Методические указания к выполнению курсового проекта по

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ
______________________________________________________________________________________________________________
Беседин A.M.
АТЛАС ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС
Методические указания
к выполнению курсового проекта
по дисциплине «Реакторы и парогенераторы АЭС», «Котельные установки и
парогенераторы»
Волгодонск 2011 г.
В предлагаемом пособии освещены задачи курсового проектирования, принципы создания новых конструкций, наиболее типичные конструкции отечественных и
зарубежных парогенераторов эксплуатируемых и проектируемых АЭС. В учебном пособии приведены материалы, которые необходимы для выполнения теплового,
конструкторского, гидродинамического расчетов и расчета водного режима парогенераторов АЭС.
Беседин А.М.
Учебное пособие к курсовому проекту
по курсу «Реакторы и парогенераторы», «Котельные установки и парогенераторы»
ЗАДАНИЕ
на курсовой проект (работу) по дисциплинам «Реакторы и парогенераторы», «Котельные установки и парогенераторы»
Тема: ВАРИАНТНЫЙ КОНСТРУКТОСКИЙ И ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПАРОГЕНЕРАТОРА
№
вар
Тип парогенератора
1
2
Конструкция
Температура
форма трубного питательной
пучка
воды
Параметры пара
Теплоноситель
(ТН)
Параметры ТН
Тип реактора
Электр. мощность
реактора, МВт
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
Корпусной горизонтальный
насыщенного пара
U-обр.
трубки
220
6,4
280
Вода
16
320/290
ВВЭР
1000
η=30%
2
Корпусной горизонтальный
насыщенного пара
U-обр.
трубки
220
6,4
280
Вода
16
320/290
ВВЭР
440
η=30%
3
Корпусной горизонтальный
насыщенного пара
Корпусной вертикальный с
естеств. многокр.
циркуляцией, с подводом
питательной воды сверху
перегретого пара
U-обр.
трубки
Спир.-витые
змеевики
230
6,4
300
Вода
16
320/290
ВВЭР
220
6,4
300
Вода
16
320/290
ВВЭР
1000
η=31,5%
1000
η=32%
5
Корпусной вертикальный с
естеств. многокр.
циркуляцией, с подводом
питательной воды сверху
насыщенного пара
Спир.-витые
змеевики
220
8,0
295
Вода
16
320/290
ВВЭР
600
η=32%
6
Корпусной вертикальный с
естеств. многокр.
циркуляцией, с подводом
питательной воды снизу
насыщенного пара
Спир.-витые
змеевики
225
7,4
290
Вода
16
320/290
ВВЭР
500
η=31,5%
7
Корпусной вертикальный с
естеств. многокр.
циркуляцией, с подводом
питательной воды снизу
перегретого пара
Спир.-витые
змеевики
235
6,4
290
Вода
16
320/290
ВВЭР
1000
η=30%
4
8
Корпусной вертикальный с
естеств. многокр.
циркуляцией, с подводом
питательной воды сверху
насыщенного пара
Эвольв.
ширмы
L-обр.
225
8,0
9
Корпусной вертикальный с
естеств. многокр.
циркуляцией, с подводом
питательной воды сверху
перегретого пара
Эвольв.
ширмы
L-обр.
220
7,4
10 Корпусной вертикальный с
Эвольв.
ширмы
L-обр.
215
8,0
Эвольв.
ширмы
L-обр.
220
Прямые
трубки
естеств. многокр.
циркуляцией, с подводом
питательной воды снизу
насыщенного пара
11 Корпусной вертикальный с
естеств. многокр.
циркуляцией, с подводом
питательной воды снизу
перегретого пара
12 Корпусной прямоточный без
ЖМУ перегретого пара
13 Корпусной прямоточный без
ЖМУ перегретого пара
14 Секционно-модульный
перегретого пара с
промперегревом
15 Секционно-модульный
перегретого пара с
промперегревом
16 Корпусной перегретого пара с
промперегревом
17 Секционно-модульный
перегретого пара с
промперегревом
Вода
16
320/290
ВВЭР
1200
η=32,3%
Вода
16
320/290
ВВЭР
800
η=33%
295
Вода
16
320/290
ВВЭР
600
η=32%
6,4
300
Вода
16
320/290
ВВЭР
1100
η=32%
200
7,4
310
Вода
16
325/290
ВВЭР
2000
η=33%
Прямые
трубки
210
8,0
310
Вода
16
325/290
ВВЭР
1200
η=33,5%
Прямые
трубки
240
14,2
505
Натрий
0,9
520/320
БН
600
η=41%
Прямые
трубки
240
14,0
490
Натрий
0,8
505/310
БН
1600
η=38%
Спир.-витые
змеевики
1235
17,7
490
Натрий
1,2
524/345
БН
Суперфеникс
1240
η=41,3%
Прямые
трубки
240
14,0
490
Свинец
1,5
520/320
БРС
300
η=41%
295
18 Корпусной перегретого пара с
19
20
21
22
23
24
25
промперегревом
Корпусной насыщенного пара,
с естественной многократной
циркуляцией, с
горизонтальной трубной
решеткой (доской)
Корпусной насыщенного пара,
с естественной многократной
циркуляцией, с
горизонтальной трубной
решеткой (доской)
Секционно-модульный
перегретого пара с
промперегревом, с
циркуляцией натрия во
внутриутробном пространстве
Секционный перегретого пара
газообогреваемый
Секционный перегретого пара
газообогреваемый с
промперегревом
Корпусной перегретого пара
газообогреваемый
Секционный перегретого пара
газообогреваемый с
промперегревом
26 Секционный перегретого пара
газообогреваемый с
промперегревом
27 Корпусной перегретого пара с
Спир.-витые
змеевики
U-обр.
трубки
235
15,0
505
Свинец
1,5
525/320
БРС
240
7,4
290
Вода
16
330/290
ВВЭР
U-обр.
трубки
230
6,4
300
Вода
16
330/290
ВВЭР
1200
η=32%
Прямые
трубки
240
17
505
Натрий
1,5
525/345
БН
800
η=41,3%
Спир.-витые
змеевики
Спир.-витые
змеевики
230
8,5
370
СО2
2,75
414/247 Магноксовый
240
16
566
СО2
3,36
670/300
AGR
Спир.-витые
змеевики
Спир.-витые
змеевики
235
10,2
538
Гелий
3,2
720/350
ВТГР
240
17,6
538
Гелий
4,8
/so
405
ВТГР
Спир.-витые
змеевики
245
24,5
545
Гелий
16
630/280
БГР
300
η=43%
-
256
16,9
536
Натрий
0,8
550/371
БН
300
η=42%
-
250
14,0
505
Натрий
0,9
520/371
БН
300
η=43%
-
245
17,5
520
Натрий
0,7
545/360
БН
600
η=42%
обратными элементами
28 Корпусной перегретого пара с
обратными элементами
29 Корпусной перегретого пара с
обратными элементами
800
η=41,3%
600
η=31,5%
100
η=32%
600
η=41,6%
200
η=34,6%
330
η=39,2%
Содержание проекта (работы): Введение. 1. Тепловая схема ПГ. 2. t-Q диаграмма ПГ. 3. Предварительный конструкторский расчет и обоснование конструкционных
материалов. 4.Тепловой расчет. 5.Конструкторский расчет. 6. Расчет на прочность. 7. Расчет металлоемкости. 8.Гидравлический расчет. 9.Гидродинамический расчет.
10.Расчет вибрации трубчатки. 11. Технико- экономическое обоснование (расчет приведенных затрат) оптимачной конструкции аппарата. Заключение. Литература.
Графическая часть: один лист формата А1 (общий вид парогенератора), один лист формат А3 или А4 (деталировка). Пояснительная записка и чертежи выполняются в
соответствии с требованиями ГОСТ ЕСКД и СТП ЮРГТУ.
1.
ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Курсовой проект по парогенераторам АЭС выполняется после изучения
теоретического курса, имеет целью выполнение следующих основных задач:
закрепление и углубление знаний, полученных студентами при изучении курса
«Парогенераторы АЭС»;расширение круга знаний студентов, путем изучения
специальной литературы: проектов промышленных парогенераторов; правил
устройства и безопасной эксплуатации; ГОСТов, справочников; статей в отечественной и иностранной технической периодической литературе и др.; развитие
творческой инициативы студентов при самостоятельном решении поставленных
перед ними задач, поиске оригинальных конструкций; развитие у студентов навыков
систематического, технически и литературно грамотного изложения в пояснительной
записке, обоснования принятых решений, методов расчета и т. п .
Выполняя проект, студенты практически закрепляют методику теплового,
конструкторского, гидродинамического и прочностного расчетов парогенератора,
расчетов сепарации и водного режима. Важнейшей частью проектирования являются
технико-экономические вариантные расчеты, определяющие выбор скорости
теплоносителя, диаметра труб теплопередающей поверхности, компоновку всего
парогенератора.
2.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДИКЕ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО
ПРОЕКТА
Различаются два типа расчета парогенератора: конструкторский и поверочный.
Конструкторский расчет проводится при создании новой конструкции. При
поверочном расчете производится расчет, позволяющий оценить возможности
работы парогенератора какой-либо конкретной конструкции при иных условиях
(например,
при
других
параметрах,
паро-
производительности).
Студенты
специальности 0310 выполняют конструкторский расчет. Конструкторский расчет
включает несколько взаимосвязанных видов расчета:
•
тепловой (лежит в основе других видов расчета);
•
конструкторский;
•
гидродинамический;
•
водного режима;
•
на прочность;
вариантные технико-экономические расчеты по определению оптимальных значений
скоростей теплоносителя (а в отдельных случаях диаметра труб и других параметров
с целью обоснования выбора их для основного варианта проектируемого
парогенератора).
При выполнении курсового проекта заданными являются:
•
вид теплоносителя;
•
параметры теплоносителя;
•
паропроизводительность парогенератора:
•
параметры рабочего тела.
Конечной целью конструкторского расчета является создание конструкции
парогенератора,
позволяющей
вырабатывать
необходимое
количество
пара,
обеспечивающей заданные параметры и чистоту пара при любых режимах работы
АЭС.
2.1. Требования, предъявляемые к конструкциям парогенераторов
Схема парогенератора и его конструкция должны удовлетворять
следующим требованиям:
l. Все элементы парогенератора должны обладать безусловной надежностью и
абсолютной безопасностью в эксплуатации, что в значительной степени
определяет надежность работы АЭС. Для выполнения этого требования
соединения
элементов
и
деталей
парогенератора
должны
обеспечить
герметичность конструкции, исключить возможность проникновения теплоносителя в рабочее тело и наоборот. Возможный характер перетока
определяется
соотношением
давлений
теплоносителя
и
рабочего
тела.
Проникновение рабочего тела в теплоноситель может вызвать аварийную
ситуацию в первом контуре (при жидкометаллическом теплоносителе). Протечка
теплоносителя из первого контура во второй (теплоноситель— вода под давлением) может существенно повысить активность рабочего тела, перенос
активности по всему второму контуру. Это неприемлемо потому, что
биологическую защиту имеет только один элемент второго контура —
парогенератор.
2. Выбор конструкционных материалов и водного режима должен обеспечивать
пониженные коррозионные процессы.
3.
Конструкция парогенератора должна быть проста, компактна, технологична,
удобна для монтажа, эксплуатации, ремонта.
4.
Парогенератор
должен
иметь
приемлемые
технико-экономические
показатели.
5.
Габариты парогенератора должны позволить провезти его элементы на
монтажную площадку.
2.2. Принципы выбора конструктивной схемы
Началу расчета предшествует выбор конструктивной схемы парогенератора.
Правильный
технически
обоснованный
выбор
конструктивной
схемы
парогенератора может быть сделан только при комплексном подходе к решению
ряда вопросов.
При выборе конструктивной схемы требуется:
1 .Установить, из каких элементов будет состоять проектируемый
парогенератор.
2.Решить, какая среда будет протекать внутри труб, какая омывать
поверхность со стороны межтрубного пространства.
3.Определить последовательность расположения элементов парогенератора
по ходу теплоносителя и характер взаимного направления течения сред в каждом
элементе.
4.Определить характер омывания испарительной поверхности нагрева
рабочим телом.
5. Наметить конфигурацию поверхности нагрева, корпуса, характера раздачи
среды по трубам.
При разработке конструктивной схемы в основе лежат соображения как общего
характера (справедливые для всех типов парогенераторов), так и те, которые
вызываются спецификой конкретного теплоносителя.
