Развитие котельных установок атомных станций

Наряду с быстрым развитием тепловых станций на обычном, органическом топливе за последние годы появились тепловые электростанции на ядерном топливе. Появление атомных станций, о которых, думаем, слышали и в Москве, и в Санкт-Петербурге, Омске, Новосибирске, Самаре, Нижнем Новгороде, Липецке, Туле, Рязани, Тамбове и т. д. было связано с созданием котельных агрегатов, парогенераторов, нового типа, во многом отличающихся от тех, которые применяются на станциях, использующих уголь, мазут, газ или другое органическое топливо. Вместе с тем основные рабочие процессы обычных парогенераторов, за исключением процессов сжигания органического топлива, имеют место и в котлах атомных станций. Поэтому при создании этих новых агрегатов широко используются знания, накопленные в процессе создания обычных паровых котлов, а также в значительной степени и конструктивные формы отдельных элементов обычных парогенераторов.

Парогенераторы станций с промежуточным теплоносителем по условиям своей работы сравнительно близки к обычным паровым котлам, хотя и сильно отличаются от них по конструктивному оформлению. Профиль этих парогенераторов зависит главным образом от того, какой теплоноситель используется и каковы параметры как теплоносителя, так и соответственно генерируемого пара. Наиболее близкими по конструктивному оформлению к обычным котельным агрегатам оказались парогенераторы атомных станций, использующих в качестве теплоносителя газ (практически применяется СО₂). Такие парогенераторы представляют собой конвективную шахту, в которой расположены омываемые потоком газа трубные пакеты водяного экономайзера, испарителя (собственно котла) и пароперегревателя. Таким образом, из поверхностей нагрева обычного парогенератора отсутствуют естественно только воздухоподогреватель и радиационные поверхности нагрева.

Однако параметры теплоносителя накладывают определенный отпечаток на оформление конвективной шахты и ее поверхностей. Во-первых, газ циркулирует в системе под повышенным давлением. Это требует размещения конвективной шахты в башне круглого сечения, которая может выдержать такое давление при большом диаметре. С другой стороны, определенные реакторы обеспечивают только низкий нагрев газового теплоносителя (до 320—450° С) и требуют глубокого охлаждения его в теплообменнике-парогенераторе (до 90—140° С). Это предопределяет ориентацию на пар низких параметров (давление 4—30 ата и температура 320— 420° С) и температуру питательной воды 70—100° С. Обычно в таких условиях оказывается целесообразным использовать наиболее горячий газ для получения пара несколько повышенного давления, а глубокое охлаждение газа осуществлять за счет получения пара низкого давления. В этом случае в конвективной шахте располагаются по существу поверхности нагрева двух независимых котлов с разными параметрами пара. Сами поверхности нагрева этих парогенераторов могут выполняться из труб малого диаметра и труб с мелкими тесно поставленными ребрами, так как газ отличается высокой чистотой и загрязнение труб с газовой стороны практически исключается.

По паровой стороне парогенераторы могут оформляться как барабанные котлы с естественной или принудительной циркуляцией (применение прямоточных котельных агрегатов при столь низких параметрах пара нецелесообразно). Более своеобразны конструктивные формы парогенераторов, обогреваемых жидким теплоносителем (вода, высококипящие органические жидкости, расплавленный металл). Эти парогенераторы ближе всего к довольно широко применявшимся в Германии в 1935— 1945 гг. котлам Шмидта — Гартмана, в которых получение пара осуществлялось за счет обогрева парогенератора промежуточным теплоносителем — водяным паром более высокого давления, который получается в топке обычного котла. Аналогичные котлы с использованием высококипящего органического теплоносителя (смесь дифенила и окиси дифенила) были предложены в СССР.

Жидкие теплоносители, так же как и газовые, нагреваются в реакторах до невысоких температур (вода до 260—300° С, полифенилы до 325° С, расплавленные металлы — натрий, висмут до 440—550° С). Однако в отличие от газовых они допускают высокую кратность циркуляции теплоносителя и поэтому не требуют значительного охлаждения его в парогенераторе. Это позволяет вводить на станциях, имеющих реакторы с жидким теплоносителем, развитый регенеративный подогрев питательной воды (до 150—180° С и выше) и получать пар одного и притом более высокого давления (при воде 30—40 ата, при жидких металлах до 60—80 ата). Однако возможности перегрева пара ограничены невысокой максимальной температурой теплоносителя. Поэтому в установках с охлаждением реактора некипящей водой (самый распространенный пока тип) ограничиваются получением насыщенного пара среднего давления, а образующуюся в процессе расширения пара в турбине влагу отделяют в специальных паросепараторах. Так как применение насыщенного пара приводит к низкому к. п. д. термодинамического цикла станции и значительному снижению внутреннего относительного к. п. д. турбины при работе ее на влажном паре, в ряде случаев является целесообразным применять смешанные установки.

