Способ омывания тепловой поверхности

Давление Na меньше давления рабочего тела, поэтому Na в межтрубное пространство, а воду в трубы.

Выбор формы поверхности теплообмена

В связи с высокой интенсивностью теплообмена вопрос температурных напряжений встает остро: необходимо применять самокомпенсацию или компенсацию температурных напряжений.

Низкое давление Na не исключает применение компенсаторов на корпусе.

Способ соединения трубкой системы с корпусом

Это вопрос обеспечения безопасности конструкции.

Одной из основных аварий является разрушение теплообмена труб в районе трубных досок. Трубная доска в Na парогенераторах работает в сложных температурных условиях (высокая температура и большая разность температур). В аварийных ситуациях (стоп п.в.) возможны тепловые удары.

Все эти факторы требуют защиты трубной доски от воздействия температурных напряжений:

1. Схемы с внешними коллекторами.

2. Создание под трубной доской парового зазора.

3. Защита со стороны Na теплоизолирующим материалом.

Принцип движения рабочего тела

Предпочтительнее прямоточные ПГ, чем с естественной циркуляцией.

Компоновка ПГ поверхности

Преследует задачу повышения надежности и безопасности поверхности.

Существует два направления компоновки:

1. корпусные конструкции ПГ;

2. секционные конструкции ПГ.

Достоинства корпусных ПГ:

1. Компактность.

2. Меньшая металлоемкость.

3. Требует меньших строительных объемов.

4. Имеет минимальный объем трубопроводами, минимальную КИП.

Недостатки:

1. Сложный цикл изготовления из-за больших размеров.

2. Сложность ремонта.

Секционные ПГ

Преимущества – возможность локализации аварии.

Достоинства – большой объем воды (запас при аварии).

Недостатки такого типа ПГ:

1. Ограничение по мощности ПГ.

2. Высокая металлоемкость.

3. Влажность пара очень чувствительна к колебаниям уровня.

4. Нельзя выделить экономайзерный участок.

Вертикальные ПГ

Одним из путей повышения экономической эффективности блоков АЭС является увеличение единичной мощности ПГ.

Реализация этой задачи может быть осуществлена лишь созданием мощных ПГ вертикального типа.

Основные преимущества вертикальных ПГ

1. Более компактен и удобен для компоновки в защитной оболочке АЭС.

2. Повышается надежность работы теплопередающих поверхностей в режиме естественной циркуляции.

3. Повышается единичная мощность (из-за возможного перегрева пара).

4. Упрощение технологии изготовления.

Недостатки: смотри достоинства корпусных ПГ.

Вопросы безопасности при выборе конструктивной схемы

Из-за сильной активации Na в реакторе и из-за его бурного взаимодействия с водой, подвод тепла осуществляется по трехконтурной схеме.

1. Промежуточный контур защищает раствор от течи в ПГ.

2. Активный Na отделен – улучшается радиационная обстановка в обслуживаемых помещениях.

Давление Na во II контуре выше, чем в I, что исключает проникновение активного Na во II контур.

В конструкциях ПГ стремятся применять меры для предотвращения контакта Na с водой.

Существует следующий способ предотвращения Na с водой: изготовление многослойных труб.

Кольцевой зазор соединен с камерой индикатора утечек. Передача тепла осуществляется через многослойную стенку с жидкой прослойкой (индикатор утечек). Аварийная ситуация определяется по изменению давления и появлению воды в ртутной камере. Другой тип сложной поверхности нагрева представляет многослойные трубки Фильда. Теплопередающая поверхность (например, трубка) составлена из двух трубок, соединенных плотной посадкой. На внешней поверхности внутренней трубки имеются каналы малого поперечного сечения, заполненные инертным газом и соединенные с камерой инертного газа.

При разрыве одной из труб изменяется давление и химический состав газа в камере индикатора утечек.

Многослойные поверхности дают почти полную гарантию предотвращения контакта Na с водой. Недостатком является большая стоимость изготовления » в 4 раза выше.

При использовании трехконтурной схемы применения многослойных стенок нецелесообразно.

Факт наличия течи можно установить системой контроля содержания Н₂ в газе и Na.

При больших течах – по росту давления в этой петле.

Для локализации течи нужно разработать защитные мероприятия.

Течи ПГ в зависимости от интенсивности можно разделить на 3 вида:

1. Большая – отключить и отвести продукты коррозии (взаимодействия) Na + Н₂О, Na + контактный материал ПГ.

2. Малая – отключение и осушение Na.

3. Микротечь – необходимо отключить ПГ по воде, пару и Na.

Существует специальная система защиты.

1. Устанавливается быстродействующая отсечная арматура по воде, пару и Na.

2. Система дренажа по Na.

3. Мембранные разрывные устройства, предназначенные для выброса продуктов взаимодействия из ПГ при больших течах.

4. Существует оборудование с сепарацией Na от пара и хранения продуктов взаимодействия.

5. Имеется КИП – система автоматики и различных блокировок.

Разработка этих мероприятий позволяет перейти к однослойным трубкам, но наличие всего комплекса защитных устройств удорожает ПГ.

Особенности конструкции ПГ с Na заключается в наличие патрубков, соединяющих ПГ с этими системами, быстродействующей арматуры по питательной воде, пару и Na.

Одной из мер уменьшения вероятности аварии – уменьшение поверхности теплообмена. Это обеспечивается:

Отказом от промежуточного перегрева

Применение такого решения приводит к уменьшению температуры паров цилиндров высокого давления (ЦВД) – t_п < 550⁰С – снижение КПД (Super Fenics «БН-1600»).

Уменьшить поверхность ПГ

Это возможно при увеличении температурного напора в ПГ, т.е. увеличении Т_вх в ПГ. Этот параметр ограничивает температура на выходе из реактора. Возможное решение – увеличение поверхности промежуточного теплообменника.

В БН-600 – мешает интегральная компоновка.

3. Уменьшение диаметра труб

Опыт эксплуатации показал, что в 2^х слойных трубках происходит растрескивание внутренней трубы за счет больших термических напряжений, БН-300 – дефекты изготовления.

Конструктивные схемы ПГ на АЭС с РБН-350 (Шевченко)

ПГ состоит из двух секций, каждая секция их двух корпусов – корпуса испарителя и корпуса перегревателя.

Параметры: t_Na на входе в перегреватель Т₁ = 450⁰;

t_Na на входе в испарителе ;

t_Na на выходе Т₂ = 270⁰;

Р_пара = 5 МПа, t_пара = 435⁰

t_п.в = 158⁰С

D = 2 ´ 38 т/ч

Поверхность теплообмена набрана из обратных элементов, пар. тр 32 ´ 2; внутренний 16 ´ 1,5; l = 3,9 м; N = 816 шт.

Поверхность теплообмена пароперегревателя набрана из U-образных одностенных трубок, расположенных в U-образном корпусе (Æ 16 ´ 2).

Такая форма корпуса позволила отделить входную и выходную камеры, что существенно облегчило условия работы трубных досок.

В отличие от испарителя в пароперегревателе (ПП) нет газовой подушки, но есть линия постоянной протечки из-под трубной доски, для удаления газовых пузырей.

Рассмотренная конструкция показала себя низконадежной: основное место течи – в сварных швах – тупое качество сварных швов и донышка трубки Фильда. Это происходит вследствие:

1. Изменения температуры (пульсация) в районе донышка.

2. Наличие застойных зон.

3. Наличие вихрей в районе сварного шва – плохое омывание поверхности.

Течь в районе сварных швов привела к тому, что ПГ с обратными элементами были заменены модульными ПГ «Надежность» - ЧССР.

Секция ПГ состоит из модулей испарителя и модулей пароперегревателей. (64 модуля). Все модули подключены к одному сепаратору, т.е. испаритель – с кратностью циркуляции, для исключения зоны ухудшенного теплообмена.

U-образная форма труб и корпуса модулей обеспечивает компенсацию температурных расширений. Диаметр корпуса модуля 168 ´ 7,1 мм; диаметр труб испарителя 22 ´ 2,5 мм; диаметр труб – пароперегревателя 18 ´ 2 мм; диаметр сепаратора равен 1,8 мм.

Рабочее место движется внутри труб, Na – в межтрубном пространстве.

Испаритель развернут для предотвращения возможной сепарации. Трубки закреплены в двойных трубных досках.

БГ – БН-600 – дальнейшее развитие ПГ выполнен с промежуточным перегревом пара. Тип ПГ – секционный – модульный. В установке содержится три петли и в каждой петле – 8 секций, состоящей из трех модулей испарителя, пароперегревателя и промперегревателя.

Параметры ПГ T_Na на входе в ПГ : Т₁ = 520⁰С;

Т_2вых = 322⁰С

Пар t_п = 505⁰С; t_п.в = 241⁰С

;

Р_п = 14 МПа; Р_пр.п = 2,8 МПа.

ПГ прямоточный, испаритель без кратности циркуляции.

Все модули имеют одинаковое конструктивное исполнение и отличаются длиной и числом труб.

В испарителе осуществляется слабый перегрев пара на 25⁰С. Это исключает попадание капелек влаги в пароперегреватель.

Рабочее тело движется внутри труб, Na – в межтрубном пространстве.

Для защиты корпуса от колебаний температуры предусмотрен теплоизолирующий кожух, а трубные доски снабжены системой вытеснительной и теплоизолирующих прокладок.

Компенсация температурных расширений осуществляется сильфонами, установленными на корпусе. Перед входом в трубы (по воде) установлены дроссельные устройства, предназначенные для выравнивания расхода по трубам, и обеспечения устойчивой работы ПГ из-за изменения объема в процессе парообразования.

В модулях испарителя используются трубки из хромомолибденовой стали, N = 349; d = 16 ´ 2,5; l = 14,8 бесшовных и бесстыковых S = 28 мм.

В модулях пароперегревателя – О8Х18Н9Т, N = 240, l = 12,2 м. Имеются сбросные емкости – сепараторы, соединенные с ПГ через разрывные мембраны.

Все модули выполнены по типу S-образных змеевиков.

Параметры ПГ следующие

Т₁ = 550⁰; Т₂ = 350⁰

Р_пара = 16,8 МПа; t_п.л = 512⁰С; t_п.в = 246⁰С; D = 209 кг/с.

Особенность ПГ – трубные доски не контактируют с Na (вынесены за пределы ПГ).

Парогенератор Super Fenics – прямоточный, змеевиковый с выносными коллекторами. Материал трубок – шкалой. Пром. перегрев пара осуществляется острым паром.

Конструкции зарубежных ПГ, обогреваемых Na

США «Энрико Ферми»

ПГ – прямоточный корпусной. Поверхность теплообмена выполнена из двухрядных плоских змеевиков. Движение рабочего тела принудительное. Газовая подушка предохраняет трубную доску от температурных ударов.

На АЭС Клинч-Риву был применен в последних конструкциях прямоточных ПГ.

Франция ПГ «Феникс»

12000 часов без аварий течи.

ПГ прямоточный, секционный. Секции состоят из модуля испарителей, пароперегревателей и промперегревателей.

Парогенераторы, обогреваемые газовым теплоносителем

Характеристика теплоносителя и выбор его параметров

Газовые теплоносители обладают хорошими ядерно-физическими свойствами – малым сечением поглощения , не разлагаются и не активируются (кроме воздуха аргона и азота) в активной зоне.

С точки зрения физико-химических свойств – газы не обладают химической активностью и коррозионно инертны. Наиболее перспективными являются СО₂ и Не. Однако при попадании влаги в него СО₂ становится коррозионно активным. Кроме того при высоких давлениях СО₂ вступает в реакцию с градиентом.

С точки зрения тепло-физических свойств газы – плохие теплоносители. Они обладают малой теплопроводностью, теплоемкостью и малой плотностью – требуются большие объемный расходы теплоносителя и существенные затраты на его прокачку – возрастает мощность газодувок.

Низкая интенсивность теплообмена затрудняет получение высокой температуры на выходе из реактора и требует большой поверхности ПГ.

С точки зрения теплофизических свойств – лучший теплоноситель Не. Поверхность теплообмена ПГ при Не теплоносителем на 30 % меньше, чем при использовании СО₂. Но коэффициент теплоотдачи при обтекании Не т.о. поверхности достаточно низкий α_газ » 2000; α_воды » 20000; α_Na » 60000. Газовые теплоносители позволяют иметь в I контуре низкое давление. Однако выбор давления для газа не однозначен. Чем выше давление газа, тем лучше его теплофизические свойства (выше r ® меньше расход G, улучшается теплообмен).

С другой стороны – повышение давления увеличивает толщину корпуса и, следовательно, расход металла. Поэтому Р_газа выбирается на основании технико-экономических расчетов. Но P_I £ P_II.

Температура газового теплоносителя определяется разницей температур газ-стенка. Повышение температуры – за счет интенсификации теплообмена, применение жаростойких материалов. Для интенсификации теплообмена применяют ребристые и ошикованные поверхности.

Применение оребрения поверхности эффективно на той ее стороне, где интенсивность теплоотдачи низка. При продольном оребрении труб характер течения теплоносителя около них фактически неизменен по сравнению с гладкими трубами. Более эффективно поперечное оребрение, так как в этом случае в межреберных зазорах возникают циркуляционные вихри, обеспечивающие перемещение теплоносителя. Наибольшей эффективностью обладают трубы с шевронным и полизональным оребрением, а также с перфорированными ребрами.

В настоящее время t_Не » 800-850⁰С.

Высокая температура Не определяет целесообразность выработки перегретого пара и применение промежуточного перегрева.

В первых проектах АЭС с газовыми теплоносителями (Великобритания «Колдер-Холл») при использовании в качестве оболочек ТВЭЛ материала магнокс и в качестве теплоносителя СО₂ Р_I < 2МПа температура на выходе из реактора не превышала 450⁰. Применение оболочек из нержавеющей стали и повышении Р₁ до 5 МПа повышает Т₁ до 650⁰С. Применение в этих же условиях Не дает возможность повысить Т₁ до 700⁰ и выше.

Использование пористых швелов из кермитов и Не позволяет получить температуру > 850⁰С.

При использовании низких параметров теплоносителя ( ) наиболее приемлемый оказался цикл двух давлений (цикл низкого давления и цикл высокого давления).

Использование цикла трех давлений при некотором повышении Т₁ » 450⁰ экономически еще лучше. При этом проигрыш в конструкции.

Большой температурный перепад в ПГ по температуре теплоносителя приводит к необходимости выделять экономайзер в отдельную зону.

При увеличении t₁ до 650⁰ и более использование цикла двух давлений не целесообразно. В этих условиях могут рассматриваться паротурбинные циклы сверхвысоких и закритических параметров р₂ = 16 ¸ 24 МПа , что даст возможность использовать стандартное оборудование ТЭС.

Выбор конструктивной схемы ПГ

1. Способ обтекания поверхности теплообмена. – Газ в межтрубное пространство, пар внутри т/о труб.

2. Способ циркуляции рабочего тела:

- прямоточные ПГ.

3. Форма поверхности теплообмена.

Теплообмен от газа к поверхности теплообмена осуществляется не интенсивно (низкие α), что требует увеличение поверхности теплоотдачи. Для ее уменьшения необходимо интенсифицировать теплообмен. Каким образом?

1. Увеличение скорости теплоносителя ® увеличивается N на прокачку теплоносителя. Поэтому увеличение скорости в разумных пределах не приводит к заметному повышению коэффициента теплоотдачи.

2. Организация поперечного обтекания поверхности теплообмена. В этом случае интенсивность теплообмена выше, чем при продольном обтекании. Конструктивно это можно сделать использованием змеевиковых поверхностей теплообмена.

3. Использование развитых поверхностей – оребрение или ошиповка труб. Применение оребрения эффективно в том случае, когда металл труб обладает хорошей теплопроводностью.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: