теплоэнергетика

Рис. 10.9. Внешний вид котла-утилизатора:

1 – входной патрубок; 2 – трубы, направляющие пар в первый пакет пароперегревателя ВД; 3, 5, 6 – соответственно барабаны высокого, среднего и низкого давлений; 4 – шумоглушители предохранительных клапанов; 7 – выходной патрубок; 8 – трубопроводы пароводяной смеси; 9 – коллекторы испарительных труб контура ВД; 10 – модуль поглощения оксидов азота; 11 – испаритель контура ВД; 12 – нижние коллек-

торы труб поверхностей нагрева

Из барабана пар направляется в пароперегреватель контура НД 9 и далее, после перегрева до определенной температуры– в среднюю часть цилиндра низкого давления паровой турбины. Основная же часть питательной воды из барабана НД поступает

кпитательным насосам среднего и высокого давлений.

Вконтуре среднего давления питательным насосом СД вода подается в экономайзер СД 8, из него – в барабан контура среднего давления 3 и затем в пароперегреватель 11.

171

172

Рис. 10.10. Конструкция и схема поверхностей нагрева горизонтального трехконтурного котла-утилизатора:

1, 3, 5 – барабаны высокого (ВД), среднего (СД) и низкого давлений (НД) соответственно; 2 – модуль поглощения оксидов азота; 4, 6, 16 – испарительные трубы соответственно контуров среднего (СД), низкого (НД) и высокого давлений (ВД); 7 – экономайзер контура НД; 8 – первый пакет труб экономайзера контура ВД и контура СД; 9 – пароперегреватель контура НД (1-й ряд труб); 10 – второй пакет труб экономайзера контура ВД; 11 – пароперегреватель контура СД (1-й ряд труб); 12 – второй пакет промежуточного пароперегревателя контура ВД; 13 – второй пакет пароперегревателя контура ВД; 14 – первый пакет промежуточного пароперегревателя; 15 – первый пакет пароперегревателя высокого давления; 17 – опускная труба; I – вход газов от ГТУ; II – выход газов из котла

172

Отметим, что контур среднего давления генерирует пар, который направляется не в паровую турбину, а на смешение с паром, покинувшим ЦВД паровой турбины. Образовавшаяся смесь направляется в промежуточный пароперегреватель среднего давления, образованный поверхностями нагрева 14 и 12, и из него пар поступает на вход в ЦНД паровой турбины.

В контуре ВД питательный насос высокого давления сжимает воду, поступающую из барабана НД 5, до 12 МПа и подает ее в последовательно расположенные поверхности 8 и 10 экономайзера контура ВД. Из него вода поступает в барабан контура ВД 1, затем по опускным трубам 17 – в испарительные поверхности нагрева, где испаряется, а ПВС направляется в барабан ВД, откуда пар поступает в пароперегреватель ВД, образованный поверхностями 13 и 15. В результате свежий пар покидает контур высокого давления котла и направляется на вход ЦВД паровой турбины.

Таким образом, для трехконтурной схемы ПГУ характерно наличие 3 потоков пара из КУ в паровую турбину. Если сравнить эту схему со схемой ПТУ с промперегревом, то очевидно что 2 потока – острого пара в ЦВД и вторично перегретого в ЦНД – аналогичны и только третий поток пара низкого давления, направляемый в ЦНД в обвод его первых ступеней, является характерным только для трехступенчатых схем ПГУ.

Как уже было отмечено, в утилизационной ПГУ в паротурбинном цикле, включающем котел-утилизатор и паротурбинную установку с конденсатором, вырабатывается примерно третья часть мощности ПГУ. Это, однако, не означает, что паротурбинный контур менее значим для ПГУ, чем газотурбинный. Этот вывод можно сделать, помня, что сама по себе ГТУ, даже с КПД 37 – 38 %, недостаточно конкурентоспособна с обычной паротурбинной ТЭС и именно в паротурбинном контуре ПГУ создается тот добавок мощности и экономичности, который существенно повышает её конкурентоспособность, выводя КПД ПГУ на уровень 55 – 56 % и выше.

