Глава XX циклы атомных электростанций, парогазовых и магнитогидродинамических установок

§ 20-1. Термодинамические циклы атомных установок

За последние годы после Великой Отечественной войны в Советском ^боюзе, США, Англии и других странах были созданы атомные электро­станции, в которых используется энергия, выделяющаяся при расщеп­лении ядер тяжелых- элементов, изотона урана и²³⁵ и плутония Ри²³⁹.

Первая в мире атомная электростанция мощностью 5000 кет была построена в СССР в 1954 г. Исследования этой атомной установки по­служили основанием для создания мощных более совершенных атом­ных электростанций. В 1959 г. был построен самый мощный в мире атом­ный ледокол «Ленин». Атомные установки по­лучили большое применение в подводных лод­ках. -

Большую сложность в атомных установках - представляет отвод огромного количества тепло- ты, которое выделяется в реакторе. В настоящее время имеется много схем отвода теплоты; но все они строятся по одному принципу — теплоту от- водят с помощью какой-либо циркулирующей жидкости или газа. . •.- ,

Схема двухконтурной атомной установки приведена на рис. 20-1. В реакторе / осуществляется деление ядер тяжелых элементов, при котором выделяется большое количество теплоты, отводимой специаль­ным, теплоносителем. В качестве теплоносителя применяют воду, жидкие металлы (натрий, калий), органические соединения и газы (углекислый газ, гелий и др.). Теплоноситель, о'мывающий тепловыделя­ющие элементы с высокой радиоактивностью, сам становится радиоак­тивным. Радиоактивный теплоноситель направляется не в турбину, а в промежуточный теплообменник — парогенератор '2, где отдает свою теплоту рабочему телу второго контура паросиловой установки. После этого насосом 3 теплоноситель возвращается вновь в реактор. Вся уста­новка первого контура вследствие своей большой радиоактивности от­деляется от остальной части электрбстанции специальной биологиче­ской защитой 7. Во втором контуре циркулируют вода и водяной пар, который образуется в парогенераторе, получая теплоту от теплоноси­теля. Затем пар поступает в турбогенератор 4, вырабатывающий элек­троэнергию. Отработавший в турбине пар направляется в. конденсатор 5, где конденсируется и водяным насосом 6 опять подается в парогене­ратор 2. Вода как теплоноситель обладает большим недостатком. Она не дает возможности получать высокие значения параметров водяного пара во втором контуре. Так, например, если вода-теплоноситель имеет давление 100 бар и температуру 320° С, то рабочим телом второго кон­тура будет сухой-насыщенный пар при давлении 30 бар, что соответству-

к

ет температуре 232" С. При такой низкой температуре рабочего тела термический к. п. д. цикла Ренкина равен 35%, а с учетом потерь дей­ствительный к. п. д. составляет 17—20%. Водяной пар более высокого давления можно получить, только применяя другой теплоноситель, имеющий высокую температуру кипения при малых давлениях.

На рис. 20-2 приведена Тв-диаграмма, на которой изображен цикл паросиловой установки, работающей на сухом насыщенном паре. Подогреву воды и парообразованию в парогенераторе соответствует процесс 4-1-2. Адиабатный процесс 2-3 протекает в паровой турбине, а процесс 3-4 — в-конденсаторе.

ч 1
		<

Термический к, п. д. цикла и удельный рцсход пара определяются по уравнениям (19-2) и (19-3):

теор

г|₍ = (г\ — /_а)/(»1 — 'г') и &■

1000/(1! —г₂).

Если в качестве теплоносителя применяют жидкие металлы (на­трий, калий), которые бурно реагируют с водой, то осуществляют два промежуточных контура. Последние уменьшают опасность распростра­нения радиоактивного металла в случае аварии установки. На рис. 20-3 изображена схема трехконтурной атомной электростанции, где 1 — реактор; 2 — первый промежуточный теплообменник; 3 — насос для перекачки теплоносителя; 4 — парогенератор, или второй теплообмен­ник; 5 — насос для данного контура; 6 — турбогенератор; 7 — конден­сатор; 8 — питательный насос; 9 — биологическая защита.

