АЕС та ТЕС Тема 2 Термодинамічні основи

АЕС та ТЕС • Тема 2. Термодинамічні основи роботи АЕС та ТЕС. • Лекція № 8 Вибір схеми регенеративного підігріву живильної води на АЕС. Економічно обґрунтована температура живильної води на ЕС. Недогрів живильної води в поверхневих підігрівачах. • Література: [1] с. 19 25; [2] с. 26 30; [4] с. 22 26; [5] с. 14 16. • Завдання на СРС. Регенеративні підігрівачі АЕС, типи, конструкція.

Выбор схемы регенеративного подогрева питательной воды на АЭС. Выбор схемы регенерации базируется на определении оптимума между максимальной степенью регенерации теплоты (максимум КПД цикла) и технико экономической целесообразностью. При оптимизации регенеративной системы учитывается изменение приведенных расчетных затрат для рассматриваемого варианта ΔЗ по отношению к расчетным затратам для известного (исходного) варианта ΔЗ о с изменением параметров в разных вариантах схемы регенерации: ΔЗ/ ΔЗ о = f(Δt п. в. , n, Δη ППУ, Δη к. у. , Δη т, Δη о. в), (1) где Δt п. в — величина подогрева питательной воды; n — число регенеративных подогревателей; Δη ППУ , Δη к. у. , Δη т, Δη в. о. — изменение значений КПД паропреобразовательной установки, конденсационной установки; термический; относительный внутренний. Влияние отборов пара на изменение КПД неоднозначно. Например, влияние на Δη о. в проявляется через изменение влажности пара в точке отбора. Количественные соотношения зависят от характеристик тепловой схемы и должны определяться в каждом случае расчетом.

Выбор схемы регенеративного подогрева питательной воды на АЭС. Для АЭС при одинаковом числе подогревателей экономически оправдываемая величина Δt п. в меньше (Δt п. в) опт определяемой по максимуму Δη т. Количество воспринятой в ступени регенеративного подогрева теплоты должно быть равно перепаду теплосодержания между отбором более высокого давления и данным отбором. В зависимости от конкретных условий возможны различные варианты включения регенеративных подогревателей в тепловую схему: при подаче перегретого пара может устанавливаться выносной или встроенный пароохладитель; для использования теплоты конденсата, направляемого в следующую ступень, может применяться выносной или встроенный охладитель дренажа. Температурные напоры в поверхностных подогревателях определяются на основе технико экономических расчетов с учетом стоимости топлива и изменения других характеристик блока (стоимости дополнительной мощности насосов, дополнительной площади поверхности нагрева подогревателей и др. ).

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ • Энергоблок двухконтурной 1000 ΜВт АЭС состоит из реактора ВВЭР 1000 и конденсационной турбины К 1000 60/1500 ХТЗ. Тепловая мощность реактора Qp~3200 ΜΒт при температуре теплоносителя на входе и выходе из реактора 289 и 322 °С, при давлении воды в корпусе реактора 16 МПа и расходе в 76· 103 м 3/ч. Топливом служит обогащенный до 3, 3 4, 4% уран. 4

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ • Свежий пар с параметрами 6 МПа, 275 °С через СК и РК (дроссельное ПР) поступает в двухпоточный ЦВД, затем в СПП при разделительном давлении 1, 0 ΜПа и степени сухости 87, 8%. После СПП пар с параметрами 0, 93 МПа и 262 °С подводится ресиверами к трем двухпоточным ЦНД, а часть его забирается на турбопривод питательного и бустерного насосов. Конечное давление в К составляет 4 к. Па. 5

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ • Турбина имеет семь регенеративных отборов пара: три из ЦВД и четыре из ЦНД. Конденсат турбины подогревается в охладителе основных эжекторов и в охладителе уплотнений, в 2 смешивающих (П 7 и П 6) и 2 поверхностных (П 5 и П 4) ПНД. После Д питательная вода БН и ПН прокачивается через три ПВД и подается в 4 ПГ АЭС. ПВД имеют охладители дренажа греющего пара; поверхностные ПНД выполнены только с зоной конденсации пара. 6

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ • Дренажи ПВД каскадно сливаются в Д, а дренажи ПНД 4 и ПНД 5 при помощи дренажного насоса вводятся в линию основного конденсата за ПНД 5; дренажи ОУ и ОЭ направляются через гидрозатворы в основной конденсатор. • Греющий пар для двухступенчатой сетевой подогревательой установки отбирается из четвертого и пятого отборов турбины. Конденсат этого пара каскадно сливается в охладитель дренажей ОДБ, а затем в основной конденсатор. 7

