Теплова та загальна економічність АЕС - Атомні електричні станції та їх обладнання
Розділ третій ТЕПЛОВА ТА ЗАГАЛЬНА ЕКОНОМІЧНІСТЬ АЕС 3.1. Термодинамічні цикли паротурбінних установок на насиченій парі в Т, 5-діаграмі На АЕС з водним теплоносієм робочим тілом є насичена водяна пара. Розглянемо один із можливих циклів паротурбінних установок на насиченій парі в Р, в-діаграмі (рис. 3.1 а, б). З термодинаміки відомо, що максимальне значення термічного ККД має цикл Карно. Корисна робота циклу Карно дорівнює площі ас'dе (рис. 3.1, б), а підведена теплота визначається площею а'd'е. Відношення цих площ визначає значення термічного ККД циклу Карно (3.1) де to і tK — початкова та кінцева температури циклу, °С, що відповідають тискам Ро і рк- Властивості водяної пари такі, що цикл Карно важко здійснити через неможливість реалізації підігріву води до верхньої температури циклу. Тому ідеальним циклом для паротурбінних установок є цикл Ренкіна.
Корисно використана теплота в циклі Ренкіна визначається площею abode, а підведена теплота - площею abcdee'a'. Відношення цих площ визначає термічний ККД циклу Ренкіна
Різниця площ abcdee'a' і abode визначає втрати теплоти в циклі, що дорівнює площі аее'а'. Як видно із рис. 3.1 б, корисно використану в циклі теплоту можна збільшити за рахунок підвищення Ро (а, отже, t0) і зниженням pK(tK). Відповідно до (3.1) тр збільшиться.
Вибір початкових та кінцевих параметрів циклу
Як уже зазначалося в § 3.1, збільшення тр циклу можливе за рахунок збільшення початкових (Ро, t0) та зниження кінцевих (рк, tK) параметрів, в обох випадках корисновикористана теплота у циклі зростає. Залежність тр циклу від ро для насиченої пари неоднозначна (крива 1, рис. 3.2). Максимальне значення тр досягається при тисках 14 - 15 МПа, надалі зі зростанням початкового тиску воно падає. Це пов'язано з властивостями пари на лінії насичення: починаючи з тиску 14-16 МПа початкова ентальпія насиченої пари знижується, і при одних і тих же кінцевих параметрах пара спрацьований теплоперепад у турбіні зменшиться. Найбільш інтенсивно триває до тисків 10 МПа. Так, із рис. 3.2 видно, що з р0 від 5 до 10 МПа тр збільшується приблизно 3,5 %, ас 10 до 12,5 МПа на 0,6 %.
З погляду теплової економічності слід вибирати такі значення р0, у яких nt є максимальним. Однак збільшення тиску викликає певні труднощі у створенні та експлуатації обладнання. Тому на високі РК слід йти за такого виграшу в тепловій економічності, при якому будуть значно перекриті витрати на створення обладнання. Так, з погляду високого слід застосувати тиск від 10 до 15 МПа, проте при розширенні пари в турбіні для забезпечення допустимої вологості буде потрібно багаторазова сепарація з промперегревом пари, що значно ускладнить турбоустановку. Є й інші причини обмеження тиску насиченої пари перед турбіною, Так, для РБМК робочий тиск у каналах реактора вибрано 7 МПа, у турбіни дорівнює 6,5 МПа. При цьому тиск досить одноразової сепарації і проміжногоперегріву пару. Цирконієві сплави, які застосовуються для виготовлення технологічних каналів і оболонок тепловиділяючих елементів, можуть працювати в пароводяній суміші до температури 350 °С і дозволяють використовувати тиск близько 10 МПа. Однак у РБМК із графітовим сповільнювачем технологічний канал працює під перепадом тиску. Чим вище робочий тиск теплоносія в реакторі, тим більша товщина стінки технологічного каналу, тим більше поглинання нейтронів, тим гірший баланс нейтронів. Можна було б технологічні канали реактора виготовляти з аустенітних нержавіючих сталей, використовуючи тонкостінніші труби, але тоді баланс нейтронів погіршився б за рахунок більшого поглинання нейтронів у нержавіючій сталі і довелося б йти на більше збагачення палива. Збагачення палива різко збільшує його вартість. Для АЕС з реактором ВВЕР-1000 тиск теплоносія прийнято 16 МПа — це граничний тиск, на який в даний час можна виготовити транспортабельний (залізницею) корпус реактора. У ВВЕР відбувається недогрівання води до температури насичення, і для ВВЕР-1000 температура теплоносія на виході з реактора становить 322-325 °С. У парогенераторі вода охолоджується на 25-30 ° С і після парогенератора досягає 295-297 ° С. При перепаді температур у парогенераторі між теплоносієм і робочим тілом 10 °С температура насиченої пари, що виробляється в парогенераторі, складе 280—282 °С, що відповідає тиску 6,5 МПа. Для АЕС з ВВЕР-440 при тиску в першому контурі 12,5 МПа температура теплоносія на виході з реактора приймається 300-301 ЬС і при охолодженні його в парогенераторі на 30-33 ° С після парогенератора складе близько 270°С. При перепаді температур між теплоносієм і робочим тілом 10 °С температура виробляється в парогенераторінасиченої пари становитиме 260 °С, що відповідає тиску насичення 4,7 МПа. Відповідно, тиск насиченої пари перед турбіною дорівнює 4,4 МПа. Таким чином, на АЕС з водним теплоносієм параметри свіжої пари, що йде на турбіну, є відносно низькими. На відміну від АЕС ТЕС працюють із використанням перегрітої пари високих тисків, аж до закритичних. Отже, при тому самому тиску пари в конденсаторі використаний теплоперепад 1 кг пари в турбінах на АЕС буде істотно меншим, а отже, витрата пари в 1,5—1,7 разу більша в порівнянні з ТЕС. Це відбивається на розмірах турбіни та її допоміжного обладнання. Застосування перегріву пари істотно підвищує три цикли, про що свідчать криві 2-4 на рис. 3.2. Початковий перегрів пари на АЕС із водним теплоносієм утруднений. Значний початковий перегрів пари можливий лише на АЕС із канальними реакторами за рахунок ядерного перегріву, як це було зроблено на першому та другому блоках Білоярської АЕС. На ТЕС поряд з первісним перегрівом застосовується і проміжний перегрів пари, причому температура початкового та проміжного перегріву однакова. Для АЕС з початковим ядерним перегрівом пара проміжний ядерний перегрів не застосовується через неможливість його здійснення. Для таких АЕС параметри свіжої пари (тиск і температура перегріву) повинні бути такими, щоб в останньому ступені турбіни не досягалася допустима вологість. Такі параметри пари називаються сполученими. Так, для тиску пари в конденсаторі 0,004 МПа при допустимій вологості 13 %, сполученими параметрами є: 5 МПа - 410 ° С, 7 МПа - 450 ° С, 9 МПа - 480 ° С, 12,5 МПа - 515 ° С. При температурі пари нижче сполученої потрібно проміжний перегрів пари. На АЕС з газовим тарідкометалевим теплоносієм застосовується як початковий, так і проміжний перегрів пари. Теплова економічність циклу істотно залежить від кінцевих параметрів пари — тиску в конденсаторі рк. Властивості водяної пари такі, що при розширенні пари в турбіні до тиску нижче атмосферного можна істотно збільшити використаний в турбіні теплоперепад і, таким чином, підвищити цикл циклу. При зменшенні тиску з 0,004 до 0,003 МПа можна на 2 % збільшити тр (рис. 3.3). Однак із зменшенням Рк різко зростають питомі обсяги пари, що відпрацювала в турбіні (див. рис. 12.3) і збільшується її вологість. Враховуючи підвищену витрату пари у турбін насиченої пари, тиск у конденсаторі на АЕС вибирається дещо вище порівняно з ТЕС. Якщо на ТЕС РК приймається на рівні 0,0035 МПа, то на АЕС 0,004-0,0045 МПа.
Мал. 3.6. Тепловий баланс двоконтурної АЕС із ВВЕР.