Одноконтурные схемы атомных станций с паротурбинными установ­ками — это чаще всего схемы с реакторами кипящего типа. В кипящих реакторах пар образуется в активной зоне, из которой непосредственно направляется в турбину. В качестве теплоносителя и замедлителя в кипящих реакторах используют обычную воду.

Для кипящих реакторов и реакторов с газовыми теплоносителями применяют как двухконтурные, так и одноконтурные установки. В последнем случае рабочее тело будет обладать радиоактивностью, что является нежелательным и опасным для обслуживающего установ­ку персонала.

Тепловую мощность реактора определяют по количеству теплоты, передаваемой теплоносителем в парогенератор. Тепловую мощность ре­актора ф_тр при прохождении через парогенератор т кг/сек теплоноси­теля определяют из уравнения

Фгр ⁼ № (*2Т Нт)>

где г_2т — энтальпия теплоносителя по выходе из парогенератора; г_1т — энтальпия теплоносителя при входе в парогенератор.

К. п. д. работающих и строящихся атомных электростанций дости­гает 17—36%. Наибольшее влияние на общий к. п. д. электростанции оказывает термический к. п. дГпарового цикла, который в настоящее время не имеет высоких значений.

Чтобы уменьшить большую разность температур между температу­рой питательной воды второго контура и теплоносителем, рекомендует­ся применять регенеративный подогрев питательной воды паром от па-ровой турбины с отборами. Условный регенеративный цикл паротур­бинной установки изображен на рис. 20-4. Температура регенератив­ного подогрева воды выбирается в зависимости от температуры тепло­носителя и бывает весьма различной.

На первой советской атомной электростанции предельная темпера­тура для центра тепловыделяющих элементов с металлическим ура­ном принималась равной 370° С, что позволило получать перегретый пар с давлением 13 бар и температурой 270° С.

Для судовой установки ледокола «Ленин» был принят цикл с дав­лением р_х = 29 бар и температурой перегретого пара 310° С, что позволило снизить конечную влажность пара (рис. 20-5). Однако пере­грев пара в парогенераторе с водяным теплоносителем применяется только в специальных установках. Как показывают расчеты, более вы­сокий к. п. д. АЭС получается при применении огневого пароперегрева. Например, для бельгийской АЭС с кипящим реактором давление вто­ричного' пара 47 бар, а после огневого перегрева температура пара достигает 565° С. Общий к. п. д. установки т| = 37,1%.

На рис. 20-6 изображен цикл бельгийской АЭС с огневым паропере-гревом, за счет которого получена дополнительная пл. 12371. Но при­менение огневого пароперегрева не решает центральной задачи — использования самого ядерного горючего. Кроме того, применение двух видов источников теплоты ца АЭС вызывает известные неудобства в эк­сплуатации. Более перспективным является перегрев пара в самом ре­акторе. Тепловая схема такой установки с водяным теплоносителем осуществлена на Белоярской АЭС. Водяной пар при давлении 90 бар перегревается в самом реакторе до 500" С, что дает возможность полу-читьвысокий к. п. д. (доті = 35%). Перегрев пара в реакторе предусма­тривается и на других АЭС во многих странах.

Работа атомных электростанций существенно отличается от условий работы тепловых электростанций, так как мощность реактора может меняться в весьма широких пределах, и ограничивается она только условиями отвода теплоты от тепловыделяющих элементов. Тесная связь работы реактора и паросилового контура определяет выбор всех • основных параметров атомной электростанции. Технико-экономический и термодинамический анализ циклов позволяет выбрать наиболее це­лесообразную схему атомной электростанции.

