Відповіді АЕС(2012)
1. Вибір та обґрунтування початкових та кінцевих параметрів робочого циклу для АЕС з різними типами реакторів.
Термодинамічний цикл – це замкнутий круговий процес, який здійснюється робочим тілом у тепловій машині (контурі ЯЕУ)
1 – 2 – адіабатичне розширення робочого тіла у турбіні; 2 – 3 – конденсація пари у конденсаторі; 3 – 4 – стиск робочого тіла; 4-1 (4-5-1) – підведення тепла до робочого тіла (за ізотермою)
- Цикл Карно, по ізобарі - цикл Ренкіна) в ПГ або в реакторі.
, l - корисна робота, q0 - підведене в циклі тепло
• В основі оцінки теплової економічності циклу лежить термодинамічна ефективність перетворення теплової енергії, що характеризується к.п.д. термодинамічного циклу - термічним к.п.д.
• Термічний к.п.д. залежить від багатьох факторів, зокрема, від початкових та кінцевих параметрів робочого циклу.
Вибір початкових параметрів робочого циклу одноконтурних ЯЕУ із реакторами типу РБМК-1000
Характер залежності к.п.д. циклу
Ренкіна на насиченій парі від
початкового тиску робочого тіла
(кінцевий тиск не змінюється)
• помітне зростання к.п.д.
спостерігається при підвищенні
початкового тиску пари до
• при тиску 12 – 13 МПа
к.п.д. досягає максимуму
при подальшому збільшенні початкового тиску спостерігається зменшення к.п.д. циклу,
• з точки зору теплової ефективності, а також з урахуванням усіх запасів (за граничною температурою оболонок твелів, запасом до кризи теплообміну), початковий тиск робочого тіла можна було б вибрати в діапазоні 12 - 12,5 МПа,
• при виборі початкового тиску пари необхідно також враховувати економічний фактор.
• технологічна схема блоку з реакторомРБМК є одноконтурною,
• початкові параметри робочого тіла фактично збігаються з параметрами теплоносія,
• при підвищенні тиску з 7-7,5 МПа до 12-12,5 МПа приріст к.п.д. буде незначним, а металомісткість обладнання зросте, а значить і капітальні витрати теж зростуть,
• збільшення маси металу в активній зоні реактора призведе до збільшення поглинання нейтронів у конструкційних матеріалах, для компенсації цього ефекту необхідно використовувати паливо підвищеного збагачення, що додатково збільшує експлуатаційні витрати,
• зі зростанням тиску зменшується критичний тепловий потік, отже треба зменшувати енергонапруженість активної зони, а значить при фіксованій потужності реактора це призводить до зростання розмірів активної зони,
• з урахуванням усіх цих факторів для одноконтурних АЕС з водяним теплоносієм початковий тиск робочого тіла приймається рівним Р0 ≈
Вибір початкових параметрів робочого циклу двоконтурних ЯЕУ із реакторами типу ВВЕР-1000
• Технологічна схема двоконтурна; Вироблення раб пари в ПГ з допомогою передачі тепла від т-ля до раб тілу ; температура (P0) робочого тіла залежить від температури теплоносія
Температура кипіння ТS(P0), отже і тиск раб тіла залежить від температури т-ля на виході з ПГ ТВИХ, ПГ і мінімального температурного тиску Тmin.
• ТВІХ, ПГ залежатиме від ТА.З. = ТВХ, ПГ - ТВИХ, ПГ; У реакторі ВВЕР зазвичай не допускають кипіння т-ля, тому ТВХ, ПГ 16 МПа (Ts ≈ 347 С).
обліком запасу до кипіння на виході з
реактора 320÷325°С.
• Підігрів ТА.З теплоносія в активній зоні реактора ВВЕР-1000 – оптимізована величина.
• Потужність реактора QР-Р можна записати так:
• QР-Р = GТН * СР * ТА.З
Початкові параметри робочого тіла на блоці з реактором на швидких нейтронах
• Технологічна схема триконтурна блоку.