Поэтому разработчики оборудования ПГУ идут на все усложнения конструкции котла-утилизатора в стремлении повысить начальные параметры пара на выходе из него и тем самым поднять экономичность паротурбинной установки.

173

10.5. Паровые турбины для ПГУ

Паровые турбины для утилизационных ПГУ обладают рядом особенностей, отличающих их от паровых турбин традиционных паротурбинных блоков.

Вутилизационных ПГУ нет необходимости в системе регенеративного подогрева питательной воды выше 60-65 оС (при работе на природном газе), так как ее повышение приводит к увеличению температуры уходящих газов котла-утилизатора, снижению его КПД и, следовательно, КПД всей ПГУ. Поэтому ПТУ утилизационных ПГУ не имеет системы регенерации, т.е. нерегулируемых отборов пара из турбины. Это, конечно, снижает КПД ПТУ, но выигрыш от использования комбинированного цикла перекрывает это снижение.

Вутилизационных ПГУ котел-утилизатор представляет собой парогенератор, снабжающий паровую турбину несколькими потоками пара разного давления (обычно двумя или тремя). Эти потоки сливаются перед цилиндром низкого давления паровой турбины, и в результате через последние ступени турбины, например, в трехконтурной утилизационной ПГУ проходит пара примерно в 1,5 раза больше, чем поступает в цилиндр высокого давления. Это требует развитой площади выхода пара из турбины.

Наконец, изменение мощности утилизационных ПГУ осуществляется с помощью изменения расхода топлива и воздуха в камеру сгорания ГТУ, вслед за которыми изменяются параметры газов за ГТУ. При этом при полностью открытых регулирующих клапанах паровой турбины перед проточной частью автоматически устанавливаются такие параметры пара (расход, температура и давление), при которых пропускная способность проточной части паровой турбины и парогенерирующая способность котлаутилизатора совпадают.

Иными словами, в нормальных условиях паровая турбина всегда работает в условиях скользящих параметров с полностью открытыми клапанами. Поэтому она не имеет регулирующей ступени, а регулирующие клапаны используются только при пусках, остановках и аварийных режимах.

На рис. 10.11 показана паровая турбина SSТ5-5000 фирмы «Сименс» для двухконтурного парогазового энергоблока с промежуточным перегревом пара мощностью 450 МВт, включающего в себя две ГТУ V94.3А и одну паровую турбину мощностью

140 МВт.

174

Турбина предназначена для работы в холодном климате, когда в конденсаторе целесообразно поддерживать давление

4,5 кПа.

Турбина состоит из двух цилиндров – цилиндра, совмещающего в себе часть высокого давления ЧВД и часть среднего давления ЧСД (ЦВСД), и цилиндра низкого давления (ЦНД).

ЦВСД имеет двухстенную конструкцию. Внутренний корпус выполнен из единой отливки и состоит из внутренних корпусов ЧВД и ЧСД, разделенных промежуточным уплотнением. Внутри этого корпуса помещается цельнокованый ротор ЦВСД. Внешний корпус ЦВСД охватывает внутренний.

ЦНД – двухпоточный, симметричный, с пятью ступенями в потоке. Ротор ЦНД цельнокованый, выполнен из одной поковки.

Все опоры валопровода выносные. Между ЦВСД и ЦНД установлен только один опорный подшипник. Передний подшипник турбины комбинированный, опорно-упорный.

Пар высокого давления из котла-утилизатора через два сто- порно-регулирующих клапана, присоединенных к нижней половине ЦВСД, поступает в камеру, а из нее – в проточную часть ЧВД. Последняя не имеет регулирующей ступени и выполнена с реактивным облопачиванием. Пар, расширившийся в ЧВД, через один патрубок выводится на смешение с паром, идущим из контура среднего давления котла-утилизатора. Образовавшаяся смесь перегревается в промежуточном пароперегревателе и поступает к двум стопорно-регулирующим клапанам ЧСД, расположенным рядом с аналогичными клапанами ЧВД, и из них – в паровпускную камеру ЧСД.

Пройдя реактивную проточную часть ЧСД, пар направляется в пространство между внутренним и внешним корпусами ЦВСД,

аиз него – в единственную ресиверную трубу.

Вресивере к поступившему пару подмешивается пар из контура низкого давления котла-утилизатора, и эта смесь направляется в ЦНД.

Соседнее расположение паровпускных камер ЧСД и ЧВД неслучайно. Оно позволяет локализовать горячий пар высокого и среднего давления в середине ЦВСД, не допуская высоких температурных градиентов, и иметь низкую температуру пара у концевых уплотнений, соседствующих с корпусами холодных опор.

Вперепускной трубе к поступившему из ЦВСД пару подмешивается пар из контура низкого давления котла-утилизатора, и эта смесь направляется в ЦНД. Отработавший в турбине пар из

175

пространства между корпусами поступает в односторонний боковой конденсатор. Конденсатор располагают на нулевой отметке.

Рис. 10.11. Паровая турбина SSТ5-5000: 1 – верхняя половина внешнего корпуса ЦВД; 2 – ротор части высокого давления ЦВСД; 3 – ротор части среднего давления ЦВСД; 4 – перепускная труба между ЦВСД и ЦНД;5 – ротор ЦНД с рабочими лопатками; 6 – выхлопной патрубок;

7 – подшипники; 8 – паровпускная камера ЧСД; 9 – паровпускная камера ЧВД

В России одним из главных производителей паровых турбин для современных парогазовых установок является ЗАО «Уральский турбинный завод», который серьезно занимается вопросами проработки новых решений по паровым турбинам для современных парогазовых установок мощностью от 90 до 900 МВт.

176

В табл. 10.1 представлены разработанные ЗАО «Уральский турбинный завод» проекты паровых турбин для парогазовых установок.

Таблица 10.1. Проекты паровых турбин для парогазовых установок

Все паровые турбины ЗАО «Уральский турбинный завод» снабжены современной микропроцессорной электрогидравлической системой регулирования и защит, состоящей из трех основных частей: гидравлической части, электрической части и электрогидравлических преобразователей (ЭГП), реализующих функции преобразования электрических сигналов управления ЭЧСРиЗ в гидравлические входные сигналы ГЧСРиЗ.

177

Контрольные вопросы

1.Что входит в состав основного оборудования ПГУ утилизационного типа и как осуществляется работа ПГУ?

2.Изобразите простейшую схему ПГУ утилизационного типа и опишите ее работу.

3.Изобразите в T, s - диаграмме термодинамические циклы ГТУ и ПТУ. Как оценить термический КПД ПГУ?

4.Какие основные типы ПГУ в настоящее время существуют?

5.Какой тип ПГУ и при каких условиях может обеспечить наивысшее значение КПД?

6.Почему ПГУ с котлом-утилизатором не имеют в паротурбиной части системы регенеративного подогрева воды или он производится только в одном подогревателе до невысокой темпе-

ратуры tп.в?

7.В чем преимущество ПГУ с двухконтурным котломутилизатором в сравнении с одноконтурной ПГУ?

8.Изобразите принципиальную схему ПГУ с двухконтурным котлом-утилизатором и опишите ее работу.

9.Какие типы котлов-утилизаторов вы знаете?

10.Опишите общую конструкцию одноконтурного котлаутилизатора.

11.В чем отличие котла-утилизатора от энергетического кот-

ла?

12.Какие основные отличия в тепловой схеме паротурбинных установок для утилизационных ПГУ в сравнении с традиционными ПТУ?

13.Какие основные конструкционные отличия имеют паровые турбины для утилизационных ПГУ в сравнении с паровыми турбинами традиционных ПТУ?

14.Почему экономичность паротурбинной установки ПГУ утилизационного типа выше, чем экономичность традиционной ПТУ с энергетическим котлом?

15.Объясните механизм возникновения экономии топлива в утилизационной ПГУ по сравнению с паротурбинной установкой.

178

Раздел 11. Атомные электрические станции

11.1. Ядерная энергия и механизм тепловыделения

11.1.1. Общие сведения

Ядерная энергия освобождается в виде тепловой в процессе торможения продуктов ядерного деления или синтеза атомных ядер, движущихся с большими скоростями, и поглощения их кинетической энергии веществом теплоносителя.