В планах развития народного хозяйства СССР атомная энергети­ка занимает видное место. Ми одна отрасль техники не развивается так быстро, как атомная энергетика. С 1954 г.,'пуска первой в мире атом-' ной электростанции в СССР, до 1 января 1970 г., т. е. за 16 лет, в раз- „ ных странах мира было построено 80 АЭС общей мощностью более 15 млн. кет. Ученые предсказывают, что. к 2000 году мощность АЭС превысит сотни миллионов киловатт-.

В настоящее время уран и плутоний используются недостаточно эф­фективно, так как реакторы АЭС работают на тепловых, медленных нейтронах. Лучшие результаты получаются в реакторах, работающих на быстрых нейтронах. Такие реакторы обладают особенной способно­стью расширенного воспроизводства ядерного горючего. Кроме того, реакторы на быстрых нейтронах позволяют включить в топливный цикл уран-238 и торий-232, т. е. гораздо полнее осваивать природные запасы ядерного горючего. Строительство АЭС с реакторами на быстрых нейтронах — генеральная линия дальнейшего развития атомной энерге­тики в нашей стране. Этой новой отрасли народного хозяйства принад­лежит будущее.

§ 20-2. Циклы парогазовых установок ~

Парогазовые установки являются типичными бинарными установ- ками с коэффициентом заполнения цикла, приближающимся к едини- це*. \. *

■ В парогазовых установках в качестве рабочих тел используют про­дукты сгорания топлива в газовых турбинах, после которых они посту­пают в^ парогенераторы для получения водяного пара. ,

Исследования показали термодинамическую эффективность паро­газовых турбинных установок по сравнению с чисто газотурбинными установками, в которых не используется теплота отходящих газов с высокой температурой, и чисто паротурбинными установками, имеющими относительно низкую начальную температуру пара. По­этому основным условием эффективности парогазовой установки яв­ляется применение продуктов сгорания топлива как рабочего тела в области высоких температур и водяного пара в области низких температур. Только такое распределение функций между газом и па­ром дает положительные результаты.

* Под коэффициентом заполнения цикла подразумевается отношение пло­щади данного цикла в ^-диаграмме к площади цикла Карно, осуществленного в том же интервале температур.

Как известно, максимальный термический к. п. д. теплового двига­теля или наибольшую выработку механической работы можно получить в установке, работающей по'обратимому циклу Карно.'

Идеальный парогазовый цикл, соответствующий обратимому циклу Карно, в котором температуры рабочего тела при подводе и отводе теплоты постоянны, изображается пл. 1234 на рис. 20-7. Пл. 12541 изо­бражает газовую часть цикла, а пл. 345—паровую часть цикла. В про­цессе 4-5 осуществляется передача теплоты от газовой части- к паровой. Если принять температуру /₂ = 10° С, .а Ь{ = 800° С, то термический к. п. д. цикла Карно будет равен т]₍ = 0,74. Од­нако осуществить цикл Карно в действительно­сти трудно и в реальных условиях можно создать' установки, которые только в той или иной степе­ни приближаются к этому циклу.

Схема парогазовой установки, работающей с раздельными потоками продуктов сгорания и во_: дяного пара, представлена на рис. 20-8. В этой установке воздух, сжатый в компрессоре 1, по- дается в камеру сгорания высоконапор'ного па- рогенератора; 2, работающего на газовом или жидком топливе при постоянном давлении. - _ч '

Часть теплоты продуктов сгорания топлива расходуется в парогене­раторе" на парообразование и перегрев пара, так что температура газов на входе в газовую турбину 3 снижается до заданной величины. Каждое

Воздух

₁

*> I ■51

У

41

Водяной пар

Вода 5 4

_-0

у ч

Рис. 20-8

рабочее тело — водяной пар и продукты сгорания топ-лива движутся по самостоятельным контурам и взаимодействие между ними осуществ­ляется лишь в форме теплообмена в аппаратах поверхностного типа.

Теплота выхлопных газов после газовой турбины используется для подогрева питательной воды паровой части установки в газоводяном" -подогревателе 4. Электрическая энергия вырабатывается в двух гене­раторах, приводимых в движение паровой 5 и газовой 3 турбинами, при­чем- часть мощности газовой турбины расходуется на привод компрес­сора.

