close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

61.Сепарационные устройства ядерных энергетических установок

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
В.Г. Крапивцев
СЕПАРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА
ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
Рекомендовано методической комиссией
Научно-учебного комплекса «Энергомашиностроение»
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
по курсу «Расчет и проектирование реакторных
установок»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2009
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.177(075.8)
ББК 31.4
К78
Р е ц е н з е н т ы: М.С. Беляков, М.Д. Диев
К78
Крапивцев В. Г.
Сепарационные устройства ядерных энергетических установок : учеб. пособие по курсу «Расчет и проектирование реакторных установок» / В.Г. Крапивцев. – М. : Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2009. – 76 с.
Рассмотрены конструкции сепарационных устройств ядерных
энергетических установок с реакторами различного типа, а также
принципы работы этих устройств для получения необходимого качества пара. Изложены основные способы сепарации пара. Приведены
методики расчета сепарации и сепарационных устройств.
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности
«Ядерные реакторы и энергетические установки».
УДК 621.177(075.8)
ББК 31.4
c МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Создание и эксплуатация атомных электростанций (АЭС) в
России и за рубежом имеют полувековой период развития. В настоящее время около 16 % мирового производства электроэнергии обеспечивается АЭС с реакторами различного типа. Основной
путь получения электроэнергии на АЭС — использование электрических генераторов машинного типа с механическим приводом от
турбины, работающей на насыщенном или перегретом паре. Пар
генерируется непосредственно в реакторе или в парогенераторе.
Производство насыщенного пара необходимого качества осуществляется многими процессами, реализуемыми на АЭС. Основным является процесс сепарации и осушения пара, происходящий
в сепарационных устройствах ядерных энергетических установок
(ЯЭУ). От нормальной работы сепарационного устройства зависит
надежность, безопасность и экономичность АЭС.
Многообразие процессов сепарации и осушения пара, вызванное использованием реакторов и реакторных установок различного
типа и назначения, требует от специалистов отрасли знания конструкций и принципов проектирования сепарационных устройств,
закономерностей протекающих в них процессов, умения проведения расчетов и обоснования принятых решений.
Настоящее пособие предназначено в первую очередь для студентов старших курсов и призвано помочь им в освоении разделов курса «Расчет и проектирование реакторных установок», при
выполнении домашних заданий и курсового проектирования по
данному курсу, а также при дипломном проектировании.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. ОСНОВЫ СЕПАРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА АЭС
1.1. Принципиальные схемы производства и обеспечения
качества пара
Выбор технологической схемы выработки пара на АЭС зависит от типа реактора, его мощности, требований экономичности и
безопасности при эксплуатации.
В зависимости от типа реактора получение пара осуществляется двумя принципиально различными способами: непосредственно
в реакторе — кипящие корпусные в отечественной практике (ВК50) и канальные ядерные реакторы (РБМК-1000, РБМК-1500, ЭГП)
и в парогенераторах, теплота в которые подается из ядерного реактора греющим теплоносителем — некипящие реакторы (ВВЭР-440,
ВВЭР-1000).
В первом случае используется одноконтурная тепловая схема АЭС, состоящая из кипящего реактора и оборудования контура, включая турбогенератор — (рис. 1.1, а). Во втором случае схема АЭС выполняется двухконтурной (рис. 1.1, б). Первый контур
включает в себя некипящий ядерный реактор и теплотехническое
оборудование, где за счет теплоты теплоносителя первого контура
происходит генерация пара во втором контуре. По второму контуру
парогенератор соединен с турбогенератором. Двухконтурная схема
АЭС приведена на рис. 1.1, б.
Существуют также трехконтурные схемы АЭС, например, с натриевым теплоносителем, в которых для исключения возможности
контакта натрия первого контура с водой предусмотрен промежуточный контур с некипящим натриевым теплоносителем. Рабочий
пар генерируется на поверхностях теплообмена парогенератора
третьего контура (рис. 1.1, в).
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.1. Классификация АЭС по числу контуров:
а – одноконтурная; б – двухконтурная; в – трехконтурная; 1 – реактор; 2 – паровая турбина; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 –
циркуляционный насос; 7 – компенсатор объема; 8 – парогенератор; 9 – промежуточный теплообменник
Во всех рассмотренных выше схемах процесс кипения теплоносителя происходит в парогенерирующих каналах активной зоны
реактора или на испарительных участках поверхности теплообмена парогенератора, откуда среда в виде пароводяной смеси поступает в сепарационные устройства. В сепарационных устройствах
пар и вода разделяются. Пар проходит ступень осушки и направляется на расширение в турбину. В прямоточных парогенераторах с
перегревом пара сепарационные устройства отсутствуют.
Каждая из представленных на рис. 1.1 схем АЭС с водным теплоносителем имеет свои преимущества и недостатки, поэтому
развиваются все типы энергоустановок. Наиболее распространены
в мире одноконтурные и двухконтурные АЭС. За рубежом предпочтение отдается двухконтурным установками, в России в настоящее время установленная мощность АЭС делится между двухконтурными и одноконтурными установками примерно поровну.
Стратегия развития АЭС в России на период до 2020 г. строится
на базе корпусных некипящих реакторов типа ВВЭР, т. е. с использованием двухконтурных схем.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Большинство АЭС с водяным теплоносителем имеют турбины
насыщенного пара. При этом все ступени турбины работают на
влажном паре. Наличие влаги в паре перед проточной частью и
в проточной части турбины приводит к снижению КПД турбины,
увеличению эрозионного износа поверхности сопловых и рабочих лопаток и к возможности выноса радиоактивных веществ из
реактора. Осаждение из пара солей и других примесей на поверхность пароперегревателя и лопатки турбин также приводит к нарушению нормальной работы установки. Отложения увеличивают
термическое сопротивление теплообменных поверхностей пароперегревателя, количество передаваемой теплоты в нем уменьшается.
Осаждение солей в трубопроводах и других элементах приводит к
повышению гидравлического сопротивления, ускорению коррозии
поверхностей пароперегревателей, паропроводов, проточной части
турбин и конденсаторов.
Для уменьшения влажности пара в проточной части турбины
используются сепарационные устройства, которые могут быть частью конструкции самой турбины или могут быть установлены в
виде отдельного устройства между цилиндрами высокого и низкого давления.
В зависимости от типа ЯЭУ (одно- или двухконтурная) и конструкции реактора (корпусной или канальный, кипящий или некипящий) различны требования, предъявляемые к конструкции и
работе сепарационных устройств. Одно из основных требований —
обеспечение необходимого качества пара.
Качество пара определяется влажностью, содержанием солей
и нерастворимых примесей, наличием летучих (газообразных) веществ. Получить пар полностью свободный от примесей невозможно. Снижение количества уносимых паром из испарителя веществ до уровня, при котором обеспечиваются надежная работа
пароперегревателя, а также надежная и экономичная работа турбины, в настоящее время особых трудностей не вызывает. Для этого
на АЭС используются процессы и системы водоподготовки теплоносителя и рабочего тела, продувки питательной воды, сепарации
и промывки пара. Однако чем выше требование к чистоте пара,
тем выше капитальные и эксплуатационные затраты на системы
подготовки добавочной воды и очистки пара.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нерастворимые продукты (например, продукты коррозии) могут попасть в пар только с капельной влагой, и вопрос об их уносе
связан с ограничением общей капельной влаги в паре. Попадание
солей в пар происходит двумя путями: с выносом капельной влагой растворимых в ней солей и непосредственным растворением
солей в паре.
Летучие вещества, присутствующие в теплоносителе или рабочем теле, практически полностью переходят в пар (за исключением
некоторого количества, участвующего в коррозионных процессах
на поверхностях перегрева). Вместе с паром они проходят проточную часть турбины и поступают в конденсатор, из которого в
основном удаляются.
Однако следует иметь в виду, что наличие летучих веществ в
паре должно быть по возможности ограничено, так как они могут
способствовать интенсификации коррозионных процессов в проточной части турбины.
Современные АЭС используют, как правило, паротурбинный
цикл с насыщенным или перегретым паром относительно низкого давления (не более 7 МПа). При таких параметрах загрязнение
насыщенного пара происходит только за счет уноса паром капель
влаги с растворенными в них солями и нерастворимыми продуктами, растворимость солей в паре в этом случае почти нулевая.
Перегретый пар при низких и средних давлениях практически
свободен от примесей воды. Все содержащиеся в воде и пароводяной смеси вещества осаждаются на поверхность теплообмена в
зоне завершения кипения (зона додеарирования). Незначительное
количество их, а также продуктов коррозии может быть механически унесено с паром лишь при больших скоростях его течения.
При переходе к высоким давлениям питательной воды (свыше 7 МПа) содержание в паре некоторых веществ (оксидов железа
и кремниевой кислоты) существенно повышается и более заметная доля их начинает выноситься с паром с поверхностей нагрева.
Увеличение выноса веществ с паром объясняется тем, что как перегретый, так и насыщенный пар при высоких давлениях является
достаточно хорошим растворителем. При этих условиях на поверхностях нагрева прямоточных парогенераторов остается только
такое количество той или иной примеси питательной воды, которое
не растворилось в паре. Количественные соотношения, характери7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зующие растворимость примесей в паре, определяются его параметрами и физико-химическими свойствами веществ. Растворимость
веществ в паре приобретает практическое значение при внедрении
в атомную энергетику пара при высоких и особенно сверхвысоких
давлениях.
Таким образом, одной из основных задач по обеспечению качества насыщенного пара при низких и средних давлениях является
ограничение выноса веществ, находящихся в испаряемой воде. В
общем случае солесодержание насыщенного пара
Sп = (y + Kp )Sпр .
(1..1)
Здесь Sп , Sпр — солесодержание в паре и в воде парогенератора соответственно, мг/кг; у — влажность пара, доля влаги в паре; Кр —
коэффициент распределения, характеризующий растворимость веществ в паре [1]:
ρж n
Sп
=
,
(1..2)
Кр =
ρп
Sпр
где n — показатель степени, зависящий от состава вещества.
При давлении пара 2,5. . . 7,0 МПа, характерном для современных ЯЭУ, растворимость солей в паре, как уже отмечалось выше,
настолько незначительна, что ею можно пренебречь. Тогда общее
солесодержание в паре зависит лишь от влажности пара:
Sп = ySпр .
(1..3)
Следовательно, для получения пара высокого качества необходимо ограничить вынос капель влаги паром и понизить солесодержание примесей в уносимой влаге. Для этого используют две
группы мероприятий: сепарацию пара (осушение пара) и промывку пара питательной водой (снижение концентрации примесей). По
условиям надежности проточной части турбины, обеспечения высокой ее экономичности, предотвращения интенсивной коррозии и
эрозии можно рекомендовать следующие значения влажности пара
без промывки на выходе из сепарационных устройств [2]:
• у 6 0,1 % — для одноконтурных ЯЭУ на насыщенном паре;
• у 6 0,2 . . . 0,25 % — для двухконтурных ЯЭУ на насыщенном
паре.
При наличии промывки пара перед выходом из сепарационного
устройства влажность его может быть увеличена по сравнению с
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
приведенной выше в 3—5 раз. Промывка пара применяется всегда,
когда давление пара выше 7 МПа.
Для перегретого пара заданное качество может быть обеспечено только соответствующей чистотой воды. При низких и средних давлениях перегретый пар практически свободен от нелетучих
примесей, за исключением оксидов железа. Для пара с высокими
давлениями уменьшение растворимости солей в нем достигается
качеством питательной воды. Водоподготовка должна обеспечить
содержание кремниевой кислоты не более 15 мг/кг (в пересчете на
двуокись кремния SiO2 ) и соединений натрия не более 5 мг/кг (в
пересчете на натрий).
1.2. Процессы обеспечения качества пара на АЭС
Сепарационные устройства и системы — обязательный элемент
любой ЯЭУ с паротурбинным циклом. Они используются самостоятельно или в сочетании с испарительными поверхностями, где
происходит генерация пара.
На практике применяется несколько способов сепарации пара [3]:
• гравитационная сепарация, осаждение в свободном паровом
пространстве;
• механическая сепарация пара в горизонтальных и вертикальных жалюзийных устройствах. Этот способ используется наряду с
осадительной сепарацией в дополнение к ней (доосушители пара)
или самостоятельно;
• центробежная сепарация с применением циклонов, радиальных и осевых центробежных сепараторов глубокой осушки пара.
Сепарационные устройства размещаются в паровом объеме над
уровнем воды в испарителе.
