2.3. Основные схемы парогенераторов,

ОБОГРЕВАЕМЫХ ВОДОЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Ранее указывалось, что теплофизические свойства первичного теплоносителя сильно влияют на конструкцию парогенератора.

Широкое распространение в настоящее время получили АЭС, в которых в качестве греющего теплоносителя используется обычная вода — наиболее дешевый и рас-пространенный жидкий теплоноситель. Сочетание ее фи-зических и теплофизических свойств (плотности, теплопро-водности, вязкости, теплоемкости), определяющих интен-сивность теплообмена и расход теплоносителя, является наиболее благоприятным по сравнению со всеми другими низкотемпературными теплоносителями. Коэффициенты теплообмена для воды достигают больших значений при относительно малых скоростях и резко увеличиваются с их ростом. Благодаря высокой теплоемкости, малой вязкости и большой плотности затраты на перекачку воды по контуру невелики. К положительным свойствам воды относятся также хорошая устойчивость ее по отношению к ионизирующему излучению и практически невысокая склонность к активации. К числу недостатков воды следует отнести в первую очередь высокое давление ее насыщенного пара. При увеличении давления более чем в 200 раз (от 0,1 до 22,11 МПа) температура насыщенного пара повышается всего немногим более чем в 3 раза (с 99,6 до 374,1 °С). Температурный уровень отвода теплоты из реактора водой невысок. В связи с этим парогенераторы АЭС, обогреваемые водой под давлением, вырабатывают насыщенный пар среднего давления 3—7 МПа, имея в первом контуре высокое давление 10—17 МПа. Влияние давления на плотность воды пренебрежимо мало. Зато зависимость плотности от температуры увеличивается с ростом последней. При давлении 10 МПа и при изменении температуры от 250 до 300 °С удельный объем воды возрастает на 11%. Это неблагоприятное свойство воды требует установки в первом контуре АЭС специального устройства — компенсатора объема.

Вода — хороший растворитель, и это ее свойство зна-чительно усложняет водоподготовительные установки, ко-торые должны очищать воду не только от взвешенных или

коллоидных частиц, но и от растворенных. Наличие в воде первого контура растворенных примесей приводит к повышению ее радиоактивности из-за возникновения дол-гоживущих нуклидов. Выпадение активных веществ из раствора в контуре делает его (в том числе и парогенератор) труднодоступным для ремонта и ревизии. Вода к тому же — весьма коррозионно-активное вещество. Коррозионные процессы, даже если они протекают с небольшими скоростями, загрязняют воду как растворенными, так и твердыми продуктами коррозии, которые активируются в реакторе. Продукты коррозии, как правило, содержат элементы, нейтронное облучение которых приводит к воз-никновению долгоживущих радиоактивных нуклидов. В связи с этим оборудование первого контура изготовляется в основном из нержавеющих сталей аустенитного класса (типа 1Х18Н9Т или Х18Н10Т). Но для нержавеющих аустенитных сталей опасным видом коррозии является коррозия под напряжением, интенсивно протекающая в элементах с механическими напряжениями при наличии в воде свободного кислорода и хлор-ионов.

Первым парогенератором АЭС, вступившим в промыш­ленную эксплуатацию в 1954 г., является парогенератор Первой в мире АЭС, обогреваемой водой под давлением (рис. 2.3).

Он состоит из последовательно включенных экономайзера 1, испа-рителя 2, пароперегревателя 3. Питательная вода по трубопроводу подается в водяной экономайзер, проходит по межтрубной полости, подогревается и поступает в испаритель по трубопроводу 7. Насыщенный пар из испарителя по трубопроводу 4 поступает в пароперегреватель, проходит по межтрубной полости, перегревается и по трубопроводу подается на турбину. Греющая вода по трубопроводу 5 поступает вначале в пароперегреватель, проходит по трубам пароперегревателя, отдает теплоту и по трубопроводу 6 поступает во входной коллектор испарителя, проходит по змеевикам и собирается в выходном коллекторе, из которого по трубопроводу 8 направляется в водяной экономайзер, а из экономайзера — в реактор по трубопроводу 9.