'. Термодинамический цикл парогазовой установки состоит из двух циклов.— газового а-б-в-г-а- и пароводяного 1-2-3-4-5-6-1 (рис. 20-9).

Подводимая в цикле теплота топлива, сожженного в камере сгорания парогенератора, в ^-диаграмме изображается пл. е-ж-н-г-е, которая разделяется на теплоту топлива, подведенную к газовой части цикла — пл. а-и-н-л-а, и теплоту топлива, подведенную к паровой части — пл. е-ж-и-а-е. Кривая 4-5 в пароводяном цикле изображает регенера­тивный подогрев питательной воды в газоводяном подогревателе тепло­той отработанных газов газовой турбины, которая выделяется, в процессе б-в.

Полезная работа пароводяного цикла равна

/; = (г, — ;₂)т]_пт — (г₄ — г₃)/т1_и. Полезная работа газового цикла равна /г = т [(/_а — г'_б)г|_гт — (г'_г — 1_е)/ц_к\,

где 1ч_иТ, Г[,,_т, Г[_н, т]_к — соответственно от­носительные внутренние к. п. д. паровой турбины, газовой турбины, насоса и комп­рессора.

Теоретическое количество теплоты, полученное рабочими телами,

равно

<?, = т (1_а —- 4) + (/1 — 4).

Зная все эти величины, можно написать формулу термического к. н. д. парогазового цикла:

(Ч — Н) + т (1а — 1б) — ('4— ^з) — ('г — 'с) («1 — 1ь)+т (1_а — 1г)

Для нагревания 1 кг воды необходимо затратить теплоту т кг газа. Отношение т кг газа к 1 кг Н₂0 называется кратностью газа и опре­деляется из уравнения теплового баланса газоводяного подогревателя:

т

('а ~ и) • (!б — ч).

На рис. 20-10 изображен цикл парогазовой установки, в которой возможно применение высоконапорных парогенераторов*. Такая уста­новка обеспечивает-получение к. п.'д. электростанции до 48—50%. Пл. 1 изображает работу газовой части, а пл. 2 — паровой части.

* Высоконапорный парогенератор — котлоагрегат, в топочной камере и газоходах которого создается давление 5 бар и выше. Это интенсифицирует про­цессы горения и теплообмена, а также резко снижает габариты котлоагрегата.

Из рис. 20-10 видно, что реальный цикл парогазовой установки от­личается от идеального многоступенчатым подводом теплоты в газовой части, температурой уходящих газов, которая выше температуры пита­тельной воды, возрастанием энтропии при. сжатии и расширении рабо­чего тела, перегревом пара, который производится за счет дополнитель­ного сжигания топлива, регенеративным подогревом питательной воды.

Использование парогазовых установок улучшает тепловую схему электростанции, повышает ее к. пт д. и значительно снижает капи­тальные затраты при строительстве. Наиболее эффективными парога­зовыми установками являются установки с высоконапорными паро­генераторами и со сбросом отходящих газов газовой турбины в топки котельных агрегатов. В паровой части.таких установок можно приме­нять пар с давлением до 240 бар и температурой до 580° С, с про­межуточным перегревом до 565° С. Применение паровой и газовой регенерации значительно повышает экономичность установок, при этом к. п. д. электростанции может быть доведен до 0,4—0,45 и выше.

Установка с высоконапорными парогенераторами имеет ряд пре­имуществ по сравнению с котельными обычного типа: уменьшен габарит установки, снижен расход металла и др. Эти установки обеспечивают большую экономию топлива по сравнению с чисто паровыми и газотур­бинными установками. Уже в настоящее время парогазовые установки позволяют получить к. п. д. до 0,33 — 0,36, что дает им возможность конкурировать с паротурбинными установками на давление' 130 бар и температуру пара 565° С. Увеличив же начальную температуру газа в газотурбинных установках до 800—900° С, применив многоступен­чатое сжатие воздуха, промежуточный подвод теплоты, регенерацию в газовой и паровой частях и усовершенствование проточных кана­лов компрессоров и газовых турбин, можно повысить к. п. д. парога­зовой турбинной установки примерно до 0,48.

В ближайшее время парогазовые установки из-за своих пре­имуществ получат в энергетике СССР значительное распространение.

§ 20-3. Циклы установок с магнитогидродинамическими генераторами [31]

Генерирование электрической энергии путем пропускания прово­дящей жидкости — плазмы через магнитное поле не является новой идеей. Оно основывается на хорошо известном принципе, который за­ключается в том, что в проводнике, пересекающем силовые линии маг­нитного поля, возникает электродвижущая сила.

Плазма возникает в результате ионизации атомов вследствие отры­ва одного или нескольких электронов. Получить плазму можно различ­ными способами: нагревая газ до высоких температур электрической дугой, электрическим высоковольтным разрядом, электромагнитной высокочастотной индукцией, бомбардировкой частицами при низком давлении.

Следовательно, плазма — это диссоциированный газ, атомы которо­го разделены на ионы и электроны. Отрицательно заряженные электро­ны и положительно заряженные ионы взаимосвязаны и ведут себя как свободные заряды, в результате чего плазма в целом нейтральна, но в то же время является Проводником. Однако газ в плазменном дви­гателе чаще всего ионизирован неполностью и содержит нейтральные атомы. Такой газ называется низкотемпературной плазмой. Таким образом, низкотемпературная плазма—это электрически нейтральная смесь из электронов, ионов и нейтральных атомов. Плазма может вза­.имодействовать с электрическим и магнитным полями, что и исполь­зуется в двигателях, где под действием электрического поля ионы дви­жутся к катоду", а электроны к аноду.

Магнитогидродинамический (МГД) генератор основан на принципе движелия ионизированного потока газа (при высокой температуре) между полюсами сильного электромагнита. Два электрода, расположен­ные с каждой стороны потока, воспринимают заряженные частицы, один (анод) — положительные, другой (катод) — отрицательные. При со­единении обоих электродов проводником в цепи возникает электриче­ский ток.

Газовый МГД-генератор имеет существенные преимущества по срав­нению собычной паротурбинной установкой. В паротурбинной установ­ке химическая энергия топлива сначала переходит во внутреннюю энергию продуктов сгорания, которая в котельной установке частич­но передается воде и водяному пару, а энергияпара в турбогенераторе создает электрическую энергию. В МГД-генераторе рабочим телом служит ионизированный проводящий газ, движущийся в магнитном поле и являющийся одновременно проводником, что обусловливает более простую конструкцию установки. Кроме того, применение более высоких температур, получающихся в процессе горения; и отсут­ствие движущихся частей в МГД-генераторе увеличивают эффектив­ный к. п. д. ' -

Ионизированные газы не являются хорошими проводниками. Так, например, при температуре 2-700° С и давлении 3 бар электропроводи­мость воздуха с добавкой калия ~ \ моль%* в 10⁶ раз меньше электро­проводности меди. Поэтому газообразные продукты сгорания должны иметь добавки с низким потенциалом ионизации (цезий, калий) для получения достаточно высоких значений электропроводимости. Электропроводимость газа зависит от степени ионизации и сечения упругого рассеяния электронов.

*• Мольная доля компонента (' равна отношению числа молей пі этого компонента к сумме чисел молей + п₂ + ■•• + п_к) всех к компонентов сме-

~~сн и определяется по формуле Ы{ = і —х 1 . Мольный процент,

или мольная процентная концентрация, есть 100 N і. . ,

Метод отбора электрического тока различен для ионизированного газообразного и металлического проводника. В обычном генераторе переменного тока это осуществляется с помощью щеток. В случае газового проводника электроды должны иметь очень высокую тем­пературу 2700° С. Проблема сохранения целостности магнитоги-дродинамического канала при* этих температурах является одной из основных трудностей при любом практическом применении принципов магнитогидродинамики. В связи с этим перед промышленностью стоит задача по отысканию высокотемпературных тугоплавких материалов. Таким образом, для получения электроэнергии в МГД-генераторах сто­ят две центральные проблемы, связанные с электропроводимостью и поведением материалов при температурах порядка 2700° С. Не менее важной проблемой является также необходимость создания мощного

Иррнитного поля ввиду относительно малой электропроводимости плак Кк(.и сравнительно небольшой скорости движения ее по каналу МГД^ ■Ітератора. .

К_:<На рис! 20-11 представлена схема магнитогидродинамической уста-Кивки, работающей на пылеугольном топливе по -разомкнутой схеме, ра рисунке условно показан одновальный турбоагрегат. Для эффектив-ррго использования теплоты топлива в установку включена паросило­вая часть, утилизирующая теплоту отработавших в МГД-генераторе іуазов. Паровая часть включает турбину, состоящую из трех-цилиндров. |.; Пылеугольное топливо поступает в камеру сгорания 1 МГД-генера-Ігора. Воздух в камеру сгорания подается компрессором 13 под давле-

нием до 10 бар. Воздух перед поступлением в камеру сгорания предва, рительно проходит через трубчатый регенератор теплоты 3, где подогре­вается до 2030° С. В камере сгорания температура газов достигаег г 2930 — 3030° С. С этой температурой газы поступают в канал МГД-ге-нёратора 4 постоянного тока, где расширяются до атмосферного' дав­ления со снижением температуры до 2400° С. Затем газы проходят по­следовательно через регенератор 3, пароперегреватели 5, 6 и паровой котел 7, в котором охлаждаются до 150° С. Пар, получаемый в котле,-последовательно проходит через цилиндр высокого давления 12, из ко­торого направляется во вторичный перег«реватель 6, цилиндр среднего -давления И и цилиндр низкого давления 10. После этого^пар поступает в конденсатор 9, из которого вода насосом 8 перекачивается снова в ко-' тел. Для отвода получаемого электрического тока в МГД-генераторе устанавливают две специальные шины 2. Электрогенератор . 14 приводится в действие от паровой турбины. Замена парового цикла в МГД-генераторе парогазовым существенно сократит удельный рас ход теплоты на выработку электроэнергии .генератором". . На рис. 20 12 -изображен цикл МГД-установки ъ Ts-диаграмме Компрессор сжимает воздух в процессе 1-2. Затем воздух подогре­вается в регенераторе до точки d (процесс 2-d). В камере сгорания

происходит дальнейший нагрев рабочего тела до 2930 — 3030° С (точ­ка 3). Пл. аЪекй соответствует теплоте, выделившейся при сгорании топлива. Образовавшиеся газы из-камеры вытекают в канал генера­тора электрического тока, проходя через сильное магнитное поле. За каналом генератора температура рабочего тела падает до значения в точке 4. В идеальном МГД-генераторе в электрическую энергию

превращается теплота, эквивалентная пл. 12341. К. п. д. такого генератора определяет­ся отношением площадей:

'Пм.гд = пл. 1234IIпл. йЗекй.

Теплота уходящих газов в МГД-генерато-ре используется в паросиловой установке, идеальному циклу которой соответствует пл. 5111098765. Использованная теплота в паросиловой установке повышает к. п. д. МГД-установки до 55—60% и выше. Если применить газы, покидающие МГД генера­тор, в парогазовой установке, то к. п. д. всей системы может увеличиться еще на не­сколько процентов.

Таким образом, магнитогидродинамиче-ские системы преобразования энергии, в ко­торых используется ионизированная плазма, могут работать только при высоких температурах, что связано с приме­нением тугоплавких материалов. В настоящее время задача создания высокотемпературных тугоплавких материалов ждет своего разреше­ния. .