2.2.1. Выбор количества элементов
Вопрос о количестве элементов, входящих в парогенератор, частично
зависит от заданных условий однозначно. Так, вопрос о необходимости
пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя полностью зависит от
задания. Однако вопрос о том, размещается ли пароперегреватель (при его наличии)
в одном с испарителем корпусе или выносится в отдельный, решается
исполнителем. Если при выполнении курсового проекта в отношении пароперегревателя студенту требуется решить только вопрос о целесообразности
размещения пароперегревателя в отдельном корпусе, то в отношении водяного
экономайзера надо решить вопросы:
а)будет
ли парогенератор иметь самостоятельную экономайзерную поверхность
или она будет совмещаться с испарительной;
б) при наличии отдельной экономайзерной поверхности — будет ли она
размещаться в одном корпусе с другими поверхностями или в отдельном, только
для нес предназначенном.
Эти вопросы решаются совместно с вопросом о том, какая среда течет в
межтрубном пространстве, а какая внутри труб. Совмещение экономайзерной и
испарительной
поверхностей
нагрева
используется
главным
образом
в
парогенераторах погружного типа. Теплоноситель в парогенераторах подобного
типа течет по трубам, а рабочее тело омывает теплопередающую поверхность со
стороны
межтрубного
теплопередающая
пространства.
поверхность,
Корпус,
используется
в
котором
также
размещается
в
качестве
барабана-сепаратора, предназначенного для осушки пара. В барабане-сепараторе
имеются водяной и паровой объемы, границей раздела служит зеркало испарения.
Вся поверхность нагрева размещается ниже уровня воды в барабане. Теплоотдача
от стенки к рабочему телу с достаточной степенью точности может рассматриваться, как при кипении в большом объеме. Типичным примером конструктивной
схемы парогенераторов погружного типа с совмещенными экономайзерными и
испарительными
поверхностями
нагрева
могут
служить
парогенераторы
Ново-Воронежской, АЭС горизонтального типа с U -образными змеевиками
(теплоноситель — вода под давлением).
Однако необходимо отметить, что совмещение поверхностей может иметь
место и в парогенераторах с жидкометаллическим теплоносителем, поверхность
нагрева которых набрана из обратных элементов (трубок Фильда). К числу1 таких
парогенераторов относится вертикальный парогенератор типа БН-350 (рисунок. 1).
В парогенераторе подобного типа в межтрубном пространстве ниже трубной доски
10 протекает жидкий натрий, по трубам проходит рабочее тело (по внутренним
трубкам 14 обратных элементов осуществляется опускное движение, по
кольцевому
зазору
между
внешней
трубкой
15м
внутренней
трубкой
14-подъемное). Парс водяная смесь подается в водяное пространство 4,
расположенное над трубной доской 10. Его работа в некотором отношении
напоминает работу парогенератора с погружной поверхностью нагрева. Движение
рабочего тела происходит за счет естественной циркуляции, обеспечиваемой
разность масс столбов жидкости при разности плотностей р (во внутренней трубке)
и р” (в кольцевом канале). В качестве сепарационного объема используется часть
корпуса, расположенная над трубной доской.
Рис.1 Испаритель парогенератора БН-350: а – общий вид; б – узел ввода
парогенераторной воды и выхода пароводяной смеси; 1 – корпус испарителя; 2 – обратные
элементы; 3 – газовая подушка; 4 – водяной объем сепаратора; 5 – подвод питательной воды; 6 –
отвод пара; 7 – жалюзийный сепаратор; 8 – сепарационный барабан; 9 – уровень зеркала
испарения; 10 – трубная доска; 11 – уровень натрия; 12 и 13 – отвод и подвод натрия; 14 –
опускная трубка обратного элемента; 15 – собственно теплопередающая поверхность элемента
(внешняя трубка)
Основной принципиальной особенностью парогенератора с совмещенными
экономайзерной и испарительной поверхностями нагрева является принцип
подогрева питательной воды. Подогрев питательной воды, поступающей в
парогенератор из регенеративных подогревателей высокого давления ПВД, до
температуры насыщения t, происходит за счет конденсации части пара,
генерируемого
в
количестве
Dr.,
превышающем
паропроизводительность
парогенератора D H O M .
Конденсируясь, пар в количестве DT—DH O M отдает тепло QЭК для подогрева
воды от температуры питательной воды на выходе из системы регенеративного
подогрева до температуры насыщения при давлении в барабане QЭК = (Dr - DHOM) х r
МВт, где r — скрытая теплота парообразования. При этом температура воды
практически во всем водяном пространстве равняется tg.
Совмещение экономайзерных и испарительных поверхностей нагрева имеет
положительные и отрицательные стороны.
К положительным относится тот факт, что вся поверхность нагрева работает в
качестве парогенерирующей. Теплоотвод от парогенерирующей поверхности
происходит более интенсивно, чем отвод тепла за счет конвекции от поверхности к
однофазной
недогретой
среде (как это
имеет место
в экономайзерных
поверхностях). Говоря другими словами, при совмещении поверхностей среднее
значение коэффициента теплоотдачи от поверхности к рабочему телу α2, а
следовательно, и среднее значение коэффициента теплопередачи k имеет более
высокое значение. Повышение значения k вызывает уменьшение необходимой
поверхности, м2, теплообмена
где
Q — количество передаваемого тепла, Вт; Δt —среднее значение
температурного напора, °С: k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К). Кроме
того, совмещение экономайзерной и испарительной поверхностей нагрева
позволяет сократить расход металла на корпус. Однако надо иметь в виду, что
сокращение расхода металла на корпус можно также быть достигнуто при
размещении в одном корпусе экономайзерных и испарительных поверхностей без
их совмещения по существу.
К отрицательным сторонам совмещенного варианта относится уменьшение
среднего значения температурного напор при сохранении давления генерируемого
пара. Поддержание того же значения температурного напора можно обеспечить за
счет снижения давления рабочего пара. При понижении давления пара на входе в
турбину
снижается
экономичность
выработки
электроэнергии.
Величина
температурного напора связана с размерами поверхности нагрева. Чем меньше
температурный напор, тем большая поверхность необходима для передачи
необходимого количества тепла.
Вопрос
о
целесообразности
совмещения
решается
на
основании
технико-экономического расчета. При выполнении курсового проекта столь
глубокая проработка от студентов не требуется, может быть выбран вариант на
основании опыта эксплуатации парогенераторов подобного типа.
Однако следует помнить, что парогенераторы погружного типа — наиболее
характерная конструкция совмещенного варианта — главным образом применяются
для теплоносителя — вода под давлением. В таких парогенераторах поверхность
нагрева выполняется
из нержавеющей
стали аустенитного класса (из-за
необходимости чистоты воды первого контура). Технология изготовления труб из
аустенитной нержавеющей стали в настоящее время не позволяет иметь длину труб
без сварных соединений выше 12—14 м. При этом условии возможность увеличения
паропроизводительности (величины поверхности нагрева) в значительной степени
связана с необходимостью увеличения диаметра корпуса парогенератора. Диаметр
корпуса нельзя увеличивать безгранично, предельным значением является диаметр
3,5—4,2 м.
2.2.2. Выбор среды, протекающей по трубам
В общем случае целесообразно по трубам направлять ту среду, которая имеет
большее давление, а в межтрубное пространство — среду с меньшим давлением.
Это соображение вызывается стремлением снизить расход металла. Толщина стенки
- цилиндра (трубы или корпуса), мм, зависит от диаметра и давления.
где Р —расчетное давление, Н/м2;
— допускаемое механическое напряжение,
Н/м2; dв — внутренний диаметр, мм;
— расчетный коэффициент прочности; С
—прибавка к расчетной толщине, мм.
Однако в отдельных случаях имеют место отступления от этого общего
правила. Например, в парогенераторах с жидкометаллическим теплоносителем
иногда по соображениям надежности работы конструкции жидкий металл
направляют по трубам. Но такое отклонение от общего правила допустимо только
при средних давлениях рабочего тела и неприемлемо при высоких и сверхвысоких.
2.2.3. Определение последовательности расположения элементов парогенератора по
ходу теплоносителя и характера взаимного направления течения сред в элементе
Предпочтительным является противоточный принцип включения элементов в
схему (рис. 2). Это значит, что теплоноситель, имеющий на входе температуру t1’
вначале проходит через пароперегреватель (элемент, имеющий по рабочему телу
наиболее высокую температуру), охлаждается в нем, направляется в испаритель
(рабочее тело в нем имеет промежуточное значение) и после этого поступает в
водяной экономайзер. В случае если имеются промежуточные пароперегреватели,
их место устанавливается в зависимости от температур пара.
1
3
2
t1
3 t1
1
t2
t2
Рис.2 Принципиальная схема включения элементов парогенератора по принципу противотока по
отношению к теплоносителю: 1 — экономайзер; 2 — испаритель; 3 — пароперегреватель
В отдельных случаях бывают определенные отклонения, но они не
характерны. Например, в первые годы развития атомной энергетики в Англии
достаточно широко велось строительство парогенераторов, вырабатывающих пар
двух давлений (теплоноситель —углекислый газ низкого давления) (Рисунок. 3). Со
стороны
теплоносителя
поверхности
нагрева
всех
элементов
всегда
(за
исключением того случая, когда теплоносителем является насыщенный пар)
омываются однофазной средой.
1
4
6
t2-II
t2-II
t2-II
t1
7
t1
t2-I
3
5
t”2-1
2
Рис. 3 Вариант принципиальной схемы включения элементов в парогенераторе двух давлений
(ступени нумеруются по ходу движения теплоносителя): 1— водяной экономайзер ступени
низкого давления II ступени; 2 — первая секция водяного экономайзера высокого давления I
ступени; 3 — испаритель II ступени; 4 — пароперегреватель II ступени; 5 — 2-я секция водяного
экономайзера I ступени; 6 — испаритель I ступени; 7 — пароперегреватель I ступени
Движение среды однократное, принудительное, происходит за счет работы
циркуляционного насоса I контура (вода под давлением, жидкометаллический
теплоноситель) или газодувки (газовый теплоноситель). Со стороны рабочего тела
отдельно выделенные экономайзерные и пароперегревательные поверхности
омываются также средой однофазной (соответственно водой под давлением и
паром). Рабочее тело в этих элементах также имеет однократное принудительное
движение. Испарительные поверхности нагрева работают при наличии двухфазного
потока среды. В элементах, с обеих сторон омываемых однофазной средой
предпочтительным является противоточное омывание средами поверхности
нагрева. При противотоке среднелогарифмическая разность температур имеет
наибольшее значение следовательно, требуются меньшие затраты металла для
передачи
заданного
количества,
тепла.
Однако
в
пароперегревателях
парогенераторов с высокотемпературным теплоносителем по соображениям
надежности,
безопасности
и
технико-экономических
показателей
работы
включение сред, омывающих поверхность нагрева, может производиться либо по
принципу смешанного тока, либо прямотока. В случае таких включений участки
пароперегревательных труб, омываемые со стороны рабочего тела наиболее
высокотемпературным паром, воспринимают тепло от теплоносителя, уже частично
охладившегося, температура стенки металла при этом на выходных участках не
столь высока, как при противотоке. Это позволяет использовать менее
дорогостоящие материалы и повышать надежность работы парогенератора при их
использовании. В испарительной поверхности нагрева, со стороны рабочего тела
омываемой двухфазной средой (с температурой, равной температуре насыщения),
направление взаимного течения сред не имеет принципиального значения; на
величину температурного напора влияния не оказывает.
2.2.4. Выбор характера омывания испарительной поверхности нагрева рабочим
телом.
Определение характера омывания поверхности нагрева рабочим телом
производится только применительно к испарительным поверхностям нагрева. Как
отмечалось выше, экономайзерные поверхности (если они выделены как
самостоятельные)
и
пароперегревательные
(всегда)
имеют
однократный
принудительный характер омывания рабочим телом вне зависимости от того.
Протекает ли рабочее тело по трубам или в межтрубном пространстве.
Испарительные поверхности по характеру омывания рабочим телом разделяются на
следующие:
1. Поверхности нагрева с естественной циркуляцией.
2. Поверхности с многократной принудительной циркуляцией.
3. Поверхности с безнапорным движением рабочего тела при кипении в
большом объеме.
4. Прямоточные
испарительные поверхности нагрева.
