🗊Презентация Парогенераторы и теплообменники 1

Парогенераторы и теплообменники 1.1 Место парогенератора в тепловой схеме АЭС

Теплообменным аппаратом называется устройство, предназначенное для передачи теплоты от одного тела (теплоносителя) к другому для осуществления различных технологических процессов - нагревания, охлаждения, кипения, конденсации. Теплоноситель с более высокой температурой будем называть горячим, а теплоноситель с более низкой температурой (воспринимающий теплоту) - холодным. Теплообменным аппаратом называется устройство, предназначенное для передачи теплоты от одного тела (теплоносителя) к другому для осуществления различных технологических процессов - нагревания, охлаждения, кипения, конденсации. Теплоноситель с более высокой температурой будем называть горячим, а теплоноситель с более низкой температурой (воспринимающий теплоту) - холодным.

а - прямоток б - противоток а - прямоток б - противоток

Теплообменники на АЭС подразделяются на основные и вспомогательные. Большая часть теплоты передается основными теплообменниками и именно их характеристики оказывают существенное влияние на коэффициент полезного действия и экономическую эффективность станции в целом основными теплообменниками на АЭС являются парогенератор, промежуточный теплообменник (в случае реализации на станции трехконтурной схемы) и конденсатор. Теплообменники на АЭС подразделяются на основные и вспомогательные. Большая часть теплоты передается основными теплообменниками и именно их характеристики оказывают существенное влияние на коэффициент полезного действия и экономическую эффективность станции в целом основными теплообменниками на АЭС являются парогенератор, промежуточный теплообменник (в случае реализации на станции трехконтурной схемы) и конденсатор.

парогенератор - рекуперативный теплообменный аппарат, передающий тепловую энергию от тепло­носителя к рабочему телу через поверхность теплообмена. парогенератор - рекуперативный теплообменный аппарат, передающий тепловую энергию от тепло­носителя к рабочему телу через поверхность теплообмена.

Парогенератор может включать в себя водяной экономайзер, испаритель, пароперегреватель и промежуточный пароперегреватель. Промежуточный перегрев пара может осуществляться также и в специальных теплообменниках, не входящих в состав парогенератора. Парогенератор может включать в себя водяной экономайзер, испаритель, пароперегреватель и промежуточный пароперегреватель. Промежуточный перегрев пара может осуществляться также и в специальных теплообменниках, не входящих в состав парогенератора.

Парогенераторы можно классифицировать: Парогенераторы можно классифицировать: по роду теплоносителя - с водным, жидкометаллическим, газовым, а также другими теплоносителями; по способу организации движения рабочего тела в испарителе - парогенераторы с многократной естественной циркуляцией, с многократной принудительной циркуляцией, прямоточные парогенераторы; по наличию или отсутствию общего корпуса (кожуха), в котором расположены трубчатые поверхности теплообмена - корпусные (кожухотрубные) и теплообменники типа "труба в трубе";

по количеству корпусов (корпусные парогенераторы): по количеству корпусов (корпусные парогенераторы): однокорпусные - все элементы парогенератора расположены водном корпусе; многокорпусные - отдельные элементы имеют самостоятельные корпуса; секционные - парогенератор состоит из нескольких секций, имеющих общие системы регулирования расхода теплоносителя и рабочего тела; секционно-модульные - секции парогенератора состоят из отдельных модулей, в которых располагаются его элементы.

Парогенераторы также можно подразделять на вертикальные и горизонтальные в зависимости от соотношения вертикального и горизонтального габаритных размеров и особенностей компоновки. Парогенераторы также можно подразделять на вертикальные и горизонтальные в зависимости от соотношения вертикального и горизонтального габаритных размеров и особенностей компоновки.

Типы парогенераторов с различными способами образования пара: а - прямоточный; б - с многократной циркуляцией. Типы парогенераторов с различными способами образования пара: а - прямоточный; б - с многократной циркуляцией. где 1 - коллектор; 2 -экономайзерный участок; 3 - испарительный участок; 4 - пароперегревательный участок: 5 - барабан-сепаратор; 6 - циркуляционный насос; 7 - опускной участок- циркуляционного контура.

