01cf99cb-5153-11e5-884b

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА
КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ
«КОНСТРУКЦИОННЫЕ СХЕМЫ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС,
ОБОГРЕВАЕМЫХ ЖИДКИМИ МЕТАЛЛАМИ»
Семипалатинск 2005
Степанова О.А. Методические указания для проведения лабораторнопрактического занятия «Конструкционные схемы парогенераторов АЭС, обогреваемых жидкими металлами – Семипалатинск, СГУ имени Шакарима, 2005. – 8 с.
РАССМОТРЕНЫ на заседании кафедры «Техническая физика»
протокол №_____от «_____»________________________2005 г.
Зав. кафедрой
Ж.Р. Жотабаев
РЕКОМЕНДОВАНЫ к использованию методическим бюро Технологического института
протокол №_____от «______»_______________________2005 г.
Председатель
Г.Т. Кажибаева
2
Конструкционные схемы парогенераторов АЭС,
обогреваемых жидкими металлами
1 Цель работы: изучит конструкционные схемы парогенераторов АЭС,
обогреваемых жидкими металлами.
2 Теоретическая часть
2.1 Введение
Парогенератор (ПГ) – теплообменный аппарат для производства пара за счет
теплоты первичного теплоносителя. Первичный теплоноситель в ПГ имеет практически всегда одноходовое преимущественно принудительное движение.
В общем случае в ПГ можно выделить экономайзерную часть, где теплоноситель нагревается до температуры насыщения, испаритель, где генерируется пар, и
пароперегреватель, где пар нагревается до температуры выше температуры насыщения. Конструктивно экономайзер, испаритель и пароперегреватель могут быть
объединены в общем корпусе или разделены на самостоятельные элементы.
По способу организации движения вторичного теплоносителя в испарителе ПГ
делятся на ПГ с организованной и неорганизованной циркуляцией и прямоточные
ПГ. При наличии циркуляции расход теплоносителя в несколько раз превышает паропроизводительность. В прямоточных парогенераторах весь поступающий в испаритель теплоноситель преобразуется в пар. Организованная циркуляция теплоносителя может быть естественной вследствие изменения плотности теплоносителя и
принудительной, осуществляемой специальными циркулятами (циркуляционными
насосами).
ПГ работают в условиях высоких тепловых и механических нагрузок, подвергаются действию коррозии, а в ярде случаев и ионизирующих излучений. Теплоноситель первого контура всегда радиоактивен.
Основные требования, предъявляемые к ПГ АЭС:
простота конструкции и надежность (прежде всего – герметичность соединений);
обеспечение необходимой производительности и параметров при всех заданных режимах работы;
минимальные габариты и масса;
минимальные гидравлические сопротивления;
технологичность изготовления;
возможность осмотра и контроля наиболее ответственных элементов;
простота дезактивации;
ремотоспособность;
минимальная стоимость.
3
2.2 Параметры парогенератора
Жидкометаллические теплоносители относятся к группе высокотемпературных. АЭС с жидкометаллическими теплоносителями оборудованы реакторами с
температурой теплоносителя на выходе до 600 оС. Это дает возможность осуществить стандартные паротурбинные циклы с к.п.д. современных ТЭС (III блок Белоярской АЭС, АЭС «Феникс» во Франции). Давление в контуре теплоносителя невысокое, рассчитанное практически только на преодоление гидравлических сопротивлений. Перепад температуры в теплоносителе t1  t1 может быть до 200 оС и более,
что позволяет переносить большие количества тепла при относительно малых расходах.
2.3 Конструкционные схемы
В настоящее время в качестве жидкометаллического теплоносителя применяется натрий ( Na ). Из-за сильной активности в реакторе и химической активности
по отношению к воде и воздуху схема АЭС с реакторами, охлаждаемыми жидким
натрием, должна состоять из трех контуров (рисунок 1).
