Лекции / Лекция 16

ЛЕКЦИЯ № 16

Общая характеристика процессов, протекающих в ПГ

1.1.Гидродинамика и теплообмен

1.2.Физико-химические процессы

2. Влияние процессов, протекающих в ПГ, на надежность и экономичность основного оборудования АЭС

Технико-экономические показатели ПГ

2.2. Технико-экономические показатели АЭС

3. Влияние процессов, протекающих в ПГ на характеристиками работы турбоустановки

1

1. Общая характеристика процессов, протекающих в ПГ

1.1.Гидродинамика и теплообмен

Процессы теплообмена и гидродинамики определяют техникоэкономическое совершенство и надежность ПГ. Конкретные условия их протекания весьма разнообразны и определяются видом и параметрами рабочей среды и теплоносителя.

Во всех элементах ПГ передача тепла осуществляется конвективной теплоотдачей.

При омывании поверхности теплообмена высокотемпературными много-атомными газами (СO2) имеет место и теплоотдача через излучение (однако ее вклад в перенос тепла по сравнению с конвективной невелик).

Интенсивность конвективной теплоотдачи для данной геометрии поверхности определяется: физическими параметрами вещества и гидродинамикой потока. Как при продольном, так и при поперечном обтекании однофазной средой поверхностей теплообмена существуют в зависимости от гидродинамического режима три области с различными закономерностями теплообмена: ламинарного течения, развитного турбулентного течения и переходная.

При продольном обтекании границы этих областей характеризуются следующими значениями числа Рейнольдса:

2300<Re<10000 переходная область,

Re> 10000 область развитого турбулентного течения.

При поперечном обтекании пучков эти границы существенно изменяются, в частности ориентировочно можно считать, что :

Наиболее высокая интенсивность теплообмена соответствует турбулентному режиму. Поэтому для ПГ следует ориентироваться прежде всего на турбулентное течение.

2

Гидродинамика и теплообмен однофазных и двухфазных потоков:

Закономерности теплообмена и гидродинамики при движении в поверхностях нагрева однофазных сред изучены хорошо.

Нет еще окончательных рекомендаций по учету теплоотдачи излучением для чистых многоатомных газов (СО2) при высоких давлениях и температурах.

За последнее десятилетие достигнуты большие успехи в изучении теплообмена и гидродинамики при движении двухфазных пароводяных потоков, позволившие получить удовлетворительные рекомендации по расчету теплообмена и гидродинамики в испарительных поверхностях.

Однако проблемы двухфазных потоков решены далеко не полностью.

Практически отсутствуют теоретические представления о механизме процессов теплообмена и гидродинамики.

3

Нестационарные процессы

ПГ представляют собой теплообменники, непрерывно действующие в течение длительного времени и обеспечивающие постоянство параметров.

Пуски, остановки и переход на частичные. Однако в процессе работы при постоянных средних характеристиках всей поверхности теплообмена имеют место более или менее выраженные нестационарные процессы в отдельных трубках или каналах.

В водяном экономайзере могут иметь место пульсации температуры стенки, вызываемые пульсациями расхода воды или ее температуры на входе.

Подобные пульсации, но еще более четко выраженные, могут быть в стенках труб поверхности теплообмена, обогреваемых жидкими металлами.

В испарительных поверхностях при подаче в них воды, недогретой до

ts, при определенных условиях наблюдается межвитковая пульсация расходов, что может привести к возникновению нестационарных границ перехода потока из одной зоны в другую.

Уровень знания этих процессов еще не позволяет точно рассчитать их даже для относительно простых случаев.

4

Барботажное движение

В некоторых парообразующих поверхностях, а также в сепарационных системах имеет место безнапорное движение двухфазной среды,

называемое барботажем. Барботажное движение отличается от напорного отсутствием расхода водной фазы. Однако, несмотря на более простую модель этого вида движения, его закономерности также до настоящего времени окончательно не выявлены.

Сложное гидродинамическое явление представляет собой и процесс

осушки пара, для которого также нет точного теоретического описания,

а надежные эмпирические закономерности не охватывают случаев очень высоких производительностей испарителей.

5

1.2. Физико-химические процессы

Основными физико-химическими процессами, протекающими и ПГ,

являются:

1.Коррозия конструкционных материалов;

2.Переход продуктов коррозии в теплоноситель и рабочее тело;

3.Выпадение на поверхностях теплообмена, в арматуре и трубопроводах примесей, содержащихся в теплоносителе и рабочем теле;

4.Унос примесей рабочим паром и т. д.

Совокупность и характер протекания физико-химических процессов в

контурах ПГ различны:

6

В первом контуре:

Они определяются видом теплоносителя и его параметрами.

Для большинства теплоносителей практическое значение для эксплуатации ПГ и его арматуры имеют только коррозионные процессы.

Механизм и закономерности процессов коррозии характеризуются большой сложностью, особенно в условиях высоких температур и ионизирующего излучения.

При этом одинаково серьезное внимание необходимо обращать как на

местную коррозию (язвенная, щелевая, межкристаллитная, под напряжением и др.), так и на общую.

Теплоносители и коррозия

o Из рассмотренных теплоносителей наибольшей коррозионной активностью обладает вода.

o Органические теплоносители и газы при умеренных температурах практически коррозионно-инертны.

o Газы при высоких температурах довольно энергично взаимодействуют со сталями, что снижает допустимую температуру их применения и требует перехода от малолегированных марок сталей к высоколегированным.

o Взаимодействие жидкометаллических теплоносителей с материалами изучено еще недостаточно. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о необходимости применения для жидкого натрия при температурах выше 600°С высоколегированных сталей. При этом процесс взаимодействия жидкого натрия с металлами усиливается при наличии в нем оксидов, а также с ростом скорости движения.

В связи с тем что первый контур ПГ непосредственно связан с реактором, особое внимание должно быть обращено на предотвращение коррозионных процессов, дающих заметный выход продуктов коррозии в теплоноситель.

7

Во втором контуре:

oНесмотря на восполнение утечек второго контура обессоленной водой и многоступенчатую деаэрацию питательной воды, вода на входе в ПГ содержит определенное количество (хотя и небольшое) минеральных и

газообразных примесей.

oИсточниками поступления их в питательную воду являются:

-присосы охлаждающей воды в конденсаторе,

-проскоки в системе подготовки добавочной воды

-и коррозионные процессы в конденсатном и питательном трактах, а также в самом ПГ.

Вобщем случае питательная вода любого ПГ на выходе в экономайзер раствор некоторых твердых и газообразных веществ, содержащий коллоидные и твердые частицы. При парообразовании происходит упаривание растворов, и при определенных паросодержаниях и характеристиках пароводяной смеси начинается выпадение накипи на поверхностях теплообмена испарителя.

Другой физико-химический процесс, также тесно связанный с гидродинамикой, унос примесей воды с насыщенным паром в пароперегреватель и далее в паровую турбину. В ГПГ с многократной циркуляцией имеют место две разновидности уноса примесей с паром:

-Одна из них представляет собой механический унос частичек влаги,

-Другая — унос веществ, растворимых в паре.

Впрямоточных ПГ с паром уносятся примеси веществ, растворимых в нем. Унос примесей воды паром вместе с ее частичками является сложным сочетанием физико-химических и гидродинамических явлений. Несмотря на то что этот вид уноса наиболее изучен, борьба с ним довольно сложна, особенно при высоких параметрах и больших производительностях ПГ.

8

2. Влияние процессов, протекающих в ПГ, на надежность и экономичность основного оборудования АЭС

Основные показатели технико-экономического совершенства ПГ,

важнейшими из которых являются: надежность и экономичность,

определяются рассмотренными выше процессами, протекающими

одновременно и в тесной взаимосвязи.

Так как максимальная температура теплоносителей, действующих и проектируемых для АЭС ближайшего будущего, не превышает 850°С (АЭС с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами), то для АЭС практически нет опасности пережога труб поверхности теплообмена, что имеет место в ПГ ТЭС.

Однако, рассматривая вопросы надежности ПГ, следует иметь в виду аварийные ситуации, возникающие, когда повышение температуры стенки приводит к такому уменьшению прочностных характеристик металла, при которых уже не обеспечивается необходимый запас прочности.

Для каждой марки стали имеется своя температура , при превышении

которой прочностные характеристики (пределы текучести σт и прочности

σв) начинают резко уменьшаться.

Для углеродистой стали эта температура равна 460-480°C,

Для слаболегированных сталей перлитного класса (12МХ, 15MХ, 12X1МФ и др.) 560-580°C,

Для аустенитных сталей (10X18H10Т) 640-650°С.

9

Плотность теплового потока q Вт/м2

В этом отношении очень важно соблюдать установленный верхний предел температурного режима поверхностей теплообмена. Температурный режим определяется факторами конструкционного и режимного эксплуатационного характера. Конструкционные факторы в этом случае наиболее полно проявляются через поверхностную плотность теплового потока q, Вт/м2.

Для получения наибольшей экономии капитальных затрат нужно иметь как можно большее значение q. Но выбранный таким образом тепловой поток может оказаться неприемлемым как с технико-экономических позиций (большие расходы на перекачку теплоносителей), так и по соображениям обеспечения необходимого запаса прочности (малая разница между температурой стенки и ).

Правильно выбрать значение q для данного материала труб можно только при учете всех закономерностей теплообмена, гидродинамики и физикохимических процессов.

В ПГ, обогреваемых низкотемпературными теплоносителями, всегда

<даже для углеродистых сталей. Поэтому для них названная

выше опасность не существует. Экономайзер в любом ПГ практически

В ПГ высоких и сверхвысоких параметров возможно превышение температуры теплоносителя над допустимой температурой стенки в пароперегевателе и испарителе. Для испарителя предельная плотность теплового потока-qкр, при этой плотности происходит переход пузырькового кипения в пленочное.

Однако практически в ПГ АЭС плотности тепловых потоков значительно ниже qкр.

В прямоточных ПГ в зоне высоких массовых паросодержаний наблюдается ухудшение теплотдачи. В этом случае при конструировании следует правильно выбрать наивысшую плотность теплового потока в зоне ухудшенной теплоотдачи qух, имея в виду, что

необходимо обращать особое внимание на интенсивность теплоотдачи от стенки к пару.

10