Если эффективность сепарационных устройств оказывается недостаточной, что возможно при высоких давлениях пара, применяют промывку пара питательной водой. Смысл промывки заключается в снижении концентрации примесей в транспортируемой с
паром влаге. По существу, унос воды парогенератора заменяется
уносом питательной воды, содержащей продувочную воду.
Промывочное устройство располагается в паровом объеме за
первичным сепарационным устройством.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. СЕПАРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА АЭС
Основным элементом сепарационного устройства является сепарационный объем, который либо занимает часть объема корпуса
кипящего реактора или парогенератора, либо выделяется в самостоятельный элемент — сепарационный барабан, связанный с зоной
испарения подъемными и опускными трубами.
Часть сепарационного барабана занята водой, через которую
барбатирует пар (водяной объем), часть — влажным паром (паровой
объем). Поверхность воды, разделяющую эти две части, принято
называть зеркалом испарения (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схема расположения объемов в сепараторах
Выбор сепарационных процессов и устройств в значительной
мере определяется скоростью выхода пара с зеркала испарения
(приведенная скорость пара) W000 :
W000 =
10
D
Rз
= 00 ,
00
ρ Fз
ρ
(2..1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где D — расход пара через зеркало испарения (паропроизводительность), кг/с; Fз — площадь зеркала испарения, м2 ; Rз = D/Fз —
нагрузка зеркала испарения, кг/(м2 ∙с); ρ00 — плотность насыщенного пара, кг/м.
Сепарационные устройства в зависимости от типа и мощности
реактора имеют различные конструктивные решения и способы
размещения относительно зоны испарения.
2.1. Сепарационные устройства
кипящих канальных реакторов
На выходе технологических каналов отечественных АЭС с
водографитовыми реакторами РБМК и ЭГП (Билибинская АЭС)
среднее массовое паросодержание в кипящем теплоносителе составляет приблизительно 18 %. Сепарация пара в них осуществляется в горизонтальных барабанах-сепараторах выносного типа за
счет осадительной сепарации в паровом объеме [4]. На рис. 2.2
приведена конструкция сепарационного устройства реакторной
установки с реактором РБМК — барабан-сепаратор. Гравитационная сепарация стала возможной благодаря значительным размерам горизонтального корпуса барабана, что позволило получить
Рис. 2.2. Схема барабана-сепаратора реактора РБМК-1000:
1 – отбойные короба; 2 – погруженный дырчатый лист; 3 – корпус; 4 – пароприемный дырчатый щит
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
весьма низкие значения приведенных скоростей пара, равные
0,2. . . 0,3 м/с. Дальнейшее увеличение мощности реакторной установки с использованием гравитационной сепарации пара создает
неразрешимые проблемы в изготовлении, транспортировке и монтаже сепараторов пара из-за увеличения их габаритов.
Для проекта более мощного реактора РБМК-2000 с блочной
структурой циркуляционного контура разработана конструкция
вертикального сепаратора (рис. 2.3) [2]. Разделение пароводяной
смеси здесь происходит в осевых центробежных сепараторах, которые позволяют интенсифицировать сепарационные процессы и
увеличить значение приведенной скорости до 1,15 м/с. Осушение
пара до необходимой влажности осуществляется в жалюзийных
сепараторах, размещенных в верхней части устройства.
Рис. 2.3. Схема вертикального сепаратора реактора РБМК-2400:
1 – корпус; 2 – распределительная камера; 3 – центробежные сепараторы; 4 –
жалюзийные сепараторы; 5 – подсоединительные патрубки
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.2. Сепарационные устройства корпусных водо-водяных
реакторов
2.2.1. Кипящие корпусные реакторы
Особенностью кипящих корпусных реакторов является то, что
процесс выработки пара в них осуществляется в активной зоне.
Разделение пароводяной смеси происходит с помощью сепарационных устройств, размещенных как внутри, так и за пределами
корпуса реактора. Размеры корпусных кипящих реакторов в значительной мере зависят от принятой конструкции сепарационных
устройств и их рабочих характеристик и, прежде всего, от удельной паровой нагрузки зеркала испарения.
Сепарационные системы корпусных кипящих реакторов можно
разделить на три группы (рис. 2.4):
1) с гравитационной сепарацией в корпусе реактора;
2) с сепарацией в вынесенных барабанах-сепараторах;
3) с внутрикорпусной сепарацией центробежными сепараторами с подъемным или опускным движением пароводяного потока [3].
Гравитационная сепарация в паровом объеме может быть осуществлена при малых значениях приведенной скорости пара. При
давлении 7 МПа среднее значение скорости не должно превышать
0,4 м/с. Это требование ограничивает электрическую мощность
реактора при использовании внутрикорпусной гравитационной сепарации до 100 МВт, при этом максимальное значение удельной
паровой нагрузки не превышает 50 т/(м2 ∙ч).
При мощности реактора более 100 МВт гравитационная сепарация в объеме корпуса становится неэффективной. Это связано с
тем, что достичь уровня удельной паровой нагрузки, необходимой
для осадительной сепарации, при приемлемых размерах корпуса не удается, мощность (а следовательно, и паропроизводительность D) реактора увеличивается пропорционально кубу радиуса
цилиндрической части корпуса, а площадь зеркала испарения —
пропорционально квадрату радиуса. Кроме того, в реакторах большой мощности используется принудительная циркуляция теплоносителя, что увеличивает расход пара на единицу объема активной
зоны (удельную нагрузку парового объема).
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.4. Конструкции сепарационных систем корпусных кипящих реакторов:
а – гравитационная сепарация в объеме корпуса; б – сепарация в вынесенном
барабане-сепараторе; в – внутрикорпусная сепарационная система фирмы «Дженерал электрик»; г – внутрикорпусная сепарационная система фирмы «АЕГТелефункен» с первичными сепараторами, установленными между корпусом
и активной зоной; д – внутрикорпусная сепарационная система фирмы «АЕГТелефункен» с первичными сепараторами, установленными над активной зоной;
1 – активная зона; 2 – корпус реактора; 3 – сепарационное устройство; 4 – распределительная камера; 5 – подъемные трубы-стояки; 6 – первичные сепараторы;
7 – осушитель
В реакторах второй группы разделение пароводяной смеси осуществляется в вынесенных барабанах-сепараторах (рис. 2.4, б) с
внутрибарабанными сепарационными устройствами. Например, в
реакторе АЭС «Дрезден-1» (США) применялся барабан-сепаратор
c внутренним диаметром корпуса, равным 2,44 м, и длиной 20,4 м,
в верхней части парового объема был установлен жалюзийный
осушитель, влажность пара после которого составляла не более
0,1 %.
В настоящее время реакторы с сепарационными устройствами
первой и второй групп в большинстве своем выведены из эксплу14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
атации или используются в исследовательских целях. Исключение
составляет российский корпусной кипящий реактор ВК-50, пущенный в эксплуатацию в 1965 г. в Димитровграде (НИИАР). Первая
ступень сепарации (гравитационная) осуществляется в корпусе реактора, а окончательная осушка пара происходит в вынесенном за
пределы корпуса устройстве.
С ростом мощности корпусных кипящих реакторов более 200
МВт применение барабанов-сепараторов становится нецелесообразным, так как при этом увеличиваются размеры сепаратора,
что приводит к повышению капитальных затрат, снижению удельных показателей и, в частности, мощности реактора, отнесенной
к единице объема парогенерирующей системы. По этим причинам
во всех мощных АЭС (Nэл > 200 МВт) применяются внутрикорпусные сепарационные системы — третья группа устройств. На
рис. 2.4, в показана схема такой сепарационной системы. Пароводяная смесь из активной зоны 1 поступает в распределительную
камеру 4. Затем через подъемные трубы-стояки 5 она направляется
в первичные сепараторы 6, пар из сепараторов, двигаясь вертикально вверх, поступает в осушитель 7, где распределяется между
его секциями, а затем из корпуса реактора 2 по пароводам поступает в турбину. Отсепарированная вода стекает в окружающие
подъемные трубы водосборника, где смешивается с питательной
водой и влагой, поступающей из осушителей, и по кольцевому
опускному каналу, образованному стенками корпуса и активной
зоны реактора, удаляется через выходные патрубки во внешнюю
часть контура циркуляции. Применение описанной сепарационной системы, разработанной компанией «Дженерал электрик» для
АЭС электрической мощностью 200 МВт, позволило уменьшить
общие габаритные размеры и увеличить удельную мощность, отнесенную к единице объема парогенерирующей системы, в 3,5
раза по сравнению с реактором той же мощности, но снабженным
вынесенными барабанами-сепараторами.
Немецкая фирма «АЕГ-Телефункен» разработала внутрикорпусные сепарационные системы для кипящих реакторов, схемы
которых приведены на рис. 2.4, г, д. В корпусе реактора после генерации пара в активной зоне (см. рис. 1.1) пароводяная смесь
направляется в распределительную камеру 4 (см. рис. 2.4), где имеющая место неравномерность нагрузки сепараторов сглаживается.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из распределительной камеры пароводяная смесь направляется в
первичные сепараторы 6, которые располагаются либо между корпусом и активной зоной реактора, либо над активной зоной в виде
специальных сборок. Окончательная осушка пара проводится в
жалюзийном осушителе 7.
Для реакторов различной мощности первичные сепараторы и
осушители собираются в блоки из стандартных узлов, секций и
одинаковых деталей. Все конструкции выполнены из коррозионностойкой стали и соединены сваркой. Удельные паровые нагрузки,
приведенные к внутреннему диаметру корпуса реактора, составляют около 200 т/(м2 ∙ч), что соответствует скорости пара на зеркале
испарителя W000 = 1,6 м/с.
Таким образом, для действующих мощных АЭС с кипящими
корпусными реакторами характерно применение внутрикорпусной
сепарационной системы с первичными центробежными сепараторами пароводяной смеси (влажность пара на выходе из них составляет 5. . . 20 %) и вторичными осушителями пара (влажность
на выходе не более 0,1 %). Применение внутрикорпусной системы обеспечивает снижение капитальных затрат и увеличение паропроизводительности на единицу площади поперечного сечения
корпуса реактора.
В настоящее время за рубежом ведутся работы по программе
дальнейшего развития и усовершенствования легководных реакторов. Фирма «Дженерал электрик» завершила проработку кипящего реактора следующего поколения. Приемлемым считается реактор единичной электрической мощностью 600 МВт с естественной циркуляцией теплоносителя. Схема реактора SBWR показана
на рис. 2.5, а. Для увеличения запаса воды на случай переходных
и аварийных процессов над активной зоной реактора средняя и
верхняя части корпуса по сравнению с нижней имеют больший
диаметр.
В проекте SBWR используется стандартная для кипящих реакторов конструкция осевых центробежных сепараторов пара большого диаметра, через которые проходит весь поток пароводяной
смеси из активной зоны. Основная задача центробежных сепараторов состоит в получении отсепарированной воды с малым массовым содержанием пара для ликвидации захвата пара в опускную
часть контура естественной циркуляции реактора. После этих се16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.5. Схемы реакторов SBWR (а) и HSBWR (б):
1 – крышка корпуса реактора; 2 – пароосушитель; 3 – патрубок отвода пара;
4 – патрубок подвода питательной воды; 5 – тяговый участок; 6 – активная зона;
7 – корпус реактора; 8 – приводы регулирующих стержней; 9 – подъемная труба;
10 – первичный сепаратор
параторов пар с влажностью 5. . . 20 % поступает в жалюзийный
осушитель, который располагается по окружности в верхней части
реактора, и благодаря большому диаметру скорость пара на зеркале испарения составляет 0,71 м/с. Среднее массовое содержание на
выходе из активной зоны равно 14,5 %. Высота корпуса реактора
при этом около 22 м, внутренний диаметр в районе активной зоны
равен 7 м.
Фирма Hitachi разработала проект реактора HSBWR
(рис. 2.5, б). Для осуществления требуемой кратности циркуляции (массовое расходное паросодержание составляет 16. . . 18 %)
над активной зоной имеется общий тяговый участок высотой 9 м,
над которым расположены пароосушители. Первичных сепара17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
торов нет, что снижает гидравлическое сопротивление контура
естественной циркуляции реактора. Средняя скорость пара на зеркале испарения составляет 0,8 м/с. Внутренний диаметр корпуса
реактора равен 6,3 м, высота — более 20 м.