При выборе характера омывания рабочим телом поверхности нагрева в основе
лежат следующие основные соображения. При многократном движении рабочей
жидкости вдоль поверхности нагрева (как при естественной циркуляции, так при
многократном принудительном движении и безнапорном движении пароводяной
смеси в парогенераторах с поверхностью нагрева погружного типа) при нормально
организованном режиме эксплуатации парогенератора (что определяется культурой
эксплуатации)
надежной
конструкции
величина
массового
расходного
паросодержания не бывает, как правило, больше 20% (кратность циркуляции К Ц =
= 5)
При таких паросодержаниях не наступает ухудшенный теплообмен,
поверхность нагрева по всей длине испарительных труб работает с интенсивной
теплоотдачей, характерной для случаев отдачи тепла от стенки к кипящей жидкости
при наличии жидкой пленки у теплопередающей стенки. Такие режимы течения
характерны для парогенераторов АЭС с многократной циркуляцией. При массовых
расходных паросодержаниях порядка 20% и соблюдении нормируемого качества
питательной и парогенераторной воды интенсивный характер отложений не имеет
места,
так
как
содержание
примесей
в
парогенераторной
воде
может
поддерживаться на заданном уровне ниже предела растворимости. Поддержание на
заданном уровне примесей производится за счет организованного вывода части
парогенераторной воды в виде непрерывной продувки с целью ее очистки на
ионообменных фильтрах. В парогенераторах с многократной циркуляцией
возможны коррекционные методы ведения водного режима, позволяющие
поддерживать физико-химические характеристики воды, сводящие к минимуму
процессы образования отложений и коррозии. Несмотря на то что содержание
примесей, уносимых с паром, в парогенераторах подобного типа имеет два вида
выноса примесей (в виде истинно растворенных в парорастворе веществ и за счет
механического уноса), имеются действенные пути борьбы с загрязнениями пара
(повышение качества парогенераторной воды за счет продувки, промывка пара).
Отмеченные преимущества парогенераторов с многократной циркуляцией рабочего
тела вдоль поверхности нагрева характерны как для парогенераторов с естественной
циркуляцией, с многократной принудительной, так и для парогенераторов
погружного типа.
Однако каждый из отмеченных видов организации движения рабочего тела в
испарителе
имеет
свои
специфические
особенности,
положительные
и
отрицательные. Парогенераторы этих видов в качестве обязательного элемента
должны иметь разделительное сепарационное устройство, которым в подавляющем
большинстве является отдельно вынесенный разделительный барабан-сепаратор. В
парогенераторах погружного типа барабан-сепаратор совмещен с корпусом
парогенератора, в котором размещены поверхности нагрева. В парогенераторах с
естественной циркуляцией не требуется затрат электроэнергии для перекачивания
рабочего тела вдоль испарительной поверхности. Эта, несомненно, положительная
сторона организации движения рабочего тела в испарительной поверхности нагрева
имеет место также в парогенераторах погружного типа.
К отрицательным сторонам парогенераторов с естественной циркуляцией
относятся необходимость развития поверхности в высоту с целью увеличения
движущего напора РДВ. и жесткие требования к снижению гидравлических
сопротивлений при движении рабочей жидкости (в подъемных трубах) для
увеличения полезного напора РПОД ( РПОД
=
РДВ. – ΔРПОД ). Иными словами, к
парогенераторам с естественной циркуляцией предъявляются жесткие требования с
точки зрения компоновки поверхностей нагрева. Эти требования повышаются с
ростом давления генерируемого одра, так как три этом плотности воды и пара,
следовательно и пароводяной смеси, сближаются, что сказывается на величине
движущего напора РДВ=hg(p'-pом), где h — высота поверхности нагрева, м; g —
ускорение силы тяжести, м/с2 , р' — плотность воды на линии насыщения, кг/м3, ром
— средняя для подъемной системы плотность пароводяной смеси, кг/м3.
При достижении определенных давлений даже при большом развитии
поверхностей в высоту оказывается невозможным получить значения полезного
напора, способного преодолеть сопротивление движению рабочего тела в опускных
трубах. Применять естественную циркуляцию для движения рабочего тела в
испарителе можно при давлениях не выше 13 МПа. К характерным особенностям
парогенераторов с многократной принудительной циркуляцией следует отнести
менее
жесткие
требования
к
компоновке
испарительных
поверхностей
парогенераторов, так как движение рабочего тела происходит за счет работы насоса,
которая связана с потреблением электрической энергии (последнее обстоятельство
является отрицательной стороной). Однако определенные требования к компоновке
поверхностей нагрева, развитию поверхностей нагрева в высоту и в этих
парогенераторах имеют место. Они связаны с необходимостью обеспечить
надежную работу насоса, которая обеспечивается наличием нивелирного подпора
на всасе насоса и разностью плотностей воды и пара (что также вызывает
ограничения по верхнему значению допустимого давления). Парогенераторы
погружного типа ограничены по давлению по двум основным причинам: в
парогенераторах горизонтального типа ввиду совмещения в одном корпусе
испарительных поверхностей нагрева и сепарационных устройств получаются
большие диаметры корпуса; при больших диаметрах в случае высоких давлений
получаются большие толщины стенок.
В
том
случае,
если
испарительные
поверхности
нагрева
выполняются
прямоточными (одна- кратное принудительное движение при K ц = 1 ) , движение
пароводяной смеси происходит принудительно за счет работы насоса, связано с
затратой
электроэнергии
на
перекачку.
Парогенераторы
с
испарителями
прямоточного типа не имеют ограничений по давлению, они могут быть
использованы при любых давлениях, в том числе и сверхкритических. Они имеют
относительную свободу в отношении компоновки, однако эта свобода компоновки
не безгранична. Одним из ее ограничений является необходимость обеспечить
отсутствие межвитковой пульсации.
Несмотря на то, что в парогенераторах прямоточного типа загрязнение пара
примесями происходит только за счет истинной растворимости веществ в паре (нет
механического уноса при нормальном режиме работы), какие-либо пути борьбы за
чистоту пара, кроме повышения качества питательной воды, отсутствуют. По мере
движения рабочего тела вдоль испарительной поверхности нагрева в процессе
генерации пара происходит непрерывное перераспределение примесей между водой
и паром. Концентрация примесей воды в процессе упаривания непрерывно
возрастает, однако растет и содержание примесей в паре, который постоянно контактирует с водой, содержащей большие количества примесей. При достижении
определенных значений массовых расходных паросодержаний хI парогенераторная
вода начинает становиться пересыщенной в различные периоды по отношению к
одной, затем другой и, наконец, ко всем примесям. Все примеси из числа внесенных
с питательной водой, которые не выносятся в виде истинно растворенных с паром,
выпадают в отложения в зоне до упаривания. В этой зоне имеет место ухудшенный
теплообмен стенки с рабочим телом из-за подсыхания пленки жидкости у стенки,
вызывающий рост температуры стенки. Снижение интенсивности отдачи тепла
происходит также из-за увеличенного термического сопротивления многослойной
пленки в результате повышенного термического сопротивления отложений.
Прямоточные поверхности испарителя требуют повышенного внимания к
выбору конструкционных материалов, с одной стороны, по той причине, что в
области до упаривания при высокотемпературных теплоносителях могут быть
достигнуты температуры стенки tсп, превышающие допустимую температуру стенки
для данного материала tдоп, с другой — по той причине, что в процессе до
упаривания концентрации примесей достигают высоких значений. Особенно это
опасно в случае применения нержавеющих сталей аустенитного класса, которые
имеют особый вид коррозионного разрушения — коррозионное растрескивание
элементов, работающих под напряжением при повышенном содержании хлор-иона,
особенно в присутствии кислорода.
3. КОНСТРУКЦИИ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
3.1. Парогенераторы АЭС с водным теплоносителем
Двухконтурные атомные электростанции с теплоносителем— вода под
давлением играют и еще будут играть большую роль в атомной энергетике.
В развитии парогенераторов таких станций можно выделить несколько
основных типов:
1 .Парогенераторы ПГВ горизонтального типа с погруженной поверхностью
нагрева, выполняемой из U-образных змеевиков, и раздачей теплоносителя с
помощью коллекторов.
2. Парогенераторы
ПГВ
вертикального
типа
с
погруженной
поверхностью нагрева змеевикового или ширмового типа и раздачей теплоносителя
с помощью коллекторов.
3. Парогенераторы
вертикального типа с погруженной поверхностью
нагрева, выполненной из U -образных змеевиков, и раздачей теплоносителя с
помощью трубных досок.
4. Прямоточные парогенераторы.
5. Секционные парогенераторы.
3.1.1. Парогенераторы ПГВ с теплоносителем—вода под давлением
горизонтального типа.
Парогенераторы горизонтального типа для АЭС с ВВЭР были впервые
введены в эксплуатацию на Ново-Воронежской АЭС. Эти парогенераторы
представляют собой корпусные рекуперативные теплообменники. Теплоноситель,
давление которого в 2—3 раза выше давления генерируемого пара, движется внутри
труб, куда подается с помощью коллекторов. Экономайзерная и испарительные
поверхности нагрева совмещены по существу. В водяном объеме парогенераторная
вода имеет температуру насыщения. Вся поверхность нагрева работает как кипящая.
Вырабатываемое при этом количество пара превосходит выдаваемое потребителю.
Избыточное количество пара, конденсируясь, отдает тепло для подогрева
питательной воды до температуры насыщения. Парогенераторы вырабатывают
насыщенный пар. Характер омывания теплопередающей поверхности нагрева
рабочим телом можно рассматривать как естественную циркуляцию при
безнапорном движении. Подогрев питательной воды, выработка пара и его сепарация производятся в одном корпусе. Поверхность нагрева парогенератора по
условиям требования чистоты теплоносителя изготовлена из аустенитной
нержавеющей стали. Трубы теплопередающей поверхности дистанционируются по
высоте и ширине пучка с помощью волнообразных пластин и прямых планок.
Коллекторы изготавливаются либо из нержавеющей стали, либо из стали
перлитного класса. В последнем случае внутренняя стенка коллекторов,
соприкасающаяся с теплоносителем, плакируется сталью 0Х18Н10Т. Проходящие
через корпус коллекторы приварены к нему в нижней его части с помощью
патрубков, образующих водяную рубашку. Обслуживание внутренних полостей
коллекторов в парогенераторах 1-го и 2-го блоков осуществляется снизу; в
парогенераторах 3—5-го блоков — сверху. Корпус парогенераторов состоит из
цилиндрической обечайки и двух эллиптических днищ, изготавливаемых из стали
перлитного класса.
Питательная вода вводится в корпус над зеркалом испарения и направляется в
горизонтально расположенный под зеркалом испарения коллектор питательной
воды. В парогенераторах 1—4-го блоков он располагается примерно в средней части
трубного пучка. Питательная вода из отверстий коллектора направляется в сторону
горячей части трубного пучка, что способствует выравниванию паровой нагрузки
зеркала испарения. В парогенераторе 5-го блока для выравнивания паровой
нагрузки зеркала испарения устанавливается погруженный дырчатый щит, а
питательная вода из коллектора подается на щит в сторону входной части трубного
пучка.
Сепарация пара двухступенчатая: I - ступень осадительная, II ступень —
жалюзийные сепараторы. В табл. 1 представлены характеристики эксплуатируемых
парогенераторов Ново- Воронежской АЭС 1—4-го блоков и 5-го блока — для
реактора ВВЭР-1000. На рис. 4 показана схема парогенератора 4-го блока НВ АЭС.
Горизонтальные парогенераторы к реакторам ВВЭР.