Пароперегреватель и экономайзер имеют одинаковую конструкцию. Корпус имеет U-образную форму. Поверхность теплообмена набрана из 55 U-образных трубок диаметром 22 мм. Все элементы, соприкасающиеся с первичным теплоносителем, выполнены из стали 1Х18Н9Т, корпус и патрубки рабочего тела — из углеродистой стали.

На рис. 2.4 представлен продольный разрез испарителя. В корпусе испарителя 1 осуществляется генерация пара на теплообменпой поверх-ности 4, образованной вертикальным трубным пучком из 36 змеевиков

Рис. 2.3. Принципиальная схе- Рис. 2.4. Схема испарителя

ма парогенератора Первой в Первой в мире АЭС

мире АЭС

диаметром 21 мм, подсоединенных к входному 3 и выходному 10 кол-лекторам в виде 12 трехразрядных лент.

Под уровнем воды 7 в испарителе установлен выравнивающий дыр-чатый лист 8. В паровом пространстве смонтированы сепарирующие устройства 6. Греющий теплоноситель первого контура поступает в патрубок 2, далее — в выходной коллектор, а затем проходит по трубам, образующим теплообменную поверхность, собирается в выходном коллекторе 10 и но патрубку 11 выходит из испарителя. Насыщенный пар отбирается из испарителя через патрубок 5. Питательная вода подается в испаритель по патрубку 9.

На атомных станциях США с водо-водяными энергетическими ре-акторами широкое распространение получили парогенераторы с верти-кальным расположением труб теплообменных поверхностей (рис. 2.5).

Так же как и в парогенераторах Первой АЭС, в этих парогенераторах теплообменные поверхности полностью расположены в водяном объеме (с погружной поверхностью). Парогенератор изготовляется двумя отдельными секциями. В нижней секции 1 расположена теплопередающая поверхность 2, образованная U-образными трубами, изготовленными из нержавеющей стали или сплава никеля, хрома и железа (сплав ИНКО-600). Трубы заделаны в трубную доску 9, которая со стороны первичного теплоносителя плакируется нержавеющей сталью,

Рис. 2.5. Схема пароге- Рис. 2.6. Схема вертикального

нератора американских парогенератора

АЭС

В верхней секции 4 располагаются сепарационные устройства. Первая их ступень представляет собой сепараторы центробежного типа 5 (циклонные встроенные сепараторы), вторая ступень 6 — жалюзийные сепараторы. Циркуляция рабочего тела в парогенераторе естественная. Опускной участок контура циркуляции образован корпусом парогенератора 1 и кожухом 8, в который заключена поверхность теплообмена.

Теплоноситель первого контура подается в патрубок 10, проходит по трубам, отдает теплоту кипящей воде и выходит из парогенератора через патрубок 11. Насыщенный пар отбирается из парогенератора через патрубок 7. Питательная вода поступает в распределительный коллектор через патрубок 3. Производительность парогенератора составляет 190—250 кг/с сухого пара с давлением 4,8—5,2 МПа. Давление теплоносителя в первом контуре составляет 14,5—15,5 МПа, температура на входе в парогенератор равна 308—315 °С, на выходе 285 — 288 °С.

Дальнейшее развитие парогенераторов этого типа направлено на увеличение тепловой мощности.

Парогенераторы вертикального типа нашли воплощение в некоторых отечественных конструкциях (рис. 2.6). У отечественных парогенераторов в отличие от зарубежных теплообменная поверхность 1 заклю-

чена в четыре отдельных корпуса 2, подсоединенных к общей верхней секции 3, в которой расположены сепарирующие 4 и выравнивающие 5 устройства. Выход пара осуществляется из верхней секции 6. По пат-рубкам 7 происходит подача питательной воды. Теплоноситель первого контура входит одновременно в две камеры 11, распределяется по трубам, закрепленным в трубных досках 9, отдает теплоту кипящей воде и из камер 10 направляется в реактор. Циркуляция рабочего тела естественная. Все четыре вертикальных пучка закреплены в металлические кожухи 8 таким образом, что между кожухами и корпусом имеется кольцевая щель, по которой вода из верхней секции опускается вниз, а по межтрубному пространству пароводяная смесь поднимается вверх. В парогенераторе данного типа имеются четыре самостоятельных контура естественной циркуляции.

