Пособие АЭС Зорин

УДК 621.311.25:621.384(075.8)

ББК 31.47я73

З-862

Р е ц е н з е н т ы : А.В. Клименко, доктор техн. наук, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов Национального исследовательского ядерного университета МИФИ; А.Д. Трухний, доктор техн. наук, профессор кафедры паровых и газовых турбин МЭИ

Зорин В.М.

З-862 Атомные электростанции : учебное пособие / В.М. Зорин. — М.: Издательский дом МЭИ, 2012. — 672 с.: ил.

ISBN 978-5-383-00604-7

Описаны условия работы АЭС и предъявляемые к ней требования общественной и природной среды. В соответствии с системным подходом рассмотрены тепловые схемы, особенности используемого оборудования основных технологических установок и их частей, даны рекомендации по выбору управляемых параметров тепловых схем основного технологического процесса. Представлены сведения по вспомогательным технологическим системам нормальной эксплуатации и системам безопасности отечественных реакторных установок. Рассмотрены основные вопросы компоновки главного корпуса и требования к генеральному плану АЭС.

Для студентов, обучающихся по специальности «Атомные электростанции и установки» и по другим специальностям со специализацией в области ядерной энергетики.

УДК 621.311.25:621.384(075.8)

ББК 31.47я73

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Основные сокращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Глава 1. Состояние и перспективы развития ядерной энергетики . . . . . . . 16

Глава 2. Работа электростанций в энергосистеме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Глава 3. Экономичность и надежность атомных электростанций . . . . . . . 34

3.1. Свойство экономичности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2. Технико-экономическая оптимизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3. Свойство надежности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.4. Безопасность атомных электростанций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Глава 4. Атомные электростанции и окружающая среда . . . . . . . . . . . . . . . 52

Глава 6. Основы проектирования тепловых схем атомных электростанций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.1. Основные определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.2. Системный подход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.3. Структура основных технологических установок . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6.4. Расчеты тепловых схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Глава 7. Реактор как источник теплоты на атомных электростанциях. . . 87

7.1. Определение массы топлива для загрузки реактора . . . . . . . . . . . . . . . 87

7.2. Теплоносители ядерных реакторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

7.3. Классификация атомных электростанций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Глава 8. Низкопотенциальная часть электростанции . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Глава 9. Показатели тепловой экономичности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

9.1. Потери энергии в реальной установке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

9.2. Энергетический баланс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

9.3. Начало эксергетического анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

РАЗДЕЛ II. ПАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ . . . . . . . . . 131

Глава 10. Паропроизводительные установки с водоохлаждаемыми реакторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

10.1. Управляемые параметры тепловой схемы ППУ

с реактором типа ВВЭР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

10.2. Особенности и перспективы развития водо-водяных

энергетических реакторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

10.3. O ступенчатой схеме испарения в парогенераторной установке . . . . 148

5

10.4. Особенности кипящих легководных реакторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

10.5. О перегреве пара в реакторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

10.6. Расчет тепловой схемы паропроизводительной установки. . . . . . . . . 161

Глава 11. Выбор параметров и основные особенности паропроизводительных установок с реактором типа БН. . . . . . . . . . . . . . . 165

Глава 12. Паропроизводительные установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

12.1. ППУ c реактором со свинцовым теплоносителем . . . . . . . . . . . . . . . . 174

12.2. Свинцово-висмутовая реакторная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

Глава 13. Паропроизводительные установки с газоохлаждаемыми реакторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

Раздел III. ПАРОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

Глава 14. Конденсационная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

14.1. Роль конденсационной установки в тепловой схеме ПТУ . . . . . . . . . 203

14.2. Температура конденсации пара. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

14.3. Особенности процесса теплообмена в конденсаторе . . . . . . . . . . . . . 208

14.4. Конструктивные схемы конденсаторов и схемы их включения . . . . . 212

14.5. Структура конденсационной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

14.6. Особенности конденсационной установки одноконтурных

атомных электростанций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

Глава 15. Система регенеративного подогрева питательной воды . . . . . . . 226

15.1. Роль системы регенерации теплоты в тепловой схеме ПТУ. . . . . . . . 227

15.2. Распределение подогрева питательной воды между

регенеративными подогревателями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

15.3. Конечная температура подогрева питательной воды . . . . . . . . . . . . . 243

15.4. Влияние промежуточного перегрева пара на распределение

подогрева воды в системе регенерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

15.5. Подогреватели системы регенерации теплоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

15.6. Управляемые параметры подогревателей системы регенерации . . . . 273

15.7. Деаэрационная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

15.8. Питательная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

Глава 16. Теплофикационная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

16.1. Потребители тепловой мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

16.2. Основные управляемые параметры и состав

теплофикационной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

16.3. Регулирование тепловой мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

16.4. Теплофикационные установки одноконтурных АЭС . . . . . . . . . . . . . 312

16.5. Вспомогательные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

Глава 17. Потребители пара собственных нужд электростанции . . . . . . . . 316

Глава 18. Промежуточные перегрев и сепарация пара турбины . . . . . . . . . 322

18.1. Сепараторы-пароперегреватели для турбин АЭС . . . . . . . . . . . . . . . . 323

18.2. Управляемые параметры системы промежуточных сепарации

и перегрева пара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

6

Глава 19. Паровая турбина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344

19.1. Характеристики потока влажного пара в турбине . . . . . . . . . . . . . . . . 346

19.2. Особенности основных выбираемых параметров

влажнопаровых турбин АЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

19.3. Внутренний относительный КПД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

19.4. h, s-диаграмма процесса расширения пара в турбине . . . . . . . . . . . . . 363

19.5. Вспомогательные системы турбины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

Раздел IV. ОСНОВНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС . . . . . . . . . 381

Глава 20. Насосы в тепловой схеме АЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

20.1. Основные уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

20.2. Определение основных параметров насоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

20.3. Характеристики насоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392

20.4. Насосы АЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

Глава 21. Трубопроводы и арматура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

21.1. Трубопроводы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

21.2. Арматура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

21.3. Главные паропроводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

21.4. Питательный трубопровод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

Глава 22. Тепловые схемы АЭС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

Глава 23. Основные этапы разработки тепловой схемы новой энергоустановки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

Глава 24. Вспомогательные системы нормальной эксплуатации реакторной установки с ВВЭР-1000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

24.1. Система компенсации давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

24.2. Системы, поддерживающие требуемое качество теплоносителя

и его материальный баланс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

24.3. Система продувки парогенератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494

24.4. Охлаждение теплообменников вспомогательных систем . . . . . . . . . . 502

24.5. Другие вспомогательные системы нормальной эксплуатации . . . . . . 507

Глава 25. Системы безопасности АЭС с ВВЭР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511

25.1. Защитные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515

25.2. Локализующие системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533

25.3. Системы безопасности в проектных авариях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538

25.4. Системы безопасности РУ с ВВЭР-440 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545

25.5. O реакторе ВВЭР-СКДИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551

Глава 26. Развитие систем безопасности РУ с ВВЭР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557

Глава 27. Реактор большой мощности кипящий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574

27.1. Вспомогательные технологические системы

нормальной эксплуатации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575

27.2. Системы обеспечения безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583

7

Глава 28. Реакторная установка с натриевым теплоносителем. . . . . . . . . . 591

28.1. Основные проблемы создания натриевого контура. . . . . . . . . . . . . . . 591

28.2. Вспомогательные технологические системы нормальной

эксплуатации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596

28.3. Системы безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602

Глава 29. Система технологической вентиляции на АЭС. . . . . . . . . . . . . . . 608

Раздел VI. КОМПОНОВКА И ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ПЛАН АЭС . . . . . . . . . 618

Глава 30. Компоновка главного корпуса электростанции . . . . . . . . . . . . . . 618

30.1. Виды компоновки главного корпуса АЭС и основные

требования к ней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619

30.2. Взаимное расположение реакторной и паротурбинной установок . . 622

30.3. Компоновка машзала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631

30.4. Особенности ПТУ одноконтурной АЭС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634

Глава 31. Основные требования к генеральному плану АЭС . . . . . . . . . . . 637

Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644

П.1. Равномерное распределение подогрева питательной воды . . . . . . . . . 644

П.2. Распределение подогрева воды в системе регенерации

по геометрической прогрессии температур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653

П.3. Об индифферентной точке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661

Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668

8

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебная дисциплина «Атомные электростанции» не только совпадает по названию с наименованием специальности «Атомные электрические станции и установки», но и имеет важнейшее значение при подготовке специалистов. В ней раскрываются: что такое атомные электростанции (АЭС) с технической точки зрения, какая совокупность процессов и в каком оборудовании приводит к выполнению основной задачи АЭС, какова целевая функция создания атомной электростанции.

Длительное время основным учебником многих поколений студентов была и остается книга профессора Т.Х. Маргуловой «Атомные электрические станции»: ее первое издание вышло в свет в 1970 г., последнее, пятое, — в 1994 г. [1]. Книга была хорошо воспринята как научной общественностью, так и студентами.

В настоящее время настала необходимость уточнения ряда вопросов, относящихся к построению курса. Первый из них: что должно быть основным объектом изучения — процессы, оборудование или нечто другое? Второй вопрос: к какому этапу жизненного цикла этого объекта — исследованию, проектированию, эксплуатации — должен относиться материал курса? И, наконец, третий: каким образом должно изучаться это сложное техническое устройство — атомная электростанция?

Атомная электростанция — это сложный комплекс разнородного и многочисленного оборудования с протекающими в нем разнообразными процессами. Все оборудование и процессы объединены технологической схемой. Именно технологическая, иначе, тепловая, схема дает ответ, как организована выработка электроэнергии на основе получаемой в ядерном реакторе теплоты. Требования к технологической схеме позволяют выделить специфические характеристики оборудования, особенности протекающих в нем процессов, понять необходимость определенного взаимного расположения (компоновки) оборудования и т.п. Технологическая схема включает в себя не только оборудование, обеспечивающее протекание основного процесса на электростанции, но и различные вспомогательные системы, системы безопасности. Таким образом, технологическая (тепловая) схема должна быть в курсе «Атомные электростанции» основным объектом изучения студентами.

Изучение технологической схемы АЭС неизбежно связано с вопросами: какой она должна быть, каким образом она должна разраба-

9

тываться? В свою очередь, это вопросы исследования и проектирования, которые взяты в качестве основных ориентиров курса.

Многочисленность и разнообразие оборудования технологической схемы АЭС, связей между элементами оборудования, параметров, характеризующих элементы и связи, — все это не позволяет сформировать целостное представление о данном объекте, если в его основу положить элементы оборудования. Объективная и доступная для анализа структура АЭС может быть создана лишь на базе современной методологии — системном подходе. Один из главных его принципов — принцип иерархичности — позволяет изучать и исследовать тепловую схему все с большей степенью детализации, переходя с верхнего уровня на нижние.

Указанные особенности нашли отражение в данном учебном пособии. Материал пособия излагается в соответствии с последними достижениями науки и техники. В целом, был принят следующий порядок изложения материала.

Атомная электростанция — примышленное предприятие топ- ливно-энергетического комплекса (ТЭК). В свою очередь, ТЭК — это отрасль промышленности, обеспечивающая топливом и энергией хозяйство страны и ее население. Главное предназначение АЭС — производство электрической энергии при параллельной работе с другими электростанциями ТЭК. В отличие от электростанций других типов, на АЭС используется ядерное топливо, при «сжигании» которого возникает мощное ионизирующее излучение.

Показать, что такое АЭС с технической точки зрения — основная задача учебной дисциплины «Атомные электростанции». Но прежде чем приступить к ее выполнению, необходимо дать ответы на другие вопросы, связанные с тем, что АЭС не является изолированным объектом. Вот некоторые из таких вопросов: каковы современные условия для создания АЭС, какие процессы лежат в основе ее технологического цикла, каким требованиям она должна удовлетворять и какими свойствами обладать в период эксплуатации? Количественное выражение свойств АЭС определяет степень удовлетворения требованиям общества, производственной и природной среды.

Первая часть (разд. I) учебного пособия является вводной к основной ее части. В ней даются ответы на поставленные вопросы, учет которых обязателен при создании АЭС, при ее проектировании и эксплуатации и, конечно, необходим при ее изучении.

Значительная часть материала учебного пособия посвящена основному технологическому процессу на АЭС; причем, и это нужно отметить, рассматриваются только паротурбинные атомные электростанции, широко применяемые для производства электроэнергии во всем мире.

10