Рис. 4 Парогенератор 4-го блока Ново-Воронежской АЭС: 1 — корпус парогенератора: 2 — пучок
труб; 3 — штуцера измерителя уровня; 4 — жалюзийные сепараторы; 5 — коллектор насыщенного
пара; 6—выход насыщенного пара; 7 — люк; 8 —штуцер периодической продувки; 9 — коллектор
питательной .воды; 10 — непрерывная продувка; 11 — опоры трубок; 12— опора парогенератора;
13 — вход: ной коллектор теплоносителя; 14 — воздушник коллектора; 15 — отвод утечки из-под
прокладки крышки; 16— крышка коллектора; 17 — крышка; 18 — вход питательной воды; 19 —
выходной коллектор теплоносителя
Основные характеристики парогенераторов
1
Тепловая мощность, МВт
Число парогенераторов на реактор
Давление теплоносителя, МПа
Температура теплоносителя, °С:
на входе
на выходе
Расход теплоносителя, кг/с
Паропроизводительность, кг/с
Давление пара, МПа
Температура пара, °С
Температура питательной воды, °С
Скорость теплоносителя в трубах, м/с
Коэффициент теплопередачи, кВт/(м2-К)- ат
теплоносителя к стенке от стенки к воде
Коэффициент теплопередачи. кВт/(м.2-К):
Средний удельный тепловой поток, кВт/м2
Средний логарифмический температурный напор,
°С
Теплопередающая поверхность с учетом запаса на
загрязнения, м2
Число трубок
Диаметр и толщина стенки трубок, мм
Длина трубок средняя, м
Гидравлическое сопротивление по тракту теплоносителя, МПа
Приведенная скорость выхода пара с зеркала испарения, м/с
Влажность пара расчетная, %
Размеры корпуса, м: внутренний диаметр длина
Таблица 1
Парогенераторы НВ АЭС
1 блок
2 блок
3,4 блок 5 блок
2
3
4
5
126
179
226
752
6
8
6
4
9,8
10,3
12,2
15,7
273
280
801
322
252
252
268
289
1220
63,9
3,14
236
189
2,94
19,8
17,3
4,29
106
24,7
1285
90,3
3;24
238
1195
3,36
23,2
18
4,36
111
25,5
1390
125,5
4,62
259
1226
2,7
19,4
16,6
4,31
91,5
21,2
4120
406
6.26
278
220
4,89
—
—
6,4
184
'24,7
1300
1810
2500
5200
2074
21x1,5
9,5
0.15
3664
16x1,4
10,1
0,16
5146
16x1,4
8,7
0,098
15648
12x1,5
8,9
—
0,172
0,196
0,2
—
0,001
3,01
11,57
0,0068
3,01
11,57
0.005
3,21
11,95
0,1
4,0
15,0
Внутренний диаметр коллекторов, мм
750
650
Вес сухого парогенератора, т
104
112
Удельный расход металла (кг металла на кг пара)
0.45
0.344
* Прочерк в этой и других таблицах означает, что данных не имеется.
800
145
0.32
850
265
0.1
Основные характеристики парогенератора
1. Тепловая мощность, МВт
2. Температура теплоносителя. °С: на входе на выходе
3. Давление теплоносителя. МПа
4. Расход теплоносителя, кг/с
5. Паропроизводительность, кг/с
6. Давление пара. МПа
7. Температура пара. °С
Таблица 2
Горизонтальный парогенератор с перегревом пара
802
325,5
290
15,7
3890
403
6,09
305
8. Температура питательной воды. °С
9. Скорость теплоносителя в трубах, м/с
10. Диаметр и толщина стенки трубки, мм
11. Число трубок в испарителе
12. Коэффициент теплопередачи. кВт/(м~-К):
в испарителе
в пароперегревателе
220
6
12x1,2
12 306
7,85
2,32
13.Удельный тепловой поток средний, кВт/м":
в испарителе
в пароперегревателе
7.85
2,32
14. Теплопередающая поверхность, м :
в испарителе
в пароперегревателе
198
26,2
15. Длина парогенератора, м
16. Диаметр парогенератора, м
17. Вес парогенератора, т
18. Удельные затраты металла (кг металла на кг па
ра)
4130
1800
260
0,18
Рис. 5 Горизонтальный парогенератор с перегревом пара: 1 — выходной коллектор
теплоносителя; 2 — корпус парогенератора; 3 — штуцера уровнемера; 4— штуцер входа
питательной воды; 5 — отвод утечек из-под прокладок крышки; 6— крышка коллектора; 7 —
крышка; 8 — воздушник коллектора; 9 — пароотводящий штуцер; 10— защитный кожух;
IT—пучок труб пароперегревателя; 12— сепараторы; 13 — труба для отвода воды из сепараторов;
14 — дырчатый щит; 15 — коллектор питательной воды; 16 — пучок труб испарителя; 17 —
дренаж; 18 — входной коллектор испарителя.
В табл. 2 даны характеристики парогенератора горизонтального типа,
рассчитанного на слабый перегрев пара, на рис. 5 — проектная конструкция
парогенератора этого типа. Пароперегревательный пучок, как это видно из рис. 5,
размещен за сепараторами в верхней части сепарационного пространства. Часть
корпуса парогенератора в районе выхода перегретого пара защищена экранами.
Вертикальные парогенераторы, обогреваемые водой, с естественной
многократной циркуляцией.
Парогенераторы с теплоносителем — вода под давлением вертикального типа
(проект, СССР).
В Советском Союзе ведутся разработки парогенераторов вертикального типа с
коллекторным вводом теплоносителя. Как отмечалось в [1, 2], при мощности
парогенератора 750—800 МВт предпочтительность вертикальной или
горизонтальной конструкции не вполне очевидна, однако при дальнейшем росте
мощности следует ориентироваться на вертикальные парогенераторы.
В табл. 3 представлены характеристики1 вариантов парогенераторов
вертикального типа, предназначенных для выработки насыщенного пара с
теплопередающей поверхностью из винтовых змеевиков, на рис. 6 дана их
конструкция.
В парогенераторе с винтовыми змеевиками концы труб завальцованы в
вертикальный круглый коллектор. Коллектор подвода и отвода теплоносителя один.
Вход и выход теплоносителя разделены съемными перегородками. Трубный пучок,
представляющий собой теплопередающую поверхность погружного типа, отделен
от корпуса обечайкой. Кольцевая щель между корпусом и обечайкой является
опускным участком контура естественной циркуляции парогенератора.
Питательная вода поступает в опускной участок из патрубков, присоединенных к
тороидальному коллектору питательной воды, расположенному выше уровня воды
в парогенераторе.
Пароводяная смесь из теплопередающего пучка поступает в циклонные
сепараторы с осевым подводом пара (I ступень сепарации). Вторая ступень
сепарации — гравитационная. Окончательная осушка пара происходит в
вертикальных жалюзийных сепараторах. Материал труб теплопередающей
поверхности— сталь 0Х18Н10Т, для корпуса используется сталь 22К, для коллекторов — сталь 18Х2М, плакированная статью 0Х18Н10Т. На рис. 6 показана
схема вертикального парогенератора без перегрева пара, теплопередающая
поверхность которого разделена на две секции. Такое разделение дает возможность
расхолодить реактор при снятой крышке за счет естественной циркуляции
теплоносителя через нижнюю секцию. Однако существуют проектные варилит
конструкции парогенератора без пучка расхолаживания |I| В табл. 4 представлены
характеристики вертикального парогенератора, рассчитанного на выработку перегретого пара.
Таблица 3
Вертикальный парогенератор
Основные характеристики парогенератора
с винтовыми
I вариант
728
1. Тепловая мощность парогенератора, МВт
2. Температура теплоносителя, °С:
на входе
331
на выходе
295
3. Давление теплоносителя, МПа
16,7
4. Расход теплоносителя, кг/с
3520
5. Паропроизводительность, кг/с
400
6. Давление пара, МПа
6,28
7. Температура пара, °С
278,5
8. Температура питательной воды, °С
220
9. Скорость теплоносителя в трубах, м/с
5
2
10. Коэффициент теплопередачи, кВт/(м -К)
4,9 - 5,2
11. Температурный напор, °С
31,1
2
12. Удельный тепловой поток, кВт / м
152-163
2
13. Поверхность теплообмена, м
4500—4800
14. Длина трубок средняя, м
8,7-11,3
15. Диаметр и толщина стенки трубок, мм
10x1,2
16. Число трубок
22 200
17. Потеря напора на трение в трубах, МПа
0,15
18. Скорость теплоносителя в подводящем патрубке, м/с
10,75
1,4
19. Приведенная скорость выхода пара с зеркала испарения,
м/с
20. Диаметр центробежного сепаратора, мм
120
21. Число сепараторов
380
245
22. Наружный диаметр раздающей трубы питательной воды, мм
23. Условный диаметр пароотводящего патрубка, мм
700
24. Внутренний диаметр коллектора, мм
1150
25. Размеры корпуса, м:
3,9
внутренний диаметр
12
длина (высота)
26. Вес сухого парогенератора, т
200
27. Удельный расход металла (кг металла на кг пара)
0,137
Основные характеристики парогенератора
1. Тепловая мощность, МВт
2. Температура теплоносителя, °С:
на входе
на выходе
3. Давление теплоносителя, МПа
4. Расход теплоносителя, кг/с
5. Паропроизводительность, кг/с
змеевиками
II вариант
752
324
290
15.7
3890
408
6,28
278,5
220
5
6,98
—
186
5300
12x1,2
—
—
—
—
—
—
15,5
250
0.16
Таблица 4
Вертикальный парогенератор с перегревом
пар)
802
325,5
290
15,7
3890
403
6. Давление пара, МПа
7. Температура пара, °С
8. Температура питательной воды, °С
9. Скорость теплоносителя в трубах, м/с
10. Диаметр и толщина стенки трубки, мм
1 1 . Число трубок в испарителе
12. Коэффициент теплопередачи, кВт/(м2-К):
в испарителе
в пароперегревателе
13. Удельный тепловой поток средний, кВт/м2:
в испарителе
в пароперегревателе
14. Теплопередающая поверхность, м2:
в испарителе
в пароперегревателе
15. Длина (высота) парогенератора, м
16. Диаметр парогенератора, м
17. Вес парогенератора, т
18. Удельные затраты металла (кг металла на кг пара)
6,09
318
220
6
12x1,2
11000
6,98
2,21
192
34
5000
3100
16,5
—
300
0,203
В парогенераторе с перегревом пара трубный пучок пароперегревателя
располагается за второй ступенью сепарации и по конструкции аналогичен
трубному пучку испарителя. Материал трубок испарителя — сталь 0X18Н10Т,
материал трубок пароперегревателя исследуется. Для коллектора используется
высокопрочная низколегированная сталь перлитного класса с плакировкой
поверхности со стороны теплоносителя аустенитной сталью, для корпуса — такая
же сталь, но без плакировки.
Рис.6 Вертикальный парогенератор с пучком расхолаживания (проект СССР) с винтовыми
змеевиками: 1 — корпус; 2 - обечайка; 3 — нижняя часть пучка труб 4 - коллектор : 5 — верхняя
часть пучка труб; 6 - непрерывная продувка 7 -коллектор питательной воды 8 — сепаратор 9 выход насыщенного пара; 10— крышка 11 — крышка коллектора; 12— люк; 13 - питательной
воды 14 — раздающие трубы питательной воды 15 - входной патрубок теплоносителя; 16 —
разделительная перегородка 17 —штуцер периодической продувки; 18 - выходной патрубок
теплоносителя.
Парогенераторы зарубежных АЭС с водным теплоносителем В
зарубежной практике на АЭС с теплоносителем—вода под давлением находят
применение конструкции парогенераторов вертикального типа с трубными
досками,
погруженными
(У-образных
труб).
поверхностями
Парогенераторы
нагрева,
изготовленными
рассчитываются
на
из
выработку
насыщенного пара. В табл. 5 представлены характеристики парогенераторов
американских АЭС, в табл. 6 — парогенераторов АЭС ФРГ.
Таблица 5
Характеристики парогенераторов
Тепловая мощность, МВт
Число парогенераторов на реактор
Давление теплоносителя, МПа
Температура теплоносителя, °С
на входе
на выходе
Расход теплоносителя, кг/с
Паропроизводительность, кг/с
Давление пара. МПа
Температура пара. °С
Температура питательной воды. °С
Наружный диаметр трубок, мм
Число трубок
Поверхность теплообмена, м
Диаметр корпуса, м
Высота корпуса, м
Диаметр и толщина стенки главных циркуляционных трубопроводов, мм
«СанОнофр»
448
АЭС
«Индиан
«Р. И.
