Расчет тепловой схемы турбоустановки

Расчет тепловой схемы турбоустановки

Введение

турбоустановка теплообменный турбина тепловой

Основу активной зоны РБМК-1000 составляет графитовый цилиндр высотой 7 м и диаметром 11,8 м, сложенный из блоков меньшего размера, который выполняет роль замедлителя. Графит пронизан большим количеством вертикальных отверстий, через каждое из которых проходит труба давления (также называемая технологическим каналом (ТК)). Центральная часть трубы давления, расположенная в активной зоне, изготовлена из сплава циркония с ниобием (Zr + 2,5% Nb), обладающего высокими механическими и антикоррозионными свойствами, верхние и нижние части трубы давления - из нержавеющей стали. Циркониевая и стальные части трубы давления соединены сварными переходниками.

При проектировании энергоблоков РБМК, в силу несовершенства расчетных методик, был выбран неоптимальный шаг решетки каналов, что приводило к положительным значениям парового коэффициента реактивности в рабочей области, превышающим долю запаздывающих нейтронов. До аварии на Чернобыльской АЭС используемая методика расчета кривой парового коэффициента реактивности (программа BMP), показывала, что несмотря на положительный ПКР в области рабочих паросодержаний, по мере роста паросодержания эта величина меняет знак, так что эффект обезвоживания оказывался отрицательным. Соответственно состав и производительность систем безопасности проектировалась с учетом этой характеристики. Однако, как оказалось после аварии на Чернобыльской АЭС, расчетное значение парового коэффициента реактивности в областях с высоким паросодержанием было получено неверно: вместо отрицательного, он оказался положительным. Для изменения парового коэффициента реактивности был выполнен ряд мероприятий, в том числе в некоторые каналы вместо топлива установлены дополнительные поглотители. В последующем, для улучшения экономических показателей энергоблоков с РБМК дополнительные поглотители извлекались, для достижения заданных нейтроно-физических характеристик стали применять топливо более высокого обогащения с выгорающим поглотителем (оксид эрбия).

В каждом топливном канале установлена кассета, составленная из двух тепловыделяющих сборок (ТВС) - нижней и верхней. В каждую сборку входит 18 стержневых твэлов. Оболочка твэла заполнена таблетками из двуокиси урана. По первоначальному проекту обогащение по урану-235 составляло 2,8%, но, по мере накопления опыта эксплуатации РБМК, оказалось целесообразным повышать обогащение. Повышение обогащения в сочетании с применением выгорающего поглотителя в топливе позволило увеличить управляемость реактора, повысить безопасность и улучшить его экономические показатели. В настоящее время осуществляется переход на топливо с обогащением 3,0%.

Реактор РБМК работает по одноконтурной схеме. Циркуляция теплоносителя осуществляется в контуре многократной принудительной циркуляции (КМПЦ). В активной зоне вода, охлаждающая твэлы, частично испаряется и образующаяся пароводяная смесь поступает в барабаны-сепараторы. В барабан-сепараторах происходит сепарация пара, который поступает на турбоагрегат. Остающаяся вода смешивается с питательной водой и с помощью главных циркуляционных насосов (ГЦН) подается в активную зону реактора. Отсепарированный насыщенный пар (температура ~284°C) под давлением 70-65 кгс/см² поступает на два турбогенератора электрической мощностью по 500 МВт. Отработанный пар конденсируется, после чего, пройдя через регенеративные подогреватели и деаэратор, подается с помощью питательных насосов (ПЭН) в КМПЦ.

Реакторы РБМК-1000 установлены на Ленинградской АЭС, Курской АЭС, Чернобыльской АЭС, Смоленской АЭС.

1. Выбор и обоснование тепловой схемы турбоустановки

Тепловая схема АЭС реактором РБМК-1000 является одноконтурной. Компоновка энергоблока выполнена из расчёта 1 ядерный реактор на 2 турбоустановки (дубль-блок). Электрическая мощность каждого турбоагрегата составляет 500 Мвт. Тепловая мощность ядерного реактора - 3200 Мвт. Вода контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) с температурой 270⁰С поступает в технологические каналы реактора, где нагревается до температуры насыщения и частично испаряется (среднее объёмное паросодержание на выходе из ТК - 14%). Далее пароводяная смесь поступает в барабан-сепараторы по линиям ПВК. В БС происходит отделение пара от воды, после чего он направляется к блокам СРК турбоагрегатов.

В паре с реактором используются турбины К-500-65/3000. Турбина имеет конструктивное исполнение типа 2ЦНД+ЦВД+2ЦНД. Тепловая схема турбоустановки приведена ниже.

Рис. 1.1. Тепловая схема К-500-65/3000

Таблица 1.1. Параметры свежего пара ТУ К-500-65/3000

Параметры свежего пара ТУ К-500-65/3000.

Турбина имеет 7 основных отборов: 6 на регенерацию и 1 на пароперегреватель первой ступени.

Регенеративный подогрев питательной воды осуществляется в 5 ПНД поверхностного типа и деаэраторе. Все ПНД имеют последовательно к ним предвключённые охладители дренажа. Сброс дренажа подогревателей осуществляется по каскадной схеме в конденсатор. Также схема не имеет ПВД. Данные меры выполнены для того, чтобы уменьшить количество радиоактивного оборудования в схеме и снизить поступление продуктов коррозии в КМПЦ.

2. Расчёт тепловой схемы

Расчёт тепловой схемы турбоустановки будет производится в неявном виде. Для удобства расчётов сначала примем α_с=1 (расход пара на входе в сепаратор), а затем за 1 примем расход питательной воды в барабан-сепаратор.

2.1 Построение процесса расширения в h-s-диаграмме

Рис. 2.1.1. Процесс расширения пара в турбине К-500-65/3000.

Таблица 2.1. Параметры пара в регенеративных отборах турбины

2.2 Расчёт теплообменных аппаратов

Рис. 2.3.1. Схема промежуточного перегрева К-500-65/3000.

Составим уравнение материально-теплового баланса для пароперегревателя 1-ой ступени:

Теперь составим уравнение материально-теплового баланса для пароперегревателя второй ступени:

Значения отборов на промежуточный перегрев найдены в долях от т.е. получаем, что

2.3 Расчет деаэратора питательной воды

В данном разделе будет произведён расчёт долей пара, отбираемого из проточной части турбины на деаэратор, а также долей пара на подогреватели ПНД-5 и ПНД-4, т.к. они питаются греющим паром также из ЦВД, как и деаэратор.

Деаэратор и испаритель уплотнений питаются греющим паром из отбора турбины. Обозначим этот отбор через α₁. Примем тогда, что 47% расхода этого пара идёт на испаритель, тогда расход пара на деаэратор будет равен 0,53 α₁.

Рис. 2.4.1. Схема потоков теплоносителя, входящих в деаэратор

Составим уравнение материально-теплового баланса:

Подставим вместо числовые значения вместо буквенных:

Раскрыв скобки в выражении и приведя подобные слагаемые, мы получим:

Далее рассмотрим схему движения потоков теплоносителя в ПНД-5 и его охладителе дренажа, которая представлена на рисунке ниже:

Рис. 2.4.2. Схема потоков теплоносителя, входящих в ПНД-5 и его ОД

Составим материально-тепловой баланс данной ступени подогрева:

Подставим вместо буквенных значений числовые:

Раскрыв скобки и приведя подобные члены, мы получим следующее уравнение:

Рассмотрим схему движения потоков теплоносителя в ПНД-4 и его охладителе дренажа:

Рис. 2.4.3. Схема потоков теплоносителя, входящих в ПНД-4 и его ОД

Следует отметить, что в ОД данного подогревателя в процессе расчёта было принято решение завести поток дренажа сепаратора.

Составим материально-тепловой баланс ПНД-4:

Подставив в выше приведенное уравнение числовые значения, раскрыв скобки и приведя подобные члены, мы получим уравнение следующего вида:

Для решения этих 3-х уравнений нам необходимо объединить их в систему. В последнем уравнении имеется 4 неизвестных. Для того, чтобы система, составленная из этих уравнений была вырожденная к ним необходимо добавить 4-е уравнение материального баланса, для данного участка системы регенерации, чтобы число неизвестных было равно числу уравнений.

-е уравнение будет иметь следующий вид:

Преобразуем данное уравнение, выразив  и  через :

Система уравнений будет выглядеть следующим образом:

Составим из этой системы квадратную матрицу и решим её методом Гаусса, приведя к треугольному виду:

Решив данную матрицу, получим следующие результаты:

2.4 Расчет системы ПНД

Т.к. в тепловой схеме турбины К-500-65/3000 используется каскадная схема слива дренажа в конденсатор, то расчёт подогревателей ПНД-3, ПНД-2 и ПНД-1 упрощается. При составлении уравнения материально-теплового баланса ступени подогрева у нас будет всего одна неизвестная величина - доля отбираемого пара из проточной части турбины на данный подогреватель.

Рис. 2.5.1. Схема потоков теплоносителя, входящих в ПНД-3 и его ОД

Уравнение материально-теплового баланса выглядит так:

Откуда получаем, что =0,0293.