Реакторы SBWR и HSBWR отвечают современным тенденциям развития кипящих реакторов. В сопоставлении с кипящими
реакторами первого поколения удельная паровая нагрузка поперечного сечения корпуса реактора почти в 3 раза выше. Вместе
с тем удельная паровая нагрузка поперечного сечения корпуса в
2 раза меньше, чем у современных реакторов с принудительной
циркуляцией теплоносителя.
В России также ведется разработка кипящего реактора нового
поколения [5]. Эти работы направлены на создание АЭС повышенной безопасности, под которой подразумевается использование свойств самозащищенности систем, исключающих ввод положительной реактивности, применение пассивного расхолаживания
и локализации последствий любой аварии без вмешательства персонала по крайней мере в течение трех суток.
Сепарационная система реактора ВК-300 представляет собой
группу центробежных осевых сепараторов (рис. 2.6), установленных на погруженный лист (щит). Средняя нагрузка по пару одного
сепаратора равна 10,5 т/ч. Тяговый участок выполнен в виде камеры смешения с установленными на ней тяговыми трубами внутренним диаметром около 200 мм. Скорость пара на зеркале испарения
составляет 1,05 м/с и приведена к диаметру погруженного листа,
равному 3,6 м. Высота корпуса реактора до фланцевого разъема
составляет 10,8 м.
Закраины погруженного листа, на котором установлены осевые
центробежные сепараторы, заканчиваются ниже обреза тяговых
труб. По предварительным оценкам почти вся пароводяная смесь
проходит через сепараторы, а средняя скорость опускного течения
отсепарированной воды в пространстве между тяговыми трубами
составляет не более 0,2 м/с. Получается замкнутая схема циркуляции теплоносителя, которая, по сути, является гидравлически
разомкнутой, потому что сопротивление сепараторов не входит в
сопротивление контура естественной циркуляции реактора. Такая
схема циркуляции потоков способна снять необходимую мощность
при заданном диаметре и высоте корпуса реактора.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.6. Схема корпусного кипящего реактора ВК-300:
1 – активная зона; 2 – закраина погруженного листа; 3 – патрубок отвода пара;
4 – корпус реактора; 5 – крышка реактора; 6 – осевой центробежный сепаратор;
7 – уровень воды; 8 – погруженный лист; 9 – патрубок подвода питательной воды;
10 – подсепараторное пространство; 11 – тяговая труба; 12 – камера смешения
2.2.2. Корпусные реакторы с водой под давлением
Ядерные энергетические установки, имеющие реакторы с
водой, под давлением работают по двухконтурной схеме (см.
рис. 1.1, б) с выработкой и сепарацией пара в парогенераторах.
На первой стадии развития двухконтурных АЭС обычно применяли парогенераторы с выносными сепарационными объемами —
барабанами-сепараторами. В качестве примера компоновки такого парогенератора на рис. 2.7 показан парогенератор АЭС («Шиппингпорт», США). Сепарационные барабаны имеют диаметр 1,5 м
и длину 7. . . 8 м в зависимости от конструкции испарителя. Удельная паровая нагрузка невелика и не превышает 14,4 т/(м2 ∙ч).
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.7. Парогенератор АЭС («Шиппингпорт») с прямыми (а) и с
U-образными трубками (б):
1 – сепарационный барабан; 2 – корпус испарителя; 3 – опускные трубы;
4 – подъемные трубы; 5 – штуцера уровнемера; 6 – выход пара
Аналогичную конструкцию имеет парогенератор судовой ЯЭУ
«Саванна» (США) [6], выполненный по схеме, показанной на
рис. 2.3, б. В верхнем барабане влажный пар проходит через циклонные и жалюзийные сепараторы. Пар на выходе имеет влажность менее 0,25 %.
Рост мощности АЭС с использованием двухкорпусных парогенераторов приводит к увеличению размеров барабанов, поэтому
с повышением мощности были разработаны конструкции, объединяющие в одном корпусе поверхность испарения и сепарационные
системы. По такой схеме выполнены практически все парогенераторы современных АЭС с водо-водяными реакторами как в России,
так и за рубежом.
Серийные отечественные парогенераторы типа ПГВ-1, ПГВ-2,
ПГВ-3 (первое поколение), ПГВ-4 (второе поколение) и ПГВ-1000
(третье поколение) являются однокорпусными горизонтальными.
Сепарация пара в них осуществляется в паровом объеме корпуса
парогенератора за счет гравитационных сил с последующей дополнительной осушкой пара в жалюзийных сепараторах (рис. 2.9).
Практика эксплуатации парогенераторов на энергоблоках ВВЭР1000 показала, что дополнительная осушка пара оказалась излишней, так как нормируемая влажность пара достигается в условиях
осадительной сепарации вследствие незначительной приведенной
скорости пара на зеркале испарения (0,24. . . 0,31 м/с).
20
1, 5 – штуцеры продувки; 2 – штуцер дренажа; 3 – раздающий коллектор питательной воды; 4 – корпус парогенератора;
6 – теплообменные трубы; 7 – люк-лаз; 8 – паровой коллектор; 9 – горячий коллектор теплоносителя; 10 – жалюзийный
сепаратор; 11 – труба подвода питательной воды; 12 – опоры трубного пучка; 13 – защитная выгородка; 14 – холодный
коллектор теплоносителя
Рис. 2.8. Конструкция парогенератора ПГВ-440:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.9. Парогенератор фирмы «Вестингауз»:
1 – трубная доска; 2 – испаритель; 3 – сепараторы второй ступени; 4 – сепараторы
первой ступени
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Особенностью горизонтального парогенератора является наличие «горячей» и «холодной» сторон теплообменного пучка труб,
что создает неравномерную нагрузку зеркала испарения. Для выравнивания паровой нагрузки зеркала испарения и повышения
эффективности осадительной сепарации в парогенераторах ПГВ1000 применен погружной дырчатый щит (лист). Работу щита с закраинами осложняет отсутствие четко выраженного контура естественной циркуляции теплоносителя внутри корпуса парогенератора. Высокая тепловая нагрузка объема и ее неравномерность
из-за особенностей конструкции парогенератора приводит к существенной неравномерности уровня двухфазной смеси над погружным дырчатым листом, что влияет на влажность отсепарированного пара. Использование в горизонтальных парогенераторах
центробежной сепарации затруднено вследствие недостаточного
движущего напора контура естественной циркуляции в корпусе,
что определяется сравнительно малой высотой трубного пучка и
относительно высоким гидравлическим сопротивлением центробежных сепараторов.
В зарубежной практике горизонтальные парогенераторы
применяются лишь на нескольких АЭС. Наибольшее распространение получили вертикальные парогенераторы с высокоэффективными сепараторными системами, в состав которых входят
осевые центробежные устройства. Использование высокоэффективных систем с вертикальным парогенератором стало возможным
в результате существенного увеличения движущего напора естественной циркуляции.
Вертикальные парогенераторы по сравнению с горизонтальными парогенераторами имеют возможность повышения мощности,
более совершенную систему сепарации пара, четкий контур естественной циркуляции парогенераторной воды.
За рубежом наибольшее число работающих и строящихся АЭС
с водо-водяными реакторами приходится на долю США (фирма
«Вестингауз»). В основном это вертикальные парогенераторы для
АЭС электрической мощностью 300. . . 350 МВт. Конструктивно
парогенератор (см. рис. 2.9) включает испаритель 2 и сепарационную систему, состоящую из ступеней 3 и 4. Первая ступень предназначена для разделения пароводяной смеси и получения влажного
пара, вторая ступень — для осушения пара до нормируемого зна23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чения. Поверхность теплообмена выполнена из U-образных трубок, концы которых закреплены в горизонтальной трубной доске,
расположенной в нижней части корпуса. Под трубной доской размещены подводящая и отводящая камеры теплоносителя первого
контура. Образовавшийся пар отводится через патрубок, расположенный в верхней части корпуса парогенератора. Движение питательной воды в контуре парогенератора является вынужденным и
обеспечивается циркуляционным насосом.
Для АЭС «Библис» (ФРГ) [7] разработан и создан парогенератор большой мощности с естественной циркуляцией питательной воды. Типовая конструкция парогенератора для вертикального аппарата с естественной циркуляцией и трубным пучком из
U-образных труб изображена на рис. 2.10. В вертикальном корпусе под слоем воды находится трубная поверхность теплообмена —
область генерации пара, а над слоем — паровой объем, в котором
размещена сепарационная система. Первичное разделение смеси
на пар и воду происходит в осевых центробежных сепараторах. Отсепарированная вода поступает в тракт опускного канала, а влажный пар (влажностью приблизительно 5 %) направляется в жалюзийные сепараторы для дальнейшего осушения до влажности, не
превышающей 0,25 %.
Практика проектирования вертикальных парогенераторов имеется и в России. При разработке энергоблока АЭС с реактором
ВВЭР-1000 было создано несколько вариантов вертикальных парогенераторов (рис. 2.11).
Oтечественный вертикальный парогенератор представляет собой теплообменный аппарат с погружным трубным пучком, а в
объеме над зеркалом испарения располагается сепарационная система и система подвода питательной воды. Приведенная скорость
выхода пара с зеркала испарения составляет 1,45 м/с, что существенно превышает критические значения скоростей для использования гравитационной сепарации. Поэтому в вертикальном парогенераторе применены две ступени сепарации пара. Разделение
двухфазной среды на пар и воду осуществляется в двухступенчатых осевых центробежных сепараторах, влажность пара после
которых составляет примерно 6. . . 8 %. Окончательная осушка пара происходит в жалюзийном сепараторе до влажности не более
0,1 %.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.10. Парогенератор АЭС «Библис»:
1 – трубная доска; 2 – дистанционирующая решетка; 3 – трубный пучок; 4 –
циклонный сепаратор; 5 – жалюзийные сепараторы
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.11. Вертикальный парогенератор для энергоблока с реактором
ВВЭР-1000:
а – вертикальный парогенератор; б – вертикальный парогенератор с пучком расхолаживания; 1 – коллектор; 2 – трубный пучок; 3 – штуцер продувки; 4 – люк
для обслуживания; 5 – жалюзийные сепараторы; 6 – циклонные сепараторы;
7 – трубный пучок расхолаживания
Сепарационные процессы находят применение не только для
получения необходимого качества пара на выходе из испарителя,
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
но и для осушения пара при его расширении на ступенях турбины [8].
На АЭС, как отмечалось выше, широко используются турбины
насыщенного пара. Сухой насыщенный пар, расширяясь в проточной части турбины, становится влажным. Удаление влаги из пара
в турбинах осуществляется двумя способами:
1) с помощью внутритурбинных влагоудаляющих устройств;
2) с использованием промежуточной осушки пара с последующим подогревом.
Второй способ влагоудаления наиболее распространенный.
Промежуточная осушка пара осуществляется в сепарационном
устройстве, которое устанавливается между цилиндром высокого
давления (ЦВД) или среднего давления (ЦСД) и цилиндром низкого давления (ЦНД). Схема включения сепаратора-перегревателя
изображена на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Схема включения сепаратора-перегревателя:
1 – цилиндр высокого давления; 2 – цилиндр низкого давления; 3 – конденсатор;
4 – пароперегреватель; 5 – внешний турбинный сепаратор
Конструкционно промежуточные сепарационные устройства и
пароперегреватели объединяются в одном элементе — промежуточном сепараторе-пароперегревателе (СПП). Выбор давления установки СПП и конечной температуры перегрева проводится путем
оптимизационных технико-экономических расчетов с учетом допу27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стимой влажности пара в последних ступенях ЦВД (у 6 8 . . . 12 %)
турбины и стоимости СПП.
Конструктивные схемы промежуточных сепараторов-пароперегревателей СПП-220М и СПП-1000, предназначенных для работы
с турбинами К-220-44/3000 и К-1000-60/1500 блоков и ВВЭР-440
и ВВЭР-1000, приведены на рис. 2.13 и 2.14.
Сепараторы-перегреватели выполнены в виде вертикальных
аппаратов, объединяющих в одном корпусе сепараторы и две
ступени пароперегревателя. Влажный пар после ЦВД турбины
поступает во входной коллектор сепарационных блоков, расположенных в кольцевом объеме между корпусом СПП и трубой
отвода перегретого пара.