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ • Продувочная вода после парогенераторов АЭС направляется в расширитель продувки Р. Пар из расширителя поступает в деаэратор. Дренаж расширителя проходит через теплообменники ТО 1 и ТО 2, очищается в фильтрах (Ф) и также направляется в деаэратор. ТО 1, ТО 2 – теплообменники контура утилизации продувочной воды парогенераторов АЭС; СН потребители пара на собственные нужды. 8

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ • С сепаратор влаги; ПП 0, ППС пароперегреватели на отборном и свежем паре; НСС дренажный насос сепаратора; НКС дренажный насос пароперегревателя; Р расширитель продувки парогенератора; ПГ АЭС – парогенератор АЭС; Ф – фильтр дренажа расширителя продувки парогенератора. • На собственные нужды энергоблока и АЭС используется пар из третьего отбора турбины. Его конденсат поступает в ПНД 6(П 6). 9

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ • Питательная установка имеет конденсационную приводную турбину ТП, питаемую перегретым паром после СПП. Конденсат приводной турбины конденсатным насосом направляется в основной конденсатор. Приводная турбина вращает главный питательный насос и бустерный насос через понижающий редуктор. 10

Экономически наивыгоднейшая температура питательной воды. Определению и выбору при проектировании энергоблока подлежат следующие параметры и характеристики регенеративного подогрева воды: конечная температура подогрева питательной воды; число отборов пара и ступеней подогрева воды; распределение подогрева между отдельными последовательно включенными подогревателями (ступенями). Конечную температуру питательной воды выбирают на основании технико-экономических расчетов энергоблока. С повышением температуры питательной воды в значительных пределах тепловая экономичность турбоустановки и энергоблока в целом улучшается, расход топлива уменьшается. Вследствие увеличения расхода свежего пара котел и трубопроводы удорожаются, однако топливо и зольное хозяйство, тягодутьевые устройства, техническое водоснабжение удешевляются. По минимуму расчетных затрат (с учетом стоимости топлива) определяют экономическую температуру питательной воды. 11

Экономически наивыгоднейшая температура питательной воды. • Максимум к. п. д. станции • η с = η t η оi η м η эг η пг η тр. • совпадает с максимумом к. п. д. цикла Ренкина η t тогда, когда все остальные к. п. д. не зависят от температуры питательной воды. • Это условие целиком выполняется для η м и η эг , частично справедливо для η оi и η тр • К. п. д. котельной установки η пг обычно зависит от температуры питательной воды. • С увеличением подогрева питательной воды затрудняется использования тепла уходящих газов и снижается к. п. д. котельной установки η пг , что приводит к снижению к. п. д. станции η с несмотря на повышение η t. • С увеличением числа отборов и конечного подогрева питательной воды повышается стоимость подогревателей и трубопроводов, усложняется установка и ее эксплуатация. 12

Экономически наивыгоднейшая температура питательной воды. • Оптимальная величина подогрева в регенеративном подогревателе равна теплоперепаду между вышерасположенным отбором и отбором на данный подогреватель (для последнего по ходу питательной воды ПВД роль вышерасположенного отбора играет вход пара в турбину). • С точки зрения уменьшения капитальных затрат и удобства эксплуатации теплообменных агрегатов можно принять равномерное распределение суммарного подогрева между ступенями, так как при этом достигается унификация оборудования для системы регенерации. При таком распределении подогрева оптимальная температура питательной воды составит: • где z общее число ступеней подогрева, tк и t’ 0 температура воды на выходе из конденсатора и температура насыщенной воды в экономайзере. 13

Экономически наивыгоднейшая температура питательной воды. • Экономическая более выгоднейшая температура пит. воды определяется минимальной величиной годовых эксплуатационных затрат, слагающихся главным образом из годовых отчислений по регенеративной установки, котельному агрегату и годовой стоимости топлива. • С повышением температуры пит. воды до оптимальной расход топлива снижается, но расход пара растет. Поверхность нагрева водяного экономайзера уменьшается, но поверхность нагрева собственно котла и пароперегревателя увеличивается и годовые отчисления по котлу агрегату возрастают, а сумма имеет минимум. • Экономически более выгоднейшая температура пит. воды зависит от начального давления пара, годового использования мощности, стоимости топлива. При серийном выпуске энергетического оборудования конечная температура пит. воды устанавливается стандартами котельного и турбинного оборудования. 14