Полная энергия связи – энергия, необходимая для деления ядра на отдельные протоны и нейтроны, или энергия, выделяющаяся при синтезе ядра из отдельных протонов и нейтронов. Если известна масса т ядра, состоящего из Z протонов и (А–Z) нейтронов, то его полную энергию связи определяют по формуле

где mp – масса протона; mn – масса нейтрона; А – массовое число, равное числу протонов и нейтронов в ядре; с – скорость све-

та.

Так, для урана-238(238U)Ecв = 1780 МэВ, для кислорода Есв = 127,2 МэВ, для дейтрона, состоящего из одного протона и одного нейтрона, Есв= 2,2 МэВ.

Удельная энергия связи ядра – энергия, приходящаяся на один нуклон (общее название протона и нейтрона), для большинства ядер (с А = 50...90) примерно постоянна и составляет

8,5 МэВ.

В области тяжелых ядер она уменьшается, достигая значения 7,6 МэВ для урана. Таким образом, наиболее стабильными оказываются элементы с массовыми числами приблизительно от 20 до 200, поэтому энергетически выгодно производить деление тяжелых ядер и синтез легких. Чтобы освобождение ядерной энергии началось, надо подвести некоторую начальную энергию – энергию активации Еа.

11.1.2. Деление ядер нейтронами

Попытки освобождения энергии связи ядра путем бомбардировки его протонами и другими заряженными частицами оказались неудачными из-за противодействия кулоновских сил. Освобождение ядерной энергии стало возможным после открытия английским ученым Чадвиком нейтрона в 1932 г., которое базировалось на основе экспериментов, проводившихся немецкими

179

учеными Бете и Беккером в 1930 г. и французскими учеными Ирен и Фредериком Жолио-Кюри в 1932 г. Не обладая зарядом, нейтрон оказался идеальным снарядом для деления ядер, открытого немецкими учеными Ганом и Штрассманом в 1939 г.

По скорости движения различают медленные (тепловые) нейтроны, энергия которых Еn= 0,03...0,5 эВ (скорость несколько тысяч метров в секунду), промежуточные – Еn= 1...1·103 эВ и

быстрые – Еn = 1·105эВ и более. Энергия активации зависит от вида ядер и применяемых «снарядов». Так, 235U, 233U и 239Рu де-

лятся под действием тепловых нейтронов, a 232Th и 238U – при бомбардировке быстрыми нейтронами.

Не все нейтроны, направляемые на мишень, сталкиваются с ее ядрами, а из столкнувшихся не все вызывают соответствующую реакцию. Если нейтрон не поглощается ядром, а только сталкивается с ним, он теряет часть своей энергии, т.е. замедляется. При замедлении (упругом и неупругом рассеянии энергии) быстрый нейтрон может стать промежуточным, медленным (или тепловым).

Процесс деления ядра проще всего представить с помощью капельной модели. В ядре-капле действуют противоположные силы: электростатическое (кулоновское) отталкивание протонов стремится разорвать ядро-каплю на составные части, а поверхностные силы, обусловленные ядерным взаимодействием нуклонов, противодействуют распаду ядра. Ядро, поглотившее нейтрон, возбуждается и, подобно жидкой капле, начинает колебаться.

Если нейтрон с кинетической энергией WK захватывается делящимся ядром, то образующееся промежуточное ядро приобретает энергию возбуждения Wвозб, равную сумме кинетической энергии и энергии связи поглощенного нейтрона в промежуточ-

ном ядре. Если Wвозб>Еа, то ядро делится, если, напротив, Евозб<Еа, то энергия возбуждения передается какой-либо части-

це, испускаемой ядром. Так как энергия связи существенно зависит от того, является ли число нейтронов в ядре N = A - Z четным или нечетным, Бору удалось вывести правило (правило Бо-

ра), согласно которому ядра с нечетным числом нейтронов (большая Wвозб) в основном делятся тепловыми нейтронами, тогда как ядра с четным числом нейтронов (малая Wвозб) делятся только под действием быстрых нейтронов.

180