Определение последовательности расположения элементов парогенератора по ходу теплоносителя и характера взаимного направления течения сред в элементе

1 — экономайзер; 2 — испаритель; 3 — пароперегреватель

Рисунок 2.-Принципиальная схема включения элементов парогенератора по принципу противотока по отношению к теплоно­сителю

В отдельных случаях бывают определенные отклонения, но они не характерны. Например, в первые го­ды развития атомной энергетики в Англии достаточно широко велось строительство парогенераторов, вырабатывающих пар двух давлений (теплоноситель —углекислый газ низкого давления, Рис.3). Со стороны теплоносителя поверхности нагрева всех элементов всегда (за исключением того случая, ко­гда теплоносителем является насыщенный пар) омываются однофазной средой.

1— водяной экономайзер ступени низкого давления II ступени; 2 — первая секция водяного экономайзера высокого давления I ступени; 3 — испаритель II ступени; 4 — пароперегреватель II ступени; 5 —2-я секция водяного экономайзера I ступени; 6— испаритель I ступени; 7 — пароперегреватель I ступени

Рисунок 3- Схема включения элементов в парогенераторе двух давлений (ступени нумеруются по ходу движения теплоносителя)

Движение среды однократное, принудительное, происходит за счет работы циркуляционного насоса I контура (вода под давлением, жидкометаллический теплоноситель) или газодувки (га­зовый теплоноситель). Со стороны рабочего тела отдельно выделенные экономайзерные и пароперегревательные поверхности омываются также средой однофазной (соответственно водой под давлением и паром). Рабочее тело в этих элементах также имеет однократное при­нудительное движение. Испарительные поверхности нагрева работают при наличии двухфазно­го потока среды. В элементах, с обеих сторон омываемых однофазной средой предпочтитель­ным является противоточноеомывание средами поверхности нагрева. При противотоке среднелогарифмическая разность температур имеет наибольшее значение следовательно, требуются меньшие затраты металла для передачи заданного количества, тепла. Однако в паропере­гревателях парогенераторов с высокотемпературным теплоносителем по соображениям надежности, безопасности и технико-экономических показателей работы включение сред, омываю­щих поверхность нагрева, может производиться либо по принципу смешанного тока, либо прямотока. В случае таких включений участки пароперегревательных труб, омываемые со сто­роны рабочего тела наиболее высокотемпературным паром, воспринимают тепло от теплоноси­теля, уже частично охладившегося, температура стенки металла при этом на выходных участ­ках не столь высока, как при противотоке. Это позволяет использовать менее дорогостоящие материалы и повышать надежность работы парогенератора при их использовании. В испарительной поверхности нагрева, со стороны рабочего тела омываемой двухфазной сре­дой (с температурой, равной температуре насыщения), направление взаимного течения сред не имеет принципиального значения; на величину температурного напора влияния не оказыва­ет.

Выбор характера омывания испарительной поверхности нагрева

Рабочим телом

Определение характера омывания поверхности нагрева рабочим телом производится только применительно к испарительным поверхностям нагрева. Как отмечалось выше, экономайзерные поверхности (если они выделены как самостоятельные) и пароперегревательные (всегда) имеют однократный принудительный характер омывания рабочим телом вне зависимо­сти от того. Протекает ли рабочее тело по трубам или в межтрубном пространстве. Испарительные поверхности по характеру омывания рабочим телом разделяются на следую­щие:

1. Поверхностинагрева с естественной циркуляцией.

2. Поверхности с многократной принудительной циркуляцией.

3. Поверхности с безнапорным движением рабочего тела при кипении в большом объе­ме.

4. Прямоточные испарительные поверхности нагрева.

При выборе характера омывания рабочим телом поверхности нагрева в основе лежат следую­щие основные соображения. При многократном движении рабочей жидкости вдоль поверхно­сти нагрева (как при естественной циркуляции, так при многократном принудительном движе­нии и безнапорном движении пароводяной смеси в парогенераторах с поверхностью нагрева погружного типа) при нормально организованном режиме эксплуатации парогенератора (что определяется культурой эксплуатации) надежной конструкции величина массового расходногопаросодержания не бывает, как правило, больше 20% (кратность циркуляции К_Ц =  = 5)

При таких паросодержаниях не наступает ухудшенный теплообмен, поверхность нагрева по всей длине испарительных труб работает с интенсивной теплоотдачей, характерной для случаев отдачи тепла от стенки к кипящей жидкости при наличии жидкой пленки у теплопередающей стенки. Такие режимы течения характерны для парогенераторов АЭС с многократной циркуля­цией. При массовых расходных паросодержаниях порядка 20% и соблюдении нормируемого качества питательной и парогенераторной воды интенсивный характер отложений не имеет места, так как содержание примесей в парогенераторной воде может поддерживаться на задан­ном уровне ниже предела растворимости. Поддержание на заданном уровне примесей произво­дится за счет организованного вывода части парогенераторной воды в виде непрерывной про­дувки с целью ее очистки на ионообменных фильтрах. В парогенераторах с многократной цир­куляцией возможны коррекционные методы ведения водного режима, позволяющие поддержи­вать физико-химические характеристики воды, сводящие к минимуму процессы образования отложений и коррозии. Несмотря на то что содержание примесей, уносимых с паром, в пароге­нераторах подобного типа имеет два вида выноса примесей (в виде истинно растворенных в парорастворе веществ и за счет механического уноса), имеются действенные пути борьбы с за­грязнениями пара (повышение качества парогенераторной воды за счет продувки, промывка пара). Отмеченные преимущества парогенераторов с многократной циркуляцией рабочего тела вдоль поверхности нагрева характерны как для парогенераторов с естественной циркуляцией, с многократной принудительной, так и для парогенераторов погружного типа.