В последнее время осуществляется конструкторская разработка вертикальных парогенераторов большой мощ-ности с витыми поверхностями теплообмена, с плоскими вертикальными ширмами и вертикальных прямоканальных парогенераторов с перегревом пара и без перегрева.

Наряду с вертикальными парогенераторами широкое распространение получили конструкции с горизонтальным расположением теплообменных поверхностей. В Советском

Союзе горизонтальные парогенераторы установлены почти на всех АЭС с водо-водяными корпусными реакторами. Модернизация горизонтальных парогенераторов осущест-влялась в направлении увеличения единичной мощности с сохранением основных габаритных размеров и уменьшения относительного расхода металла на единицу выраба-тываемого пара. Сравнение горизонтальных парогенерато-ров пяти блоков Нововоронежской АЭС свидетельствует о том, что мощность парогенератора пятого блока D₅ возросла более чем в 6 раз по сравнению с мощностью парогенератора первого блока D₁ практически без видимого изменения внутреннего диаметра Ф₁ и длины корпуса l₁ (D₅=1140 т/ч; D₁ = 230 т/ч; Ф₅=3600 мм; Ф₁= =3010 мм; l₅ = 13 000 мм; l₁=12 400 мм).

Удельный расход металла был снижен с 0,45 кг ме-талла на 1 кг пара у парогенератора первого блока до 0,137 кг металла на 1 кг пара у пятого блока. Такое резкое улучшение двух наиболее важных характеристик стало возможным благодаря замене труб диаметром 21Х X1,5мм теплообменных поверхностей первого блока трубами диаметром 1,2X1,2 мм пятого блока.

Схема горизонтального парогенератора с погружны-ми поверхностями теплообмена представлена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема отечественного горизонтального парогенератора

В цилиндрическом горизонтальном корпусе 1 расположена тепло-обменная поверхность 2, образованная пакетом труб, подсоединенных с одной стороны к входному коллектору 3, а с другой — к выходному 4

В верхнем паровом пространстве расположены сепарирующие и вы-равнивающие устройства 6. Питательная вода подается в распредели-тельный коллектор 5. Пар из парогенератора отводится через патрубки 7. Теплоноситель первого контура поступает из реактора во входной коллектор, из которого распределяется по трубам теплообменной по-верхности, проходит внутри труб, отдает теплоту на подогрев воды и генерацию пара, а затем собирается в выходном коллекторе, из которого направляется в реактор.

Парогенераторы данного типа работают с существенным паровым «перекосом», поскольку температура греющего теплоносителя на начальных участках труб значительно превышает температуру в зоне выходного коллектора. С целью выравнивания теплового перекоса осуществляется подача питательной воды в зону с максимальной паровой нагрузкой, а под уровнем дополнительно

а) б)

Рис. 2.8. Схемы двухбарабанных парогенераторов с прямыми (а) и U-образными (б) трубами

устанавливаются дырчатые листы с профилированным се-чением отверстий. Циркуляция рабочего тела в парогене-раторе естественная. По специальным коридорам вода опускается вниз, а в межтрубном пространстве пароводяной поток поднимается вверх.

Парогенераторы с горизонтальным расположением теп-лообменных поверхностей нашли применение также на АЭС за рубежом. На АЭС «Шиппингпорт» и «Индиан-Пойнт» (США) установлены горизонтальные двухбарабанные парогенераторы с прямыми и U-образными теплообменными трубами (рис. 2.8).

Теплообменные поверхности 2 расположены в нижних барабанах 1. Верхние барабаны 4 выполняют роль сепарирующих устройств. Цирку-ляция рабочего тела естественная. Вода из верхнего барабана опускается в нижний по трубам 7, а пароводяная смесь поднимается из нижнего барабана в верхний по патрубкам 3. Пар отбирается из верхних барабанов по патрубкам 5. Подача питательной воды осуществляется в верхние барабаны 6.