Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплотехнические основы производства электроэнергии и тепла на АЭС. Учебное пособие
.pdf
Рис. 4.3. Зависимость относительного изменения КПД цикла с регенера-
цией от степени регенерации и числа регенеративных подогревателей
4.2. Оптимальное распределение регенеративного подогрева
по ступеням
Для достижения максимальной тепловой эффективности желательно иметь как можно больше ступеней регенеративного подогрева питательной воды, причем выгоднее иметь смешивающие
подогреватели, так как в этом случае из-за отсутствия дополнительного температурного напора, необходимого для теплообмена
между греющим паром и нагреваемой водой, тепло пара отборов
используется полнее. Но увеличение числа подогревателей ведет,
кроме роста КПД, еще и к росту капитальных и эксплуатационных
затрат. Все это приводит к тому, что выбор числа регенеративных
подогревателей и температуры питательной воды t
41
превращается
п.в.
в сложную оптимизационную задачу. Наиболее выгодное распределение подогрева между отдельными подогревателями определяется по максимуму КПД регенеративного цикла или энергетического коэффициента.
При аналитическом решении зависимость для КПД представляется в виде
α
qq⋅
KK
=−
, (4.5)
0
– удельное количество теплоты,
′
где
qhh
=−
KKK
– количество тепла, передаваемого в конденсаторе
охлаждающей воде;
η1
P
qhh=−
00П.В.
подводимое к рабочему телу в парогенераторе (или в реакторе);
Z
α1 α,
=−
K
регенерации),
Z – число регенеративных подогревателей (ступеней
i
i=
1
α
– доля пара из i-го отбора.
i
Рассмотрим вариант тепловой схемы с одним регенеративным
подогревателем смешивающего типа (рис. 4.4).
Рис. 4.4. К расчету оптимальных параметров регенеративного подогрева
для случая с одним регенеративным подогревателем
Для данного случая можно записать:
ααα 1
+= =
Здесь
′
,,hh h
1КПВ
– энтальпия пара отбора, энтальпия конденсата
П.В. 1 1 1 K
1П.В.
K
α(1α)hh h
=⋅+− ⋅
, (4.6)
′
. (4.7)
после конденсатора и энтальпия питательной воды соответственно.
Используя соотношения (4.6), (4.7), можно получить
hh hh
П.В. К П.В. К
α
==
1
hh hh h h
′′
−−
′′
−−+−
1 К 1 П.В. П.В. К
. (4.8)
42
Введем следующие обозначения:
K
′
τ hh
=−
1П.В.К
qhh=−
11П.В.
Тогда
α
энергетического коэффициента
– подогрев в регенеративном подогревателе,
– тепло, передаваемое паром питательной воде.
τ
1
1
τ q=+
11
α
,
K
1
τqq=+
11
. Исходя из общего определения
ω
A =
P
P
, для рассматриваемого
ω
K
случая можно записать
α( )
hh
⋅−
101
=
α( )
hh
⋅−
0
−+ − + −
hhh h h h
ПВ ПВ
K
′′
−
−++
τ(τ)
hq h
10 1 1 К
qhh
10К
−
′
.
(4.9)
или
A
P1
τ
10 1 К К
=⋅ =
A
P1
qhh
10К
=⋅
Анализируем полученное соотношение.
,,
hh h
0К
ла и от регенерации не зависят;
′
– это начальные и конечные параметры рабочего те-
K
зависит от теплоты конденсации
q
1
r, степени сухости. Если при небольшом изменении давления пре-
небречь зависимостью
r от давления, то
. В итоге получа-
(τ )qf≠
11
ем, что для случая схемы с одним регенеративным подогревателем
max max
η()(τ)fA f==
PP 1,опт
.
Найдем условие максимума энергетического коэффициента
.A
Из (4.9) получаем:
P
A∂
P
0
=
∂
опт
τ
1
или
τ
1
hqh hhh h
−− −+ −
01К 01П.В.К
== =
2τ 0hqh
−⋅ − − =
011К
′′
22
hhh h hh
−−−
01 П.В.К 01 1
=+ =+
′
′
, (4.10)
(4.11)
τ
2222
43
или
опт
τ hh=−. (4.12)
101
Другими словами, оптимальный подогрев питательной воды при
одной ступени регенерации равен теплоперепаду пара отбора в
турбине. Какова при этом оптимальная степень регенерации
hh
П.В. К
σ
=
hh
Вспомним, что
′
−
′′
−
0К
?
qhh=−
11П.В.