Принудительная многократная циркуляция в контуре обеспечивается насосом, а естественная - за счет различия в плотности рабочего тела на опускном и подъемном участках циркуляционного контура. Принудительная многократная циркуляция в контуре обеспечивается насосом, а естественная - за счет различия в плотности рабочего тела на опускном и подъемном участках циркуляционного контура. В первом случае коэффициент кратности циркуляции зависит от расходно-напорной характеристики выбранного насоса (обычно выбирают = 4÷10), а во втором - от высоты подъемного участка, причем величину коэффициента Ки определяют в результате гидродинамических расчетов (обычно получается = 6÷8)

прямоточный парогенератор прямоточный парогенератор При вынужденном движении в вертикальном обогреваемом канале в условиях q=const (q - плотность теплового потока) состояние потока непрерывно изменяется по длине канала. На следующем слайде показана диаграмма режимов течения и соответствующих им областей теплообмена в трубе, на вход которой подается недогретая до температуры насыщения жидкость с таким расходом, что жидкость полностью испаряется к выходу из трубы, т. е. данная труба представляет собой аналог прямоточного парогенератора.

температуры насыщения Ts температуры насыщения Ts температура стенки Tсr < Ts, участок, где кипение отсутствует (область I). кипение жидкости в пристенном слое может происходить в условиях, когда основная масса жидкости недогрета до температуры насыщения (область II). Кипение во всей массе жидкости (область III - зона развитого кипения) начинается после того, как вся жидкость достигнет состояния насыщения. В качестве основных режимов течения в вертикальных каналах обычно выделяют пузырьковый, снарядный, дисперснокольцевой и дисперсный режимы. На слайде эти режимы соответствуют областям III, IV, V и VI. За дисперсным режимом следует область VII течения однофазного пара.

Различные режимы течения, показанные на слайде, характеризуются различными значениями коэффициентов теплоотдачи a. Особенно большие различия наблюдаются на границах между режимами IV-V и V-VI, вследствие чего в стенке трубы возникают большие температурные перепады вблизи этих границ. Границы режимов циклически дрейфуют по длине трубы, что в конечном счете приводит к возникновению циклических температурных напряжений, вызывающих усталость металла труб. Поэтому для труб парогенераторов прямоточного типа необходимо использовать марки сталей, обладающие повышенными прочностными характеристиками. Последнее повышает стоимость конструкции парогенератора (капитальные затраты) и является одним из недостатков аппаратов этого типа. Различные режимы течения, показанные на слайде, характеризуются различными значениями коэффициентов теплоотдачи a. Особенно большие различия наблюдаются на границах между режимами IV-V и V-VI, вследствие чего в стенке трубы возникают большие температурные перепады вблизи этих границ. Границы режимов циклически дрейфуют по длине трубы, что в конечном счете приводит к возникновению циклических температурных напряжений, вызывающих усталость металла труб. Поэтому для труб парогенераторов прямоточного типа необходимо использовать марки сталей, обладающие повышенными прочностными характеристиками. Последнее повышает стоимость конструкции парогенератора (капитальные затраты) и является одним из недостатков аппаратов этого типа.

Второй существенный недостаток прямоточных парогенераторов - отложение солей на внутренней поверхности парогенерирующих труб на границе перехода потока к дисперсному режиму течения, ухудшающее теплоотдачу и увеличивающее гидравлическое сопротивление. Для уменьшения отложения солей приходится ужесточать нормы солесодержания питательной воды для прямоточных парогенераторов, что приводит к увеличению эксплуатационных затрат. Второй существенный недостаток прямоточных парогенераторов - отложение солей на внутренней поверхности парогенерирующих труб на границе перехода потока к дисперсному режиму течения, ухудшающее теплоотдачу и увеличивающее гидравлическое сопротивление. Для уменьшения отложения солей приходится ужесточать нормы солесодержания питательной воды для прямоточных парогенераторов, что приводит к увеличению эксплуатационных затрат.