Пойнт-2» Джинна»
692
726
«Секвойя»
856
лj
14
314
4
15,4
314
2
—
—
4
15,4
321
290
4310
239
4,9
262
215
—
—
2600
3,6
284
4380
303
4.98
264
225
—
3200
4100
4,25
—
—
392
5,05
264,4
—
—
3260
4070
3,2
13,5
—
19,1
—
19,1
760x25
285
4220
465
5.87
274,3
224
22
3260
4780
3,43
4,42
19
740x20
Таблица 6
Характеристики парогенераторов
«Обриг-гѐйм»
АЭС
«Штаде»
«Библис»
Тепловая мощность; МВт
459
475
862
Число парогенераторов на реактор
Давление теплоносители, МПа
Температура теплоносителя; С;
на входе
на выходе
Расход теплоносителя, кг/с
Паропроизводительность. кг/с
Давление пара, МПа
2
14,2
4
15,5
4
15,5
310
283
3140
237
4,9
316
288
3050
250
5,1
316,4
284,6
5000
453
5,1
Температура пара, °С
Температура питательной воды, оС
Скорость теплоносителя, м/с
Коэффициент теплопередачи. кВт/(м2-К)
Средний удельный тепловой поток, кВт/м2
Теплопередающая поверхность, м2
Диаметр и толщина стенки трубок, мм
Средняя длина труб, м
Влажность пара на выходе из парогенератора,
%
Толщина трубной доски, мм
Размеры корпуса, м:
диаметр высота
Удельный расход металла
262,7
205
5,5
5,12
165
2750
22x1.2
15,4
0,25
265
207,5
5,1
4.81
170
3600
22x1,2
14,4
0,25
265
207,2
—
—
—
—
—
—
—
675
640
—
3,6
15,7
0,193
2,9x3,5
15,4
0,32
—
Конструктивные схемы этих парогенераторов достаточно близки и
схематично представлены на рис. 7. Корпус парогенератора состоит из двух частей:
нижней, в которой размешена тепло передающая поверхность из U-образных
змеевиков, и верхней, где располагаются сепарационные устройства. Диаметр
нижней
части
корпуса
меньше,
чем
диаметр
верхней
части.
Трубы
теплопередающей поверхности изготавливаются из сплава инконель: 14—17%
хрома, 9% железа, остальное никель. Для корпуса используются углеродистые
стали. Части корпуса, которые соприкасаются с теплоносителем, плакируются
инконелем.
Рис. 7 Вертикальный парогенератор с U-образными трубками и трубной доской (зарубежная
конструкция): 1 — вход теплоносителя; 2 — уровень воды; 3 — жалюзийные сепараторы- 4 —
выход пара; 5 — центробежные сепараторы; 6 — вход питательной воды; 7 — трубный пучок; 8 —
дренаж; 9 — выход теплоносителя; 10 — лаз.
Рис. 8 Вертикальный прямоточный парогенератор АЭС с ВВЭР (США, АЭС «Окони»): 1— выход
теплоносителя; 2 — дренаж; 3 — монтажное отверстие; 4 - дистанционируюшие пластины; 5 —кожух; 6 —
коллектор питательной воды; 7 —отверстие для прохода пара в опускной участок; 8 — выход перегретого
пара; 9 — воздушник; 10 — вход теплоносителя; 11 — лаз;12 — устройство для впрыска питательной воды;
13 — дистанционирующие решетки.
Парогенератор фирмы «Вестин-гауз электрик» (модель Е)
Парогенератор тина «Система-80» фирмы «Комбасчен инжиниринг»
Вертикальный ПГ АЭС с ВВЭР
(проект): 1— люк-лаз, 2 — корпус; 3 — кожух трубного пучка; 4 — штуцеры уровнемеров; 5 —
жалюзийный сепаратор тор; 6 — люк-лаз; 7 — штуцер аварийного подвода воды; 8 — штуцер непрерывной
продувки; 9 — пар пучка труб теплопередающей поверхности; 10 - штуцер периодической продувки; 11 —
коллектор теплоносителя; 12 — разделительная обечайка коллектора; 13 — раздающий коллектор
питательной воды; 14 — штуцер дренажа
3.1.4. Прямоточные парогенераторы.
Прямоточные парогенераторы с прямыми трубками теплопередающей
поверхности. На АЭС «Окони-1» и «Дэвис-Бессе» с водой под давлением
установлены прямоточные парогенераторы, производящие слабо перегретый пар.
Характеристики этих парогенераторов представлены в табл. 7, конструктивная
схема — на рис. 8.
Таблица 7
Характеристики парогенераторов
Тепловая мощность, МВт
Число парогенераторов на реактор
Давление теплоносителя, МПа
Температура теплоносителя, °С:
на входе
на выходе
Расход теплоносителя, кг/с
Паропроизводительность, кг/с
Давление пара, МПа
Температура пара. °С
Давление питательной воды, МПа
Температура питательной воды, °С
Диаметр и толщина стенки корпуса, м
Высота, м
Наружный диаметр трубопроводов, мм:
«горячего» теплоносителя
«холодного» теплоносителя
Качество питательной воды парогенератора:
общее солесодержание, мкг/кг
содержание кремния, мкг/кг
содержание железа, мкг/кг
содержание меди, мкг/кг
соли жесткости, мкг/кг
рH
АЭС
«Окони-1»
«Девис-Бессе»
665
3
16,1
337
304
348
6,48
314
7,2
—
—
—
1316
2
15,2
320
291
8250
718
6,2
299
—
237
4,34X0,226
22
—
—
914
710
50
20
10
2
0
9,3—9,5
—
—
—
—
—
Теплопередающая поверхность набрана из прямых труб, материал их — инконель.
Для корпуса выбрана углеродистая сталь. Питательная вода через разбрызгивающее
устройство и подается в кольцевой зазор между корпусом парогенератора и
кожухом, отделяющим теплопередающую поверхность or корпуса.
Рис. 9 Прямоточный парогенератор с теплоносителем — вода под давлением для выработки
перегретого пара поверхность нагрева змеевикового типа (проект, СССР): 1 — корпус
парогенератора; 2 — верхняя часть трубного пучка; 3 — собирающая камера верхнего пучка и
раздающая камера нижнего пучка труб; 4 — нижняя часть трубного пучка; 5 — собирающая
камера нижнего трубного пучка: 6 —раздающая камера верхнего трубного пучка
Характеристика парогенератора
Электрическая мощность, МВт
Тепловая мощность, МВт
Паропроизводительность, кг/с
Давление пара, МПа
Температура пара, °С
Температура питательной воды. °С
Расход теплоносителя, кг/с
Давление теплоносителя, МПа
Температура теплоносителя, °С:
на входе
на выходе
Скорость теплоносителя в трубах, м/с
Диаметр и толщина стенки труб, мм
Суммарная теплопередающая поверхность, м2
Число труб, шт.:
в нижнем спиральном пучке
в верхнем спиральном пучке
Число слоев навивки
Шаг между слоями, мм
Количество трубок в первом слое:
нижнего пучка
верхнего пучка
Количество трубок в последнем слое:
нижнего пучка
верхнего пучка
Внутренний диаметр и толщина стенки коллектора, мм
Внутренний диаметр трубопроводов, мм:
подвода и отвода теплоносителя
подвода питательной воды
отвода перегретого пара
Внутренний диаметр корпуса, мм
Высота парогенератора, м
Масса парогенератора, т
Таблица 8
Прямоточный пароге
нератор АЭС с ВВЭР
(СССР, проект)
500
1570
793
6,28
315
220
6750
15,7
326
285
4,23
12x1,2
15 850
13850
17100
51
14,5
212
260
356
436
1650x195
800
400
800
3600
26,5
460
За счет конденсации части пара, поступающего в кольцевую щель через
окна в кожухе, питательная вода нагревается до температуры кипения. Это
позволяет поддерживать температуру корпуса равной температуре насыщения, что
сводит к минимуму различие температур стенки трубы и корпуса и, следовательно,
уменьшает до минимального значения разность температурных удлинений труб и
корпуса.
Прямоточный парогенератор с витыми змеевиками (проект, СССР). На рис.
9 представлена схема, а в табл. 8 даны основные характеристики вертикального
прямоточного парогенератора с перегревом пара. Теплопередающая поверхность
парогенератора выполнена из витых змеевиков и разделена на два теплообменных
пучка. В нижнем пучке питательная вода подогревается до температуры кипения и
частично испаряется. В верхнем пучке влажный пар полностью испаряется и
перегревается.
Материал
трубок
нижнего
пучка—сталь
0Х18Н10;
верхнего—.сталь ОХ20Н46Б.
Трубки теплопередающей поверхности подсоединены к вертикально
расположенному коллектору. Внутри коллектора установлены перегородки с
отверстиями, которые делят поток теплоносителя на две части: одна направляется
в трубки нижнего трубного пучка, другая — в трубки верхнего пучка. Питательная
вода подается в парогенератор через патрубки, присоединенные к нижнему днищу
корпуса. Перегретый пар выходит из патрубков в верхнем днище парогенератора.
Прямоточный прямотрубный ПГ:
1— входная камера теплоносителя; 2 — трубная доска; 3 — трубы поверхности теплообмена; 4 —
патрубок выхода пара; 5 — коллектор питательной воды; 6 — корпус ПГ; 7 — кожух трубного пучка; 8 —
трубная доска; 9 — выходная камера теплоносителя.
3.1.5. Секционный парогенератор для АЭС с ВВЭР (проект, ЧССР)
Чехословацкими
специалистами
разработан
проект
многосекционного
парогенератора для АЭС с ВВЭР. Подобного типа парогенераторы могут найти
применение как аппараты большой единичной мощности. Схема парогенератора
имеется в [1]. U-образные секции парогенератора выполнены по типу «пучок труб в
трубе» и соединены с одним сепарационным барабаном. Теплоноситель Движется
внутри труб пучка, рабочее тело (вода и пароводяная смесь) — в межтрубном
пространстве секции, продольно омывая пучок труб. Подъемными и опускными
трубами секции соединяются с сепарационным барабаном. Движение рабочего тела
— за счет напора естественной циркуляции.
Характеристики парогенератора
Тепловая мощность, МВт
Давление теплоносителя, МПа
Температура теплоносителя, °С;
на входе
на выходе
Расход теплоносителя, кг/с
Паропроизводителность. кг/с
Давление пара. МПа
Температура пара. °С
Температура питательной воды, С
Скорость теплоносителя, м/с:
на экономайзерном участке
на испарительном участке
Коэффициент теплоотдачи от теплоносители к стенке, кВт/(м2хК)
на экономайзерном участке
на испарительном участке
Коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочему телу, кВт/( м2хК)
на экономайзерном участке
на испарительном участке
Коэффициент теплопередачи кВт/( м2хК):
на экономайзерном участке
на испарительном участке
Удельный тепловой поток на испарительном участке, кВт/м
Кратность, естественной циркуляции
Скорость циркуляции, м/с
Число секций
Число трубок в секции
Диаметр и толщина стенки трубки, мм
Диаметр толщина стенки трубы -корпуса секции, мм
Толщина трубной доски секции, мм
Внутренний диаметр трубопроводов теплоносителя, мм
Скорость теплоносителя в трубопроводах, м/с
Таблица 9
Значение
186
10,3
282
252
1230
92,8
3,24
238
192
3,19
3,28
24,8
25,1
8
23,2
3,32
4,65
124
7
0,83
64
55
16х1.4
194х6
45
500
8,33
Диаметр и толщина стенки опускных труб контура естественной циркуляции,
мм
Скорость воды в опускных трубах, м/с
Гидравлическое сопротивление по контуру теплоносителя, МПа
Размеры сепарационного барабана, м:
наружный диаметр
длина
Вес парогенератора, т
102x3,5
1,75
0,116
1,8
11
106
Материал трубок теплопередающей поверхности — сталь 1X18Н10Т.
Наружные трубы секции и сепарационный барабан изготовляются из углеродистой
стали. Основные характеристики парогенератора даны в табл. 9.
3.2. Парогенераторы АЭС с газовым теплоносителем.
До
1967
г.
на
АЭС
с
газовым
теплоносителем
устанавливались
парогенераторы либо башенного типа (АЭС «Колдер-Холл» и другие в Англии),
либо секционные АЭС с газовым теплоносителем (в ЧССР, Франции). Начиная с
1967 г. в Англии и других странах на АЭС с газовым теплоносителем применяется
интегральная компоновка оборудования 1 контура в корпусе из предварительно
напряженного железобетона. Секций парогенераторов располагаются либо в
кольцевом
пространстве
между
кожухом
активной
зоны
реактора
и
железобетонным корпусом, либо в цилиндрических ячейках в стенке корпуса, либо
под активной зоной реактора. Несколько секций, объединенных по питательной
воде общим регулирующим органом, составляют один парогенератор. Так как в
железобетонном корпусе трудно разместить сепарационные устройства, то
парогенераторы выполняются прямоточными. Размеры секций рассчитываются на
полный монтаж и испытание в заводских условиях.
3.2.1. Секционный парогенератор АЭС «А-1» (ЧССР)
Теплоноситель
—
углекислый
газ.
Парогенератор
секционный,
с
многократной принудительной циркуляцией производит пар двух давлений.
