Циклы паротурбинных АЭС

На современных АЭС паротурбинные циклы осуществляются по различным схемам: одноконтурные и двухконтурные. На рис. 4.26 представлены циклы одноконтурных схем паротурбинных АЭС.

Ранее указывалось, что при расширении пара в турбине в области насыщенного пара снижается экономичность установки и возникает эрозия лопаток турбин. Вследствие этого влажность пара в конце расширения не должна превышать 12−14%. Для выполнения этого условия применяется промежуточная подсушка — сепарация пара и перегрев его — промежуточный и начальный. При давлении в конце расширения р₂ = 0,0034−0,0039 МПа сепарация необходима уже при начальном давлении р_х = 0,3−0,4 МПа, при р_х > 4,5 МПа необходима двухступенчатая сепарация, а при р_х > 8,0 МПа — трехступенчатая. Сепарация дает, кроме того, повышение КПД реального цикла на 1−3%, однако серьезно усложняет установку, из-за чего больше двух ступеней не делают (рис. 4.26, а).

Рис. 4.26. Циклы одноконтурных паротурбинных АЭС с реакторами кипящего типа: а — насыщенного пара с двухступенчатой промежуточной сепарацией; б — насыщенного пара с одноступенчатой сепарацией и промежуточным перегревом пара; в — с начальным перегревом пара На рис. 4.26, а пунктиром A-В условно показано изменение температуры поверхности твэлов. Процесс 4−5-1 — нагрев воды до температуры насыщения (точка 5) и парообразование ее до получения сухого пара (точка 7); процессы 1 -а, Ь-с и d-2 — расширение пара в турбине, а а-b и c-d- подсушка в сепараторах. Точка 3 соответствует конечной температуре регенеративного подогрева питательной воды.

Термический КПД этого цикла определяется так:

где А/_т= (/, — i₂)K — суммарный перепад, использованный в турбине с учетом отборов на регенерацию и сепарации; коэффициент К < 1. Из-за сложности выражения К мы его здесь не приводим.

При нежелательности двухступенчатой сепарации вместо второй ступени вводят промежуточный перегрев пара Ь-У (рис. 4.26, б) острым (не поступившим еще в турбину) или отборным паром. Степень перегрева острым паром зависит от температурного напора в пароперегревателе Af_nn = - fy * 15−30°С, выбираемого с учетом начального и промежуточного давлений пара, мощности турбины и конечной влажности пара. Если брать острый пар из паропровода перед стопорным клапаном турбины, то можно повысить начальное давление пара, снизить конечную влажность, за счет чего повысить КПД ступеней низкого давления. Вместе с тем паро-паровой перегрев усложняет водный режим и схему. Важное значение имеет правильный выбор давления осушки и перегрева пара (а-Ь-У).

Опыт проектирования и эксплуатации АЭС показал, что самые высокие параметры пара на входе в турбину (р_{> 10 МПа и /, до 500- 550°С) реализуются в одноконтурной схеме с кипящими реакторами (с водой и графитом в качестве замедлителя). Водяной пар, выполняющий роль одновременно теплоносителя реактора и рабочего тела турбины, перегревается в твэлах и затем направляется непосредственно в турбину.

Начальный перегрев пара (процесс 6−1 на рис. 4.26, в) производится в ядерном реакторе (поэтому называется ядерным перегревом), в каналах или выделенной части активной зоны до температуры (точка У), обеспечивающей допустимую влажность в конце расширения (точка 2). Этому условию удовлетворяют так называемые «сопряженные начальные параметры пара». При конечном давлении парар₂ = 0,0039 МПа сопряженными начальными параметрами являются: 7,0 МПа — 450 °C; 8,8 МПа — 480 °C; 12,3 МПа — 515 °C. Если ниже, а р, выше этих значений, необходима промежуточная сепарация или перегрев пара.