Еще одним недостатком прямоточного парогенератора является невозможность быстрого изменения его паропроизводительности, т. е. невозможность согласования паропроизводительности парогенератора с мощностью турбины, если последняя быстро изменяется вследствие изменения нагрузки потребителей на электрический генератор. Таким образом, применение прямоточных парогенераторов возможно только в области базовой нагрузки, где потребление электроэнергии постоянно во времени. Еще одним недостатком прямоточного парогенератора является невозможность быстрого изменения его паропроизводительности, т. е. невозможность согласования паропроизводительности парогенератора с мощностью турбины, если последняя быстро изменяется вследствие изменения нагрузки потребителей на электрический генератор. Таким образом, применение прямоточных парогенераторов возможно только в области базовой нагрузки, где потребление электроэнергии постоянно во времени.

Парогенераторы с многократной циркуляцией (МЦ), имеют более сложную конструкцию, так как парогенерирующий комплекс содержит барабан-сепаратор и циркуляционные насосы (в случае организации принудительной циркуляции). Это - основной недостаток парогенераторов с МЦ, зато у них отсутствуют недостатки прямоточных паро­генераторов. Парогенераторы с многократной циркуляцией (МЦ), имеют более сложную конструкцию, так как парогенерирующий комплекс содержит барабан-сепаратор и циркуляционные насосы (в случае организации принудительной циркуляции). Это - основной недостаток парогенераторов с МЦ, зато у них отсутствуют недостатки прямоточных паро­генераторов.

Следует отметить, что барабан-сепаратор, в нижней части которого содержится большое количество воды при температуре насыщения, является своеобразным тепловым аккумулятором, позволяющим в некоторых пределах синхронизировать паропроизводительность парогенератора с мощностью турбоагрегата. Следует отметить, что барабан-сепаратор, в нижней части которого содержится большое количество воды при температуре насыщения, является своеобразным тепловым аккумулятором, позволяющим в некоторых пределах синхронизировать паропроизводительность парогенератора с мощностью турбоагрегата.

Рассмотрим, например, случай увеличения потребительской нагрузки на турбоагрегат. При этом система регулирования числа оборотов ротора турбины автоматически увеличивает открытие парораспределительных клапанов, через которые поступает пар в турбину: растет расход пара из барабана-сепаратора. Это вызывает уменьшение давления в барабане-сепараторе, вследствие чего происходит вскипание находящейся в нем воды, что и компенсирует увеличившийся расхода пара. Возможности синхронизации паропроизводительности парогенератора с МЦ и мощности турбины подобным образом ограничиваются предельными значениями высоты уровня воды в барабане-сепараторе. Рассмотрим, например, случай увеличения потребительской нагрузки на турбоагрегат. При этом система регулирования числа оборотов ротора турбины автоматически увеличивает открытие парораспределительных клапанов, через которые поступает пар в турбину: растет расход пара из барабана-сепаратора. Это вызывает уменьшение давления в барабане-сепараторе, вследствие чего происходит вскипание находящейся в нем воды, что и компенсирует увеличившийся расхода пара. Возможности синхронизации паропроизводительности парогенератора с МЦ и мощности турбины подобным образом ограничиваются предельными значениями высоты уровня воды в барабане-сепараторе.

Для осуществления цикла насыщенного пара парогенератор без барабана-сепаратора (т. е. прямоточный) не применим из-за описанных выше особенностей дрейфа границ режимов течения в прямоточных трубах. Для осуществления цикла насыщенного пара парогенератор без барабана-сепаратора (т. е. прямоточный) не применим из-за описанных выше особенностей дрейфа границ режимов течения в прямоточных трубах.

1 – тракт теплоносителя; 1 – тракт теплоносителя; 2 – вторая ступень водяного экономайзера; 3 – тракт рабочей среды; 4 – испаритель; 5 – первая ступень водяного экономайзера.