– тепло, передаваемое паром пита-
тельной воде в регенеративном подогревателе. С другой стороны,
′
qhh
=−
000
– теплота, затрачиваемая на испарение 1 кг воды в ис-
точнике тепла (парогенераторе или реакторе).
Если предположить, что теплота парообразования слабо зависит
от давления, то можно допустить, что
. Тогда, учитывая
qq ≈
01
(4.11), получаем
опт
τ
hh
=−=
hqh hhhh hh
−− −+− −
01К 000К 0 К
== =
101
′′′′′
(4.13)
.
222
В результате имеем
′
′
τ1
2τ 2
. (4.14)
hh
−
опт
σ
1
П.В. К
===
hh
−⋅
0К
Для случая произвольного числа
Z регенеративных подогрева-
телей, включенных в схему, можно записать:
ττ
α , α ,...,
121
==⋅
12
τττ
qqq
+++
11 2 211
q
(4.15)
r
−
α.
τ
=⋅
r
ττ
++
rr ii
α
=
K
1
ri
qq
Z
∏
1
i
=
q
∏
i
=
1
q
i
(4.16)
τ
+
q
ii
44
=− =−+− = + , (4.17)
00П.В.000П.В.ПГПГ
η1
Оптимум
Учтем при этом, что
η
определим по функции
P
′′
q
=− ⋅
P
K
ττ
++
qq
ПГ ПГ
τqhhhhhhq
Z
q
i
∏
1
=
i
Fq
. (4.18)
ii
(τ ) .
=+⋅
ПГ ПГ
Z
∏
=
i
1
τ
q
+
ii
q
i
τ τ ... τZhh
+++ = − =Δ. (4.19)
ПГ 1 0 K
Для нахождения максимума функции
′′
F будем использовать ме-
тод Лагранжа. Согласно этому методу, вводим дополнительную
функцию Ф и условный множитель λ и находим условный макси-
Z
мум функции
Ф определяется из условия
,FΦ= +φ⋅λ
где φ
∂Φ
∂
=
τ
i
ττ
=Δ− −
ПГ
0
, т.е. получаем систему уравне-
. Тогда максимум
i
i=
1
ний:
Z
+
τ
q
ii
−=
∏
i
1
=
ττ
++
ПГ ПГ
qq
1
τττ
++ +
ПГ ПГ 1 1
qq q
21
ττ
++
ПГ ПГ
qq
1
λ0,
q
i
Z
qq
qq q
qq
ii
⋅−=
∏
i
2
=
⋅−=
Z
ii
⋅−=
∏
i
2
=
i
∏
i
=
i
Z
3
λ0,
ii
i
λ0.
λ0,
45
Попарно решая уравнения, получаем:
ττ
qq
++
11 ПГ ПГ
=+=+
qq
11
++
1τ 1τ
qq qq
12 21
или τ τ ,
qq
22 11
⋅=⋅
qq
+=+
11 2 2
или τ τ ,
,
....
qq
+= +
ττ .
ZZZ Z
11
−−
qq
1 1 ПГ ПГ
(4.20)
Запишем соотношения (4.20) через энтальпии:
τ,
qhh h h hh
+=− + − =−
1 1 1 П.В. П.В. 2 1 2
τ,
qhh h h hh
+=− + − =−
222 2 2 32 3
ННН Н
НН
(4.21)
....
Здесь h
ПГ ПГ 0 П.В.
, hН3 и т.д. – энтальпия воды на выходе из второго, тре-
Н2
τ
qhh
+=−
тьего и т.д. подогревателей. Из выражения (4.21) можно получить:
hh h h−=−
120П.В.Н
или
hhh h−= − =
01 П.В. 2 1
τ
Н
, т.е.
Аналогично можно получить, что
опт
τ
hh
=−.
iii
1
−
τ hh=−
101
τ hh=−
212
.
и т.д., т.е.