Секция парогенератора выполнена подтипу «пучок труб в трубе». Вода
движется внутри труб, газ — в межтрубном пространстве. Парогенератор состоит из
трех частей. Каждая часть, содержащая две параллельно включенные ветви из
тринадцати
U-образных
металлический
кожух
сепарационных
барабана
Конструктивная
схема
с
.секций,
заключена
тепловой
изоляцией.
для
ступеней
парогенератора
в
воздухонепроницаемый
Парогенератор
имеет
низкого
и
высокого
приведена
в
[1],
два
давлений.
характеристики
парогенератора — в табл. 10.
Характеристики парогенератора
Таблица 10
АЭС «А-1»
Тепловая мощность, МВт
83,5
Число парогенераторов на реактор
6
Давление теплоносителя, МПа
Температура теплоносителя, °С:
на входе
на выходе
Расход теплоносителя, кг/с
5,6
42
112
266
Давление пара, МПа:
ступени высокого давлений
ступени низкого давления
Температура перегретого пара, °С
ступени низкого давления
ступени высокого давления
Число секций
185
400
78
Число труб в секции
Диаметр и толщина стенки трубок, мм
19
22x2,5
Наружный диаметр трубы-оболочки секции, мм
159
Скорость газа в секциях, м/с
Перепад давления по газу, МПа
8,4
0,1
3,16
0,196
3.2.2. Парогенераторы АЭС с интегральной компоновкой оборудования I
контура
Парогенератор
АЭС
«Сен-Лоран»
(Франция).
Теплоноситель—
углекислый газ. Парогенератор —прямоточный, состоит из 26 секций и 4
полусекций. В каждой секции имеются четыре независимых пакета змеевиков.
Секции располагаются в цилиндрическом пространстве под реактором. Схема
парогенератора имеется в[3]. Характеристики парогенератора представлены в табл.
11.
Характеристики парогенератора
Тепловая мощность, МВт
Давление теплоносителя, МПа
Температура теплоносителя, °С:
на входе
на выходе
Расход теплоносителя, кг/с .
Паропроизводительность* кг/с
Температура перегретого пара °С
Давление перегретого пара, МПа
Температура питательной воды, °С
Теплопередающая поверхность, м2
Число трубок
Полная длина трубок, м
Гидравлическое сопротивление по тракту теплоносителя, МПа
Гидравлическое сопротивление по тракту рабочего тела, МПа
Удельная объемная нагрузка теплопередающей поверхности МВт/м3
Вес отдельной секции, т
Размеры полости корпуса, где размещен парогенератор, м:
внутренний диаметр
высота
Таблица 11
АЭС «Сен-Лоран»
1650
2,45
400
220
8200
576
390
3,36
88
20800
1370
225x103
0,037
0,76
1,53
80
15,5
10
Парогенераторы АЭС «Данджнесс В», «Хинкли Пойнт В», «Хартлпул»
(Англия). Теплоноситель — углекислый газ. Парогенераторы (табл. 12)
прямоточные, секционные. На первых двух станциях (действующих) секции
парогенератора, составленные из плоских змеевиков, располагаются в кольцевой
щели между кожухом реактора и железобетонным корпусом.
На АЭС «Хартлпул» парогенераторы располагаются в вертикальных
цилиндрических шахтах в стенке корпуса. Теплопередающая поверхность в этом
парогенераторе составлена из винтовых змеевиков.
По
ходу
газа
части
последовательности:
парогенератора
промежуточный
располагаются
в
следующей
пароперегреватель,
основной
пароперегреватель, испаритель, экономайзер. В испарительной части пар
перегревается на несколько градусов.
Таблица 12
Основные характеристики парогенераторов
1
Тепловая мощность блока реактор— парогенераторы, МВт
Число парогенераторов на реактор
Число секций в Парогенераторе
Давление теплоносителя, МПа
Температура теплоносителя, °С: на входе .
«Данджнесс
В»
2
1495
АЭС
«Хинкли Пойнт
В»
«Хартлпул»
3
1500
4
1500
4
6
3,32
675
4
3
3,92
634
4
2
3,84
642
на выходе
320
—
Расход теплоносителя на блок реактор—
парогенераторы, кг/с
Паропроизводительность блока, кг/с
467
Давление перегретого пара, МПа
17,2
Температура перегретого пара. °С
565
Температура питательной воды, °С
—
431
Расход пара через промпароперегреватель. кг/с
Давление пара промперегрева. МПа
3,83
Температура промперегрева, °С:
на входе
342
на выходе
565
Теплопередающая поверхность парогенератора, м2 10000
744
Число труб теплопередающей поверхности парогенератора
Внутренний диаметр корпуса, м
18,9
Высота внутренней полости корпуса, м
19,4
2,8
Ширина кольцевой щели, в которой располагаются
секции парогенераторов, м
288
3790
286
3679
479
16,7
541
156
443
4,07
481
17,2
543
157
444
4,07
348
541
—
—
341
541
18,9
19,4
2,8
13,1
18.3
Толщина железобетонного корпуса блока, м
Диаметр шахты в корпусе для секции парогенератора, м
Толщина верхней крышки блока, м
Вес секции парогенератора, т
Наружный диаметр труб теплопередающей поверхности парогенератора, мм
Высота цилиндрического ребра, мм
Число ребер на 1 м длины трубы
Наружный диаметр труб промпароперегревателя.
мм
Высота ребер, мм
Число ребер на 1 м длины трубы промпароперегревателя
Гидравлическое сопротивление по тракту теплоносителя, МПа
Гидравлическое сопротивление по тракту рабочего
тела, МПа
Удельная объемная тепловая нагрузка теплопередающей поверхности, МВт/м3
Змеевики
экономайзерной
части
5
—
5
—
6,4
2,74
5,5
—
30,5
5,5
75
—
5,5
—
—
3,8
355
32
—
—
—
—
—
—
2,54
315
—
—
—
—
0,031
—
—
1,55
—
—
3,48
—
сделаны
из
-
углеродистой
стали,
испарительной — из стали с 9% хрома и 1% молибдена, пароперегревательной — из
аустенитной нержавеющей стали. Для экономайзера и испарителя используются
оребрѐнные
трубы.
Секции
парогенератора
целиком
изготавливаются
и
испытываются на заводе. Схемы, показывающие расположение парогенераторов в
корпусе, приводятся в [1,3]. Парогенератор АЭС «Форт С.-Врэйн» (США). Теплоноситель — гелий. Секции парогенератора образованы винтовыми змеевиками и
располагаются по периферии нижней части внутренней цилиндрической полости
под активной зоной реактора. По ходу газа части парогенератора располагаются в
той же последовательности, что и в ранее рассмотренных парогенераторах. Так как
температура теплоносителя в этом парогенераторе выше, чем в парогенераторах с
углекислым
газом,
то
для
уменьшения
температуры
стенки
труб
в
пароперегревателе теплоноситель и перегретый пар движутся прямотоком. В
остальных частях парогенератора движение прямоточное.
В табл. 13 представлены основные характеристики парогенератора, а на рис.
10 — его конструкция.
Рис. 10 Парогенератор АЭС «Форт С.-Врэйн» (США) с гелиевым теплоносителем: 1 — вход
теплоносителя; 2 — верхнее уплотнение; 3 — монтажное кольцо; 4 — лабиринтовое уплотнение; 5
— промпароперегреватель; 6 — кожух; 7 — пароперегреватель И; 8 — экономайзер, испаритель,
пароперегреватель I; 9 — коллекторы питательной воды (18 шт.); 10 — коллекторы перегретого
пара (18 шт.); 11 —нижнее уплотнение; 12— плита; 13 — выход гелия; 14 — первая крышка; 15
—оболочка; 16— вторая крышка; 17 — выход перегретого пара; 18 — коллектор питательной
воды; 19 — ввод пара промперегрева; -20 — выход пара промперегрева
Таблица 13
АЭС «Ф. С— Врэйн»
Основные характеристики парогенератора
Тепловая мощность блока реактор—парогенераторы, МВт Число
парогенераторов на реактор
Число парогенераторов на реактор
Число секций в парогенераторе
Давление теплоносителя, МПа
Температура теплоносителя, °С:
на входе
на выходе
Расход теплоносителя через блок реактор—парогенераторы, кг/с
Паропроизводительность блока, кг/с
Давление перегретого пара, МПа
Температура перегретого пара. °С
Температура питательной воды. °С
Наружный диаметр труб экономайзера, испарителя, пароперегревателя мм
Число этих труб на секцию
Расход пара через промпаронерегреватель, кг/с
Давление пара промперегрева. МПа
Температура пара промперегрева. °С:
на входе
на выходе
Наружный диаметр труб промпароперегревателя, мм
Число труб промпароперегревателя (на секцию)
Теплопередающая поверхность парогенератора, м2
Полная длина труб парогенератора, м
Гидравлическое сопротивление парогенератора по тракту теплоносителя
МПа
Гидравлическое сопротивление парогенератора по рабочему телу МПа
Удельная объемная нагрузка парогенератора, мВт/м2
Диаметр секции парогенератора, м
Вес секции парогенератора, т
Диаметр корпуса блока м
наружный
внутренний
Высота, м. наружный внутренний
850
2
6
4,75
775
395
440
290
17,3
540
206
25,4
54
282
4,14
340
539
28,6
84
2160
46,6x103
0,024
1,61
9,45
1,66
25
18
9,4
32
23
Натрий движется в межтрубном пространстве, рабочее тело (вода и
пароводяная
смесь
в
испарителе,
пар
в
пароперегревателе
и
промпароперегревателе —внутри труб. Модули основного и промежуточного
пароперегревателей соединены параллельно по теплоносителю. Из обоих модулей
натрий выходит с одинаковой температурой и поступает в модуль испарителя. В
последнем происходят напрев питательной воды до температуры кипения,
испарение и небольшой (на 12—15°С) перегрев пара. Корпус, трубный пучок,
трубные доски пароперегревателей изготовлены из стали XI8Н9, а испарителя —
из стали 1Х2М.
Корпус модуля отделен от потока натрия, обечайкой, защищающей корпус от
воздействия возможных колебаний температуры натрия. Для защиты трубных досок
использованы плиты - вытеснители и изолирующие прокладки. Снизу и сверху к
корпусу приварены камеры для входа и выхода теплоносителя. Натрий поступает в
трубный пучок из входной камеры через отверстия в обечайке. Аналогичен и выход
натрия из трубного пучка в выходную камеру. Камеры для входа и выхода рабочего
тела образованы трубными досками и съемными крышками. Трубы в вальцованы в
трубные доски, где располагаются по сторонам правильных шестиугольников.
Дистанционирующие решетки пучка труб установлены вдоль пучка с шагом 1 м.
3.3.2.
Парогенераторы
действующих
зарубежных
АЭС
_
с
жидкометаллическим теплоносителем.
Парогенератор АЭС «Даунри» (Англия, 1972 г.). Станция является
прототипом АЭС с электрической мощностью 1000 МВт. Схема парогенератора
имеется в [3], основные конструктивные данные приведены в табл. 15.
Парогенератор
состоит
из
трех
вертикальных
теплообменников
с
U-образными змеевиками: испарителя, пароперегревателя и промежуточного
пароперегревателя. Во всех трех частях парогенератора теплоноситель движется в
межтрубном пространстве.
Пароперегреватель и промпароперегреватель соединены по теплоносителю
параллельно. Движение теплоносителя и рабочего тела в них противоточное.
Питательная вода подается в сепарационный барабан. Циркуляция рабочего
тела в испарителе — многократная, принудительная.
Основные характеристики парогенератора
Тепловая мощность, МВт
Число парогенераторов на реактор
Температура теплоносителя, °С:
на входе в парогенератор
на входе в испаритель
на выходе из парогенератора
Расход теплоносителя, кг/с
Паропроизводительность, кг/с
Давление перегретого пара, МПа
Температура перегретого пара, °C
Давление в сепарационном барабане, МПа
Температура питательной воды, °С
Кратность циркуляции в испарителе
Расход пара через промпароперегреватель, кг/с
Давление пара, МПа:
на входе в промпароперегреватель
на выходе из промпароперегревателя
Температура пара, °С:
на входе в промпароперегреватель
на выходе из промпароперегревателя
Внутренний диаметр корпуса пароперегревателя, мм
Диаметр трубной доски пароперегревателя, мм
Внутренний диаметр корпуса испарителя, мм
Таблица 14
АЭС «Даунри»
200
3
532
455
370
974
84
16,6
514
17,1
288
5
171
3,41
3,19
305
514
1530
1154
1830
Диаметр трубной доски испарителя, мм
Диаметр трубной доски прампароперегревателя, мм
Теплопередающая поверхность пароперегревателя, м2
Число труб в пароперегревателе
Диаметр и толщина стенки трубки пароперегревателя, мм
Число рядов труб по окружности
Число U -образных змеевиков по радиусу
Средняя длина трубы, м
Высота пароперегревателя, м
2232
1734
265
389
14,3x2,24
127
7
10,8
6,6
Рис. 12 Секционный парогенератор АЭС «Феникс» с жидкометаллическим теплоносителем
(Франция): А — промперегреватель; Б— пароперегреватель; В—испаритель; Г — поперечное
сечение через секции; 1 — выход натрия; 2 — растопочный сепаратор; 3— вход натрия в
испаритель; 4 — вход натрия в пароперегрѐва-5 — выход натрия из промпароперегревателя; 6 —
выход пара в промперегреватель; 7—вход пара на промперегрев; 8 — выход перегретого пара: 9 —
выход натрия из пароперегревателя; 10— вход натрия в испаритель; 11— вход питательной воды;
12 — разрывная ша; 13 — коллектор для отвода продуктов взаимодействия натрия с водой.
Таблица 15
АЭС «Феникс»
Основные характеристики парогенератора
Тепловая мощность, МВт
Температура теплоносителя, °С:
на входе
на выходе
Расход теплоносителя, кг/с
Паропроизводительность, кг/с
Давление перегретого пара. МПа
Температура перегретого пара. °С
Температура питательной воды, °С
Расход пара промперегрева. кг/с
Давление пара промперегрева, МПа
Температура пара промперегрева, °С:
на выходе
на входе
Потеря напора по тракту рабочего тела, МПа
экономайзер -испаритель
пароперегреватель
промпароперегреватель
Теплопередающая поверхность, м2:
всего парогенератора
экономайзера-испарителя
пароперегревателя
промпароперегревателя
Число секций в парогенераторе
Число труб в секции
Диаметр и толщина стенки наружной трубы секции, мм:
испарителя-экономайзера
пароперегревателя и промпароперегревателя
Диаметр и толщина стенки труб теплопередающей поверхности, мм:
испарителя-экономайзера
пароперегревателя
промпароперегревателя
Габариты парогенератора, м:
длина
высота
563
550
350
2210
209
16,8
512
246
186
3,49
512
308
1,81
0,47
0,13
2149
961
522
666
36
7
193,7x6,3
193,7x5,4
28x4
31,8x3,6
42,4x2
16,9
18,6
Схема движения рабочего тела и теплоносителя — прямоток. Трубы
испарителя изготовлены из стали с содержанием 2,25% хрома и 1% молибдена. В
пароперегревателе
и
пром-
пароперегревателе
применена
нержавеющая
аустенитная сталь. Парогенератор АЭС «Феникс» (Франция). На рис. 12 показана
конструктивная схема парогенератора АЭС «Феникс». Основные характеристики
парогенератора даны в табл. 16. Парогенератор прямоточный, с промежуточным
перегревом пара. Секции выполнены по типу «пучок труб в трубе» и имеют вид s-
образных змеевиков. Во всех частях парогенератора натрий движется в
межтрубном пространстве, рабочее тело — внутри труб.
Первым по ходу теплоносителя расположен промпароперегреватель, затем
основной
пароперегреватель,
испарителя-экономайзера.
пароперегревателей
—
Материал
за
труб
аустенитная
которым
следуют
теплопередающей
нержавеющая
секции
поверхности:
сталь,
(испари-
теля-экономайзера — ферритная сталь с содержанием 2,25% хрома и 1%
молибдена.
3.3.3. Проекты парогенераторов для зарубежных АЭС с натриевым
теплоносителем
Парогенератор для. АЭС с электрической мощностью 1320 МВт (проект,
Англия). Парогенератор (схема на рис. 13) предназначается для станции с двумя
стандартными турбинами. Разработаны проекты на до критические параметры пара
(с многократной принудительной циркуляцией (МПЦ) и прямоточный), а также на
за критические параметры пара. В табл. 17 приведены основные характеристики
парогенераторов для АЭС с Nэ=1320 МВт. Парогенератор с МПЦ состоит из
отдельных корпусов испарителя, пароперегревателя и промпароперегревателя.
Прямоточные парогенераторы на до критические и за критические параметры
также проектируются трехкорпусными из-за нежелательности сварки труб из
статей разных составов. Пароперегреватель и промпароперегреватель соединены
по теплоносителю параллельно. Наружный диаметр корпуса теплообменников
ограничивался величиной 2,75—3.1 м, считающейся оптимальной с точки зрения
изготовления и транспортировки. Конструкция испарителя и пароперегревателей
основного и промежуточного одинакова: вертикальные теплообменники.
Рис. 13 Парогенератор для АЭС с жидкометаллическим теплоносителем N3=1320 МВт (проект.
Англия): 1 — вход натрия; 2 — выход продуктов взаимодействия натрия с водой; 3 — трубный
пучок; 4 — тепловой экран; 5 — направляющие трубки; 6 — выход натрия; 7 — измеритель уровня
со стороны выхода натрия; 8 — вход рабочего тела; 9 — измеритель уровня со стороны входа
натрия; 10— выход рабочего тела; 11 — детектор водорода; 12— выход натрия; 13 — опора; 14 —
разделительная обечайка: 15 — дренаж.
Таблица 17
Основные характеристики
1
Электрическая мощность АЭС, МВт
Тепловая мощность АЭС, МВт
Количество на АЭС:
испарителей
пароперегревателей
промпароперегревателеи
Температура теплоносителя, °С:
на входе в парогенератор
на выходе из парогенератора
на входе в испаритель
Расход теплоносителя, кг/с:
общий
через пароперегреватель
через промпароперегреватель
Общая паропроизводительность, кг/с
Давление перегретого пара. МПа
Температура перегретого пара, °С
Температура питательной воды. °С
Температура пара на выходе из испарителя, °С
Расход пара через промпароперегреватели, кг/с
Давление пара, МПа:
на выходе из промпароперегревателя
на входе в промпароперегреватель
Температура пара промперегрева, °С:
на выходе
на входе
Кратность циркуляции
Наружный диаметр груб, мм:
в испарителе
в пароперегревателе
в промпароперегревателе
Число труб
в испарителях
в пароперегревателях
в промпароперегревателях
Эффективная длина трубы, м:
испарителя
пароперегревателя
промпароперегревателя
Внутренний диаметр корпуса, м:
испарителя
пароперегревателя
промпароперегревателя
Парогенераторы
прямоточные
с
До крити- За критический
ческий
МПЦ
2
3105
3
1320
3105
4
3000
6
6
4
469
13 200
9480
3790
560
380
469
474
12 800
8160
4640
288
356
861
13200
8470
4730
1250
16,6
540
288
384
861
3,41
3,55
3,41
8,55
4,62
4,80
540
305
5
540
810
1
640
310
1
16,6
25,2
280
407
848
15,9
12,7
25,4
6500
7400
3725
3750
7570
3640
3400
6200
2760
17,1
14,5
13,8
25,1
13,8
15,0
27,7
18,6
18,1
2,96
2,79
2,32
2,9
2,98
2,32
2,8
2,79
2,28
Высота корпуса, м:
испарителя
пароперегревателя
промпароперегревателя
8,05
6,5
6,09
15,02
6,22
6,98
13,4
8.78
8,63
с U-образными змеевиками. 1еплоноситель движется в межтрубном пространстве,
продольно омывая трубки.
Ряды U-образных змеевиков занимают периферийную часть теплообменника.
К плоской трубной доске теплообменников привариваются два тороидальных
коллектора ввода и вывода рабочего тела. Для труб теплопередающей Поверхности
и корпуса испарителя предполагается использовать сталь с 2,25% хрома и 1%
молибдена,
стабилизированную
ниобием
и
титаном.
Трубы
и
корпус
пароперегревателей будут изготовляться из нержавеющей стали. Толщина стенки
труб, определенная расчетом, будет увеличена на 0,075 ,и 0,15 мм соответственно в
испарителе и пароперегревателях на коррозию со стороны натрия и на 0,13 мм — на
коррозию со стороны воды и пара. Добавка на утонение стенки трубы при
выполнении гибов не делается. Расчетное давление для корпусов принимается
равным 3,4 МПа, а для плоских трубных досок—1 МПа. Давление выбирается с
учетом возможного воздействия ударной волны, возникающей при реакции натрия с
водой. Из табл. 17 видно, что в прямоточном парогенераторе пар поступает в
пароперегреватель уже перегретым относительно температуры насыщения на 28°С.
Сделано это для того, чтобы избежать образования отложений на поверхности труб
пароперегревателя из аустенитной нержавеющей стали.
Парогенератор для АЭС с реактором электрической мощностью 1000 МВт
(проект, США). Фирма «Вестингауз» разработала проект парогенератора, схема
которого представлена на рис. 14, а основные характеристики — в табл. 18.
Рис. 14 Прямоточный, парогенератор с натриевым теплоносителем (проект; США): 1 — выход
натрия; 2 — вход питательной воды; 3 — трубный пучок; 4 — дырчатый лист: .5 — раздающие
трубы; 6 — разрывная мембрана: 7 — выход натрия; 8 — газовая полость; 9 — уровень натрия; 10
— выход перегретого пара; 11 — дренаж.
Таблица 18
Основные характеристики парогенератора
Значение
Тепловая мощность, МВт
Температура теплоносителя, °С:
на входе
на выходе
Давление теплоносителя, МПа
Расход теплоносителя, кг/с
Паропроизводительность, кг/с
Давление перегретого пара, МПа
Температура перегретого пара, °С
Температура питательной воды. °С
Перепад давления по теплоносителю, МПа
Перепад давления по рабочему телу, МПа
Наружный диаметр и толщина стенки труб, мм
Число труб в парогенераторе
Число рядов труб в секции
Число змеевиков в ряду
Шаг между трубами по квадрату, мм
Эффективная длина трубы, м
Диаметр патрубков, мм:
питательной воды
перегретого пара
входа теплоносителя
выхода теплоносителя
Диаметр взрывного клапана, мм
Расстояние между входными и выходными патрубками рабочего тела м
Внутренний диаметр корпуса, м
Высота корпуса, м
1300
520
348
0,48
5380
620
16,9
484
260
0,103
1,55
12,7x1,65
3600
20
30
25,4
37,8
204
305
1070
1070
610
11,2
4,6
19,8
Предполагается, что с реактором электрической мощностью 1000 МВт
будут работать два парогенератора. Парогенератор прямоточный состоит из
одного вертикального цилиндрического корпуса, в котором расположены шесть
секций плоских змеевиков, заключенных в прямоугольные обечайки. Каждая
секция имеет трубные доски, вваренные в корпус в нижней и верхней его части.
Трубы к трубным доскам привариваются со стороны, обращенной к натрию, чтобы
избежать образования щелей между трубками и трубной доской со стороны натрия.
К трубным доскам привариваются полусферические днища с патрубками для входа
питательной воды и выхода перегретого пара. Натрий поступает в парогенератор
через входной патрубок в верхнем эллиптическом днище и раздается шестью
трубами по секциям.
Трубы
теплопередающей
поверхности
изготовляются
из
сплава
инколой-800. Трубные доски плакируются сплавом инконель-600 со стороны воды
и натрия. В табл. 19 даны значения допускаемых напряжений (по американским
нормам) для труб из сплавов инколой, инконель и стали с содержанием 2,25%
хромай 1 % молибдена.
Материал
Инколой-800
Инконель-600
Сталь: 2,25% Сг, 1% Мо
Таблица 19
Допускаемое напряжение, кгс/мм
480°С
510°С
540°С
570°С
10,0
9,85
9,7
9,55
11,2
7,4
4,93
3,50
9,8
7,75
5,48
4,08
Парогенератор с обратными элементами (проект, США). Фирма
«Комбашн» разработала проект парогенератора (рис. 15), теплопередающая
поверхность которого выполнена из обратных элементов (трубок Фильда). Три
парогенератора будут устанавливаться с реактором электрической мощностью
1000 МВт. При номинальной нагрузке парогенератор будет работать как
прямоточный, при нагрузках, меньших номинальной,— по схеме с рециркуляцией.
Основные характеристики парогенератора даны в табл. 20.
Испаритель
и
пароперегреватель
располагаются
в
одном
корпусе:
пароперегреватель занимает центральную часть, испаритель — периферийную.
Питательная вода поступает в то- роидальный коллектор прямоугольного сечения,
расположенный в корпусе парогенератора, и из него раздается по внутренним
трубкам обратных элементов испарителя. В кольцевых каналах обратных элементов
вода нагревается до кипения и испаряется. Насыщенный пар направляется в
сепаратор, расположенный вне корпуса парогенератора, откуда поступает в
кольцевые каналы обратных элементов пароперегревателя. Перегретый пар из
центральных трубок обратных элементов пароперегревателя выходит в сборный
коллектор и через патрубок покидает парогенератор.
Рис. 16 Прямоточный парогенератор с обратными элементами для АЭС с жидкометаллическим
теплоносителем (проект, США): 1 — выход натрия; 2—обратные элементы пароперегревателя; 3—
тепловой экран; 4 — отвод продуктов взаимодействия натрия с водой; 5—вход питательной воды; 6 — окна
для входа насыщенного пара; 7 — лаз; 8— выход перегретого пара; 9 — вход насыщенного пара; 10—
камера перегретого пара; 11—коллектор питательной воды; 12— выход насыщенного пара; 13 — разовая
полость; 14 — уровень натрия; 15 — разделительная обечайка; 16 — дистанционирующая решетка;
17—обратные элементы испарителя; 18 — вход натрия.
Таблица 20
Общая характеристика парогенератора
Тепловая мощность, МВт
Температура теплоносители, °С:
на входе
на выходе
Расход теплоносителя, кг/с
Потеря напора по тракту теплоносителя, МПа
Паропроизводительность, кг/с
Давление перегретого пара, МПа
Температура перегретого пара, °С
Температура питательной воды, °С
Давление питательной воды, МПа
Характеристики пароперегревателя:
тепловая мощность, МВт
коэффициент теплопередачи, кВт/(м2-К)
температурный напор, °С
теплопередающая поверхность, м2
диаметр и толщина стенки наружной трубки обратного
элемента, мм
длина теплопередающей части трубки, м
диаметр разделительного кожуха секции пароперегревателя, м
диаметр и толщина стенки наружной трубки обратного элемента испарителя,
мм
Характеристики участка испарителя с, ухудшенной теплоотдачей:
тепловая мощность, МВт
коэффициент теплопередачи. кВт/(м2-К)
температурный напор, °С
теплопередающая поверхность, м2
длина трубы участка, м
Характеристики участка испарителя с развитым пузырьковым кипением:
тепловая мощность, МВт
коэффициент теплопередачи. кВт/(м2-К)
температурный напор, °С
теплопередающая поверхность, м2
длина трубы участка, м
Характеристика экономайзерного участка испарителя:
тепловая мощность, МВт
коэффициент теплопередачи, кВт/(м2-К)
температурный напор, °С
теплопередающая поверхность, м2
длина трубы участка, м
наружный диаметр испарительной секции, м
внутренний диаметр испарительной секции, м
Наружный диаметр корпуса парогенератора, м
Высота парогенератора, м
Вес парогенератора, т
Значение
820
550
371
3310
0,08
355
16,9
536
256
18,2
322
2,93
81
1400
28,6х3,7
9,15
1,7
28,6x2,4
144
4,75
115
274
2,29
141
4,98
74
434
3,5
223
4,12
101
606
4,88
2,7
1,98
3,03
17,26
350
Для уменьшения теплопередачи через внутренние трубки обратных элементов
последние имеют двойные стенки с зазором, заполненные газом.
Теплоноситель входит в парогенератор через патрубки в нижнем днище,
продольно обтекая трубный пучок пароперегревателя. В верхней части поток делает
поворот на 180°, движется вдоль труб испарителя и через патрубки в нижней части
корпуса выходит из парогенератора. В верхней части корпуса имеются газовое
пространство, заполненное аргоном, и патрубок для взрывного клапана.
В качестве конструкционных материалов предполагается использовать:
а)
для корпуса — ферритную сталь (2,25% хрома, 1% молибдена),
плакированную ферритным сплавом для предотвращения обезуглероживания;
б)
для трубных досок, труб и коллекторов — ферритную сталь с
содержанием
9—12%
хрома,
имеющую
характеристики, чем сталь с 2,25% хрома.
более
высокие
прочностные
Парогенератор АЭС «Суперфеникс»
1 — ремонтный люк; 2 — вход натрия; 3 — выход пара; 4 — трубы поверхности нагрева; 5 —
вход питательной вод; 6 — выход натрия; 7 — уровень натрия; 8 — газовая полость.
КОНСТРУКЦИИ
КОНСТРУКЦИИ
ВЕРТИКАЛЬНЫХ
ЗАРУБЕЖНЫХ
ВЕРТИКАЛЬНЫХ
ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
1.1.
В практике зарубежного парогенераторостроения для АЭС с реакторами,
охлаждаемыми водой под давлением (PWR), наиболее широко используются два
основных типа парогенераторов: с естественной и с принудительной циркуляцией
(прямоточные).
При разработке новых конструкций наблюдается тенденция к уменьшению числа
петель циркуляции и увеличению единичной мощности парогенераторов,
поскольку при этом уменьшается относительная стоимость тепломеханического
оборудования, сокращается протяженность коммуникаций, количество арматуры и
насосов. Уменьшение числа петель связано с предъявлением повышенных
требований к надежности работы тепломеханического оборудования.
1.2.
Вертикальные
однокорпусные
парогенераторы
насыщенного
пара
с
естественной циркуляцией теплоносителя во II контуре разработаны в США
фирмой «Вестингауз электрик» для АЭС с реакторами PWR в трех- и
четырехпетлевом исполнении электрической мощностью 300 МВт (модель Д) и 350
МВт (модель Е). Парогенератор фирмы «Вестингауз электрик» (модель Е) показан
на черт. 1 и состоит из пучка испарителя и двухступенчатого сепаратора. Пучок
испарителя набирается из U-образных труб, концы которых закреплены в плоской
горизонтальной трубной доске. Трубная доска расположена в нижней части корпуса
и образует верхнюю крышку подводящей и отводящей камер теплоносителя I
контура.
1.3.
Вертикальные
однокорпусные
парогенераторы
большой
мощности
насыщенного пара с естественной циркуляцией теплоносителя во II контуре
разработаны в США фирмой «Комбасчен инжиниринг» для АЭС с реакторами PWR
«Система-80» в двухпетлевом исполнении электрической мощностью по 400 МВт.
Парогенератор типа «Система-80» показан на черт. 2. Парогенератор оснащен
встроенным экономайзерным участком, позволяющим осуществить распределение
потока питательной воды в зависимости от тепловой нагрузки и улучшить характеристики парогенератора в зоне низких температур теплоносителя.
1.4.
Вертикальные
однокорпусные
парогенераторы
большой
мощности
насыщенного пара с естественной циркуляцией теплоносителя во II контуре
разработаны в ФРГ фирмой «Дойче Бабкок и Вилькокс» для АЭС с реакторами PWR
в двухпетлевом исполнении. Парогенератор АЭС Библис состоит из пучка
испарителя, собранного из U-образных труб, и двухступенчатого сепаратора.
Трубный пучок помещен в корпус в кольцевом кожухе, чем обеспечивается
организация циркуляции. Отличительной особенностью этого парогенератора
является внутрикорпусное кольцевое дроссельное устройство для регулирования
кратности циркуляции.
1.5.
Все элементы
этих
парогенераторов,
работающие
под
давлением,
изготовлены из углеродистых или низколегированных сталей. Трубная доска
плакирована со стороны теплоносителя никелевым сплавом инконель-600. Трубы
парогенераторов изготовлены из сплава инконель- 600. Для обеспечения высокой
плотности заделки концы труб приварены к наплавке, для придания механической
прочности и исключения источников щелевой коррозии трубы развальцовываются
взрывом по всей толщине трубной доски. Заделка труб в трубные доски является
жесткой.
1.6.
Вертикальные
однокорпусные
прямоточные
парогенераторы
слабоперегретого пара со встроенным экономайзером разработаны в США фирмой
«Бабкок и Вилькокс» для АЭС с реакторами PWR в двухпетлевом исполнении.
Парогенератор фирмы «Бабкок и Вилькокс» для АЭС Окони показан на черт. 3 и
представляет собой прямотрубный теплообменник, помещенный в прочный корпус.
Трубы теплообменного пучка вварены в верхнюю и нижнюю трубные доски.
Парогенератор той же фирмы для установки «Бабкок-241» показан на черт. 4 и
представляет собой прямотрубный аппарат, выполненный по прямоточному циклу с
экономайзерным участком без частичной рециркуляции для предварительного
подогрева питательной воды.
1.7.
Вертикальный однокорпусный прямоточный парогенератор разработан во
Франции для установки Трепо. В этом парогенераторе с целью улучшения
компенсации разности термических деформаций корпуса и трубного пучка
применены трубы с волнистыми погибами.
1.8.
Способы
дистанционирования
парогенерирующих
труб,
применяемые
зарубежными фирмами, существенно различаются. Наиболее часто употребляемые
виды дистанционирования представлены на черт. 5.
Парогенератор тина «Система-80» фирмы «Комбасчен инжиниринг»
Так, в частности, фирма «Вестиигауз» использовала штампованные пластины с
овальными отверстиями, длинная ось которых В разных решетках ориентирована в
различных направлениях. Фирма «Крафтверк унион» использовала решетки с
ромбической ячейкой, собранные из плоских прорезных пластин. Фирма «Бабкок и
Вилькокс» в парогенераторе Окони использовала плоские штампованные решетки с
круглыми проходными окнами, снабженными тремя выступами, а в настоящее
время применяет решетки сотового типа. Фирма «Дойче Бабкок и Вилькокс»
устанавливает и шахматном порядке полукруглые решетки, создавая поперечный
поток двухфазной смеси. В парогенераторе установки Трепо трубы устанавливают
концентрическими слоями от центра к периферии, дистанционируя кольцевыми
пластинами, к которым приваривают полые распорки. Полость в распорках служит
для прохода теплоносителя. По вибромеханическим характеристикам все
перечисленные виды дистанционирующих устройств близки к шарнирным
заделкам.
Парогенератор фирмы «Бабкок и Вилькокс» для АЭС Окони
Чертеж 3
1 — трубная доска; 2 — кожух трубного пучка; 3 — трубный пучок; 4 — дистанционирующие решетки; I —
вход и выход теплоносителя I контура; II — подача питательной воды; III — выход пара
Чертеж. 3
Парогенератор фирмы «Бабкок и Вилькокс» для установки «Бабкок-241»
Чертеж 4
1 — трубная доска; 2 — дистанционирующие решетки; 3 — кожух трубного пучка; 4 — трубный пучок; I
— вход и выход теплоносителя I контура; II — вход питательной воды; III — выход перегретого пара; IV —
дополнительная подача питательной воды
Чертеж. 4
Вертикальный ПГ АЭС с ВВЭР
(проект): 1— люк-лаз, 2 — корпус; 3 — кожух трубного пучка; 4 — штуцеры уровнемеров; 5 —
жалюзийный сепаратор тор; 6 — люк-лаз; 7 — штуцер аварийного подвода воды; 8 — штуцер непрерывной
продувки; 9 — пар пучка труб теплопередающей поверхности; 10 - штуцер периодической продувки; 11 —
коллектор теплоносителя; 12 — разделительная обечайка коллектора; 13 — раздающий коллектор
питательной воды; 14 — штуцер дренажа
Прямоточный прямотрубный ПГ:
1— входная камера теплоносителя; 2 — трубная доска; 3 — трубы поверхности теплообмена; 4 —
патрубок выхода пара; 5 — коллектор питательной воды; 6 — корпус ПГ; 7 — кожух трубного пучка; 8 —
трубная доска; 9 — выходная камера теплоносителя
Вертикальный ПГ для АЭС с PWR:
1 — камера подвода теплоносителя; 2 — трубная доска; 3 — корпус ПГ; 4 — трубы поверхности
теплообмена; 5 — первая ступень сепарации; 6 — вторая ступень сепарации; 7 — камера отвода
теплоносителя; 8 — перегородка
Суперфеникс
Парогенератор АЭС «Суперфеникс»
1 — ремонтный люк; 2 — вход натрия; 3 — выход пара; 4 — трубы поверхности нагрева; 5 —
вход питательной вод; 6 — выход натрия; 7 — уровень натрия; 8 — газовая полость.