Сепарационный блок (рис. 2.15) включает в себя вертикальные
жалюзийные сепараторы, направляющие лопатки и дроссельные
дырчатые щиты. Переменное по высоте сечение каналов подвода
и отвода пара от сепараторов необходимо для обеспечения равномерного распределения потока пара по сепараторам. Направляющие лопатки направляют поток пара под углом в 90◦ к жалюзийным пластинам. Дырчатые щиты на выходе из сепараторов предназначены для равномерного распределения потока пара в каналах
сепараторов.
Теплопередающая поверхность пароперегревателей первой и
второй ступеней образована прямыми трубами диаметром 16 ×
× 2 мм с приваренным к ним продольными ребрами. Каждые 37
труб объединены в шестигранные кассеты, имеющие индивидуальный подвод греющего пара. Кассеты первой ступени пароперегревателя занимают периферийную, а кассеты второй ступени —
центральную часть объема в нижней части корпуса СПП. Греющий пар движется внутри труб сверху вниз. Нагреваемый пар в
первой ступени движется сверху вниз, продольно омывая трубный
пучок, затем поворачивает на 180◦ и входит во вторую ступень. Из
второй ступени пар через выходной патрубок, расположенный по
центру верхней части корпуса СПП, выходит из него.
Отсепарированная влага (сепарат) из жалюзийных сепараторов
СПП направляется в сепараторосборник и из него в регенеративные подогреватели или в конденсатор.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.13. Конструктивная схема сепаратора-пароперегревателя
СПП-220 М:
1 – отвод сепарата; 2 – отвод конденсата греющего пара второй ступени;
3 – первая ступень пароперегревателя; 4 – вторая ступень пароперегревателя;
5, 11 – подвод греющего пара к кассетам второй ступени; 6 – сепарационная
часть; 7 – парораздающая камера; 8 – выход перегретого пара; 9 – вход влажного
пара; 10 – кассеты с 37 оребренными трубами; 12 – подвод греющего пара к
кассетам первой ступени; 13 – отвод конденсата греющего пара первой ступени;
14 – дренирование СПП
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.14. Конструктивная схема сепаратора-пароперегревателя
СПП-1000:
1 – выход конденсата второй ступени; 2 – выход сепарата; 3 – выход нагреваемого
пара; 4 – вход нагреваемого пара; 5 – сепарационные блоки; 6 – вход греющего пара второй ступени; 7 – вход греющего пара первой ступени; 8 – дренаж;
9 – выход конденсата первой ступени; 10 – первая ступень пароперегревателя;
11 – вторая ступень пароперегревателя
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.15. Схема сепарационного блока СПП:
1 – выход сепарата; 2 – жалюзийные сепараторы; 3 – направляющие лопатки;
4 – дырчатый щит; 5 – входной канал; 6 – вход влажного пара; 7 – выходной
канал; 8 – выход сухого пара
2.3. Требования, предъявляемые к сепарационным
устройствам
В зависимости от типа установки (одно- или двухконтурная)
и конструкции реактора (корпусной или канальный) различны и
требования, предъявляемые к работе сепарационных устройств.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одно из основных требований — обеспечение низкой влажности отсепарированного пара:
• для одноконтурных установок с кипящими реакторами массовое содержание влаги в паре не должно превышать 0,1 %;
• для двухконтурных установок допустимая влажность пара на
выходе из парогенератора принимается не более 0,25 %.
К числу основных требований можно отнести также требование по ограничению захвата пара с отсепарированной водой при
принудительной циркуляции. Увеличение доли паровой среды в активной зоне может привести к уменьшению коэффициента запаса
по величине критической тепловой нагрузки твэлов, к появлению
нейтронно-физической неустойчивости реактора и срыву режимов
циркуляции теплоносителя в контуре охлаждения. В случае принудительной циркуляции захват пара может вызвать развитие процесса кавитации в циркуляционных насосах. Масса захваченного
пара не должна превышать 0,2. . . 0,5 % [1].
Еще одним важным требованием к сепарационным устройствам является обеспечение необходимого оперативного запаса воды на случай переходных режимов работы и аварийных процессов.
Сепарационные устройства должны иметь высокие паровые
нагрузки, позволяющие уменьшить габаритные размеры сепараторов. Это требование, как и требование минимальности гидравлического сопротивления, определяется конструкцией сепарационного
устройства.
Уменьшение гидравлического сопротивления важно как с точки
зрения уменьшения затрат энергии на прокачку теплоносителя,
так и с точки зрения повышения гидродинамической устойчивости
циркуляции.
К требованиям, предъявляемым к сепарационным системам,
следует отнести: обеспечение устойчивой работы устройств при
различной мощности реактора; обеспечение режима; надежности
в течение всего срока эксплуатации; простоту монтажа и демонтажа. Конструкция сепарационного устройства должна обеспечивать доступ обслуживающего персонала для внутренней инспекции корпуса устройства и элементов оборудования сепарационного
объема.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. РАСЧЕТ СЕПАРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ
3.1. Гравитационная сепарация
Гравитационная (осадительная) сепарация в паровом объеме
сепарационного устройства — наиболее простой и широко используемый способ разделения пароводяной смеси на пар и воду. Отделение пара от воды происходит в восходящем дисперсном потоке
смеси. Сепарация при барботаже пара характеризуется наличием
трех зон по высоте пароводяного слоя [9]. Схема расположения
зон приведена на рис. 3.1, там же условно показано изменение паросодержания (x) по высоте сепарационного объема.
Рис. 3.1. Схема расположения зон по высоте сепарационного объема
Первая зона — зона неустановившегося течения Нн.у — находится непосредственно над поверхностью теплообмена, здесь x
меняется от некоторого начального до стабильного значения, зависящего от давления и паровой нагрузки. Высота этой зоны незначительна, поэтому для расчета среднего значения x высотой можно
пренебречь. Вторая зона представляет собой стабилизированный
участок высотой Нст , где значение x постоянно. Высота этой зоны
зависит от массового уровня и может быть неограниченно большой. Третий участок представляет собой переходную зону Нп.з от
пароводяной смеси к пару с теоретическим значением x = 1. Высота переходной зоны линейно зависит от паровой нагрузки. Выше
границы переходной зоны происходит капельный унос влаги и ее
гравитационная сепарация.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гравитационное разделение фаз определяется поведением капель жидкости в паровом потоке: под действием сил поверхностного натяжения на границе раздела фаз (зеркало испарения) капля
стремится принять сферическую форму. Для мелких капель (доли
миллиметра) можно принять, что ведут они себя в потоке пара как
твердые шары. В этом случае коэффициент лобового сопротивления капли ξкап определяется зависимостью, приведенной в [10].
При некоторой скорости набегающего (восходящего) потока
сила гидравлического сопротивления уравновесит силу тяжести
капли:
2
πd3кап 0
π
ρ00 wвит
(ρ − ρ00 )g = ξкап d2кап
.
(3..1)
6
4
2
Cкорость, при которой может произойти «взвешивание» капли,
т. е. скорость витания wвит , определяется из уравнения (3.1):
s
4 dкап ρ0 − ρ00
g
.
(3..2)
wвит =
3 ξкап ρ00
В паровом пространстве сепаратора (над зеркалом испарения)
течение восходящего дисперсного пароводяного потока, где начальная скорость капли перестает оказывать влияние на ее движение, вертикальная составляющая скорости капли будет
w = w00 − wвит ,
(3..3)
где w00 — скорость пара.
Если wвит < w00 , то капля уносится потоком пара из парового
пространства сепаратора, в противном случае при wвит > w00 капля упадет на зеркало испарения. Таким образом осуществляется
процесс осадительной сепарации пара.
Сложность гидродинамики двухфазного потока и процесса разделения тяжелой и легкой фаз под действием силы тяжести исключает возможность построения теоретических моделей, связывающих количество тяжелой фазы, уносимой потоком пара, со
свойствами жидкости и параметрами двухфазного потока. Для построения таких моделей применяется теория размерностей либо
используются эмпирические зависимости, полученные обработкой
экспериментальных данных в определенных диапазонах параметров потока и свойств жидкости.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одна из первых моделей капельного уноса на основе теории
размерностей была разработана Г.Н. Кружилиным [11]. Предложенная критериальная зависимость для влажности пара у при заданной высоте парового пространства имеет вид
p
A ρ00 ρ00 / ρ0 4
Rп.о ,
(3..4)
y=
gσ
D
— нагрузка парового объема.
ρ00 Vп.о
Из (3.4) можно получить зависимость допустимой нагрузки
парового объема, соответствующей заданной влажности пара, от
давления.
Количественная зависимость для расчета влажности пара имеет вид [3]
N 2,3
(3..5)
y = 2,75 ∙ 108
0,25 ,
ρ00
0
1,1
(Ga )
ρ0 − ρ00
p
g( σ/g ρ00 )
(w00 )2
где N = 0 ; G0a =
;
ν2
xgHп
Нп — высота парового объема; ν — кинематическая вязкость
жидкости.
Зависимость (3.5) получена для давления пара от 0,12 до
18,2 МПа при высоте парового объема 450. . . 850 мм.
Влажность пара по высоте может рассчитываться по методике,
разработанной в ВТИ [5], исходя из критической высоты парового пространства Нкр.п , соответствующей началу резкого увеличения влажности, определенной с учетом набухания. Критическая
влажность укр = 0,02 . . . 0,04. Влажность на высоте Hп от зеркала
испарения определяется по формуле
Hкр.п n
yH = yкр
.
(3..6)
Нп
где Rп.о =
Показатель степени n учитывает цилиндрическую форму корпуса сепаратора (парогенератора), т. е. сужение парового пространства в зоне пароприемных устройств. В зависимости от соотношения площадей зеркала испарения Fз и пароприемных устройств Fп
показатель n принимает следующие значения:
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Fз
= 1, то n = 6;
Fп
Fз
если
= 1,6, то n = 9;
Fп
Fз
если
= 2 . . . 2,5, то n = 12 . . . 16.
Fп
Высота парового пространства Нп отсчитывается от уровня
набухания.
Критическую высоту парового объема рассчитывают по формуле
1,3
,
(3..7)
Hкр.п = 0,087 w000 F (ρ)
p
где F (ρ) = 3,45 ∙ 103 ρ00 (ρ0 )2 /(ρ0 − ρ00 )6 .
При проходе всего пара через зеркало испарения влажность
пара у на некоторой высоте Н над зеркалом испарения может быть
определена по выражению, полученному Л.С. Стерманом [6] на
основании обобщения большого экспериментального материала:
r
0,92
σ
Fr1,38  ρ0 − ρ00 
 ,
y = 6,1 ∙ 109 1,1 
(3..8)

Hп
Ar 
если
w00 2
где Fr = 0 — число Фруда;
pg/Hп
g( σ/( ρ0 − ρ00 ))3 ρ0
( 00 − 1) — число Архимеда; σ, ν — соотAr −
ν2
ρ
ветственно поверхностное натяжение и кинематическая вязкость
воды.
Содержание влаги уменьшается с ростом высоты парового пространства, но по мере роста Нп градиент изменения у уменьшается. При Нп > 0,8 м рекомендуется за расчетную высоту парового
пространства принимать 0,8 м. При этом значения нагрузок зеркала испарения должны соответствовать значениям, приведенным на
рис. 3.2.
Cуществует довольно много рекомендаций по расчету влажности пара в зависимости от высоты парового пространства. Однако основную проблему расчета сепарации составляет правильный
учет неравномерности нагрузки зеркала испарения.
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.2. Рекомендуемые максимальные (1) и нормальные (2) значения
нагрузок зеркала испарения
Для обеспечения эффективности осадительной сепарации первостепенное значение имеет равномерность нагрузки зеркала испарения и парового пространства. Она может быть достигнута установкой двух основных типов устройств, выравнивающих нагрузку:
погруженного и пароприемного дроссельных щитов. Схемы установки этих устройств приведены на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Внутрикорпусные устройства горизонтального (а) и вертикального (б) парогенераторов:
1 – пароотводящий патрубок; 2 – пароприемный потолок; 3 – жалюзийный сепаратор; 4 – патрубок подвода питательной воды; 5 – зеркало испарения (уровень
в сепараторе); 6 – закраины погруженного листа (щита); 7 – погруженный лист
(щит); 8 – теплообменная поверхность; 9 – спускные трубы; 10 – промывочный
щит; 11 – промывочный слой
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Равномерность нагрузки зеркала испарения практически при
любых компоновках поверхностей нагрева может быть обеспечена с помощью погруженного дырчатого листа (щита) 7. За счет
сопротивления отверстий щита под ним образуется паровая подушка, и поступление пара к зеркалу испарения выравнивается.
Щит снабжен закраинами, чтобы пар не прорывался, минуя его.
Высота закраин не менее 50 мм (обычно 80. . . 100 мм).
Высота паровой подушки тем больше, чем выше сопротивление отверстий. При этом увеличивается выравнивающий эффект.
Однако при больших скоростях пара в отверстиях щита увеличивается выброс влаги с поверхности зеркала испарения. Поэтому
скорость пара в отверстиях wп1 должна выбираться с учетом обоих этих факторов и ориентировочно может быть принята в 10 раз
00 , определенного по рис. 3.2.
больше значения w0п
Паровая подушка существует при скоростях не ниже некоторого определенного значения, которое может быть найдено по формуле
0,5 σ( ρ0 − ρ00 )
g
0,25.
(3..9)
wп1 min = 1, 1
ρ00
g
Рекомендуемые значения этой скорости приведены на рис. 3.4.
Диаметр отверстий в щите должен быть не менее 10 мм, щит
устанавливается на 50. . . 70 мм ниже минимального массового
уровня воды. Если нет специальных промывочных устройств, питательную воду целесобразно подводить поверх погруженного щита со скоростью 1 м/с. Под массовым уровнем понимают уровень
сплошной жидкости без учета повышения действительного уровня за счет находящихся в объеме пузырей пара. Массовый уровень
меньше действительного или равен действительному.
По бокам погруженного щита должны оставаться проходы шириной не менее 150 мм для свободного стекания воды. Скорость
опускного движения жидкости в этих проходах не должна превышать групповой скорости всплытия пузырей при расходах, в
1,5—1,8 раза больших паропроизводительности. Ориентировочная
скорость всплытия составит 0,2 м/с.
Равномерность нагрузки зеркала испарения и парового пространства зависит от равномерности движения пара в последнем.
Равномерность может быть существенно нарушена при сосредоточенных выводах пара. Для предотвращения этого явления в верх38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.4. Зависимости скорости в отверстиях погруженного дырчатого
щита от давления:
1 – минимальная; 2 – рекомендуемая
ней части барабанов устраивают пароприемный потолок — специальный дырчатый щит с отверстиями диаметром 6. . . 10 мм. Число
отверстий рассчитывается по скорости, которая выбирается в зависимости от давления:
если р > 9,0 . . . 10,0 МПа, то wп2 = 6 . . . 10 м/с;
если р = 2,0 . . . 9,0 МПа, то wп2 = 10 . . . 18 м/с;
если р < 2,0 МПа, то wп2 = 15 . . . 25 м/с.
Место установки пароприемного щита в паровом объеме должно быть выше отметки действительного уровня воды не менее чем
на 400 мм (в среднем приблизительно 600 мм).
3.2. Механическая сепарация с использованием
жалюзийных устройств
Наряду с осадительной сепарацией в дополнение к ней или в
качестве самостоятельных устройств могут быть применены механические сепараторы.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.5. Схема расположения горизонтального (а) и вертикального (б)
жалюзийных сепараторов
В современных парогенерирующих установках АЭС применяется, как правило, двухступенчатая система сепарации. В качестве
второй ступени сепарации используются горизонтальные и вертикальные осушители жалюзийного типа (рис. 3.5).
Принципиальное различие этих осушителей заключается в организации разных направлений движения потоков влажного пара и
отсепарированной воды. При горизонтальном расположении осушителя (рис. 3.5, а) упомянутые потоки имеют встречное направление, тогда как при вертикальном или близком к вертикальному
его расположению поток отсепарированной воды стекает вниз, а
поток влажного пара движется приблизительно горизонтально, что
повышает эффективность сепарации (рис. 3.5, б). Профиль жалюзи
и основные размеры показаны на рис. 3.6.
Для горизонтальных парогенераторов АЭС с водо-водяными
реакторами характерно, как известно, использование гравитационной сепарации (первая ступень) в совокупности с горизонтальными жалюзийными осушителями. Такая система сепарационных
устройств применена в парогенераторах ПГВ-1 Нововоронежской
АЭС, а также в более современных, где применяются наклонные
жалюзийные сепараторы (рис. 3.7).
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.6. Профиль жалюзи, разработанных в
ЦКТИ им. И.И. Ползунова
Рис. 3.7. Схематический поперечный разрез парогенератора
ПГВ:
1 – наклонный жалюзийный сепаратор; 2 – пароприемный дырчатый
щит; 3 – корпус; 4 – поверхность теплообмена
Осушители жалюзийного типа обладают многими достоинствами, среди которых необходимо отметить следующие: высокую эффективность осушения пара при наличии существенной неравномерности зеркала испарения; высокую надежность эксплуатации;
малое гидравлическое сопротивление; простоту конструкции, изготовления и монтажа.
К числу недостатков жалюзийных осушителей можно отнести значительную металлоемкость, а для горизонтальных осушителей — неблагоприятные условия дренажа отсепарированной
воды.
Горизонтальный жалюзийный сепаратор устанавливается на
расстоянии приблизительно 20 мм под пароприемным щитом
(рис. 3.8, а), а от зеркала испарения расстояние должно быть не
менее 400 мм (рекомендуется 600 мм). Криволинейные каналы
обеспечивают достаточную турбулентность потока, центробежный
эффект, что вместе с инерционной сепарацией обеспечивает высаждение жидкости на пластинах сепаратора. Наиболее рационален
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.8. Установка жалюзийного сепаратора (а) и предельные скорости
пара перед жалюзийным сепаратором (б):
1 – корпус барабана; 2 – жалюзийный сепаратор; 3 – пароприемный щит
волнообразный профиль пластин. Отсепаратированная жидкость
(cм. рис. 3.6) стекает вниз по поверхности пластин. При угловом
профиле пластин с острыми углами более вероятен новый подхват жидкости потоком пара — вторичное увлажнение. Вторичное
увлажнение пара происходит в любой конструкции сепаратора при
достижении паром определенной критической скорости. Нагрузка сепаратора при критической скорости называется критической
нагрузкой. Ее можно рассчитать по формуле
σ( ρ0 − ρ00 ) 1/4
Wкр = A
,
(3..10)
ρ2
где А = 0,2 . . . 0,3 при расстоянии от зеркала испарения до сепаратора менее 220. . . 260 мм; А = 0,3 . . . 0,4, если это расстояние
больше 260 мм.
Скорость пара в сечении входа в сепаратор не должна превышать значений, получаемых по графику, приведенному на
рис. 3.8, б [10].
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Значение приведенной критической скорости в горизонтальных
сепараторах находится в пределах 0,6. . . 0,1 м/с и уменьшается с
повышением давления. Поэтому требуются большие объемы для
размещения жалюзийных сепараторов.
Более компактны вертикальные или наклонные жалюзийные
сепараторы, в которых осуществляется горизонтальное течение пара и вертикальное стекание отсепаратированной жидкости. Вертикальные сепараторы выполняют секционными, кольцевыми и т. д.
Максимальную нагрузку вертикального сепаратора можно рассчитать по формуле
0,1
σ( ρ0 − ρ00 ) 0,27
α
x
wкр = Kр
6,
9
+
3,
3
lg
,
( ρ00 )2
1−x
360 − α
(3..11)
где Кр = wп /wп max — коэффициент неравномерности скорости
пара на входе в жалюзи, определяемый отношением средней расчетной скорости wп к максимальной местной скорости wп max ; при
отсутствии специальных выравнивающих устройств перед жалюзи
Кр = 0,5 . . . 0,95; при наличии перед жалюзи дырчатого листа (щита) с коэффициентом живого сечения (отношение суммарной площади отверстий к площади входа в жалюзи) 25 % Кр = 8,5 . . . 0,95;
х — паросодержание перед сепаратором; α — угол установки жалюзийного сепаратора к горизонтали.
Для вертикального расположения испарителей может оказаться целесообразным применение вертикальных жалюзийных сепараторов. На рис. 3.9 представлена конструктивная схема такого сепаратора с концентрическим расположением отдельных секций в
паровом объеме. Секция представляет собой пакет из нескольких
вертикальных жалюзи, ограниченный дырчатыми щитами. Площадь проходного сечения определяется высотой пакета, что дает возможность обеспечить нужные скорости влажного пара для
мощных вертикальных испарителей.
Расчет вертикального жалюзийного сепаратора, так же как и
горизонтального, проводится с учетом предельно допустимой скорости пара на входе в сепараторы (критическая скорость) (см.
рис. 3.8, б). Однако для вертикальных сепараторов скорость в 2 раза больше, чем для горизонтальных.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.9. Вертикальный жалюзийный сепаратор:
1 – жалюзи; 2 – перфорированный лист; 3 – опускные трубы для отвода конденсата в водяной объем; 4 – сборники конденсата; 5 – каналы входа влажного пара;
6 – каналы выхода осушенного пара
Необходимая площадь жалюзийного сепаратора определяется
по зависимости:
D
Fж.с =
.
(3..12)
wкр ρ00
Размеры секций жалюзийных сепараторов принимаются с учетом размеров, приведенных на рис. 3.6, и размеров парового пространства сепарационного устройства.
3.3. Центробежные сепараторы
В настоящее время в кипящих реакторах и в вертикальных парогенераторах реакторных установок с водо-водяными реакторами нашли применение центробежные сепарационные устройства
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
с осевым или радиальным подводом пароводяной смеси. Сепарация в осевых устройствах осуществляется с использованием закручивания потока специальными завихрителями, в радиальных
сепараторах — тангенциальной подачей двухфазной смеси в объем
сепарационного устройства, например, циклоны. Такие устройства
компактны и достаточно эффективны, но имеют значительные гидравлические сопротивления, что, как правило, требует организации принудительной циркуляции пароводяной смеси.
На рис. 3.10 [10] представлена конструкция одноступенчатого
осевого сепаратора, предназначенного для установки в вертикальных парогенераторах.
Сепараторы крепятся на плите над пучком трубок теплопередающей поверхности. Пароводяная смесь поступает во входной
Рис. 3.10. Одноступенчатый осевой сепаратор:
1 – подводящий патрубок; 2 – завихритель; 3 – перфорированный корпус
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
патрубок и далее, проходя через лопаточный завихритель, получает вращательное движение. Вода центробежной силой отжимается
к стенке корпуса сепаратора и через отверстия отводится в объем
между сепараторами. Пар выходит из сепаратора в паровой объем.
Окончательная осушка осуществляется в жалюзийных сепараторах. Один сепаратор рассчитан на расход пара 2,5. . . 2,7 кг/с.
Сепаратор, схема которого представлена на рис. 3.11, осуществляет не только разделение пароводяной смеси, но и глубокую
осушку пара до влажности не более 0,1 %. Для этого в сепараторе последовательно установлены три завихрителя, сообщающие
пароводяной смеси вращательное движение.
Пароводяная смесь, подводимая с нижнего торца сепаратора,
закручивается на завихрителях 2, в результате чего вода под действием центробежных сил отжимается к стенкам внутреннего корпуса 3 и через перфорацию удаляется в кольцевой зазор между корпусами, а отсепарированный пар отводится через верхний торец.
Поток воды, опускаясь в кольцевом зазоре, дополнительно закручивается на лопаточном аппарате в противозахватном устройстве
5. В результате захваченный с водой пар выделяется и отводится в
общий поток уже отсепарированного пара по специальной трубке
4, на которой крепятся завихрители.
Базовая модель такого сепаратора имеет высоту 1620 мм, диаметр внутреннего корпуса равен 80 мм, диаметр наружнего корпуса — 121 мм. Перфорация внутреннего корпуса выполнена круглыми отверстиями c диаметрами 6,8 и 10,0 мм соответственно и
с пористостью перфорированной зоны 31 % после первого завихрителя и 22 % после второго и третьего. При таких размерах
сепаратор производит глубокую осушку пара при расходе его, не
превышающем 0,6 кг/с.
Рассмотренный осевой сепаратор послужил прототипом для
разработки геометрически подобных осевых сепараторов с диаметром внутреннего корпуса 88 или 154 мм. При этом диаметр
отверстий, а также степень и неравномерность перфорации по высоте осевых сепараторов оставлены неизменными.
Для нормальной работы сепараторов уровень воды в водяном
объеме парогенератора не должен превышать 100 мм над завихрителем противозахватного устройства.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.11. Осевой сепаратор глубокой осушки пара:
1 – внешний корпус; 2 – завихрители; 3 – внутренний перфорированный корпус;
4 – трубка для крепления завихрителей; 5 – противозахватное устройство
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рассмотренные осевые сепараторы являются весьма эффективными сепарационными устройствами. Благодаря наличию нескольких ступеней сепарации они обеспечивают глубокую осушку пара
и могут работать в качестве единственной ступени сепарации.