1 – реактор; 3 парогенератор; 4 – паровая турбина; 1 – реактор; 3 парогенератор; 4 – паровая турбина; 5 – турбинный сепаратор; 6 – конденсатор; 7 – конденсатный насос; 8 – подогреватели низкого давления; 9 – деаэраторный бак; 10 – деаэраторная колонка; 11 - питательный насос; 12 – подогреватели высокоголавления; 14 – циркуляционный насос; 15 - конденсатоочистка.

Водно-паровой цикл Ренкина с регенерацией теплоты:

Тепловая схема идеальной установки: 1 — паропроизводительная установка, 2 — турбина, 3 — конденсатор, 4 — насос, 5 — регенеративные подогреватели, 6 — отводы и подводы пара к турбине; Тепловая схема идеальной установки: 1 — паропроизводительная установка, 2 — турбина, 3 — конденсатор, 4 — насос, 5 — регенеративные подогреватели, 6 — отводы и подводы пара к турбине;

а — парогенераторная установка с пароперегревателем и водяным экономайзером; а — парогенераторная установка с пароперегревателем и водяным экономайзером; б — парогенераторная установка без перегрева пара и без водяного экономайзера; в— парогенераторная установка без перегрева пара с водяным экономайзером; 1— реактор;2 — главный циркуляционный насос; 3 — испаритель;4 — водяной экономайзер; 5 — пароперегреватель

Чем больше тем меньше потребная величина поверхности нагрева парогенератора и его стоимость, а следовательно, и стоимость установленного киловатта. Однако чем больше тем меньше рабочее давление пара и тем ниже тепловая экономичность станции. Чем больше тем меньше потребная величина поверхности нагрева парогенератора и его стоимость, а следовательно, и стоимость установленного киловатта. Однако чем больше тем меньше рабочее давление пара и тем ниже тепловая экономичность станции.

Этапы теплового расчета Целью теплового расчета парогенератора является определение размеров теплопередающей поверхности, обеспечивающих передачу необходимого количества теплоты от горячего теплоносителя к холодному.

Тепловой расчет обычно включает в себя две основные части: в первой части определяются тепловая мощность парогенератора, количества теплоты, передаваемые на различных участках парогенератора, и температурные напоры на участках; во второй - производится расчет конструктивных параметров и коэффициентов теплопередачи. Тепловой расчет обычно включает в себя две основные части: в первой части определяются тепловая мощность парогенератора, количества теплоты, передаваемые на различных участках парогенератора, и температурные напоры на участках; во второй - производится расчет конструктивных параметров и коэффициентов теплопередачи.

Себестоимость киловатт-часа электроэнергии можно представить как Себестоимость киловатт-часа электроэнергии можно представить как

Определим влияние параметров теплообмена, теплофизических свойств и различных геометрических величин на себестоимость электроэнергии. Как известно, необходимая площадь поверхности парогенератора F зависит от его мощности коэффициента теплопередачи К и температурного напора Определим влияние параметров теплообмена, теплофизических свойств и различных геометрических величин на себестоимость электроэнергии. Как известно, необходимая площадь поверхности парогенератора F зависит от его мощности коэффициента теплопередачи К и температурного напора коэффициент теплопередачи

Как видно из формулы (2.2), увеличение коэффициента теплопередачи проводит к уменьшению размеров теплопередающей поверхности и, соответственно, к уменьшению капитальных затрат Cкап, другой стороны, увеличение К обычно достигается за счет повышения скорости теплоносителя, что увеличивает эксплуатационную составляющую Сэксп. Из формулы (2.2) видно также, что увеличение температурного напора Т приводит к уменьшению капитальных затрат. Как видно из формулы (2.2), увеличение коэффициента теплопередачи проводит к уменьшению размеров теплопередающей поверхности и, соответственно, к уменьшению капитальных затрат Cкап, другой стороны, увеличение К обычно достигается за счет повышения скорости теплоносителя, что увеличивает эксплуатационную составляющую Сэксп. Из формулы (2.2) видно также, что увеличение температурного напора Т приводит к уменьшению капитальных затрат.