В установках с жидкометаллическим теплоносителем получается перегретый пар стемпературой 440—480° С. Давление выбирается таким, чтобы заданная температура пара обеспечивала приемлемую влажность в последних ступенях турбины. В этих установках парогенератор включает обычно все три обычные части: экономайзер, испаритель, пароперегреватель. Вследствие низких температур греющей среды в парогенераторах, котлах, атомных установок (за исключением огневых пароперегревателей) нет опасности повреждения труб из-за местного ухудшения теплоотвода. Действительно, в худшем случае температура стенки не превысит температуры промежуточного теплоносителя, которая ниже температуры, допустимой для металла стенки трубы. Поэтому в котельных агрегатах атомных станций нет опасности повреждения труб из-за их перегрева (как это имеет место в обычных котлах). Однако особенно существенна проблема плотности теплообменника, так как всякий теплоноситель в большей или меньшей степени становится в эксплуатации радиоактивным, а поэтому всякие утечки из теплоносителя первичного контура во вторичный ведут к появлению радиоактивности в последнем и, следовательно, во всем цикле станции.

В связи с повышенными требованиями к плотности теплообменников и малой их доступностью для ремонта особое значение имеет сведение к минимуму коррозии стенок. Поэтому первичный контур в атомных установках выполняется из коррозионноустойчивой нержавеющей стали. Уменьшение коррозии первичного контура необходимо также и для ограничения загрязнения теплоносителя первичного контура продуктами коррозии. Это имеет большое значение, так как продукты коррозии могут образовывать на тепловыделяющих элементах активной зоны отложения, вызывающие повышение температуры оболочек элементов и их повреждение.

В системах с охлаждением водой уменьшаются трудности, связанные с радиоактивностью теплоносителя, так как чистая вода (Н2О или D2O) при облучении приобретает только быстропроходящую радиоактивность, а длительная активность теплоносителя обусловливается лишь наличием в воде загрязнений и в особенности продуктов коррозии. В ряде случаев применяется схема с кипением воды в реакторе и даже с перегревом в нем пара. В этих случаях котельной установкой атомной станции становится сам реактор, что предъявляет очень высокие требования к организации внутрикотловых процессов. В реакторе необходимо обеспечивать бесперебойное охлаждение поверхностей нагрева кипящей водой или перегретым паром при очень высоких плотностях теплового потока (до 1,5—2,0 млн. ккал/м² · ч и выше). Необходимо также обеспечить отсутствие коррозии и отложений на поверхностях нагрева (оболочках тепловыделяющих элементов) .

Наконец, циркуляция пароводяной смеси в котельной установке должна регулироваться, так как изменение плотности смеси влияет на работу реактора (особенно в системах, где замедлителем нейтронов является сама пароводяная смесь). Зато в системах с кипящими реакторами можно отказаться от специальных теплообменников и направить полученный пар прямо в турбину, что сильно упрощает и удешевляет котельную установку. Правда, при этом предъявляются очень высокие требования к чистоте пара, чтобы обеспечить максимальное снижение его радиоактивности по сравнению с радиоактивностью котловой воды. Для снижения же активности последней необходимо поддерживать на высоком уровне и чистоту самой котловой воды, что в системах с подачей пара непосредственно в турбину значительно труднее, чем в двухконтурных системах. Действительно, в последних первичный контур находится под более высоким давлением, чем вторичный, и поэтому при появлении неплотностей загрязнение теплоносителя первичного контура за счет присосов исключается, между тем в одноконтурных системах основной поток теплоносителя проходит через конденсатор турбин, где очень трудно избежать присосов охлаждающей воды.

В целом можно сказать, что атомные электростанции, оснащаемые специальными котельными установками, предъявляют более жесткие требования к организации процесса генерации пара. Все эти требования, хотя зачастую и в менее жесткой степени, предъявляются и к организации внутрикотловых процессов обычных парогенераторов. Поэтому в конструировании и эксплуатации котельных агрегатов атомных станций при всем своеобразии их конструкции приходится считаться с теми же внутрикотловыми процессами, какие имеют место в обычных паровых котлах. Развитие парогенераторов атомных станций базируется в основном на опыте, приобретенном за длительный период развития парогенераторов обычного типа.

Источник: ООО «Вемиру»

E-mail: info@stroimrem.ru

Наша компания CleanSale предлагает вам качественное оборудование фирмы Karcher в Москве: минимойки, аксессуары для минимоек, мойки с нагревом воды, компрессоры, пылесосы сухой уборки, поломойные машины, парогенераторы.