В отечественной практике парогенераторостроения достаточно
широкое распространение получили так называемые внутрибарабанные циклоны — центробежные сепараторы с тангенциальным
подводом пароводяной смеси [10]. На рис. 3.12 показана конструкция такого циклона. Циклоны устанавливаются внутри корпуса
горизонтального барабана-сепаратора. Возможная схема расположения циклонов приведена на рис. 3.13 [10].
Рис. 3.12. Внутрибарабанный циклон:
1 – поддон; 2 – раскручивающая решетка; 3 – днище; 4 – корпус циклона;
5 – подводящий патрубок; 6 – отбойный воротник
В сепаратор поступает смесь с большим влагосодержанием и
достаточно большой кинетической энергией (скоростью). Смесь по
подводящим трубам вводится в короб и далее в сепаратор тангенциально со скоростью 5. . . 10 м/с. За счет центробежного эффекта
жидкость отбрасывается к периферии — образуется параболическая поверхность раздела. Жидкость через раскручивающую ре48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.13. Схема сепарации с внутрибарабанными циклонами:
1 – корпус циклона; 2 – пароподводящие трубы; 3 – входной патрубок;
4 – пароотводящие трубы; 5 – пароприемный потолок; 6 – подводящий короб;
7 – опускные трубы
шетку 2 (cм. рис. 3.12) поступает вниз в водяной объем барабана.
Пар поднимается вверх, влажность его снижается в результате осадительной сепарации в объеме, а затем и механической сепарации
в жалюзийном сепараторе. Осадительная сепарация тем эффективнее, чем ниже нагрузка парового пространства циклона. Выход из
циклона сепаратора заглубляется под уровень воды. Максимальное
положение уровня не должно превышать середины подводящего
патрубка.
Рекомендуемые диаметры внутрибарабанных циклонов составляют 200. . . 300 мм, что обусловлено наибольшей эффективностью сепарации, оптимальностью компоновки, наименьшей ме49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
таллоемкостью и возможностями монтажа через лазы барабанов.
Сборка циклонов диаметром более 300 мм внутри барабана при
монтаже и ремонтные работы являются сложными операциями, в
особенности для условий работы АЭС, т. е. при наличии повышенной радиационной обстановки оборудования.
Нормальная работа циклона обусловлена правильным выбором
расхода пара, от чего зависит влажность отсепарированного пара.
Расход пара через циклон стандартного размера нормируется.
Рекомендуемые нагрузки единичного циклона диаметром 290 мм,
при которых влажность пара на выходе не превышает 0,1 %, графически приведены на рис. 3.14.
Рис. 3.14. Зависимости рекомендуемых нагрузок единичного внутрибарабанного циклона диаметром 290 мм от давления:
1 – нормальные; 2 – минимальные
Циклоны могут быть использованы в контурах естественной и
принудительной циркуляции.
Циклоны, подобные описанным, установлены в барабанахсепараторах Белоярской АЭС им. И.В. Курчатова и Билибинской
АЭС.
3.4. Промывка пара
Если эффективность сепарационных устройств при достижении необходимого качества пара, определяемого содержанием примесей, оказывается недостаточной, применяют промывку пара питательной водой. Смысл промывки заключается в снижении кон50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
центрации примесей в транспортируемой с паром влаге. По существу, унос воды парогенератора заменяется уносом питательной
воды, поэтому и повышается допустимая влажность пара. Промывку пара целесообразно применять при давлении выше 10 МПа.
Паропромывочное устройство может быть установлено как в
вынесенном сепарационном барабане, так и в сепарационном объеме однокорпусного испарителя (см. рис. 3.3).
Расстояния от зеркала испарения до промывочного устройства
и от последнего до жалюзийного сепаратора или пароприемного
потолка должны быть не менее 400 мм, так как эффективность
применения промывки зависит от качества сепарации до и после
промывки.
При наличии промывки производительность пара должна быть
больше номинальной на величину, необходимую для подогрева питательной воды:
D(i00 − in.в )
.
(3..13)
ΔD =
r
Паропромывочное устройство представляет собой дырчатый
щит, на который подается питательная вода, образующая слой толщиной приблизительно 40 мм благодаря специальным закраинам.
Кольцевой зазор между промывочным щитом и корпусом устройства перекрыт для разобщения парового пространства над щитом
и под ним. Вода со щита переливается через закраины и по специальным опускным трубам отводится в водяную полость парогенератора. Скорость воды в опускных трубах 0,1. . . 0,2 м/с (т. е.
меньше групповой скорости всплытия пузырей). Необходимо исключить возможность поступления пара с поверхностей нагрева в
опускные трубы. Диаметр отверстий в промывочном щите равен
примерно 6 мм, а число их выбирается по скорости пара аналогично, как для погруженного щита (см. рис. 3.4).
Содержание примесей (в мг/кг) в промытом и осушенном паре
составит по общему солесодержанию [10]
общ
Sпобщ = ySпр
.
(3..14)
Аналогично рассчитывается солесодержание отдельных составляющих.
Концентрация примесей в промывочной воде определяется по
уравнению баланса для примесей:
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
общ
общ
(D + ΔD)y1 Sпр
+ (D + Gпр )Sп.в
=
общ
общ
= (D + ΔD + Gпр )Sпрм
+ Dy2 Sпрм
.
(3..15)
Здесь D — паропроизводительность, кг/с; ΔD — увеличение паропроизводительности для подогрева питательной воды, кг/с; у1 и
общ
—
у2 — влажность пара соответственно до и после промывки; Sпр
общее солесодержание в воде парогенератора (в продувке) мг/кг;
общ
Gпр — расход продувки парогенератора, кг/с; Sп.в
— общее солесообщ
— общее солесодержание
держание в питательной воде, мг/кг; Sпрм
в промывочной воде, мг/кг.
Соли и другие примеси попадают в парогенератор в основном с
питательной водой. Из зависимостей (3.14), (3.15) следует, что при
одинаковой влажности пара его солесодержание будет зависеть от
содержания солей в воде парогенератора (в так называемой продувочной воде).
При отсутствии промывки соли уносятся с продувочной водой, а при промывке концентрация солей в уносе снижается, однако (это следует из выражения (3.15)), солесодержание в унообщ
общ
выше, чем в исходной питательной воде Sп.в
.
симой влаге Sпрм
Но так как доля уносимой влаги у < 0,01 . . . 0,1 %, то суммарное
общ
, уносимых с паром, значительно меньколичество солей DySпрм
общ
ше поступающих с питательной водой Gп.в Sп.в
. В связи с этим,
если не ограничить увеличение содержания примесей в воде парогенератора, будет происходить постоянное их накопление. Чтобы
стабилизировать содержание примесей, часть воды Gпр постоянно
или периодически выводится из парогенератора (осуществляется
постоянная или периодическая продувка парогенератора) и направляется на очистку. Поэтому расход питательной воды Gп.в должен
превышать паропроизводительность D на расход продувки:
Gп.в = D + Gпр ,
что и отражено в выражении (3.13).
Введем долю расхода продувки рпр :
D + Gпр = D(1 + pпр ).
Вместе с продувкой удаляются соли и другие примеси.
52
(3..16)
(3..17)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Баланс содержание примесей (солей) для парогенератора можно записать в виде
D(1 + pпр )Sп.в = DSп + Dpпр Sпр ; DSп = (y + Kр )DSпр , (3..18)
следовательно, при постоянной продувке
pпр =
Sп.в − (y + Kр )Sпр
.
Sпр − Sп.в
(3..19)
Обычно доля расхода рпр определяется по каждому компоненту
примесей и принимается ее наибольшее значение. При полном
обессоливании питательной воды ориентировочно можно принять
рпр = 0,5 . . . 0,3 %.
Зависимости (3.14)—(3.19) относятся к парогенераторам с принудительной и естественной циркуляцией воды и сепарацией пара. В прямоточных парогенераторах все примеси, поступающие с
питательной водой, за исключением той их части, которая непосредственно растворяется в паре, высаждаются на поверхностях
теплообмена в зоне доупаривания, поэтому к питательной воде для
прямоточных парогенераторов предъявляют более жесткие требования.
При испарении воды в прямоточном парогенераторе соли и
другие примеси осаждаются на стенке в зоне ухудшенного теплообмена и доупаривания, которая для средних давлений (до
10 МПа) ориентировочно характеризуется областью паросодержаний х = 0,8 — 1,0, а при высоких давлениях — областью х =
= 0,4 — 1,0. Допустимая масса отложений определяется допустимым снижением эффективности теплообменной поверхности или
допустимым повышением температуры стенки. Во всех случаях
толщина отложений не должна превышать 0,2 мм.
Отложения удаляются промывкой поверхностей теплообмена
при остановках парогенераторов.
Промывка пара на АЭС с водо-водяными или кипящими реакторами не требуется, так как в настоящее давление насыщенного
пара в них не превышает 7 МПа, а при этих условиях растворимость примесей, переходящих из воды в пар практически равна
нулю.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. СЕПАРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА АЭС
C РЕАКТОРАМИ РБМК И ВВЭР
4.1. Сепарация пара в реакторных установках
с реакторами РМБК
В каждой из двух циркуляционных петель контура многократной принудительной циркуляции реактора РБМК (рис. 4.1) установлено по два сепарационных устройства барабана-сепаратора [4],
которые предназначены:
• для разделения пароводяной смеси, поступающей из топливных каналов, на пар и воду и получения на выходе насыщенного
пара с влажностью менее 0,1 %;
• для создания в контуре запаса воды, который используется
для заполнения «паровых пустот» при снижении мощности или
заглушении реактора в переходных и аварийных режимах работы
блока, называемого оперативным запасом воды;
Рис. 4.1. Принципиальная схема контура многократной принудительной
циркуляции:
1 – барабан-сепаратор; 2 – пароводы; 3 – топливный канал; 4 – всасывающий коллектор; 5 – главный циркуляционный насос; 6 – напорный коллектор;
7 – ограничительная вставка; 8 – шариковый расходомер; 9 – реактор;
10 – запорно-регулирующий клапан; 11 – раздаточный групповой коллектор;
12 – механический пластинчатый фильтр
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• для смешения питательной воды с отсепарированной насыщенной водой в топливные каналы.
Для получения пара требуемого качества, т. е. влажностью менее 0,1 %, в барабанах-сепараторах реакторных установок РБМК
используется гравитационная сепарация. Реализовать данный способ сепарации, как известно, возможно лишь при низких паровых
нагрузках на зеркало испарения. Для большой паропроизводительности (более 5000 т/ч), которой обладают современные энергоустановки, это означает увеличение габаритов сепараторов пара.
При давлении насыщенного пара, равном 7 МПа, эффективная
гравитационная сепарация возможна при приведенной скорости
пара приблизительно 0,2 м/с [10]. С учетом этого значения нагрузки для реакторной установки с паропроизводительностью около
5000 т/ч потребная площадь зеркала испарения составляет примерно 200 м2 . Получение таких размеров зеркала испарения для
реакторной установки РБМК достигнуто путем использования четырех горизонтальных барабанов-сепараторов, по два на каждую
циркуляционную петлю.
На реакторных установках РБМК разных поколений и мощностей эксплуатируются три типа барабанов-сепараторов с четырьмя типами внутрикорпусных устройств (ВКУ) [2]. На энергоблоках РБМК-1000 первого поколения (ЛАЭС-1, ЛАЭС-2;
КуАЭС-1, КуАЭС-2) установлены барабаны-сепараторы внутренним диаметром 2,3 м. Внутрикорпусные устройства барабановсепараторов энергоблоков ЛАЭС-1, ЛАЭС-2 и КуАЭС-1 претерпели реконструкцию в целях увеличения запаса воды в водяном
объеме для снижения риска попадания пара на вход в главные
циркуляционные насосы при резком уменьшении уровня воды в
барабанах-сепараторах после срабатывания аварийной защиты.