Уравнение материально-теплового баланса:

Из этого уравнения получаем, что =0,0247.

При расчёте ПНД-1 нам нужно знать энтальпию основного конденсата, после прохождения КН-1, КН-2, а также ОУ и ОЭ.

Энтальпия пара на входе в конденсатор турбины при давлении р_к = 4 кПа и степени влажности пара х=0,93 будет равна h_к=2383,45 кДж/кг. После конденсации энтальпия пара будет равна h_к^´=121,4 кДж/кг.

Необходимо определить повышение энтальпии в КЭН-1. В качестве КЭН-1 используются насосы типа КсВ-1500-120 с , напор составляет .

Среднее давление:

Средняя температура:

Повышение энтальпии в КЭН-1 составляет:

Энтальпия основного конденсата после КЭН-1 составит:

Повышение энтальпии основного конденсата в охладителе эжекторов и охладителе уплотнений равным 10 кДж/кг, т.е.  Тогда энтальпия конденсата на входе в КЭН-2 составит 132,57 кДж/кг.

Определим повышение энтальпии в КЭН-2. В качестве КЭН-2 используются насосы типа ЦН-1500-240 с , напор составляет .

Среднее давление:

Средняя температура:

Удельный объём при данном давлении и температуре:

Повышение энтальпии в КЭН-2 составляет:

Энтальпия основного конденсата после КЭН-2 составит:

Зная энтальпия основного конденсата на входе в первую ступень подогрева, можно приступит к расчёту доли отбора на подогреватель ПНД-1.

Уравнение материально-теплового баланса для ПНД-1 и его ОД:

Из данного уравнения получаем: .

Расходы в отборах турбины в явном виде:

2.6 Определение расхода пара на турбину и энергетический баланс турбоустановки

Для определения расхода пара на турбоустановку воспользуемся следующей формулой:

-приведенный теплоперепад турбоагрегата. Он вычисляется по следующей формуле:

Тогда расход пара в голову турбоагрегата равен:

Данный расход пара составляет  или 0,94 от всего расхода пара на турбоустановку. Расход пара на всю турбоустановку равен:

3. Тепловой расчет ПНД и оптимизация его характеристик

Исходные данные:

. Расход нагреваемой среды, G_в=662,85 кг/с.

2. Температура воды на входе в подогреватель, t_в1 =39ºС.

. Давление пара в отборе, р=0,0258 МПа.

. Температурный напор подогревателя, δt = 2 ºС.

. Скрытая теплота парообразования, кДж/кг r = 2232 кДж/кг.

. Средняя теплоемкость воды, C_p=4,2, кДж/(кг∙ºС).

. Внутренний диаметр труб, м d_вн = 0,018 м.

. Толщина труб, м δ = 0,001 м.

. Теплопроводность материала труб, λ_ст=41,9 Вт/(м∙К).

. Расстояние между перегородками, Н = 1 м.

. Скорость воды в трубах - 2 м/с.

. Стоимость топлива, Ц_т - 60 у. е.

. Удельная стоимость поверхности подогревателя, K_f у. е./м² - 205 у.е.

. Коэффициент ценности теплоты j+1 отбора, ξ_j+1=0,3974.

. Коэффициент ценности j отбора, ξ_j=0,2856.

. Число часов использования мощности блока в году, h_исп=7680 ч;

. КПД реактора, η_яр ≈ 99%.

. КПД теплового потока η_тп ≈ 98%.

. Определение давление греющего пара в подогревателе:

p_под = р - Δp = 0,95p_отб=0,95·0,0258=0,0245 МПа (3.1)

. Температура воды за подогревателем, определяется как разность температуры насыщения пара в отборе и температурного напора:

t_в2 = t_н - δt=66-2=64⁰С (3.2)

3. Тепловая нагрузка подогревателя, МВт:

Q = G_вC_p(t_в2-t_в1)/1000=665,85·4,2·(64-39)/1000=69,6 кВт (3.3)

. Среднелогарифмическая разность температур

. Средняя температура воды в подогревателе:

t_вср = t_н - Δt_ср=66-9,61=56,39⁰С (3.5)

. Физические свойства воды при средней температуре воды в подогревателе

.1. Коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К)

.2. Плотность, кг/м³

.3. Коэффициент динамической вязкости, (кг/м∙К)

.4. Коэффициент кинематической вязкости, (м²/с)

.5. Критерий Прандтля

.6. Коэффициент теплоотдачи от воды к трубкам, Вт/(м²∙К)

. Физические свойства пленки конденсата при температуре насыщения t_k

.1. Коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К)

.2. Плотность, кг/м³

.3. Коэффициент динамической вязкости:

.4. Коэффициент кинематической вязкости, (м²/с):

.5. Критерий Прандтля

.6. Число Рейнольдса

.7 Коэффициент теплоотдачи от воды к трубкам, Вт/(м²∙К)

. Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К)

где λ_ст = 41,9 Вт/(м∙К) - коэффициент теплопроводности материала труб.

. Поверхность подогревателя

.

. Оптимизация температурного напора производится из условия минимума переменной части расчетных затрат:

З_пер = (Е_н+Р_а) К_под + ∆И_т → min

К_под = K_fF

K_f - удельная стоимость подогревателя у. е./м²

F - поверхность, м²

∆И_т - изменение топливных затрат, определяется в зависимости от изменения температурного напора подогревателя, у. е.

∆Q₀ - изменение расхода теплоты на турбину, определяется как

, где

ξ_j - коэффициент ценности теплоты j отбора;

ξ_j+1 - коэффициент ценности теплоты предыдущего по ходу пара (j+1) отбора;

∆Q = G_вС_р∆δt (3.22) - изменение количества теплоты передаваемого воде в j-том подогревателе.

Ниже представим в виде таблицы зависимость изменения переменных издержек от недогрева то температуры насыщения в подогревателе.

Таблица 3.1. Таблица зависимости переменных издержек от недогрева в подогревателе до температуры насыщения

Несмотря на то, что оптимальный недогрев равен 3,5⁰С и соответствующая ему площадь поверхности теплообмена, в качестве ПНД-1 в тепловой схеме турбоустановки К-500-65/3000 выберем ПН-1800-42-8А, для обеспечения недогрева, принятого при расчёте тепловой схемы (2⁰С).

. Общее количество трубок

G - расход нагреваемой воды, кг/ч; v - удельный объем, м³/кг; d_вн - внутренний диаметр трубок, м; с_в - скорость воды в трубках, м/с, z - число ходов воды;

. Диаметр трубной доски:

где t - шаг трубного пучка.

. Длина трубок:

d_н - наружный диаметр трубок, м.

4. Расчет коэффициентов ценности теплоты отборов и анализ технических решений по тепловой схеме

Для оценки принятых в тепловой схеме технических решений наибольшее распространение получил метод расчёта КИМ (коэффициентов изменения мощности - е) и КЦТ (коэффициентов ценности теплоты - ). Они связаны между собой соотношением

ступени регенеративного подогрева делятся на:

·        каскадные - ступени, в которых дренаж греющего пара сбрасывается в корпус нижестоящего подогревателя;

·        узловые - ступени, где происходит процесс смешивания дренажей разных подогревателей.

Для схем АЭС, как и для ТЭС расчетные зависимости для КИМ следующие:

·        для каскадной ступени:

;

·        для узловой ступени:

 или

.

Для схем с паровым промежуточным перегревом, отборы в подогреватели которых берутся из линии промперегрева, формулы для расчёта КИМ следующие:

•        для каскадной ступени:

;

•        для узловой ступени:

 или

.

Расчёт А_ос:

Для улучшения экономичности схемы заменим каскадный сброс дренажа из ПНД-3 на слив с дренажным насосом в линию основного конденсата перед ПНД-3 соответственно.

Выигрыш в мощности, полученный от данного мероприятия будет вычисляться по следующим формулам:

Заключение

При расчёте тепловой схемы турбоустановки К-500-65/3000 были приняты следующие решения:

·        дренаж сепаратора было решено сбрасывать в ПНД-4;

·        дренаж испарителя было решено сбрасывать в корпус ПНД-5;

·        повышение давления в деаэраторе до 0,8 МПа.

Данные решения привели к следующим изменениям:

·        уменьшились отборы пара на регенерацию из ЦВД, как следствие увеличилась его мощность (КЦТ отборов ЦВД выше чем ЦНД).

Литература

1.   Седнин, А.В. Атомные электрические станции. Курсовое проектирование/ А.В. Седнин, Н.Б. Карницкий, М.Л. Богданович. Минск: «Вышэйшая школа», 2010.

2.      Зорин, В.М. Атомные электростанции/ В.М. Зорин. М.: Издательский дом МЭИ, 2012.

.        Рубинштейн, Я.М. Исследование реальных тепловых схем ТЭС и АЭС/ Я.М. Рубинштейн, М.И. Щепетильников. М.:Энергоиздат, 1982.

.        Доллежаль Н.А. Канальный ядерный энергетический реактор. М.: Энергоатомиздат, 1980 г.