1 – реактор; 2 – компенсаторы объема; 3 – биологическая защита реактора;
4 – биологическая защита промежуточного контура; 5 – ПГ;
6 – насос промежуточного контура; 7 – промежуточный теплообменник;
8 – насос первого контура
Рисунок 1 – Схема производства пара на трехконтурной АЭС с жидким натрием
4
В трехконтурной схеме для передачи тепла от реактора рабочему телу имеется
два теплообменных аппарата. Один из них отделяет контур теплоносителя с высокой радиоактивностью от контура без радиоактивности. Этот теплообменник называется промежуточным, на него возложена и задача локализации последствий возможной аварии при случайном контакте Na с водой в ПГ. В нем происходит передача тепла от нагреваемого в реакторе теплоносителя другому, циркулирующему в
системе промежуточного теплообменника ПГ. Эта система называется промежуточным контуром. Теплоносителями промежуточного контура могут быть Na или
сплав Na  K . Более целесообразно применение Na не только из-за его лучших
теплофизических свойств, но и вследствие нецелесообразности увеличения числа
веществ, используемых на АЭС.
Поверхность нагрева промежуточного теплообменника омывается однофазными средами. Поэтому подход к выбору его конструкционной схемы такой же, как и
для экономайзера ПГ, обогреваемого водой. В проектах первых установок конструкция промежуточного теплообменника усложнялась и выполнялась с двумя самостоятельными поверхностями теплообмена (рисунок 1, позиция 7): одна – для
первичного теплоносителя, вторая – для промежуточного. Пространство между поверхностями заполнялось теплопроводной жидкостью Na , Na  K или твердыми
прослойками, например, трубки в матрицах из металла, как на установки «Даунри»,
Великобритания. При наличии трех контуров и хорошо отработанной предохранительной системы выполнение теплообменника с двумя поверхностями теплообмена
нецелесообразно. Для того, чтобы при нарушении плотности теплообменника радиоактивный Na не попадал во второй контур, давление в нем поддерживается несколько больше, чем в первом контуре.
ПГ рассчитанный на сверхвысокие параметры, включает в себя помимо экономайзера, испарителя и пароперегревателя так же промежуточный пароперегреватель (рисунок 2 а ). Назначение промежуточного пароперегревателя – перегрев частично отработавшего в турбине пара. Все элементы ПГ могут быть объеденены в
одном корпусе, а возможны и многокорпусные варианты, вплоть до расположения
каждого элемента в своем корпусе. Поверхности нагрева всех элементов ПГ характеризуются сравнительно небольшими площадями при значительных мощностях. В
связи с высокими температурами теплоносителя и рабочей среды, большими коэффициентами теплоотдачи, существенным перепадом температуры при охлаждении
теплоносителя усложняется задача компенсации температурных напряжений в узлах ПГ. В частности, применение общей трубной доски для раздающей и собирающей камер может оказаться ненадежным. С этой точки зрения имеет преимущества
поверхность нагрева, набранная из обратных элементов (рисунок 2 б ).
Для ПГ, обогреваемых жидкими металлом, имеет место p1  p2 . Это делает
наиболее целесообразным движение теплоносителя в межтрубном пространстве, а
рабочего тела – по трубам. Очевидно при этом необходимо применение самокомпенсирующихся поверхностей теплообмена (рисунок 2 а ) в виде простых змеевиков. Выбор принципа циркуляции рабочего тела в испарителе следует проводить с
тех же позиций, что и для ПГ с органическими теплоносителями.