Экономически наивыгоднейшая температура питательной воды. • На выбор температуры питательной воды парогенератора влияют многие факторы. Например, при ее увеличении возрастают расход свежего пара и радиальные размеры ЦВД турбины, стоимость системы регенерации, расход энергии на привод питательных насосов, но удешевляются конденсаторы и система технического водоснабжения, снижаются радиальные размеры ЦНД и расход энергии на конденсатные насосы. • Поэтому на практике оптимальная температура питательной воды определяется в результате технико экономического анализа и примерно составляет: • 230 о. С для ТЭС с начальным давлением пара 12, 75 МПа; • 265 о. С для ТЭС с начальным давлением пара 23, 5 МПа. • 220 230 о. С для АЭС с начальным давлением пара 6 7 МПа и 4 6 МПа (двухконтурные АЭС с ВВЭР и АЭС с реакторами на быстрых нейтронах). 15

НЕДОГРЕВ ВОДЫ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЯХ • Схема включения встроенных пароохладителей с отводом воды в последующий подогреватель (а) и температурные напоры (б) в подогревателе с ПО t(F): ОД — охладитель дренажа; СП — собственно подогреватель; ПО — пароохладитель; F — поверхность нагрева; tв и tп — температура воды и пара; tн— температура насыщения пара; θ сп и θ — недогрев воды в подогревателе и конечный после пароохладителя; θ по —остаточный перегрев пара после пароохладителя; θ од — температурный напор на входе воды в охладитель дренажа. 16

НЕДОГРЕВ ВОДЫ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЯХ • Тепловую экономичность турбоустановки с регенеративным подогревом воды можно повысить, уменьшая перегрев пара в охладителе. Снижение перегрева увеличивает отборы пара, снижает общий недогрев в подогревателе; КПД турбоустановки возрастает. Повышение КПД относительно невелико— десятые доли процента, но для крупных турбоустановок с промежуточным перегревом при дорогом топливе установка пароохладителей экономически выгодна. • Пароохладитель (ПО) целесообразно устанавливать в первую очередь для пара первого отбора после промежуточного перегрева. ПО пароводяной теплообменник, в котором вода нагревается в результате понижения перегрева без конденсации пара. 17

НЕДОГРЕВ ВОДЫ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЯХ • Схемы включения ПО различны. Наиболее распространена схема с добавлением поверхности ПО к поверхности нагрева подогревателя данной ступени. Такой «встроенный» ПО размещают в одном корпусе с СП. Вода из подогревателя поступает в пароохладитель и из него в следующий подогреватель. Охлажденный водой пар должен иметь остаточный перегрев (не менее 10— 15 СС) во избежание конденсации пара. Охлажденный пар после ПО поступает в СП, подогретая (на несколько градусов) вода после ПО поступает в следующий подогреватель П 1. В этом случае недогрев воды в П 2 уменьшается, расход пара на П 2 возрастает, а на П 1 — несколько уменьшается. Работа пара регенеративных отборов возрастает, и КПД турбоустановки несколько повышается. 18

НЕДОГРЕВ ВОДЫ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЯХ • Наряду с нагревом теплоотдачей от конденсирующегося пара в СП осуществляется дополнительный нагрев питательной воды дренажем ( конденсатом греющего пара ) в ОД. Дренаж из подогревателя поступает в ОД и из него в следующий подогреватель. При уменьшении напора θ од на выходе из ОД снижается температура дренажа, сливаемого в соседний подогреватель более низкого давления. Понижается эффект вытеснения пара более низкого давления вследствие вскипания дренажа в нижнем подогревателе, увеличивается экономичность регенерации и увеличивается электрическая выработка. • Недогрев питательной воды в ПВД θ пвд = 3 6 о. С, в ОД θ од = 3 10 о. С , в ПО θ по = 5 15 о. С , • в ПНД θ пвд = 1, 5 2, 5 о. С. 19

