Кругликов П.А., Смолкин Ю.В., Степанов Д.В. (ОАО «НПО ЦКТИ», Санкт-Петербург, Россия)
Введение
В настоящее время намечается тенденция поиска новых направлений развития атомной энергетики и внедрения тех, которые признаны перспективными. Основное направление развития сейчас связано с выбором альтернативного теплоносителя первого контура, который занимается непосредственно теплосъемом с тепловыделяющих сборок активной зоны. Проблема заключается в том, что данный теплоноситель должен обладать хорошими не только теплофизическими, но и нейтронно-физическими свойствами.
Как показала практика предыдущих лет, для станций на тепловых нейтронах достаточно хорошо подходит вода под давлением, либо тяжелая вода. Однако, для блоков на быстрых нейтронах данный вариант не приемлем. Поэтому первый в мире блок на быстрых нейтронах заработал на натрии. Его главный конкурент – свинец, был отринут в силу высокой температуры плавления. Как известно, на подводных лодках был использован в качестве теплоносителя свинец-висмут, температура плавления, которого существенно ниже. Но и там было достаточно проблем, включая КПД установки, в целом далекого от приемлемых значений.
В виду появления новых возможностей и целей, а также наличия достаточного количества проблем и компромиссов, которых хотелось бы избежать, была предпринята очередная попытка реализации блока с теплоносителем на свинце. Например, были возобновлены проработки проекта БРЕСТ-ОД-300, в процессе которых предстоит решить основные проблемы, и разобраться во множестве противоречивых мнений.
Исходя из опыта тепловой энергетики и опираясь на уже готовые решения, зарекомендовавшие себя не первый десяток лет, была выбрана турбоустановка из существующего перечня готового оборудования с известной обвязкой и параметрами, наиболее близко подходящими к имеющимся для данного проекта. Однако стало видно, что в том виде, в котором эти турбоустановки применяются на тепловых электростанциях, они не могут быть без изменений установлены на блок атомной станции. Им требуются определенного рода доработки и модернизации. В первую очередь это связано с имеющимися ограничениями, а именно:
- температура питательной воды должна быть не ниже температуры плавления свинца. А точнее должна быть принята с определенным запасом;
- реализация промышленного перегрева пара за цилиндром высокого давления связана также с некоторыми ограничениями и технологическими сложностями;
- необходимо дооснащение дополнительными подогревателями низкого/высокого давления для обеспечения водно-химического режима, принятого для атомных блоков.
1.Постановка задачи по поиску варианта тепловой схемы
Для реактора нового поколения на теплоносителе, который раньше не имел прямого применения в атомной энергетике, основной задачей является поиск, выработка и внедрение новых решений по оптимизации и унификации геометрии активной зоны. Важны выбор таких элементов конструкции, как канал для прохода теплоносителя, тепловыделяющий элемент и собранная из них тепловыделяющая сборка, расчет геометрии выбранного канала и профилирование расходов через него, выравнивание теплового и нейтронного потоков по высоте и диаметру зоны.
Как видно, проблем более чем предостаточно. И все они требуют серьезных проработок как теоретических, так и экспериментальных. Именно для этого и необходим экспериментальный реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. Данный реактор послужит экспериментальным стендом для отработки принятых решений, а возможно, и демонстрацией неработоспособности некоторых из них.
И в этом огромном круге вопросов и проблем не хотелось бы иметь еще и дополнительные необоснованные трудности с контуром, обеспечивающим отвод тепла от реактора в атмосферу. Хотя, конечно, было бы неплохо хотя бы часть этого тепла потратить с пользой. Но ни в коем случае не мешая основным экспериментальным изысканиям.
Следовательно, выбор схемы рабочего тела и турбоагрегата для преобразования части тепла в электрическую энергию должен строиться на преимущественно готовом решении, апробированном и уже зарекомендовавшем себя. Выбор должен являть собой ответ на вопрос, а не создавать все новые и новые вопросы, ответы на которые придется искать достаточно долго. Возможно, за это время и реализация самого проекта останется лишь вопросом.
Исходя из вышесказанного, необходимо выбрать турбину и ее обвязку, оборудование регенеративного тракта и так далее из уже существующих проектов. Учитывая температурные параметры свинца 540 С и 420 С, имеем в пределе пар на выходе в 520 С. Таким образом, это может быть турбоагрегат на сверхкритических параметрах с перегревом, либо докритических, но с большим перегревом.
Так как использование в атомной энергетике сверхкритических параметров еще не производилось, то будем отталкиваться все-таки от варианта с докритикой.
Учитывая входные данные, стоит опереться в большей степени на опыт тепловой энергетики.
Исходя из этого, задачу можно поставить следующим образом: выбор турбины, обвязки, схемы регенеративного тракта и парогенератора, основываясь на зарекомендовавших себя и испытанных решениях.
2.Выбор основных элементов тепловой схемы
Основными элементами тепловой схемы являются основной теплообменник, отвечающий за передачу тепла из первого контура во второй, паровая турбина и ее обвязка, а также тракт регенерации рабочего тела.
2.1. Выбор основных элементов тепловой схемы
Основой всего цикла является турбина. Она задает основной набор подогревателей и давления отборов, т.е. по сути, расстановку подогревателей с указанием их рабочего давления. Сама же турбина выбирается исходя из количества подведенного тепла и предельной температуры, которую возможно получить. Исходя из этих параметров, получаем расход и другие параметры пара в голову турбины.
Как уже говорилось, будем опираться на докритические параметры с использованием перегрева пара. Так как по первому контуру мы ограничены температурой плавления свинца, а точнее, условиями, заданными проектантом первого контура в 340 С, то взяв небольшой запас в 10 С, будем опираться на температуру насыщения в 350 С. Данной температуре соответствует давление в 16.53МПа. Верхней температурой перегрева ограничимся в 520 С. Подведенную тепловую мощность установим в 700 МВт. Опираясь на известные данные, получаем расход свежего пара.
Таким образом, нам известны все необходимые параметры для выбора турбины. Из каталога турбин, как например [1], выбираем наиболее близкую по получившимся значениям турбину К-300-170-1.
Данная турбина имеет достаточную пропускную способность и полностью подходит под наши изначальные данные.
Согласно официальному описанию, паровая конденсационная турбина К-300-170-1 без регулируемых отборов пара, номинальной мощностью 300 МВт и частотой вращения ротора 3000 об/мин предназначена для непосредственного привода генератора переменного тока типа ТВВ-320-2 и для работы в блоке с паровым котлом. Турбина снабжена регенеративным устройством для подогрева питательной воды. Принципиальная тепловая схема регенерации представлена на рис. 1. Расчетная температура подогрева питательной воды в системе регенерации при номинальной нагрузке составляет 253 ±5 °С. Допускается возможность получения в турбине дополнительных отборов пара из отдельных отборов для внешнего потребления. Полный перечень давлений, температур и ориентировочных расходов отборов приведен в таблице 1.
Рис. 1. Принципиальная тепловая схема турбины К-300-170-1
Таблица 1
Перечень параметров отбора пара для турбины К-300-170-1
Как видно из описания, просто взять готовую турбину с имеющимся регенеративным трактом не получится, так как температура питательной воды в 253 °С недостаточна. Следовательно, регенеративный тракт следует немного видоизменить и/или увеличить. И паровой котел заменится парогенератором.
После подобного рода манипуляций, получаем немного видоизмененную схему, более близкую к нашим изначальным требованиям. Данная схема представлена на рис. 2.
Так как необходимо получить более высокую температуру питательной воды, то проще всего добавить еще один подогреватель высокого давления.
Таким образом, схема принимает следующий вид. Жидкий свинец поступает в пароперегреватели 2 и 3, где отдает основную часть тепла, затем в парогенератор, после чего возвращается в реактор. Перегретый пар, отработав в ЦВД, проходит промежуточный перегреватель 3, и, проходя ЦСНД, ЦНД, попадает в конденсатор. Конденсат подогревается, проходя ПНД-1, 2, 3, 4, затем сливается в деаэратор. Питательная вода от деаэратора подогревается при помощи ПНД-7, 8 (ПНД-7, 8, 9 – в случае схемы на рис. 2) и возвращается в цикл, поступая в барабан-сепаратор.
Парогенератор в виде барабана-сепаратора (БС) был выбран исходя из основного требования по свинцовому теплоносителю (вход не ниже 340 °С). Наличие барабана с большим объемом воды позволяет обеспечить постоянное поддержание температуры воды в нем при насыщении, а так как давление выше изначально принятого, то и проблем с температурой не предвидится. Передача тепла происходит через небольшой промконтур, обеспечивающий БС влажным паром. Первичный и промежуточный перегревы пара производятся также непосредственно при помощи свинцового теплоносителя. Догрев пара в обоих случаях производится ориентировочно до одинаковых температур. Это позволит существенно повысить КПД всей установки в целом.
Ориентировочный расчет приведенной тепловой схемы, опираясь на [2, 3] представлен в табл. 2.
Таблица 2
Расчет параметров ПТУ на базе К-300-170-1
Заключение
Как видно из расчета, КПД цикла получился достаточно высоким. То есть получается надежная отработанная схема, способная обеспечить высокую надежность работы в целом, а также простоту ее построения, так как использованы теплообменники, годами отработавшие на тепловых станциях.
Однако есть и дальнейшие направления для модернизации схемы. К примеру, можно добавить еще один подогреватель высокого давления, питающийся паром дополнительного 9-го отбора, что позволит еще больше повысить температуру питательной воды, снизив тем самым расход пара на промперегрев и, как итог, расход пара в конденсатор. Пример данной схемы приведен на рис. 3. Также, использовав турбопитательный насос, есть дополнительная возможность сохранить больше тепла внутри самой схемы.
Но все это уже вопросы дальнейшей оптимизации при незначительном повышении КПД, что для опытно-демонстрационного блока хоть и допустимо, но уже не обязательно.
Обозначения на рисунках 2, 3: 1 – испаритель теплообменника PbЖ/пароводяная смесь (парогенератор ТО PbЖ/Н2О); 2 – перегреватель пара в.д. ТО PbЖ/Н2О; 3 – промежуточный перегреватель пара ТО PbЖ/Н2О; 4 – барабан-сепаратор; 5 – регулирующий клапан (РК) для регулирования подачи питательной воды в барабан по уровню воды в барабане 4.
Рис. 3. Принципиальная тепловая схема тепловой части энергоблока на базе реактора со свинцовым теплоносителем в варианте с ПТУ К-300-170-1 и парогенератором барабанного типа (с принудительной или естественной циркуляцией)
Список литературы
- Каталог продукции группы компаний «Силовые Машины». С.: 2018.
- Вульман Ф.А., Корягин А. В., Кривошей М.З. Математическое моделирование тепловых схем паротурбинных установок на ЭВМ. М.: Машиностроение, 1985. 112 с.
- Кириллин В.А. Сычев В.В. Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика М.: Энергоатомиздат, 1983. 416 с.
