Материал: Маргулова Т.Х. Атомные электрические станции (1994 г., 5-е издание)

Однако ядерный перегрев пара на БАЭС потребовал применения в перегревательной части активной зоны реактора нержавеющих аустенитных сталей вместо циркониевых сплавов, соответственно оказалось необходимым повысить обогащение урановой загрузки, что вызвало увеличение топливной составляющей.

Капиталовложения на АЭС существенно выше, чем на ТЭС. Они влияют на стоимость электроэнергии через соответствующую составляющую. Поэтому

конструктивные решения, повышающие тепловую экономичность АЭС, приемлемы лишь в том случае, если уменьшение топливной составляющей превышает рост составляющей от капитальных затрат. Когда это условие не соблюдается, себестоимость 1 кВт · ч электроэнергии увеличивается. Изыскание решений, повышающих тепловую экономичность АЭС без увеличения капиталовложений, является задачей проектирования АЭС.

Капиталовложения влияют не только на себестоимость вырабатываемой электроэнергии, но и имеют самостоятельное значение для решения вопроса о строительстве АЭС, так как речь идет о значительных затратах. Поэтому один из экономических показателей АЭС, так же как и для ТЭС, это стоимость 1 кВт установленной мощности, равная отношению полной стоимости АЭС к ее электрической мощности. В качестве одного из путей для снижения стоимости 1 кВт установленной мощности современная атомная энергетика использует рост единичной мощности основных агрегатов и мощности АЭС в целом. Это — магистральный путь развития энергетики, так как одновременно решаются и такие важные задачи, как ускорение ввода значительных мощностей, и относительно сокращаются трудозатраты на сооружение электростанций.

Г л а в а 4

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ

4.1.Предельный регенеративный цикл

иреализация регенеративного подогрева

втепловых схемах АЭС

В§ 3.2 были показаны преимущества регенеративного подогрева. Чем больше число регенеративных подогревателей, тем выше тепловая экономичность цикла (рис. 4.1). Если число ступеней регенерации будет бесконечно большим и соответственно теплоперепады на в′ б′ может быть заменена кривой в′ б′ . При этом получается цикл аа′ вв′ б с максимально возможной тепловой экономичностью, называемой предельным регенеративным циклом. Из рис. 4.1 видно, что если бы кривая в′ б′ была эквидистантна линия аа′ в, то значения термического КПД предельного регенеративного цикла и КПД цикла Карно при одинаковых значениях начальной и конечной температуре циклов были бы равны. Так как это условие не соблюдается, то термический КПД даже для предельного регенеративного цикла несколько меньше, чем для цикла Карно. Сказанное полностью относится к циклам на насыщенном паре, характерным для АЭС с водным теплоносителем. Так как предельная температура питательной воды после системы регенерации не может быть равна температуре перегрева, то в циклах с перегревом различие между предельным регенеративным циклом и циклом Карно значительнее.

47

Предельный регенеративный цикл, для которого КПД максимален (ηр макс), отвечает бесконечно большому числу ступеней регенерации. В реальных условиях число ступеней является конечным и выбирается по соображениям, изложенным ниже. КПД регенеративного цикла ηp будет меньше чем ηр макс, но

Рис. 4.1. Сопоставление предельного регенеративного цикла и цикла Карно

больше, чем КПД цикла без регенерации ηк . На рис. 4.1, так же как и на рис. 3.5, представлен процесс, при котором все количество пара, поступающего в турбину, направляется последовательно в регенеративные подогреватели и возвращается из них в турбину для продолжения производства работы в ней (рис. 4.2). В реальных условиях такой процесс не осуществляется по двум причинам. Во-первых (и это ясно видно из рис. 3.5 и 4.1), в последних ступенях турбины влажность пара достигла бы весьма большого, недопустимого значения, во-вторых, пропуск полного расхода пара через систему регенерации требует увеличения числа цилиндров турбины, огромного расхода металла на паропроводы больших диаметров и значительных габаритов строительных конструкций АЭС.

Рис. 4.2. Организация регенеративного подогрева питательной воды при отводе в подогреватели полного расхода пара:

1 — парогенератор; 2 — турбина; 3 — конденсатор; 4 — насос; 5 — регенеративные подогреватели

В связи с этим в реальных условиях в регенеративные подогреватели направляют только часть общего расхода пара и в них полностью этот пар конденсируют, без возврата в турбину, что конструктивно предпочтительнее. В термодинамическом отношении отвод полного расхода пара

48

на регенерацию с частичной конденсацией и последующим возвратом его для работы в турбине эквивалентен отбору части пара с его полной конденсацией в регенеративном подогревателе. Однако в последнем случае влажность пара в конце турбины получается существенно меньшей, что благоприятно. Расход пара по ступеням турбины после каждого отбора пара на регенерацию уменьшается. Расход отбираемого пара, являющегося греющим паром подогревателей, обозначают через а в долях от полного расхода пара на турбину, то есть α = D/Do. Нумерацию отборов пара из турбины (1, 2, 3 и т. д.) ведут по ходу пара от головной части машины к конденсатору; подогреватели нумеруют по ходу воды от конденсатора до входа в реактор одноконтурной АЭС или в парогенератор двухконтурной АЭС.

4.2. Тепловая экономичность паротурбинной установки с регенеративным циклом

В зависимости от числа ступеней эффективность регенерации растет, то есть ηp приближается к ηр макс, одновременно изменяется от 0 до 1 степень регенерации σ = (hпв — hк)/(h′ — hк). В первом случае пар на регенеративные подогреватели не подается и hпв = hк, во втором случае hпв = h′ , но это достижимо только при подогреве воды смешением со свежим паром, что также означает отсутствие регенеративного подогрева.

Составим тепловой баланс для 1 кг пара в цикле с регенерацией (без учета влияния питательного насоса, поскольку его значимость в балансе невелика). Тепловой баланс сводится к равенству располагаемой теплоты турбины ho — hпв и работы, произведенной в турбине, суммируемой с отводом теплоты в холодном источнике:

(4.1)

где hпв, ho и hк — энтальпии питательной воды после системы регенерации и пара перед и после турбины соответственно, кДж/кг; αк, αi — расходы пара в конденсатор и в i-й подогреватель в долях от полного расхода на турбину; hi — энтальпия отборного пара, поступающего в i-й подогреватель, кДж/кг; z — общее число регенеративных подогревателей; αк(ho — hк) — работа пара, поступающего в конденсатор, кДж/кг; αi(ho — hi) — работа отборного пара, производимая в турбине, до его отвода в i-й регенеративный подогреватель; αк(hк — h′ к) — отвод теплоты в холодном источнике.

Из (4.1) следует, что абсолютный термический КПД цикла с регенерацией

(4.2)

Отношение суммарной работы в турбине и всех потоков пара, отводимых в z регенеративных подогревателей, к работе, производимой потоком пара, доходящим до конденсатора, называется энергетическим коэффициентом

49

(4.3)

Кроме того, будем иметь в виду, что КПД простейшего конденсационного цикла, то есть в отсутствие регенерации,

(4.4)

Тогда (4.2) легко может быть приведено к виду, удобному для анализа:

(4.5)

Из (4.5) видно, что при Аp>0, то есть для регенеративного цикла, КПД всегда выше, чем при отсутствии регенерации Аp = 0. Чем больше Аp, то есть работа в турбине потоков, отводимых в систему регенерации, тем значительнее отличается КПД регенеративного цикла от КПД простого цикла.

4.3. Оптимальное распределение регенеративного подогрева по ступеням турбины АЭС

и выбор числа подогревателей

Рассмотрим вначале одноступенчатый регенеративный подогрев, приняв, для простоты, его осуществление путем прямого смешения питательной воды или конденсата после конденсатора с отборным паром. На рис. 4.3 представлены схема такого смешивающего регенеративного подогревателя и его расчетные параметры. Для 1 кг питательной воды баланс теплоты

(4.6)

или, подставив αк = 1 — α1 , будем иметь

(4.6а)

Рис. 4.3. Тепловая схема одноступенчатой регенерации:

1 — отвод питательной воды в парообразующую установку; 2 — подвод отборного пара; 3 — смешивающий регенеративный подогреватель; 4 — подвод конденсата из конденсатора

Дополнив левую часть произведением α1hпв , взятым со знаками плюс и минус, получим

50

(4.7)

В условиях известных (заданных) значений энтальпии конденсата и питательной воды КПД регенеративного цикла зависит от выбора энтальпии отборного пара. В самом деле, чем выше h1, тем меньше работа, которая будет произведена отборным паром в турбине, но меньше и расход отбираемого пара. Очевидно, что оптимальным параметрам отборного пара будет отвечать максимальный коэффициент Аp.

Для одноступенчатой регенерации (рис. 4.3)

(4.8)

Реальный процесс в турбине в h, s-диаграмме для рассматриваемого случая представлен на рис. 4.4. Обозначим через Δhп1, количество теплоты, отдаваемой в регенеративном подогревателе 1 кг отборного пара, и через Δhв1 — нагрев 1 кг воды в подогревателе:

(4.9)

Рис. 4.4. Процесс расширения пара в турбине при одноступенчатой регенерации

С учетом этих соотношений вместо (4.7) можно написать

(4.10)

и для αк — соответственно

(4.11)

Подставим эти значения в (4.8), получим

(4.12)

Из (4.9) следует, что

(4.13)

51