Таким образом, оптимальные подогревы питательной воды
(конденсата) в регенеративных подогревателях равны теплопере-
падам пара в турбине между отборами. В общем случае
опт
не
τ
i
равны друг другу. Подобный анализ можно провести и для случая
использования поверхностных подогревателей в системе регенерации, но он несколько сложнее. На практике часто стараются сде-
лать τ .
idem= Этого, в частности, требует унификация оборудова-
i
ния. Тогда подогрев в каждом подогревателе будет одинаковым,
таким же должен быть и подогрев в экономайзере ПГ, т.е. в этом
случае можно записать
46
Z
Δ
Z
Z
Z
р
=== =
τ τ ... τ
ПГ 1
Z
, где Δ – общий подогрев воды от тем-
+
1
пературы после конденсатора до температуры насыщения в парогенераторе,
Z – число регенеративных подогревателей в схеме
установки.
Определим оптимальную степень регенерации
опт
при Z подо-
σ
гревателях. Оптимальная температура питательной воды определится следующим образом:
−
tt
опт
ttZtt Z
опт
==⋅=
σ
′
=+⋅Δ=+ ⋅
П.В. K K
опт
ttttZ Z
−−
П.В. K 0 K
tt ttZ Z
−−++
0K 0K
0K
+
(4.23)
,
1
,
11
т.е.
опт
σ
=
. (4.24)
1
+
Как же обстоит дело в действительности?
1.
Так как КПД цикла вблизи оптимальной степени регенерации
слабо зависит от степени регенерации, то целесообразно осуществ-
лять цикл с
абоч опт
,σ<σ так как при относительно малой потере в
КПД мы получаем экономический выигрыш. Реально
рабоч опт
σ (0,85 0,9) σ=÷⋅
2.
Стремиться к большому числу РП не следует, так как при не-
значительном приросте
эксплуатационные затраты. На практике принято
ПНД и ~3 ПВД);
τ (15 35)=÷
опт
.
η
мы сильно увеличиваем капитальные и
t
°С.
(~5
97 ÷=Z
Примечание. Количество регенеративных подогревателей зависит и от
типа реактора. Например, для блока с РБМК нет ПВД, так как
жена по другим соображениям:
а) уменьшение выноса продуктов коррозии в реактор;
б) улучшение работы ГЦН, так как при более низкой температуре питательной воды увеличивается запас до кавитации насоса;
в) увеличение предельной мощности ТК по условию запаса до кризиса
кипения.
t
П.В.
зани-
47
5. Особенности водно-химического режима в контурах ЯЭУ
Под водно-химическим режимом (ВХР) будем понимать целесообразное для каждого конкретного случая сочетание конструкционных и эксплуатационных мероприятий, обеспечивающих необходимые физико-химические характеристики воды в контурах
ЯЭУ. Поддержание оптимального ВХР необходимо для уменьшения интенсивности коррозионных процессов и для предотвращения
отложений и накипи на поверхности оборудования.
При работе ЯЭУ в ее контурах происходят важные физикохимические процессы. Эти процессы тесно взаимосвязаны с тепловыми процессами, оказывают влияние друг на друга, а также в значительной степени влияют на работу основного технологического
оборудования.
Рассмотрим основные физико-химические процессы, происходящие в системах двухконтурных и одноконтурных ЯЭУ с водным
теплоносителем. Прежде всего, отметим, что реактор является
мощным источником ионизирующего излучения. Под воздействием этого излучения теплоноситель и находящиеся в нем примеси
активируются. Примеси в теплоносителе могут быть как естественные, находящиеся в растворенном состоянии, так и образовываться в результате коррозионного взаимодействия воды с конструкционными материалами контура. В процессе эксплуатации
естественные примеси остаются практически неизменными, а содержание продуктов коррозии непрерывно возрастает. Если говорить об активации самой воды, то основной вклад вносит изотоп
16
азота
роде
N, который образуется в результате n-p реакции на кисло-
16
О. Кроме этого, в теплоноситель могут попадать продукты
деления ядерного топлива при работе реактора с поврежденными
твэлами. Обычно различают два вида неплотностей оболочек твэлов: 1) газовая неплотность, когда в теплоноситель попадают нуклиды благородных газов (криптон, ксенон) и осколки деления, летучие при рабочей температуре (цезий, йод); 2) неплотности, при
которых возможен прямой контакт теплоносителя с топливом, в
результате чего в теплоноситель могут попадать нелетучие осколки
деления и частицы топлива. Все вместе это загрязняет контур теплоносителя.
48
Нельзя не упомянуть и о таком процессе, как радиолиз воды –
разложение воды на водород и кислород под действием реакторного излучения. Реакция имеет вид:
2H O 2H O .+
222
Обычно на практике радиолиз воды не вызывает заметных изменений ее физико-химических свойств. Однако следует учитывать
тот факт, что продукты радиолиза могут привести к интенсификации коррозии конструкционных материалов, может образоваться
взрывоопасная смесь кислорода и водорода (гремучая смесь), газообразные примеси могут ухудшить теплообмен в активной зоне
реактора.
Примеси, содержащиеся в воде, могут осаждаться в реакторе,
парогенераторе, насосах, трубопроводах, арматуре. Наиболее опасны отложения на поверхностях твэлов. Такие отложения ускоряют
процессы коррозии оболочки, приводят к ухудшению теплообмена
между твэлом и теплоносителем, в результате чего температура
топлива и оболочки возрастает, и это может привести к разрушению твэла. Особенно важно учитывать эти процессы в одноконтурных ЯЭУ с кипящей водой в качестве теплоносителя, так как в
процессе кипения концентрация примесей в воде увеличивается, а
следовательно, увеличивается вероятность их осаждения на поверхности твэлов. Отложения на поверхности парогенератора менее опасны. Они приводят к ухудшению теплопередачи, а температура металла остается ниже температуры теплоносителя. Конечно,
с учетом возможного загрязнения поверхность теплообмена парогенератора приходится выбирать с определенным запасом. Отложения на элементах циркуляционных насосов и арматуры могут
ухудшить их работу, вызвать повышенную активность, затруднить
ремонт.
Чтобы снизить негативное влияние описанных процессов, необходимо при эксплуатации АЭС поддерживать концентрацию примесей на определенном уровне. Это достигается, как отмечалось выше,
организационными и конструкционными мероприятиями. Ведение
водно-химического режима в значительной степени зависит от типа
реактора. Для реакторов типа ВВЭР широко применяется борная
кислота для регулирования реактивности. Она хорошо растворяется
49
в воде, довольно устойчива в радиационных условиях. Однако ее
присутствие изменяет рН теплоносителя, увеличивает переход продуктов коррозии в воду, что может интенсифицировать процесс
коррозии сталей. Для нейтрализации борной кислоты в теплоноситель добавляют щелочь: в российской практике – КОН, в зарубежной практике – LiOH. Для подавления процесса радиолиза воды в
первый контур добавляется избыточный водород в форме аммиака,
который разлагается по реакции
2NH 3H N+
322
и создает необходимую концентрацию водорода в теплоносителе.
Таким образом, ВХР первого контура ВВЭР можно охарактеризовать как коррекционный аммиачно-калиевый.
Для уменьшения содержания естественных примесей и продуктов коррозии в теплоносителе осуществляется постоянная продувка
теплоносителя, т.е. очистка теплоносителя на механических и ионообменных фильтрах. Так, например, для реактора ВВЭР-1000 расход
продувки составляет ≈ 20–25 т/ч. Кроме этого, поверхности первого
контура, контактирующие с теплоносителем, изготавливаются из
коррозионностойких материалов. Для уменьшения вероятности
осаждения примесей на поверхностях оборудования при проектировании контура необходимо избегать застойных зон, а режим течения
теплоносителя должен быть турбулентным. Чтобы не допускать образования взрывоопасной смеси кислорода и водорода, необходимо
предусмотреть возможность периодического удаления такой смеси
из мест возможного ее скопления.
Для одноконтурных ЯЭУ с реакторами, охлаждаемыми кипящей
водой, борное регулирование не применяется. Это связано с тем, что
в таких системах сложно поддерживать заданную концентрацию
борной кислоты: борная кислота может растворяться в паре и может
уноситься в турбину, где возможно ее высаждение в проточной части; в конденсатоочистке также возможно ее удаление из конденсата. Процесс радиолиза в таких реакторах протекает в условиях, благоприятствующих интенсивному разложению водного теплоносителя, так как водород и кислород удаляются вместе в паром, и концентрация продуктов радиолиза в водной фазе стремится к нулю. Соответственно, никаких корректирующих добавок, влияющих на про-
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]