Этот цикл перспективен, поскольку позволяет получить параметры пара, соответствующие параметрам выпускаемых отечественными заводами паровых турбин перегретого пара, повысить тепловую экономичность, сократить удельный расход пара и расход воды на конденсацию пара. Основные трудности его реализации связаны с проблемой создания надежной зоны ядерного перегрева, устойчиво работающей при высоких температурах, больших тепловых нагрузках и глубинах выгорания ядерного топлива. Этот цикл применен для второго блока Белоярской АЭС с начальными параметрами 8,0 МПа и 500 °C, а также на АЭС за рубежом.

Основные теоретические циклы двухконтурных АЭС с реакторами, охлаждаемыми водой под давлением (ВВЭР), приведены на рис. 4.27. Общей особенностью этих циклов является ограничивающее влияние параметров промежуточного теплоносителя (зависящих от его свойств) на параметры цикла.

В цикле с начальным перегревом пара (см. рис. 4.27, а) нагрев воды (процесс 4−5), парообразование (процесс 5−6) и перегрев пара (процесс 6−1) осуществляются за счет подвода теплоты от теплоносителя (линия АВ).

Температура перегрева пара (точка У) зависит от максимальной температуры воды-теплоносителя (точка В) и температурного напора.

(подавление пара во втором контуре зависит от давления теплоносителя, температуры пара давления р₂ и влажности (1 -х) в конце расширения в турбине и находится по /^-диаграмме.

Примерные данные для пара, выражающие эту зависимость, приведены в табл. 4.2 для условий: «запас до кипения» теплоносителя — 30 °C; t_A — /, = 20 °C;(1 -х) = 0,14; г|_о. = 0,82 (внутренний КПД турбины) /₄ = 104 °C; П_в= Л", Л_; «внутренний КПД цикла.

Термический (внутренний) КПД цикла с начальным перегревом определяется по формуле

где, а — доля пара, отбираемого на регенерацию, у. - коэффициент недовыработки мощности паром соответствующего отбора.

Рис. 4.27. Циклы двухконтурных паротурбинных АЭС с реакторами, охлаждаемыми водой под давлением: яс начальным перегревом пара; насыщенного пара с однократной промежуточной сепарацией и перегревом; в — с начальным (огневым) перегревом пара от постороннего источника.

Таблица 4.2

Зависимость параметров пара и КПД цикла (Г|_в) от параметров теплоносителя (воды) в первом контуре

Из табл. 4.2 видно, что начальный перегрев пара теплоносителем ограничивает допустимое давление и КПД цикла низкими значениями. Эффективнее использовать насыщенный пар.

Цикл двухконтурной АЭС на насыщенном паре (см. рис. 4.27, б) отличается от аналогичного цикла одноконтурной АЭС (рис. 4.26, б) изменением температуры теплоносителя первого контура (линия ЛВ). Давление насыщенного пара р_х зависит от давления и максимальной температуры теплоносителя (точка В). При нагреве теплоносителя в реакторе Д/_т^{т, п} =25°С, минимальном температурном напоре в точке 5 Д/™^п = 15 °C, при «запасе до кипения» 30 °C, пяти регенеративных подогревателях /₄=200°С в случае р[ < 4,4 МПа применяется одноступенчатая сепарация, а при р[ > 4,4 МПа — одноступенчатая сепарация и перегрев пара. Расчетные значения параметров и КПД приведены в табл. 4.2.

Этот цикл широко применяется на современных АЭС России (НовоВоронежской, Кольской, Армянской) и других стран.

Давление теплоносителя поддерживается в пределах 15−16 МПа, давление насыщенного пара — 5−6 МПа, сепарация обычно одноступенчатая с последующим перегревом (острым паром).

Наконец, имеются двухконтурные АЭС, в которых применяется огневой перегрев пара за счет теплоты от сжигания органического горючего q^_r (см. рис. 4.27, в). В этом случае возможна практически любая допустимая для паровой турбины температура перегрева пара (точка /), а также любые параметры, включая сверхкритические с промежуточным перегревом пара. Доля мощности, приходящейся на огневой пароперегреватель, может выбираться в широких пределах (0,23−0,84) в зависимости от t₆ и х.

По этому циклу работают АЭС в США и ФРГ, но в последние годы от него отказываются из-за сложности эксплуатации.