На энергоблоках РБМК-1000 второго поколения эксплуатируются
барабаны-сепараторы диаметром 2,3 м (ЛАЭС-3, ЛАЭС-4) и диаметром 2,6 м (ЛАЭС-1, ЛАЭС-2; КуАЭС-3, КуАЭС-4). Энергоблоки Игналинской АЭС с РБМК оснащены барабанами-сепараторами
диаметром 2,6 м со своим ВКУ. На энергоблоках РБМК-1000 третьего поколения (САЭС-3; КуАЭС-5 — строящийся блок) установлены такие же барабаны-сепараторы, как и на энергоблоках
РБМК-1000 второго поколения.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Корпус барабана-сепаратора представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд с двумя сферическими днищами, изготовленный из углеродистой стали с плакировкой внутренней
поверхности аустенитной коррозионно-стойкой сталью. Основные
габаритные размеры корпусов барабан-сепараторов приведены на
рис. 4.2 и 4.3.
Вдоль верхней образующей цилиндрической части корпуса
расположено 19 патрубков внутренним диаметром 293 мм для
отвода насыщенного пара, а также патрубки для подсоединения
пароперепускных трубопроводов (ППТ). Отвод воды из барабанасепаратора осуществляется снизу через 12 патрубков внутренним
диаметром 293 мм, в которых размещены водо-водяные смесители
(смешение насыщенной воды барабана-сепаратора с питательной водой контура). Также на нижней образующей расположены
патрубки для подсоединения водоуравнительных трубопроводов
(ВУТ) двух соседних сепарационных устройств контура циркуляции: два или четыре патрубка — на барабанах-сепараторах РБМК1000, и шесть — на барабанах-сепараторах РБМК-1500.
Равномерно по всей длине боковых поверхностей барабанасепаратора расположены патрубки, к которым присоединены трубы пароводяных коммуникаций подачи пароводяной смеси из технологических каналов реактора. В сепараторах диаметром 2,3 м
первого типа патрубки диаметром 68 мм расположены по двурядной схеме, а в барабанах диаметром 2,6 м второго и третьего
типов использована схема четырехрядного расположения патрубков диаметром 100 мм (попарно в шахматном порядке). У всех
барабанов-сепараторов подвод питательной воды осуществляется
через патрубок, размещенный в средней части корпуса под углом
45◦ к вертикальной оси симметрии барабана-сепаратора.
Связь между двумя барабанами-сепараторами контура циркуляции через трубопроводы ВУТ и ППТ, а также соединение опускных трубопроводов с общей обвязкой на всасывающем коллекторе
главных циркуляционных насосов и паровых трубопроводов насыщенного пара высокого давления объединяют два сосуда в один
объем.
На рис. 4.4—4.6 представлены поперечные сечения барабановсепараторов с ВКУ трех типов, используемых в настоящее время.
56
Рис. 4.2. Барабан-сепаратор внутренним диаметром 2,3 м для реактора РБМК-1000:
1 – подвижная опора; 2 – 19 патрубков под трубу диаметром 325 × 18 мм; 3 – 14 патрубков под трубу
диаметром 28 × 2,5 мм; 4 – неподвижная опора; 5 – 12 патрубков под трубу диаметром 325 × 16 мм;
6 – 432 патрубка под трубу диаметром 76 × 4 мм; 7 – 2 патрубка под водоуравнительный трубопровод
диаметром 325 × 16 мм
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
57
1 – 230 патрубков под трубу диаметром 120 × 10 мм (с другой стороны сепаратора 202 патрубка);
2 – штуцеры уровнемеров под трубу диаметром 57 × 4 мм; 3 – один патрубок под трубу диаметром
30 × 28 мм для подвода питательной воды; 4 – 19 патрубков под трубу диаметром 325 × 19 мм; 5 –
12 патрубков под трубу диаметром 325 × 16 мм; 6 – патрубки ВУТ под трубу диаметром 325 × 16 мм
(всего 4 шт.)
Рис. 4.3. Барабан-сепаратор внутренним диаметром 2,6 м для реактора РБМК-1000:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.4. Поперечное сечение барабана-сепаратора внутренним диаметром 2,3 м для реактора РБМК-1000:
1 – патрубки подвода пароводяной смеси; 2 – короб; 3 – погруженный дырчатый
щит; 4 – паровое пространство; 5 – пароприемный дырчатый щит; 6 – пароотводящий патрубок; 7 – закраина погруженного дырчатого щита; 8 – коллектор
питательной воды; 9 – отводящая труба; 10 – корпус водо-водяного смесителя
Рассмотрим схему организации движения сред в объемах
барабана-сепаратора.
Пароводяная смесь со средним массовым паросодержанием,
составляющим 15 %, из топливных каналов реактора подается в
короба водяного объема барабана-сепаратора по индивидуальным
трубопроводам пароводяных коммуникаций. В коробах происходит частичное гашение кинетической энергии потока и первичное
разделение на пар и воду. Далее пар, пройдя через погруженный
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.5. Поперечное сечение барабана-сепаратора внутренним диаметром 2,6 м для реактора РБМК-1000:
1 – патрубки подвода пароводяной смеси; 2 – короб; 3 – погруженный дырчатый
щит; 4 – паровое пространство; 5 – пароприемный дырчатый щит; 6 – пароотводящий патрубок; 7 – дыхательная труба; 8 – наклонный дырчатый щит; 9 –
коллектор питательной воды; 10 – патрубок отвода воды; 11 – диффузор
дырчатый щит (лист), который предназначен для выравнивания
паровой нагрузки зеркала испарения, и слой воды над ним, сепарируется в паровом пространстве под действием гравитационных
сил до влажности менее 0,1 % и удаляется из корпуса через пароприемный дырчатый щит и патрубки отвода пара. Пароприемный
дырчатый щит уменьшает возмущающее влияние сосредоточен60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.6. Поперечное сечение барабана-сепаратора внутренним диаметром 2,6 м для реактора РБМК-1500:
1 – патрубки подвода пароводяной смеси; 2 – короб; 3 – погруженный дырчатый
щит; 4 – паровое пространство; 5 – пароприемный дырчатый щит; 6 – дроссельная шайба; 7 – пароотводящий патрубок; 8 – дыхательная труба; 9 – наклонный
дырчатый щит; 10 – коллектор питательной воды; 11 – корпус водо-водяного
смесителя; 12 – сливной канал; 13 – диффузор
ных отводов пара в патрубки на скоростное поле в паровом пространстве барабана-сепаратора.
Часть воды из коробов через наклонные дырчатые листы
барабанов-сепараторов с ВКУ второго и третьего типов поступает
в межкоробовое пространство, а из него через смесители насыщенной и питательной воды в опускные трубопроводы. Наклонные
дырчатые листы способствуют уменьшению паросодержания водяного объема барабана-сепаратора, что приводит к увеличению
запаса воды в нем, а следовательно, и в контуре многократной
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
принудительной циркуляции реакторной установки. Питательная
вода к смесителям подается по 12 отводящим трубам коллектора
питательной воды.
Другая часть воды из коробов, выносимая паром на погруженный дырчатый щит, сливается в межкоробовое пространство либо
через два боковых сливных канала (ВКУ первого и второго типов),
либо через один центральный (ВКУ третьего типа). В середине погруженного дырчатого щита ВКУ второго и третьего типов установлены дыхательные трубы для отвода пара из межкоробового
пространства в паровое.
Уровень воды в барабане-сепараторе над погруженным дырчатым щитом является важнейшим эксплуатационным параметром,
нулевое значение его соответствует массовому уровню над погруженным дырчатым щитом, равному 150 мм, и может изменяться в
процессе эксплуатации в пределах 100. . . 200 мм. Он контролируется при заполнении контура теплоносителем и при эксплуатации
уровнемерами, которые подключаются к штуцерам, расположенным в середине и на концах цилиндрической части, а также на
днище корпуса барабана-сепаратора.
Основные характеристики барабанов-сепараторов и ВКУ представлены в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Основные характеристики барабанов-сепараторов реакторов РБМК
Параметр
Внутренний диаметр корпуса, м
РБМК-1000
РБМК-1500
2,3
2,6
2,6
Паровая нагрузка, т/ч
1438
1450
2200
Расход пароводяной смеси, т/ч
9375
9400
7900
Среднее массовое паросодержание
на входе в барабан-сепаратор, %
15,3
15,4
26-30
Рабочее давление, МПа
6,85
6,85
6,85
Влажность пара на выходе из
барабана-сепаратора не более,
масс. %
0,1
0,1
0,1
1438
1450
2200
Расход питательной воды, т/ч
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 4.1
РБМК-1000
Параметр
Температура питательной воды, ◦ С
65
165
Номинальный массовый уровень
над нагруженным дырчатым щи- +100 ± 50 +150 ± 50
том, мм
РБМК-1500
190
+200 ± 50
Допустимый захват пара в опускную систему в долях расхода отсепарированной воды, масс. %
0,4
0,4
0,4
Оперативный запас воды при номинальной уровне, м3
33
72
77
Приведенная средняя скорость пара на зеркале испарения, м/с
0,204
0,19
0,248
Длина сепаратора, м
30,740
30,984
33,880
Расстояние между погруженным и
потолочным дырчатыми листами,
мм
720
890
950
Высота закраины погруженного
дырчатого щита, мм
130
170
400
Высота сливной щели гидрозатвора, мм
50 ± 5
50 ± 5
50 ± 5
Шаг расположения подвода пароводяной смеси в продольном направлении, мм
250
250
300
Число патрубков подвода пароводяной смеси
432
432
424
Число патрубков отвода пара
14
14
16
Внутренний диаметр патрубков отвода пара, мм
289
287
289
Число патрубков отвода воды
12
12
12
Внутренний диаметр
трубопроводов, мм
293
293
293
216
274
278
335
300
380
Масса сепаратора, т:
в сухом состоянии
в рабочем состоянии
опускных
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.7. Схема установки уравнительных сосудов
Для обеспечения надежной и устойчивой работы энергоблока
во всех режимах эксплуатации в барабане-сепараторе предусмотрена система измерения уровня воды (рис. 4.7), которая служит:
• для измерения массового уровня воды над погруженным дырчатым щитом (измерения проводятся в трех сечениях по длине
барабана-сепаратора с использованием уравнительных сосудов с
базой 630 мм);
• для измерения общего уровня воды (измерения проводятся в
торце барабана-сепаратора с использованием уравнительных сосудов с базой 1,6 м);
• для контроля заполнения объема барабана-сепаратора водой
(контроль осуществляется посредством использования уровнемера
с базой 2,5 м).
В комплект каждого уровнемера входит уравнительный сосуд,
дифманометр и вторичные приборы.
Барабаны-сепараторы устанавливаются на четырех подвижных
и одной (расположенной в центре) неподвижной опорах.
Для повышения надежности и безопасности АЭС с реакторами РБМК проведена модернизация внутрикорпусных устройств
барабана-сепаратора, которая позволяет увеличить запас воды и
обеспечить длительное аварийное расхолаживание парогенериру64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ющих каналов реактора через трубы пароводяных коммуникаций
в случае разрыва трубопровода в напорной части контура циркуляции. Эти задачи решаются путем применения системы с коллекторной раздачей пароводяной смеси внутри водяного объема
барабана-сепаратора (рис. 4.8).
В состав системы входят поперечно размещенные перфорированные коллекторы с подводящими трубами, каждая из которых
соединена с соответствующим патрубком пароводяной коммуникации. Перфорированные коллекторы расположены над погружен-
Рис. 4.8. Барабан-сепаратор с новыми внутрикорпусными устройствами
и системой длительного расхолаживания:
1 – патрубок подвода пароводяной смеси; 2 – подводящая труба; 3 – перфорированный коллектор; 4 – погруженный дырчатый щит; 5 – пароприемный дырчатый
щит; 6 – пароотводящий патрубок; 7 – паровое пространство; 8 – закраина погруженного дырчатого щита; 9 – отбойный щиток гидрозатвора; 10 – сопловая
вставка; 11 – коллектор питательной воды; 12 – опора коллектора питательнй воды; 13 – коллектор системы длительного расхолаживания барабана-сепаратора;
14 – отводящий трубопровод; 15 – подводящий трубопровод
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ным дырчатым щитом. В основании подводящей трубы установлена
сопловая вставка (рис. 4.9) и выполнено специальное дренажное отверстие, через которое при аварии
с разрывом трубопровода в напорной части контура циркуляции в
технологические каналы будет подаваться вода. Таким образом, реализована система длительного расхолаживания барабана-сепаратора.
