УДК 621

Оценка возможности увеличения эффективности парогенераторов энергетических установок, работающих на ядерном топливе

Аленин Анатолий Романович – студент кафедры Промышленной теплоэнергетики филиала Национального исследовательского университета МЭИ (Смоленск)

Научный руководитель Любова Татьяна Степановна – кандидат физико-математических наук, доцент филиала Национального исследовательского университет МЭИ (Смоленск)

Аннотация: Технологический процесс производства электроэнергии на АЭС основан на использовании паротурбинных установок. Рабочий пар может быть получен в специальном теплообменном аппарате – парогенераторе за счет тепла, поступившего с первичным теплоносителем из реактора. В статье рассмотрены парогенераторы АЭС, их назначение, принцип действия, различные типы. Проанализированы преимущества и недостатки различных типов парогенераторов и произведена оценка более эффективного.

Ключевые слова: атомная электростанция, парогенератор (ПГ), реактор, энергетическая установка, водо-водяной энергетический реактор.

Введение

Энергетика, построенная на углеводородах, себя исчерпала. Наиболее перспективным         направлением,          обеспечивающим энергобезопасность государства, является развитие атомной электроэнергетики. Тому есть несколько причин. Первая – атомная энергетика доказала свою безупречность в области экологии по сравнению с другими доминирующими источниками энергии. Вторая – атомная энергетика, используя новые технологии, может придать новое качество предоставлению услуг обществу: дешевизна, достаточный ресурс и безопасность. Третья, и самая главная, это огромный, по сравнению с органическим топливом энергетический эквивалент цепной реакции деления. Несколько граммов делящегося изотопа урана-235 примерно равны 1 т нефти.

Раздел 1. Обзор парогенерирующей установки

Парогенератор АЭС производит пар для питания турбинной установки и систем собственных нужд атомной электростанции. Это важнейший элемент АЭС, от которого зависит не только выработка энергии, но и безопасность станции. В парогенераторе нагретая вода первого контура передает тепло кипящей воде, образовавшийся насыщенный  пар  отводится  в  паровой  коллектор.  Сепарация  влаги

осуществляется также внутри него. Парогенератор нужен для отделения радиоактивного теплоносителя первого контура от нерадиоактивных пара и воды второго контура. С одной стороны, это делает всю паросиловую часть нерадиоактивной, с другой – снижает КПД, усложняет устройство и эксплуатацию энергоблока АЭС.

К парогенераторам атомных электростанций предъявляются высокие требования по надежности, непрерывности работы и обеспечению заданных параметров пара. Парогенератор не может быть отключен по первому контуру. Как максимум, допустимо снижение тепловой нагрузки путем остановки соответствующего главного циркуляционного насоса. Парогенератор радиоактивен, закрыт теплоизоляцией, помещен в бокс. Боксы расположены внутри герметичного ограждения. Свободный доступ к работающим парогенераторам невозможен. Доступ открывается во время остановки реакторной установки для перегрузки топлива раз в год на 25 дней.

Парогенератор АЭС представляет собой единичный теплообменный аппарат или их совокупность. В парогенераторах осуществляется производство рабочего пара с использованием тепла, отводимого из активной зоны реактора охлаждающей средой, направляемой в поверхности нагрева парогенератора. Этот агрегат наряду с ядерным реактором и паровой турбиной относится к основному оборудованию паротурбинной АЭС.

Раздел 2. Классификация и различные типы парогенераторов

В настоящее время еще нет достаточных данных для однозначного выбора конкретных конструкций как парогенераторов в целом, так и отдельных его элементов. Это относится и к парогенераторам, обогреваемым водой под давлением, несмотря на длительный опыт их изготовления и эксплуатации. Если для относительно умеренных единичных мощностей созданы надежные экономичные парогенераторы, которые можно считать уже стандартными для АЭС с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000, работающими на насыщенном паре, то для более высоких мощностей такой ясности еще нет. Что же касается АЭС с другими теплоносителями, то для них имеет место практически индивидуальное проектирование каждого агрегата, в том числе и парогенераторы.

При проектировании парогенератора в качестве исходных принимаются следующие данные: параметры и вид теплоносителя, параметры пара и питательной воды, принцип движения теплоносителя во всех элементах парогенераторов и рабочего тела в пароперегревателе и экономайзере, взаимное направление движения теплоносителей. Все остальные факторы, необходимые для создания парогенератора, должны выбираться на основе технико-экономического анализа.

Парогенераторы применяются в двух- и трехконтурных схемах АЭС как промежуточные теплообменники. Классифицировать их можно по следующим признакам:

По типу станции: для АЭС с ВВЭР; для АЭС с реакторами БН; для АЭС с газовым теплонасителем;

Парогенераторы для АЭС с ВВЭР подразделяются на: вертикальные; горизонтальные;

Вертикальные парогенераторы: с U-образной поверхностью нагрева; с ширмовой поверхностью нагрева; со спиральной поверхностью нагрева;

Парогенераторы для АЭС с БН: с естественной циркуляцией; прямоточные секционные однокорпусные;

Окончательный вывод по разбору и сравнению разных типов парогенераторов можно свести в итоговую таблицу 2. преимуществ и недостатков парогенераторов.

