбины. Из цилиндра высокого давления отбор пара производится также и для по­догрева воды в сетевом подогревателе для отопления, вентиляции и горя­чего водоснабжения.

Таким образом, по конденсатно-питательному тракту происходит уве­личение давления и энтальпии рабочего тела. В парогенерирующей уста­новке энтальпия пара увеличивается при постоянном давлении до макси­мальной величины для данного цикла. Далее в паровой турбине энтальпия и давление пара непрерывно уменьшаются до давления в конденсаторе, где в связи с конденсацией пара при постоянном давлении энтальпия умень­шается до минимального значения для данного цикла.

Для схемы, приведенной на рис. 1, б и 2 парогенератор про­изводит насыщенный пар одного давления. В аналогичной двухконтурной схеме с газовым или жидкометаллическим теплоносителем парогенерирую- щая установка второго контура обычно выдает перегретый пар, причем для газового теплоносителя - иногда двух давлений. Наличие перегрева для таких схем позволяет иметь допустимую влажность на входе в конден­сатор, не применяя турбинного сепаратора.

Если теплоноситель - вода, но станция одноконтурная, то нет необ­ходимости иметь отдельную парогенерирующую установку. Назначение реакторной установки при этом не только тепловыделение, но и производст­во пара, чаще всего насыщенного. Если для подобной схемы циркуляцион­ную воду реактора пропустить через поверхность нагрева дополнительного парогенератора, то получится схема, аналогичная показанной на рис. 2, б. Здесь контур рабочего тела совпадает с контуром теплоносителя. Отличие этой схемы от схемы, приведенной на рис. 1, а, -сущест­венное увеличение внутреннего контура принудительной циркуляции. В парогенераторе происходит дополнительное охлаждение реакторной во­ды, что увеличивает тепловую мощность реактора, хотя и уменьшает ко­личество пара, выдаваемого самим реактором.

Так как для теплопередачи в парогенераторе необходим температурный напор между греющей и обогреваемыми средами, то производимый в нем насыщенный пар имеет давление меньшее, чем в реакторе. Поэтому пар от парогенератора должен подаваться не в головную часть турбины, а в ее промежуточную ступень. Таким образом, турбинная установка для схемы, приведенной на рис. 2, должна работать на двух давлениях. Осталь­ное тепловое оборудование станции обоих типов (см. рис. 2, и 1, а) одинаково, но различие давлений в реакторе и в парогенераторе требует выполнения двух самостоятельных питательных трактов. Такая схема была применена, например, на первой очереди Дрезденской АЭС (США). В на­чальный период эксплуатации по такой схеме работала Ульяновская АЭС. В дальнейшем одноконтурные схемы сооружались без дополнительного па­рогенератора, так как он значительно удорожал оборудование АЭС.