5
б
а
а ) схема прямоточного ПГ с промежуточным пароперегревателем:
1 – экономайзер; 2 – испаритель; 3 – погруженный дырчатый лист;
4 – пароперегреватель высокого давления;
5, 6 – патрубки подвода и отвода теплоносителя;
б ) схема испарителя с поверхностью теплообмена из обратных элементов
(с естественной циркуляцией):
1 – вторая ступень механической сепарации;
2 – первая ступень механической сепарации; 3 – погруженный дырчатый щит;
4 – трубная доска внутренних трубок;
5 – внутренняя трубка элемента; 6 – трубная доска внешних трубок;
7 – внешняя трубка элемента (подъемная система); 8 – корпус
Рисунок 2 - Схема прямоточного ПГ с промежуточным пароперегревателем
и схема испарителя с поверхностью теплообмена из обратных элементов
(с естественной циркуляцией)
Для ПГ АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (АЭС работает при постоянной номинальной нагрузке) прямоточные ПГ предпочтительнее. Такое решение
принято для современных мощных АЭС.
Рассмотрение первых конструкционных схем ПГ, обогреваемых жидкими металлами представляет интерес при анализе развития ПГ АЭС, в современных установках предусматриваются другие схемы. В основе выбора конструкционных схем
первых проектов ЯЭУ с теплоносителем Na применялись усложненные много6
слойные поверхности теплообмена. Для своевременного предупреждения о начинающемся контакте Na с водой предусматривалась специальная система обнаружения неплотностей. Пример теплопередающей поверхности представлен на рисунке 3.
1 – входная камера теплоносителя; 2 – выходная камера теплоносителя;
3 – камера инертного газа; 4 – трубные доски;
5 – каналы, заполненные инертным газом; 6 – наружная трубка;
7 – внутренняя трубка; 8 – каналы, заполненные инертным газом
Рисунок 3
Теплопередающая трубка составлена из двух трубок, соединенных плотной посадкой. На внешней поверхности внутренней трубки имеются каналы малого поперечного сечения, заполненные инертным газом. Эти каналы соединены с камерой
инертного газа, который и является индикатором утечек. При разрыве внешней или
внутренней трубки соответствующая среда с течением времени достигнет индикаторного канала. По давлению в камере и химическому составу газа индикатор утечек определит нарушение плотности. Многослойные поверхности нагрева дают
практически абсолютную гарантию предотвращения контакта воды с натрием, но
они сложны в изготовлении и дорогостоящи. Надо иметь в виду, что эффект взаимодействия Na с водой зависит от количества соприкасающихся веществ, а в аварийные ситуации, как правило, начинаются с образования небольших неплотностей. Незначительные количества воды, попадающие в Na в первый период процесса, могут быть своевременно обнаружен, а повышение давления в натриевом
контуре моет быть ограничено предохранительными устройствами. При использовании трехконтурной схемы АЭС многослойные поверхности в ПГ нецелесообразны. При малых мощностях установки следует применять двухконтурную схему и
многослойные поверхности.
7
3 Контрольные вопросы
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Каковы параметры ПГ, обогреваемых жидкими металлами?
Какие металлы используются в качестве теплоносителей?
Какой теплообменник называется промежуточным?
Какая система называется промежуточным контуром?
Опишите схему производства пара на трехконтурной АЭС?
Каково назначение промежуточного пароперегревателя?
4 Содержание отчета
4.1
4.2
4.3
Название работы.
Цель работы.
Ответы на контрольные вопросы.
5 Список использованной литературы
5.1
5.2
Рассохин Н.Г. Парогенераторные установки атомных электростанций. –
М.: Энергоатомиздат, 1987. – 384 с.
Ядерные энергетические установки /Ганчев Б.Г., Калишевский Л.Л.,
Демешев Р.С. и др.; Под общ. Ред. Н.А. Доллежаля. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 504 с.
Содержание
1 Цель работы................................................................................................................. 3
2 Теоретическая часть ................................................................................................... 3
2.1 Введение ................................................................................................................ 3
2.2 Параметры парогенератора ................................................................................. 4
2.3 Конструкционные схемы ..................................................................................... 4
3 Контрольные вопросы................................................................................................ 8
4 Содержание отчета ..................................................................................................... 8
5 Список использованной литературы ........................................................................ 8
8