Таблица 2. Преимущества и недостатки парогенераторов разного типа.

Горизонтальный ПГ (ВВЭР-1000)	Вертикальный ПГ («+» означает, что ПГ обладает преимуществом по данной хар-ке, «-» не обладает)
	U- образный	Ширмо- вый	Спира- льный
Преимущества
1. Освоенность производства, положительный опыт эксплуатации	+	-	-
2. Компоновка труб вдоль корпуса ПГ (высокая тепловая мощность на ед.объема)	+	-	-
3. Одноступенчатая схема сепарации, не требующая применения слож.сепараторов	-	-	-
4. Отсутствуют толстостенные трубные доски и разделительная перегородка	-	+	+
5. Отсутствие скопления шлама в местах заделки теплообменных труб	-	+	+
6. Теплообменная поверхность может быть изготовлена из аустенитных нержавеющих сталей, а не дорогих спл. на никел. основе	-	+	+
7. Умеренные скорости теплоносителя в теплообменных трубах, умеренные затраты на перекачку теплоносителя	-	+	+
8. Удобство обслуживания. Возможность замены внутрикорпусных устройств	-	-	-
Недостатки
1. Ограниченность тепловой мощности по диаметру корпуса, транспортировке	-	-	-
2. Затрудненность компоновки с вертикальным реактором в здании	+	+	+
3. Меньший запас воды при номинальной работе при меньшей кратности циркуляции	+	+	+
4. Отсутствие ступенчатого испарения, по сравнению с вертикал. конструкциями	+	+	+

Заключение

Проведя обзор парогенераторов АЭС и ознакомившись с реакторами в совокупности с которыми, они работают. Представлены технические характеристики, основные принципы работы парогенераторов. Выявлены особенности, достоинства и недостатки.

К ПГ АЭС предъявляется много требований по экономичности работы, надежности и безопасности эксплуатации, малые начальные затраты на строительство и эксплуатационное обслуживание, а также важным критерием являются габариты играющие важную роль в пригодности к транспортировке парогенератора. При этом главным показателем остается экономичность.

Исходя из различных критериев, представленных в этой статье были выявлены 2 основных типа ПГ: горизонтальные и вертикальные. Вертикальные в свою очередь подразделяются так же на U-образные, ширмовые и спиральные. Проведя сравнения, результаты которых были сведены в таблицу 2, вариант с вертикальным ширмовым ПГ показывает себя наиболее предпочтительным. Он обладает такими преимуществами перед горизонтальным ПГ как:

• Отсутствуют толстостенные трубные доски и разделительная перегородка (применяются вертикальные коллектора);
• Отсутствие скопления шлама в местах заделки теплообменных труб;
• Теплообменная поверхность может быть изготовлена из аустенитных нержавеющих сталей, а не дорогих сплавов на никелевой основе;
• Умеренные скорости        теплоносителя          в            теплообменных трубах, умеренные затраты на перекачку теплоносителя;
• Меньшая металлоёмкость, как следствие удешевление производства;
• Учитывая достоинства и недостатки различных типов реакторов и парогенераторов, реактор типа ВВЭР обладает рядом достоинств, таких как:
• Природная доступность замедлителя и теплоносителя (воды);
• Большая безопасность  из-за  двухконтурности  по  сравнению с РБМК и BWR. Отрицательный паровой коэффициент реактивности;
• Отработанность технологии ВВЭР. Современный уровень техники позволяет гарантировать безопасную работу реактора в течение минимум 60- 80 лет, с последующим продлением срока эксплуатации;
• Малый размер по отношению к другим типам реакторов;
• Меньшее количество персонала по сравнению с РБМК.

ВВЭР является одним из самых перспективных типов реактора. В настоящее время доля строящихся АЭС в мире с реакторами водо-водяного типа составляет более 95%. Все эти достоинства ВВЭР в совокупности с вертикальными ширмовыми ПГ пожет позволить увеличить эффективность всей энергетической установки за счет уменьшение общих затрат и увеличения единичной мощности.

Список литературы

1. Ташлыков О.Л., Бельтюков А.И. «ПАРОГЕНЕРАТОРЫ АЭС». Екатеринбург Издательство Уральского университета 2019. – 304 с.
2. Сорокин В.В. Парогенераторы АЭС. Минск: Вышэйшая школа, 2020. – 239 с.
3. Рассохин Н.Г.     Парогенераторные   установки      атомных электростанций. 3-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 384 с.
4. ВВЭР-1000: физические основы эксплуатации, ядерное топливо, безопасность / А.М. Афров, С.А. Андрушечко, В.Ф. Украинцев и др. – М.: Университетская книга, Логос, 2006.
5. Тепловые и атомные электрические станции (справочник), т. 3 / Под ред. А.В. Клименко. М.: Энергоатомиздат, 2003.
6. АЭС с реактором типа ВВЭР-1000. От физических основ эксплуатации до эволюции проекта. А.А. Андрюшенко А.М. Афров, Б.Ю. Васильев. “Логос”. 2010.