КОНСТРУКЦИЯ ПНД ТЭС • ПНД поверхностного типа цилиндрический вертикальный корпус, в верхней части помещается водяная камера для отвода и подвода нагреваемой воды, отделяемая от основной части корпуса трубной доской; в ней закреплены U образные трубки поверхность нагрева подогревателя (трубную систему). Пар подается из верхней части корпуса двигается вниз и омывает трубную систему. В паровом пространстве между трубками – спец. перегородки, направляющие паровой поток в несколько ходов. Конденсат греющего пара отводится через патрубок в днище корпуса. В нижней части корпуса из конденсата пара образуется водяной объем. Над водяным объемом устроена кольцеая перфорированная трубка, через которую отводится воздух. 20

КОНСТРУКЦИЯ ПНД ТЭС • • Подогреватель ПH 2300 25 7 V 1. Общий вид (а) и схема движения воды и пара (б): 1 — водяная камера; 2 — мембранное уплотнение фланцевого разъема; 3 — патрубок; 4 — корпус; 5 — трубная система; 6 —. гидрозатвор; 7 — лоток (поддон); 8 — трубы каркаса трубной системы; 9 — отжимной болт; 10 — опора; 11, 12 — вход и выход основного конденсата; 13 — подвод пара; 14 — подвод паровоздушной смеси; 15 — отвод конденсата; 16 — подвод конденсата из аппарата с более высоким давлением; 17, 18 — отвод паровоздушной смеси 21

КОНСТРУКЦИЯ ПНД ТЭС • ПНД смешивающих типа П 1 и П 2 для включения по гравитационной схеме блока 300 МВт. Подогреватели выполнены в форме горизонтальных цилиндров, внутри корпусов установлены в два яруса горизонтальные перфорированные лотки. Греющий пар из последнего регенеративного отбора подводится к нижней части П 1 через два патрубка и движется снизу навстречу воде, поднимаясь к двухсекционному встроенному смешивающему охладителю выпара. Нижний лоток П 1 представляет собой одно целое с направляющим коробом, обеспечивающим равномерный подвод пара к струям нижнего яруса. Над сливными трубами из П 1 установлены влагоотбойные щитки, предохраняющие паровые патрубки от прямого попадания капельной влаги в случаях сброса нагрузки. В сливных штуцерах П 1 установлены входные патрубки аварийного перелива. 22

КОНСТРУКЦИЯ ПНД ТЭС • • • Смешивающие подогреватели низкого давления для систем регенерации турбин 300 МВт: а — П 1; б — П 2; 1, 2— водораспределительные лотки верхнего и нижнего ярусов; 3 — паровпускной короб; 4 - перегородка; 5 — конденсатосборник; 6 — уравнительная паровая труба; 7 — входной патрубок аварийного перелива; 8 — уравнительная труба гидрозатворов; 9 — обратный затвор; 10 — отбойный щиток; I — вход пара; I I — вход воды; III — отвод выпара; IV — выход нагретой воды; V—отвод воды к до полнительному обратному затвору. 23

КОНСТРУКЦИЯ ПНД ТЭС • ПНД горизонтальный цилиндр, два яруса горизонтальные перфорированные лотки. Греющий пар к нижней части П 1 через два патрубка I снизу навстречу воде к двухсекционному встроенному смешивающему охладителю выпара. Нижний лоток П 1 представляет собой одно целое с направляющим коробом для равномерного подвода пара к струям нижнего яруса. Над сливными трубами из П 1 установлены влагоотбойные щитки, предохраняющие паровые патрубки от прямого попадания капельной влаги в случаях сброса нагрузки. В сливных штуцерах П 1 установлены входные патрубки аварийного перелива.

КОНСТРУКЦИЯ ПНД ТЭС • Греющий пар к верхней части П 2 трубой и по расширяющемуся конусу под нижний лоток. Двигаясь снизу вверх, конденсируется на струях нижнего и верхнего ярусов; выпар отводится через два штуцера III в П 1. Конденсат из П 1 подводится к верхнему лотку П 2 через два встроенных гидрозатвора, соединенных двумя уравнительными трубами. К трубам сверху крепится горизонтальная перегородка с 12 обратными затворами на трубопроводах для отвода конденсата из струйных отсеков в конденсатосборник. Предусмотрен аварийный перелив из П 2 в конденсатор через патрубок. • Пространство над уровнем воды в конденсатосборнике используется в качестве дополнительного деаэрационного отсека, поэтому здесь организован отсос паровоздушной смеси из него в П 1.

КОНСТРУКЦИЯ ПНД ТЭС • • Конструкция вертикального смешивающего ПНД: 1 — пар из отбора турбины; 2 — конденсат; 3 — пар из уплотнений турбины; 4— выпар из деаэратора; 5 — выпар из ПЗ и сетевых подогревателей; 6 — дренаж из сетевых подогревателей; 7 — дренаж из ПЗ; 8 — аварийный перелив в конденсатор; 9 — слив конденсата; 10— слив нз уплотнений ПЭН и ПТН; 11 — слив дренажей из обратного затвора и импульсного соленоидного клапана; 12 — отвод паровоздушной смеси; 13— водяной коллектор; 14 — водораспределительные трубы; 15 — перфорированный лоток; 16 — горизонтальная перегородка; 17 — обратный затвор; 18 — уравнительные трубы.

КОНСТРУКЦИЯ ПНД ТЭС • Вертикальный смешивающий ПНД с напорным водораспределением. В нижней части корпуса устанавливается горизонтальная перегородка с обратным затвором. Расстояние от нее до патрубка подвода пара полностью исключает опасность заброса капельной влаги в отбор турбины при сбросе нагрузки. Пар из отбора турбины из верхней части корпуса движется вниз и конденсируется на падающих пленках воды. Массовая конденсация греющего пара и теплообмен осуществляются по принципу прямотока. Далее неконденсированный пар и воздух движутся вверх навстречу струям, поступают в воздухоохладитель; теплообмен происходит по принципу противотока. Паровоздушная смесь проходит по периферии водяного коллектора и отводится через трубку. Конденсат собирается на горизонтальном лотке, через отверстия в нем стекает на горизонтальную перегородку, а затем через обратные клапаны поступает в водяное пространство.

КОНСТРУКЦИЯ ПВД ТЭС • ПВД предназначены для подогрева питательной воды, находящейся под полным давлением ПН. Греющей средой пар из отборов турбины в ЦВД и ЦСД. ПВД выполняются как теплообменники поверхностного типа. Конструкция отличается от ПНД и усложнена наличием трех зон поверхности теплообмена в одном корпусе ПВД, различающихся по принципу использования теплоты греющей среды. Зона охлаждения пара (ОП), в которой происходит конвективный теплообмен при охлаждении перегретого пара с температурой стенки выше температуры насыщения; зона конденсации пара (КП), где греющий пар полностью конденсируется; зона охлаждения конденсата (ОК), где происходит конвективный теплообмен при охлаждении конденсата греющего пара.

КОНСТРУКЦИЯ ПВД ТЭС • Перегретый пар из отбора турбины подводится в корпус подогревателя снизу через паровой штуцер и через стояк в центральной части корпуса попадает в зону ОП, где в несколько ходов омывает трубный пучок, отдает теплоту перегрева и уже при температуре, близкой к температуре насыщения, поступает в зону КП. Конденсат пара отводится за пределы трубной системы и вдоль стенок корпуса стекает в нижнюю часть корпуса, в зону ОК. Неконденсирующиеся газы отводятся в подогреватель с более низким давлением пара по специальной трубе, установленной в нижней части зоны КП. ПВД снабжен автоматическим устройством регулирования уровня конденсата в корпусе и автоматическим защитным устройством для защиты турбины от попадания воды через паропровод отбора в случаях повышения уровня конденсата из за разрыва труб, появления свищей в местах сварки элементов трубной системы, резкого уменьшения отвода конденсата и т. д.

КОНСТРУКЦИЯ ПВД ТЭС • ПВД с общей площадью нагрева 2500 м 2 на максимальное давление питательной воды 38, 0 МПа для турбоустановки К 1200 240 ЛМЗ со схемами движения пара (слева) и питательной воды (справа) в КП, в ПО и ОД. • Диаметр и толщина труб змеевиков 32 X 5 мм, змеевики одноплоскостные при числе витков в одной плоскости 10 шт. (развернутая длина труб одной спирали 19 773 мм; суммарная площадь поверхности спирали 1, 99 м 2). • Количество змеевиков (спиральных элементов) в ПВД зависит от его места в системе регенерации высокого давления. Для последнего по ходу питательной воды ПВД это всего 1332 шт. , причем в отдельных зонах они распределяются таким образом: ОК — 78, КП — 1158 и ОП — 96 змеевиков. ПВД рассчитан на максимальный расход воды 1830 т/ч и максимальную температуру пара 355 °С. Расчетное гидравли ческое сопротивление ПВД составляет 0, 25 МПа.