Однако каждый из отмеченных видов организации движения рабочего тела в испарителе имеет свои специфические особенности, положительные и отрицательные. Парогенераторы этих ви­дов в качестве обязательного элемента должны иметь разделительное сепарационное устройство, которым в подавляющем большинстве является отдельно вынесенный разделительный ба­рабан-сепаратор. В парогенераторах погружного типа барабан-сепаратор совмещен с корпусом парогенератора, в котором размещены поверхности нагрева. В парогенераторах с естественной циркуляцией не требуется затрат электроэнергии для перекачивания рабочего тела вдоль испа­рительной поверхности. Эта, несомненно, положительная сторона организации движения рабо­чего тела в испарительной поверхности нагрева имеет место также в парогенераторах погруж­ного типа.

К отрицательным сторонам парогенераторов с естественной циркуляцией относятся необходи­мость развития поверхности в высоту с целью увеличения движущего напора Р_ДВ. и жесткие требования к снижению гидравлических сопротивлений при движении рабочей жидкости (в подъемных трубах) для увеличения полезного напора Р_ПОД(Р_ПОД⁼Р_ДВ. – ΔР_ПОД ). Иными сло­вами, к парогенераторам с естественной циркуляцией предъявляются жесткие требования с точки зрения компоновки поверхностей нагрева. Эти требования повышаются с ростом давле­ния генерируемого одра, так как три этом плотности воды и пара, следовательно и пароводяной смеси, сближаются, что сказывается на величине движущего напора Р_ДВ=hg(p'-p_ом), гдеh—высота поверхности нагрева, м;g— ускорение силы тяжести, м/с² , р' — плотность воды на ли­нии насыщения, кг/м³, р_ом — средняя для подъемной системы плотность пароводяной смеси, кг/м³.

При достижении определенных давлений даже при большом развитии поверхностей в высоту оказывается невозможным получить значения полезного напора, способного преодолеть сопро­тивление движению рабочего тела в опускных трубах. Применять естественную циркуляцию для движения рабочего тела в испарителе можно при давлениях не выше 13 МПа. К характер­ным особенностям парогенераторов с многократной принудительной циркуляцией следует от­нести менее жесткие требования к компоновке испарительных поверхностей парогенераторов, так как движение рабочего тела происходит за счет работы насоса, которая связана с потреб­лением электрической энергии (последнее обстоятельство является отрицательной стороной). Однако определенные требования к компоновке поверхностей нагрева, развитию поверхностей нагрева в высоту и в этих парогенераторах имеют место. Они связаны с необходимостью обес­печить надежную работу насоса, которая обеспечивается наличием нивелирного подпора на всасе насоса и разностью плотностей воды и пара (что также вызывает ограничения по верхне­му значению допустимого давления). Парогенераторы погружного типа ограничены по давлению по двум основным причинам: в парогенераторах горизонтального типа ввиду совмещения в одном корпусе испарительных поверхностей нагрева и сепарационных устройств получаются большие диаметры корпуса; при больших диаметрах в случае высоких давлений получаются большие толщины стенок.

В том случае, если испарительные поверхности нагрева выполняются прямоточными (одна- кратное принудительное движение приK_ц=1),движение пароводяной смеси происходит прину­дительно за счет работы насоса, связано с затратой электроэнергии на перекачку. Парогенера­торы с испарителями прямоточного типа не имеют ограничений по давлению, они могут быть использованы при любых давлениях, в том числе и сверхкритических. Они имеют относитель­ную свободу в отношении компоновки, однако эта свобода компоновки не безгранична. Одним из ее ограничений является необходимость обеспечить отсутствие межвитковой пульсации.

Несмотря на то, что в парогенераторах прямоточного типа загрязнение пара примесями происходит только за счет истинной растворимости веществ в паре (нет механического уноса при нормальном режиме работы), какие-либо пути борьбы за чистоту пара, кроме повышения качества питательной воды, отсутствуют. По мере движения рабочего тела вдоль испаритель­ной поверхности нагрева в процессе генерации пара происходит непрерывное перераспределе­ние примесей между водой и паром. Концентрация примесей воды в процессе упаривания не­прерывно возрастает, однако растет и содержание примесей в паре, который постоянно кон­тактирует с водой, содержащей большие количества примесей. При достижении определенных значений массовых расходных паросодержаний х_I парогенераторная вода начинает становиться пересыщенной в различные периоды по отношению к одной, затем другой и, наконец, ко всем примесям. Все примеси из числа внесенных с питательной водой, которые не выносятся в виде истинно растворенных с паром, выпадают в отложения в зоне доупаривания. В этой зоне имеет место ухудшенный теплообмен стенкис рабочим телом из-за подсыхания пленки жидкости у стенки, вызывающий рост температуры стенки. Снижение интенсивности отдачи тепла происходит также из-за увеличенного термического сопротивления многослойной пленки в результа­те повышенного термического сопротивления отложений.

Прямоточные поверхности испарителя требуют повышенного внимания к выбору конструкци­онных материалов, с одной стороны, по той причине, что в области доупаривания при высоко­температурных теплоносителях могут быть достигнуты температуры стенкиt_сп, превышающие допустимую температуру стенки для данного материала t_доп, с другой — по той причине, что в процессе доупаривания концентрации примесей достигают высоких значений. Особенно это опасно в случае применения нержавеющих сталей аустенитного класса, которые имеют особый вид коррозионного разрушения — коррозионное растрескивание элементов, работающих под напряжением при повышенном содержании хлор-иона, особенно в присутствии кислорода.