• Щоб виключити контакт радіоактивного натрію з водою та водяною парою, вводиться проміжний контур, теплоносієм у якому є
натрій, але лише нерадіоактивний.
T-Q діаграма проміжного т/о (а) та ПГ (б)
Т0 залежить від T натрію II до виходу з проміжного т/о Т2ВИХ і Тmin в пароперегрівачі ПГ
Величина Тmin вибирається такою самою як і в ПГ блоку з реактором ВВЕР-
• Температура Т2ВИХ залежить від max T натрію I до Т1ВХ і ТПТО. Max T натрію I до визначається допустимою робочою температурою матеріалу оболонки твелів, що виготовляються з нержавіючої сталі (робоча температура ≈ 600 С). пара може досягати значення ≈ 510 – 515 С. За такої температури пари її тиск може бути обраний у широкому діапазоні значень, аж до надкритичних величин. Наприклад, для блоку з реактором БН-600 початкова температура пари обрана рівною 505 З при тиску 13,7 МПа (140 ата). Що стосується тиску теплоносія в реакторі, воно невелико, як правило, не перевищує 1 МПа.
Вибір кінцевих властивостей робочого тіла.
• Чим нижчий кінцевий тиск пари, тим більшу роботу він здійснює в турбіні.
• Домагаючись розширення пари в турбіні до тиску нижче атмосферного, можна збільшити теплоперепад на 20-25%.
• При зниженні кінцевого тиску пара виникає низка проблем.
• У процесі розширення пари в турбіні його вологість безперервно збільшується і в кінці процесу розширення досягає неприйнятно високих значень.
•Наявність вологи в потоці призводить до збільшення корозійного та ерозійного зношування лопаток, знижує внутрішній к.п.д турбіни.
• Технічно ця проблема вирішується шляхом сепарації пари у спеціальних сепараційних пристроях.
• При зниженні тиску пари відбувається збільшення її питомого обсягу.
• Щоб швидкість пари залишалася у межах допустимих значень, необхідно збільшувати прохідний переріз, тобто. збільшувати довжину лопаток турбіни.
• Гранична довжина лопаток обмежена характеристиками міцності матеріалу.
• Щоб довжина лопаток не перевищувала граничних значень, необхідно вихідний потік пари після високого тиску циліндра розділяти на кілька потоків, тобто. збільшується загальна кількість циліндрів турбіни, збільшується її довжина, отже, металлоемкость вартість.
• Конденсація пари в конденсаторі турбіни відбувається за рахунок передачі теплоти конденсації циркуляційній воді, що охолоджує. Температура конденсації не може бути нижчою за температуру охолоджуючої води.
• Температура води, що охолоджує, на вході в конденсатор залежить від типу системи технічного водопостачання, розташування станції, пори року, змінюючись від 2-10 С взимку до 15-30 С влітку.
• При нагріванні охолоджувальної води в конденсаторі ≈10 С можна отримати тиск у конденсаторі турбін АЕС порядку Рк = 0,004÷0,006 МПа
2. Обґрунтування необхідності використання регенеративного підігріву у схемах АЕС.
Вплив ступеня регенерації та числа регенеративних підігрівачів на ККД циклу з регенерацією.
Регенеративне підігрів на АЕС.
Підігрів поживної води за рахунок теплоти пари, що частково відпрацював у турбіні, називається регенеративним підігрівом поживної води.
Технічно такий процесздійснюється в такий спосіб. У процесі розширення пари частина його відбирається з турбіни і направляється у спеціальні теплообмінні апарати (регенеративні підігрівачі) для нагрівання конденсату поживної води.
З термодинамічної точки зору виграш від регенеративного підігріву полягає у наступному.
При чисто конденсаційному циклі вся пара, що підводиться до турбіни, доходить до конденсатора, в якому
відбувається його повна конденсація, і теплота конденсації виноситься в навколишнє середовище з водою, що охолоджує.
• У циклі з регенерацією теплота пари, що відбирається, повертається
(регенерується) назад у цикл. Це дозволяє помітно підвищити теплову економічність циклу.
Умовне зображення циклу з регенерацією в T-s діаграмі