Однако в случае низкотемпературного реактора, когда температура горячего теплоносителя ограничена сверху (например, ВВЭР), увеличения Т можно достичь, уменьшая температуру холодного теплоносителя. При этом уменьшается средняя температура рабочего тела термодинамического цикла при подводе тепла, т. е. уменьшается КПД брутто АЭС, что приводит к увеличению топливной составляющей себестоимости электроэнергии. Однако в случае низкотемпературного реактора, когда температура горячего теплоносителя ограничена сверху (например, ВВЭР), увеличения Т можно достичь, уменьшая температуру холодного теплоносителя. При этом уменьшается средняя температура рабочего тела термодинамического цикла при подводе тепла, т. е. уменьшается КПД брутто АЭС, что приводит к увеличению топливной составляющей себестоимости электроэнергии.

j - индекс, определяющий участок, а полное значение поверх­ности теплообмена парогенератора: j - индекс, определяющий участок, а полное значение поверх­ности теплообмена парогенератора: В первом соотношении на слайде неизвестны все величины. В 1-й части теплового расчета необходимо определить значения и Запишем уравнения теплового баланса для всего парогенератора и его отдельных элементов. Так как теплопередача не может осуществляться без потерь теплоты, введем коэффициент ее использования принимая во внимание, что количество теплоты полученное холодным теплоносителем, определяется как

Учитывая, что в оптимальном режиме работы парогенератора падение давления теплоносителей (т. е. гидравлическое сопротивление) должно быть небольшим по сравнению с абсолютным давлением в парогенераторе, можно считать процесс передачи теплоты изобарным и. следовательно, количество переданной теплоты равно изменению энтальпии теплоносителя. Таким образом, для всего парогенератора тепловой баланс определяется уравнением Учитывая, что в оптимальном режиме работы парогенератора падение давления теплоносителей (т. е. гидравлическое сопротивление) должно быть небольшим по сравнению с абсолютным давлением в парогенераторе, можно считать процесс передачи теплоты изобарным и. следовательно, количество переданной теплоты равно изменению энтальпии теплоносителя. Таким образом, для всего парогенератора тепловой баланс определяется уравнением

Для практических расчетов уравнения теплового баланса записываются для каждого теплоносителя отдельно на участках, где теплоносители не изменяют свое агрегатное состояние: Для практических расчетов уравнения теплового баланса записываются для каждого теплоносителя отдельно на участках, где теплоносители не изменяют свое агрегатное состояние:

T-Q - диаграмма парогенератора T-Q - диаграмма парогенератора Выбор уровня температур в парогенераторе и температурных напоров производится с помощью T-Q-диаграммы. T-Q-диаграммой парогенератора (теплообменника вообще) называется график зависимости температур горячего и холодного теплоносителей от количества переданной теплоты. Так как при относительном движении теплоносителей по схеме "прямоток" уровень температуры холодного теплоносителя на выходе из теплообменника ниже (т. е. значение КПД меньше), чем при движении по схеме "противоток", в атомной энергетике, как правило, используют "противоток". Рассмотрим T-Q-диаграмму для участка теплообменника, в пределах которого теплоносители не изменяют своего агрегатного состояния.

T-Q-диаграмма теплообменника типа "противоток" T-Q-диаграмма теплообменника типа "противоток"

Проведем анализ случая, когда прямые, описывающие изменение температуры теплоносителей параллельны друг другу, т.е. температурный напор не изменяется по длине участка. В этих условиях, как видно из соотношений Проведем анализ случая, когда прямые, описывающие изменение температуры теплоносителей параллельны друг другу, т.е. температурный напор не изменяется по длине участка. В этих условиях, как видно из соотношений

Если то прямые, описывающие уровни температур теплоносителей не параллельны, а комплекс не равен единице. Если то прямые, описывающие уровни температур теплоносителей не параллельны, а комплекс не равен единице. При этом рекомендуемые диапазоны, приведенные в таблице, применяются для выбора величины а в формулу необходимо подставлять величину расчетного температурного напора определяемую по формуле:

Q-T-диаграмма прямоточного парогенератора Q-T-диаграмма прямоточного парогенератора На Q-T-диаграмме прямоточного парогенератора присутствуют все, отмеченные в предыдущих разделах, участки, отличающиеся значениями теплофизических величин и параметров теплообмена: экономайзерный, испарительный и пароперегревательный. При выполнении предыдущих разделов курсового проекта были выбраны термодинамический цикл АЭС, тип турбоагрегата, рассчитаны КПД брутто станции и мощность одного парогенератора. Параметры турбины, ввиду сложности ее конструкции, оптимизируются в процессе проектирования, поэтому значения температуры питательной воды и давления пара на входе в турбину р0 определяются ее паспортными данными.