Пароводяная смесь по подводяРис. 4.9. Сопловая вставка
щим
трубам поступает в перфорироподводящей трубы:
1 – сопловая вставка; 2 – дренаж- ванные коллекторы и по выходе из
ные отверстия; 3 – штуцер систе- них под погруженный дырчатый щит,
мы длительного расхолаживания где происходит предварительное разбарабана-сепаратора
деление пара и воды. Пар вместе с
частицами влаги через отверстия в погруженном щите поступает в
паровой объем, где путем гравитационной сепарации осуществляется окончательная осушка пара.
4.2. Сепарация пара в реакторных установках с реакторами
ВВЭР
На современных АЭС с водо-водяными некипящими реакторами широко используются парогенераторы, в которых в одном
корпусе совмещены производство и сепарация пара. Поскольку
давление теплоносителя больше давления рабочего тела, то теплоноситель движется внутри труб, а рабочее тело нагревается и
испаряется в межтрубном пространстве. В отечественной практике реакторостроения разработаны и показали высокую надежность
и хорошие эксплутационные качества горизонтальные парогенераторы.
Горизонтальные парогенераторы отличаются по своей конструктивной концепции от вертикальных, принятых на АЭС большинства западных стран, горизонтальным цилиндрическим корпусом, горизонтальными поверхностями теплообмена из U-образных
труб, заделанными в вертикальные коллекторы подачи и отвода те66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
плоносителя, а также использованием гравитационной сепарации
в паровом обмене корпуса парогенератора.
В настоящее время на действующих АЭС с реакторами
ВВЭР эксплуатируется свыше 250 парогенераторов горизонтального типа.
Основные характеристики горизонтальных парогенераторов
для блоков с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 приведены в
табл. 4.2 [7]. Там же указаны параметры паропроизводительности
и значения приведенной скорости w000 пара на зеркале испарения, а
также отмечено наличие или отсутствие погруженного дырчатого
листа (щита) и жалюзийного осушителя.
Конструкция основных типов парогенераторов приведена на
рис. 4.10 и 4.11.
В каждой циркуляционной петле АЭС с ВВЭР установлено по
одному парогенератору. Корпус парогенератора состоит из цилиндрической обечайки и эллиптических днищ. Снизу (в центральной
области корпуса) приварены подводящие и отводящие теплоноситель вертикальные цилиндрические коллекторы, в которых заделаны трубы поверхности теплообмена. Трубы в пучке имеют
коридорное (ВВЭР-440) или шахматное (ВВЭР-1000) расположение. Вертикальными и горизонтальными коридорами (проходами)
пучок труб разбит на пакеты. Вертикальные коридоры улучшают
циркуляцию пароводяной смеси в межтрубном пространстве.
Питательная вода вводится в парогенератор трубой, приваренной к патрубку входа питательной воды. На верхней образующей
корпуса расположены пароотводящие трубы, соединенные с коллектором сухого пара.
Нагрев и частичное испарение воды происходит в межтрубном
пространстве поверхности теплообмена, расположенной в водяном
объеме парогенератора. Процесс кипения происходит в условиях
естественной конвекции.
Сепарация и осушка пара обеспечивается соответствующими
процессами в паровом объеме парогенератора.
Первая ступень сепарации — гравитационная (осадительная)
сепарация — осуществляется в паровом объеме между зеркалом
испарения и сечением входа в жалюзийные сепараторы, что стало
возможным вследствие низких значений нагрузки зеркала испарения (табл. 4.2) w000 = 0,21 . . . 0,31 м/с.
67
68
258,9
Температура пара, ◦ C
0,21
90
3,2
Средняя приведенная скорость пара на
зеркале испарения, м/с
Удельная тепловая нагрузка поверхности нагрева, кВт/м2
Диаметр корпуса (внутренний), м
Температура питательной воды, С
164–223
7100
Расход теплоносителя, м /ч
◦
12,26
3
Давление теплоносителя, МПа
297/270
4,61
Давление генерируемого пара, МПа
Температура теплоносителя на входе/выходе, ◦ С
254
(913)
125
(450)
Паропроизводительность, кг/с (т/ч)
3,8
106
0,24
164–230
14000
15,7
322/295
286,5
7,06
450
ПГВ-640
229
ПГВ-440
Тепловая мощность, МВт
Характеристика
4,0
123
0,31
164–220
21200
15,7
320/289
278,5
6,27
408
(1470)
750
ПГВ-1000М
Основные технические характеристики парогенераторов
4,0
146
0,31
164–220
21200
15,7
320/289
278,5
6,27
408
(1470)
750
ПГВ-1000У
Таблица 4.2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8320
5536
9,26
Нет
Есть
Количество труб
Средняя длина труб, м
Наличие ПДЛ
Наличие жалюзийного сепаратора
Нет
Локальный
10,10
4223
Коридорное
2577
Коридорное
23
25
08Х18Н10Т
16 × 1,5
08X18Н10Т-ВД
10ГН2МФА
Площадь поверхности теплообмена,
м2
Положение труб в пучке, мм
29,5
горизонтальный
08Х18Н10Т
16 × 1,4
08X18Н10Т
24
части
22К
вертикальный
Шаг, мм:
Материал труб
Диаметр и толщина труб, мм
Материал перфорированной
коллектора
Материал корпуса
Есть
Есть
11,10
11000
6115
Шахматное
23
19
08Х18Н10Т
16 × 1,5
10ГН2МФА
10ГН2МФА
Нет
Есть
11,14
9157
5127
Шахматное
25
22,1
08Х18Н10Т
16 × 1,5
08X18Н10Т-ВД
10ГН2МФА
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.10. Схема парогенератора блока АЭС с реактором ВВЭР-440:
1 – корпус парогенератора; 2 – пучок труб теплопередающей поверхности;
3 – штуцера уровнемера; 4 – жалюзийный сепаратор; 5 – коллектор сухого пара;
6 – воздушник; 7 – лаз; 8 – штуцер непрерывной продувки; 9 – раздающий коллектор питательной воды; 10 – штуцер периодической продувки; 11 – опорные
стойки системы дистанционирования труб в пучке; 12 – верхняя часть опоры
парогенератора; 13 – входной (раздающий) коллектор теплоносителя; 14 – трубка воздушника коллектора; 15 – трубка отвода утечек; 16 – крышка коллектора;
17 – крышка люка; 18 – патрубок входа питательной воды; 19 – выходной (собирающий) коллектор теплоносителя
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.11. Схема парогенератора блока АЭС с реактором ВВЭР-1000:
1 – корпус; 2 – пучок труб; 3 – штуцера уровнемера; 4 – люк-лаз; 5 – секция
жалюзийного сепаратора; 6 – пароотводящие трубы; 7 – коллектор сухого пара;
8 – штуцер контроля утечек второго контура; 9 – штуцера воздушника второго
контура; 10 – штуцер контроля утечек первого контура; 11 – штуцер воздушника первого контура; 12 – коллектор раздачи питательной воды; 13 – штуцер
периодической продувки; 14 – штуцер непрерывной продувки; 15 – штуцер дренажа; 16 – входной коллектор теплоносителя; 17 – трубы раздачи питательной
воды; 18 – пароприемный щит; 19 – трубы для отвода отсепарированной влаги;
20 – дырчатый погруженный щит; 21 – выходной коллектор теплоносителя
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для выравнивания нагрузки на зеркало испарения и равномерного распределения пара по паровому объему в парогенераторе реакторной установки с ВВЭР-1000 применяется погруженный дырчатый щит. Он расположен на расстоянии 260 мм от верхнего ряда
труб поверхности теплообмена, а пароприемный потолок размещен непосредственно за осушителем. В парогенераторе реакторной установки с ВВЭР-440 погруженного дырчатого щита нет.
Осушка пара до необходимого качества по содержанию влаги
происходит в жалюзийных сепараторах. Жалюзийный сепаратор
парогенератора реакторной установки с ВВЭР-440 состоит из двух
рядов жалюзийных секций, расположенных вдоль корпуса парогенератора с наклоном 16◦ к горизонту. В парогенераторах реакторных установок с ВВЭР-1000 секции образуют восемь рядов,
установленных с наклоном 60◦ к горизонту. В результате процесса
осушения в жалюзийных сепараторах пар на выходе из парогенератора имеет влажность, не превышающую 0,2 %.
Для обеспечения заданного качества парогенераторной воды предусмотрены непрерывная и периодическая продувки. Они
осуществляются путем вывода части парогенераторной воды
(0,3. . . 0,5 %) из нижней части корпуса через штуцера, приваренные к корпусу в центральной и периферийных частях.
Дальнейшее совершенствование сепарационной схемы горизонтальных парогенераторов возможно с применением погруженного дырчатого щита, снабженного безбарботажными инерционными насадками. Устройство погруженного дырчатого щита с насадками показано на рис. 4.12. Каждый насадок представляет собой
цилиндр, который определенным образом перфорирован как под
погруженным дырчатым щитом, так и над ним. Внутри насадков
установлены завихрители. Благодаря такому устройству внутри насадка происходит отделение влаги, которая поступает в водяной
объем через отверстия в верхней части насадка. Пар поступает
непосредственно в паровой объем, без барботажа через слой воды над погруженным дырчатым щитом. Благодаря этому удается
существенно снизить уровень набухания над погруженным дырчатым щитом и увеличить запас по располагаемой высоте парового
объема.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.12. Конструкция погруженного дырчатого щита с безбарботажными насадками:
1 – погруженный дырчатый щит; 2 – корпус; 3 – перфорация; 4 – завихритель
Это позволяет улучшить сепарационные характеристики парогенератора и дает возможность увеличить нагрузку зеркала испарения или повысить номинальный уровень воды.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ядерные энергетические установки / Б.Г. Ганчев, Л.Л. Калишевский, Р.С. Демешев и др. М.: Энергоатомиздат, 1983.
2. Сепараторы пара РБМК / О.Ю. Новосельский, В.К. Сафонов,
А.В. Шишов и др. М.: ГУП НИКИЭТ, 2005.
3. Сепарационные устройства АЭС / А.Г. Агеев, В.Б. Карасев,
И.Т. Серов и др. М.: Энергоатомиздат, 1982.
4. Машиностроение: Энцикл. В 40 т. Т. IV–25. М.: Машиностроение, 2005.
5. АС нового поколения с корпусными кипящими реакторами повышенной безопасности / Ю.И. Митяев, Ю.И. Токарев, И.Н. Соколов
и др. // Атомная энергия. 1992. Т. 73, № 1. С. 13.
6. Поздеев А.В. Судовые атомные энергетические установки. Л.:
Судостроение, 1964.
7. Котов Ю.В., Кротов В.В., Филлипов Г.А. Оборудование атомных электростанций. М.: Машиностроение, 1982.
8. Рассохин Н.Г. Парогенераторы, сепараторы и пароприемные
устройства АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1985.
9. Трунов Н.Б., Логвинов С.А., Драгунов Ю.Г. Гидродинамические
и химические процессы в парогенераторах АЭС с ВВЭР. М.: Энергоатомиздат, 2001.
10. Рассохин Н.Г. Парогенераторные установки атомных электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1987.
11. Кружилин Г.Н. Теория уноса и сепарации влаги в паровых
котлах // Советское котлостроение. 1945. № 1. C. 11; № 4. С. 21.
12. Стерман Л.С. К теории паросепарации // ЖТФ. 1958.
Т. XXVIII, вып. 7. С. 1562.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. ОСНОВЫ СЕПАРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА АЭС . . . . . . . .
1.1. Принципиальные схемы производства и обеспечения
качества пара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Процессы обеспечения качества пара на АЭС . . . . . . . . . . . . .
2. СЕПАРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА АЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Сепарационные устройства кипящих канальных реакторов
2.2. Сепарационные устройства корпусных водо-водяных
реакторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Кипящие корпусные реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2. Корпусные реакторы с водой под давлением . . . . . . . . .
2.3. Требования, предъявляемые к сепарационным устройствам
3. РАСЧЕТ СЕПАРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1. Гравитационная сепарация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Механическая сепарация с использованием жалюзийных
устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Центробежные сепараторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Промывка пара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. СЕПАРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА АЭС С РЕАКТОРАМИ
РБМК И ВВЭР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1. Сепарация пара в реакторных установках с реакторами
РМБК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Сепарация пара в реакторных установках с реакторами
ВВЭР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
4
9
10
11
13
13
19
31
33
33
40
45
51
54
54
66
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Крапивцев Вениамин Григорьевич
СЕПАРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА
ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Редактор О.М. Королева
Корректор Р.В. Царева
Компьютерная верстка В.И. Товстоног
Подписано в печать 20.05.2009. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 4,42. Тираж 100 экз. Изд. № 119.
Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа