Циклы атомных паротурбинных установок

 

Атомные паротурбинные установки (АПТУ)- это комбинированные установки, так как представляют из себя последовательно соединенные ядерный реактор (ЯР) с системой отвода теплоты и паросиловая установка.

Источником теплоты в АПТУ является ЯР – устройство для организации и поддержания управляемой цепной реакции деления ядер тяжелых металлов (изотопов урана и плутония)

Цикл одноконтурной АПТУ

Схема одноконтурной АПТУ представлена на рис. 1.48. В реактор ЯР подается вода, которая в каналах реактора превращается в пар. 

Для АПТУ существует требование, по которому степень сухости пара на выходе из турбины ПТ должна быть достаточно высокой. (х=0,86….0,88)

Рис 1.48 Схема одноконтуроной АПТУ с кипящим водным энергетическим реактором и однократной сепарацией влаги:

СВ-сепаратор влаги;

ПТ 1, ПТ 2 – ступени паровой турбины;

К – конденсатор;

ЦН – циркуляционный насос;

КН-конденсатный насос;

С- смеситель конденсата и отсепарированной влаги;

ПН- питательный насос;

ЭГ- электрогенератор;

ЯР-ядерный реактор.

 

Для выполнения этого требования в цикл АПТУ вводится отделение воды от пара в сепараторе влаги СВ. Пар из реактора поступает в турбину ПТ1, а из нее – в сепаратор влаги СВ.

После разделения пара и воды в СВ сухой насыщенный пар подается в паровую турбину ПТ2 где, совершив полезную работу, увеличивает влажность и конденсируется в конденсатор К. В смесителе С к конденсату подмешивается отсепарированная в СВ кипящая вода при высоком давлении  (). В результате такого подмеса получается влажный насыщенный пар с малой степенью сухости. Цикл одноконтурной АПТУ с однократной сепарацией условно представлен на рис. 1.49.

Рис 1.49 Условный цикл одноконтурной АПТУ в насыщенном паре с однократной сепарацией влаги.

 

Процессы этого цикла:

1-с-расширение пара в ПТ1;

В -2 – расширение пара в ПТ2;

2-3-конденсация пара в количестве Х кг в конденсаторе К при ;

3-3с- подмес кипящей жидкости с параметрами  и  к конденсатору в смесителе С;

3с-4- адиабатное сжатие пара в насосе ПН до давления  и температуры ;

4-5- подогрев воды (недогретой жидкости) до температуры насыщения  при давлении  теплотой ядерного реактора ЯР;

5-1 парообразование при  с подводом теплоты от ядерного реактора;

с-в-условное изображение сепарации пара.

 

При понижении давления в ПТ1 от  до  пар переходит в состояние влажного насыщенного пара со степенью сухости .

От 1 кг этого пара отбирается в СВ кипящая при  жидкость в количестве (1- )кг, которая направляется в смеситель С. Оставшаяся после отбора кипящей жидкости сухой насыщенный пар в количестве  кг подается при давлении  в паровую турбину ПТ2.

Условность изображения цикла объясняется тем, что в процессах в-2 и 2-3 участвуют только  кг пара, и только в процессе 3-3с масса пара снова равна единице.

Однократная сепарации применяется тогда, когда при  величина .

Если же , но меньше критического давления , то применяется двукратная сепарация.

Сепарация не нужна, если в канальном ЯР достигается закритическое или критическое состояние пара.

На рис. 1.50. представлены еще несколько циклов одноконтурных АПТУ.

 

Рис. 1.50 Циклы однотрубных АПТУ:

а- в насыщенном паре с однократной сепарацией влаги и промежуточным перегревом;

б- в насыщенном паре с двукратной сепарацией влаги;

в- в перегретом паре.

 

Если в цикле, на рис.1.50(в) пар перегрет до температуры  при , то после расширения в турбине до () его влажность находится в допустимых пределах () и сепарация не нужна.

 

Циклы двухконтурных АПТУ.

Схема двухконтурной АПТУ представлена на рис.1.51

Рис.1.51 Схема двухконтурной атомной паротурбинной установки с однократной сепарацией влаги:

ЯР- ядерный реактор;

ПГ- парогенератор;

ПТ 1, ПТ 2 – ступени паровой турбины;

ЭГ- электрогенератор;

СВ-сепаратор влаги;

С- смеситель конденсата и отсепарированной влаги;

К – конденсатор;

ЦН – циркуляционный насос;

КН-конденсатный насос;

ПН- питательный насос.

 

Двухконтурный АПТУ не относится к бинарным установкам, так как в цикле радиоактивного теплоносителя нет ни турбины, ни конденсатора. Двухконтурная схема обеспечивает радиационную безопасность оборудования второго контура, а так же оптимальный выбор теплоносителя для реактора ЯР и рабочего тела для турбины.

В качестве радиоактивного теплоносителя (основного теплоносителя или теплоносителя первого контура) используется вода под давлением, кипящая вода, газы и жидкие металлы. Соответственно этому ЯР называется водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР), кипящими водяными энергетическими реакторами, газоохлаждаемыми, жидкометталическими и т.д. Для первого контура нужен теплоноситель с высокой температурой насыщения при малых давлениях. Вода плохо соответствует этому требованию, хотя и применяется в ВВЭР. Более всего этому требованию соответствуют жидкие металлы(обычно применяется натрий). Циклы АПТУ по схеме на рис.1.51 в насыщенном паре полностью совпадает с рис.1.49 с той разницей, что подвод теплоты ко второму рабочему телу идет не в ядерном реакторе, а в парогенераторе ПГ. Другие возможные циклы АПТУ представлены на рис.1.52.

 

Рис.1.52 Циклы двухконтурных АПТУ:

а – с начальным перегревом пара;

б – на насыщенном паре с однократной сепарацией и перегревом;

в – с начальным перегревом от постороннего источника;

I-I – температура теплоносителя реактивного контура.

 

а) Двухконтурный цикл с начальным перегревом пара.

В цикле «а» (рис.1.52) значение температуры перегрева  во втором контуре зависит от максимальной температуры теплоносителя первого контура  и требуемой величины температурного напора  при теплопередаче в парогенераторе ПГ. Рассмотрим установку с ВВЭР, где теплоносителями первого и второго контуров является вода. Давление в первом контуре  обычно составляет 15……16 МПа (). Так как тепловыделяющие элементы (твэлы) ЯР в данном примере охлаждаются недогретой водой, то принимаем . Принимая , получим . Для обеспечения необходимого температурного напора в конденсаторе К, охлаждаемом проточной водой с температурой , принимаем давление в конденсаторе (). Выбранному значению  соответствует (по таблицам насыщенного водяного пара) удельная энтропия сухого насыщенного пара . Исходя из ограничений на величину степени сухости пара на выходе из турбины(), находим энтропию влажного насыщенного пара с параметрами , ,  по приближенной формуле для :

;

Так как процесс расширения пара в турбине полагается адиабатным (), то энтропия перегретого пара с температурой  на входе в турбину .

В таблицах перегретого пара при температуре  и  соответствует давление .

На практике значение начального давления  во втором контуре АПТУ с циклом «а» на рис.1.52 не превышает . Так как давлению  соответствуют , то термический КПД таких АПТУ низок и не превышает 0,3.

 

б) Двухконтурный цикл на насыщенном паре с однократной сепарацией и перегревом пара.

Этот цикл (рис.1.52 «б») более эффективен, так как повышается среднеинтегральная температура теплоподвода. Во-первых, за счет того, что теплота из первого контура передается насыщенному пару во втором контуре с высоким давлением () и, соответственно, с высокой температурой насыщения . Во-вторых, за счет изобарного перегрева пара после сепарации при  снова до температуры .

Как было показано в предыдущем примере, при давлении теплоносителя(воды) первого контура 15…..16МПа, верхняя температура теплоносителя(воды) во втором контуре . Так как цикл второго контура осуществляется в насыщенном паре, то , где  - температура насыщения при начальном давлении . В таблицах насыщения температуре  соответствует давление 5,949МПа, таким образом .

Давлению , при котором происходит сепарация влаги, выбирается как давление перегретого до температуры  пара с энтропией , равной энтропии влажного насыщенного пара с параметрами ,  и  в конденсаторе К. Этот случай рассмотрен в предыдущем примере, где получено давление, при котором должен производиться перегрев пара, .

Температура в процессе сепарации влаги  определяется как температура насыщения при давлении , а именно .

 

в) Двухконтурный цикл с начальным перегревом от постороннего источника.

Наличие, кроме ядерного реактора ЯР, постороннего источника теплоты (например, от сжигания органического топлива) снимает ограничение на температуру перегретого пара. (В обоих случаях рассмотренных выше примерах эта температура ограничивалась значением ). При снятии этого ограничения начальное давление  и температура перегретого пара при этом давлении  могут быть любыми, допустимыми для паровой турбины. Цикл двухконтурной установки с начальным перегревом от постороннего источника представлен на рис.1.52 «в».

Например, при начальном давлении , , давлении в конденсаторе , температуре ,  и  для выполнения условия  температура  должна быть примерно .

АПТУ данной схемы сложны как по конструкции, так и в эксплуатации.

 

Двухконтурные АПТУ с газоохлаждаемыми реакторами.

В таких АПТУ теплоносителями первого контура являются газы. В области низких температур процесс теплопередачи ко второму контуру таким теплоносителем служит углекислый газ(). В области высоких температур – гелий или азот. Гелий обладает высокой теплопроводностью и малой вязкостью. Гелий на выходе из реактора имеет высокую скорость и высокую температуру (до ) при давлении 5….8МПа.

Трехконтурные АПТУ

Циклы трехконтурных АПТУ обычно применяются для АЭС с реакторами – размножителями на быстрых нейтронах. Принципиальная схема трехконтурной АПТУ представлена на рис.1.53.

Теплоносителями первого и второго контуров являются жидкий натрий, который имеет высокую температуру насыщения при давлениях, допустимых в ядерных реакторах. В третьем контуре в качестве теплоносителя используется вода. Теплообмен между жидким натрием второго контура идет в промежуточном теплообменнике. Теплообмен между натрием второго контура и водой третьего контура происходит в парогенераторе.

Рис.1.53 Принципиальная схема атомной паротурбинной установки с тремя контурами:

ЯР- ядерный реактор;

ПТО – промежуточный теплообменник;

ПГ- парогенератор;

ПТ–паровая турбина;

ЭГ- электрогенератор;

К – конденсатор;

ЦН – циркуляционный насос;

ПН – питательный насос.

Цикл паросиловой установки, входящей в состав АПТУ, ничем не отличается от рассмотренных выше.