Температура пара на входе в турбину Т0принимается по паспорту турбины только при условии, что максимальная температура горячего теплоносителя, т. е. достаточна для обеспечения величины температурного напора на конце пароперегревательного участка (т. е. ) не меньше, чем рекомендуется в таблице. В противном случае значение Т0 определяется в результате оптимизации температурного напора Температура пара на входе в турбину Т0принимается по паспорту турбины только при условии, что максимальная температура горячего теплоносителя, т. е. достаточна для обеспечения величины температурного напора на конце пароперегревательного участка (т. е. ) не меньше, чем рекомендуется в таблице. В противном случае значение Т0 определяется в результате оптимизации температурного напора

При этом, очевидно, величина Т0 получается меньше, чем указано в паспорте турбины. При этом, очевидно, величина Т0 получается меньше, чем указано в паспорте турбины. Построение диаграммы начинают с того, что по оси абсцисс откладывают величину тепловой мощности парогенератора Линия, характеризующая изменение температуры горячего теплоносителя строится, в случае высокотемпературных реакторов, непосредственно по заданным значениям температуры на входе и выходе .

Если же температура не задана, то она может быть определена в результате оптимизации: при фиксированных значениях и р0 уменьшение приводит, с одной стороны, к уменьшению необходимого для передачи заданной тепловой мощности расхода теплоносителя, т. е. к уменьшению эксплуатационной составляющей себестоимости электроэнергии, а с другой сто­роны - к уменьшению температурного напора на всех участках, вследствие чего в соответствии с формулой увеличивается необходимая площадь поверхности теплообмена, т. е. растет капитальная составляющая. Если же температура не задана, то она может быть определена в результате оптимизации: при фиксированных значениях и р0 уменьшение приводит, с одной стороны, к уменьшению необходимого для передачи заданной тепловой мощности расхода теплоносителя, т. е. к уменьшению эксплуатационной составляющей себестоимости электроэнергии, а с другой сто­роны - к уменьшению температурного напора на всех участках, вследствие чего в соответствии с формулой увеличивается необходимая площадь поверхности теплообмена, т. е. растет капитальная составляющая.

Если на АЭС установлен низкотемпературный реактор, то задается обычно величина , соответствующая допустимой температуре теплоносителя для данного типа реактора. Вторая температура горячего теплоносителя определяется после построения линии холодного теплоносителя в результате оптимизации минимального значения температурного напора на экономайзерном участке в соответствии с рекомендациями, приведенными в таблице. Давление пара в парогенераторе должно быть на 5% выше паспортного начального давления турбины для компенсации падения давления в потоке пара при его транспортировке по трубопроводу от парогенератора к турбине. Зная давление в парогенераторе , можно определить температуру насыщения которая является температурой холодного теплоносителя на испарительном участке. Если на АЭС установлен низкотемпературный реактор, то задается обычно величина , соответствующая допустимой температуре теплоносителя для данного типа реактора. Вторая температура горячего теплоносителя определяется после построения линии холодного теплоносителя в результате оптимизации минимального значения температурного напора на экономайзерном участке в соответствии с рекомендациями, приведенными в таблице. Давление пара в парогенераторе должно быть на 5% выше паспортного начального давления турбины для компенсации падения давления в потоке пара при его транспортировке по трубопроводу от парогенератора к турбине. Зная давление в парогенераторе , можно определить температуру насыщения которая является температурой холодного теплоносителя на испарительном участке.

Таким образом, имеем значения температуры холодного теплоносителя на концах участков: Таким образом, имеем значения температуры холодного теплоносителя на концах участков: